礦井通風與安全
中國礦業大學
第五章 掘進通風
5.1 掘進通風方法
5.2 掘進工作麵所需風量的計算
5.3 掘進通風設備的選擇
5.4 掘進通風技術管理和安全措施
掘進通風的概念
礦井新建、擴建或生產時，都要掘進巷道，在掘進過程中，為了稀釋和排出自煤(岩)體湧出的有害氣體、爆破產生的炮煙和礦塵，以及創造良好的氣候條件，必須對獨頭掘進工作麵進行通風。
5.1 掘進通風方法
5.1.1 總風壓通風方法
這種方法不需增設其它動力設備，直接利用礦井主扇造成的風壓對掘進巷道和工作麵進行通風．為了將新鮮風流引入工作麵並排出汙風，必須采用擋風牆、風幛和風筒等導風設施。優點是安全可靠，管理方便，但要有足夠的總風壓。
1.利用縱向風牆導風
風牆的構築可用磚、石風牆，木板牆及帆布，塑料等柔性風幛。後兩種漏風大，隻適用於短距離的導風。磚、石風牆漏風小，導風距離可超過 500m；牆需有一磚至一磚半厚，並用砂漿勾縫。在圖中1為縱向風牆，2為帶有調節風窗的調節風門，以便行人和調節導入掘進工作麵的風量。
2.利用風筒導風
采用風筒導風需設置擋風牆2，牆上開有風窗的調節風門3。
3.利用平行巷道通風
在掘進主巷的同時，距主巷10～20m另掘一條平行的配風巷，主、配巷之間按一定距離開掘聯絡眼，前一個聯絡眼掘通後，後一個聯絡眼便密封。主巷進風，配巷回風。兩條平行的獨頭巷道可用風幛或風筒導風。
5.1.2 使用局部動力設施的通風法
當總風壓不能滿足掘進通風的要求時，借助專門的動力設備對掘進巷道進行局部通風。局部動力設施主要有引射器和局部通風機。
1．引射器通風
引射器的通風原理是利用壓力水或壓縮空氣經噴嘴高速射出產生射流。周圍的空氣被卷吸到射流中，為了減少射流與卷吸空氣間衝擊損失，空氣和射流在混合管內摻混，整流後共同向前運動，使風筒內有風流不斷流過。
優點與缺點
引射器通風具有設備簡單、安全、水引射器有利於除塵和降溫(水溫低時)的優點。
但產生的風壓低，送風量小（20～200 m3/min)，效率低，費用高，隻有在用水砂充填采煤法的礦井中，才可順便使用水風扇引射器。為滿足掘進通風的風壓與風量要求，可用多噴咀進行串聯通風。
2. 局部通風機通風
局部通風機通風是礦井廣泛采用的掘進通風方法，按其工作方式分為壓入式、抽出式和混合式三種。
1)壓入式通風
局部通風機和啟動裝置安裝在離掘巷道口10m外的進風側，局部通風機把新鮮風流經風筒壓送到掘進工作麵，汙風沿巷道排出。
工作麵爆破後，煙塵充滿迎頭形成炮煙拋擲區。風流由風筒射出後，按紊動射流的特性使炮煙被卷吸到射出的風流中，二者摻混共同向前移動。
風流從風筒出口到轉向點的距離叫有效射程lj，風筒出口與工作麵的距離不能超過有效射程，否則會在工作麵附近出現煙流停滯區。壓入式風筒出口到工作麵的距離lp約為：
lp ≤ lj ＝(4～5)S，m（S——掘進巷道淨斷麵積，m2)
2)抽出式通風
這種通風方式是把局部通風機安裝在離巷道口10m以外的回風側。新鮮風流沿巷道流入，汙風通過鐵風筒由局部通風機排出。
這種通風方式在風筒吸口附近形成一股流入風筒的風流，離風筒越遠風速越小，隻能在一定距離以內有吸入炮煙的作用，這段距離稱為有效吸程ls。在有效吸程以外的炮煙處於停滯狀態。因此，抽出式風筒口離工作麵的距離le應小於有效吸程：
le ≤ ls ＝1.5S，m
