核通风课程设计.docx
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核通风课程设计
《核通风与空气净化》课程设计
题目某铀矿301工区下通风系统安全技术改
前 言
矿井通风设计是整个矿井设计的主要组成部分，是保证矿井安全生产的重要一环。
矿井通风设计的基本任务是建立一个安全可靠、技术先进、经济合理的矿井通风系统。
矿井通风设计的内容包括：
确定矿井通风系统；矿井总风量的计算和分配；矿井通风阻力计算；选择通风设备；概算矿井通风费用。
矿井通风设计的主要依据是：
矿区气象资料；井田地质地形；矿井设