壓入式通風與抽出式通風優缺點比較：
(1) 抽出式通風時，汙濁風流必須通過局部通風機，極不安全。而壓入式通風時，局部通風機安設在新鮮風流中，通過局通風機的為新鮮風流，故安全性高，
(2)抽出式通風有效吸程小，排出工作麵炮煙的能力較差：壓入式通風風筒出口射流的有效射程大，排出工作麵炮煙和瓦斯的能力強。
壓入式通風與抽出式通風優缺點比較：
(3)抽出式通風由於炮煙從風筒中排出，不汙染巷道中的空氣，故勞動衛生條件好。壓入式通風時炮煙沿巷道流動，勞動衛生條件較差，而且排出炮煙的時間較長。
(4)抽出式通風隻能使用剛性風筒或帶剛性圈的柔性風筒，壓入式通風可以使用柔性風筒。
從以上比較可以看出，兩種通風方式各有利弊。但壓入式通風安全可靠性較好，故在煤礦中得到廣泛應用。
3 混合式通風
混合式通風的布置如圖所示。其中壓入式風筒出風口與工作麵的距離仍應小於有效射程長度，抽出式風筒吸風口與工作麵的距離和壓入式局部通風機所在位置有關。
壓入式局部通風機可隨工作麵的推進及時向前移動，與工作麵距離保持在40～50米左右。
4 可控循環通風
當局部通風機的吸入風量大於全壓供給設置通風機巷道的風量時，則部分由局部用風地點排出的汙濁風流，會再次經局部通風機送往用風地點，故稱其為循環風。
循環通風分為摻有適量外界新風的循環通風和不摻有外界新風的循環通風。前者即為可控循環通風，也稱為開路循環通風；後者稱為閉路循環通風。
煤礦掘進工作麵連續不斷地湧出瓦斯等有害氣體，當使用閉路循環係統時，因無任何出口除去有害氣體，封閉循環區域中汙染物濃度必然會越來越大。因此，《規程》嚴禁采用循環通風。
放炮後，同時開動風機1和3，用很短的時間把炮煙排走。
這種平時隻開一台風機，排炮煙時才開兩台風機的閉路循環通風方式，能節約電能。它僅適用於需要除塵和排炮煙的掘進巷道通風，故在冶金礦山中應用較多。
可控循環局部通風的優點：
1) 采用混合式可控循環通風時，掘進巷道風流循環區內(即從後置風筒口至掘進工作麵)的風速較高，避免了瓦斯層狀積聚，同時也降低了等效溫度，改善了掘進巷道中的氣候條件。
2) 當在局部通風機前配置除塵器時，可降低礦塵濃度。
3) 在供給掘進工作麵相同風量條件下，可降低通風能耗。
可控循環局部通風的缺點
1) 循環風流通過運轉風機的加熱，再返回掘進工作麵，使風溫上升；
2) 流經局部通風機的風流中含有一定濃度的瓦斯和粉塵，因此必須研製新型防爆除塵風機。
3) 當工作麵附近發生火災時，煙流會返回掘進工作麵，故安全性差，抗災能力弱。災變時，有應立即控製有循環風流通過的風機，停止循環通風，恢複常規通風。
因此，對使用可控循環通風提出下列要求：
1) 在可控循環通風係統中，必須裝有瓦斯、風量、粉塵自動監測裝置及報警裝置，必須進行常規環境檢測分析；
2) 對循環風機實現自動開關和風量控製。對使用可控循環風的混合式通風，抽出式與壓入式的兩台風機間須設閉鎖裝置，保證主要局部通風機啟動後，有循環風通過的風機再啟動，以免形成閉路循環風流；適當控製抽出式與壓入式兩台局部通風機的風量比，以獲得可控循環通風的最佳除塵和降溫效果。
5.2 掘進工作麵所需風量的計算
對於新設計礦井工作麵按爆破排煙的需要確定風量。
1、壓入式通風方式所需風量計算
2、抽出式通風方式所需風量計算
3、混合式通風方式所需風量計算
5.2.1 壓入式通風量計算
式中，Qbp——風筒口的出風量，m3/min；
t——通風時間，min；
A——一次爆破的炸藥消耗量，kg；
S——掘進巷道的淨斷麵積，m2；
ld——工作麵至炮煙被稀釋到安全濃度的距離， 可按ld＝400A/S(m)計算。當掘進巷道的長度小於ld 時，用巷道長度置換ld 。
5.2.2 抽出式通風量計算
式中，Qbe——風筒入口的風量， m3/min；
lt——炮煙拋擲的長度，m。它取決於起爆方 式和炸藥消耗量，即：電雷管起爆時，lt＝15+A/5，m；火雷管起爆時，lt＝15＋A，m
5.2.3 混合式通風量計算
在長抽短壓的通風方式中，應滿足抽出式風筒入口的風量Qbe大於壓入式風筒出口的風量Qbp，以防止循環風和維持風筒重疊段內的巷道中具有排塵或稀釋瓦斯的最低速度。因此，須先計算Qbp，然後用下式計算Qbe：
Qbe＝Qbp＋60VS
式中，V——排塵的最低風速0.15～0.25m/s；或稀釋瓦斯的最低風速0.5m/s；
S——風筒重疊段的巷道麵積，m2。
最後，根據最低風速驗算
岩巷：按最低排塵風速0.15m/s計算，最低風量：
Qb≥9×S，m3/min；
半煤岩和煤巷：按不能形成瓦斯層的最低風速0.5m/s計算，最低風量：
Qb≥30×S， m3/min。
根據最高風速驗算，岩巷、半煤岩和煤巷皆以最高風速4m/s計算，這時 ：
Qb≤240×S，m3/min。
5.3 掘進通風設備的選擇
5.3.1 風筒選擇
1．風筒的種類
掘進通風使用的風筒有：金屬風筒和帆布、膠布、人造革等柔性風筒。
柔性風筒隻適用於壓入式通風。為了滿足抽出式通風的要求，目前有用金屬整體螺旋彈簧鋼絲為骨架的塑料布風筒。常用的風筒直徑有300、400、500、600和800mm等。
2．風筒的風阻
風筒風阻包括風筒的摩擦風阻Rfr和局部風阻Rer[包括接頭風阻Rjo、彎頭風阻Rbe和風筒的出口風阻Rou(壓入式)或是入口風阻Rin(抽出式)。
壓入式風筒的總風阻為：
ξjo——風筒接頭的局部阻力係數，無因次。當風筒全長共有n個接頭時，則接頭總的局部阻力係數按nξjo計算。
ξbs——風筒拐彎局部阻力係數，無因次，按拐彎角度β查表；
ξou——風筒出口局部阻力係數，取ξou＝1；
ξin——風筒入口局部阻力係數，當入口處完全修圓時ξin＝ 0.1，不修圓的直角入口ξin ＝0.5～0.6。
在實際應用中，一般將實測百米風筒平均風阻(包括局部風阻)作為衡量風筒管理質量和設計的數據。
根據風筒的百米風阻值R100可以直接計算長度為L的風筒實際風阻：
3．風筒漏風
金屬和透氣性極小的塑料風筒的漏風主要發生在接頭處；膠布風筒全長及接頭都有漏風，屬連續均勻漏風。漏風使風筒的始端風量Qf與風筒末端風量Q不等。故用始末兩端風量的幾何平均值作為通過風筒的平均風量Qα，即：
顯然，Qf與Q的差值就是風筒的漏風量Ql。它與風筒種類，接頭的數目、方法和質量以及風筒直徑、風壓等有關，但更主要的是與風筒的維護和管理密切相關．
反映風筒漏風程度的指標：
1) 風筒漏風率
風筒漏風量占局扇工作風量的百分數，即
Le雖然反映某一風筒的漏風情況，但不能作為比較的指標，故常用百米漏風率Le100，即：
式中 L——風筒長度，m。
柔性風筒的漏風率應符合下表
2) 風筒的有效風量率Ef：掘進工作麵風量(風筒末端風量)占局部通風機工作風量的百分數，即：
3) 風筒漏風備用係數ψ 該值是指Qf與Q之比，即：
4) 風筒的直徑
風筒直徑的選擇主要取決於送風量、送風距離以及巷道斷麵的大小等因素。生產中，一般是根據經驗選取標準直徑。下表是雞西、開灤等礦區局部通風機和風筒配套的經驗。
5.3.2 確定局部通風機的工作參數
1)局部通風機工作風量Qf
根據掘進工作麵所需風量Q、距離L和風筒百米漏風率Le100，確定風筒的漏風率Le,：
然後確定風筒的漏風備用係數ψ :
再用下式計算風機的風量：
Qf＝ψ·Q，m3/s
2)局部通風機工作風壓hf
無論是壓入式風筒還是抽出式風筒的風阻，均可根據工作麵最長的通風距離選擇風筒種類和直徑，再查表7-3得到的百米風阻，由此計算出總風阻：
局部通風機風壓用於克服風筒的通風阻力。應滿足：
由於風筒漏風，計算風筒通風阻力時，應按通過風筒的平均風量Qα值計算。其中：
對於壓入式局部通風機的工作風壓，要用局部通風機的全風壓hft，即： hft＝Rp.Qα2＝Rp·Qf · Q ， Pa
式中，Rp——壓入式風筒的總風阻，實際上就是上麵計算出來的R值， N·s2/m8
對於抽出式局部通風機的工作風壓，宜用局部通風機的靜風壓hfs，即： hfs＝Re·Qα2＝Re·Qf · Q， Pa
式中，Re——抽出式風筒的總風阻，N·s2/m8 。
5.3.3 選擇局部通風機
局部通風機有軸流式和離心式兩種。煤礦多使用我國生產的防爆型JBT係列軸流式局部通風機。其性能曲線和型號、規格分別如圖5-16和表5-6所示。根據上麵算出的hf和Qf值，在圖5-16中選擇合適的局部通風機，再參照表5-5和表5-6選擇配套的風筒。
5.4 掘進通風的技術管理和安全措施
一、保證工作麵有足夠的新鮮風量
1) 采用局部通風機和引射器通風，無論工作麵是在工作、休息或交班，都不準隨意停風和減少風量。
2) 提高有效風量，包括：
1、減少導風設施的漏風：對於風牆應合理選擇建築材料，提高構築質量；對於柔性風筒應適當加大每節風筒長度，減少接頭數，並注意不斷改進柔性風筒的接頭方法。
目前井下廣泛采用接頭嚴密、漏風小的反邊接頭法。反邊接頭又分單反邊、雙反邊和多反邊等。
雙反邊接頭的連接順序如圖所示，先在風筒兩端套上鐵環l、2，並各留200～300mm的反邊(圖A)順風流方向把有鐵環1的風筒插入有鐵環2的風筒內，拉緊風筒使兩環靠攏，要防止風筒歪斜出褶皺(圖B)，然後把風筒1的反邊翻套過來，再把風筒2的反邊翻套過來(圖C)。
多反邊接頭如圖示，是在雙反邊的基礎上多一個活環3。活環3先套在有鐵環2的風筒上(圖A)，當風筒1反邊翻套在風筒2上時，再把活環3套在風筒2的反邊和風筒1的翻邊上(圖B)，然後把風筒2的反邊和風筒l的翻邊都翻套在活環3和鐵環1上(圖C)。
此外，及時修補風筒和堵補風筒的針眼也是常用的減少漏風的手段。
2、降低導風設施的風阻提高有效風量
適當選用大直徑風筒；提高設備的安裝質量，風筒力求吊掛平直；局部通風機應墊高(或懸吊)保持與風筒成一直線。在淋水大的巷道中，風筒應安裝放水咀及時放掉積水，減少附加阻力。這些都是降低風筒風阻的辦法。
二、保證局部通風機安全運轉
采用局部通風機通風時，應做到：
1) 局部通風機有專人負責管理。局部通風機啟動裝置必須裝在進風巷道中，距回風口不小於10m。局部通風機吸風量必須小於全風壓供給該處的風量，以免發生循環風。
2) 防止局部通風機電動機燒壞，除加強對局部通風機和啟動裝置的檢查與維修外，若采用磁力啟動器時，可在控製電路上裝有電磁式接頭，當啟動器內一相電流斷路時，兩個互感器之一無電流，控製線路中的兩個接點就會斷開。造成磁力啟動器跳閘。切斷電源保護局部通風機的電動機。
3)局部通風機和掘進工作麵中的電氣設備必須裝有延時的風電閉鎖裝置，一旦局部通風機停止運轉便能立即自動切斷局部通風機供風的巷道中的一切電源。
4)在高瓦斯(或煤與瓦斯突出)礦井的煤巷掘進中，在工作麵安設瓦斯自動檢測報警斷電裝置。局部通風機應用雙回路供電，以保證局部通風機連續運轉。目前普遍采用“三專兩閉鎖”係統，即專用變壓器，專用開關，專用電纜，風電閉鎖，瓦斯電閉鎖。
5) 建立局部通風機停止製度，當因檢修、停電等原因停風時，必須撒出人員，切斷電源。在恢複通風之前，先要檢查瓦斯，在局部通風機和開關附近10m內的風流中，沼氣濃度小於0.5％時，方可開動局部通風機。
6) 安全排放積聚的瓦斯
三.煤巷機械掘進的通風安全措施
綜合機械化掘進煤巷時，常采用長壓短抽的方法：
1) 保證工作麵的風速大於最低排塵風速0.15m/s。
2) 壓入式風筒出口應在機組轉載點後麵一定距離，以減少二次煤塵飛揚(機組全長約13m)。
3)加強瓦斯管理，兩條風筒重疊段的巷道風速很小，在頂板附近易形成瓦斯層。建議采用康達風筒，即在風筒壁上開一細長切口或多個小孔，順著切口裝上罩套，使噴口與風筒周邊切線方向一致。
四、局部通風機消聲
局部通風機運轉時，噪音很大，工人長期在這樣噪音下工作，易於煩燥疲勞，降低勞動生產率，並能引起聽力減退。因此應對局部通風機采取消聲措施。
消聲器是一種能使聲能衰減的裝置，用來控製和降低空氣動力性噪音。
消聲器按工作原理分為阻性消聲器和抗性消聲器。阻性消聲器具有阻力小、消聲頗率寬、體積小等優點，被廣泛采用。當風流通過具有多孔的吸聲材料時，聲波也沿其通道傳播，激起多孔材料中空氣分子振運，由於摩擦阻力和粘滯阻力使聲能變為熱能而達到消聲目的。
局部通風機使用的阻性消聲器有兩種形式：一種是圓筒式的。圓筒式消聲器的通風阻力較小，但消聲效果較差。另一種是中心帶圓錐柱體的柱式消聲器，可把局部通風機噪聲的總響度降低72%，且對局部通風機的風壓和風量影響不大。
複習思考題
5-1 全風壓通風有哪些布置方式？試簡述其優缺點及適用條件。
5-2 簡述引射器通風的原理、優缺點及適用條件。
5-3 簡述壓入式通風的排煙過程及其技術要求。
5-4 試述壓入式、抽出式通風的優缺點及其適用條件。
5-5 試述混合式通風的特點與要求？
5-6 有效射程、有效吸程、炮煙拋擲長度及稀釋安全長度的含義是什麼？
複習思考題
5-7 可控循環通風的含義及其優缺點、適用條件是什麼？
5-8 長距離獨頭巷道通風在技術上有何困難，應如何克服？
5-9 試述局部通風機串聯、並聯的目的、方式和使用條件。
5-10 試述風筒有效風量率、漏風率、漏風係數的含義及其相互關係。
5-11 試述局部通風設計步驟。
5-12 局部通風裝備選型的一般原則是什麼？
5-13 掘進通風安全裝備係列化包括哪些內容？並有什麼安全作用？
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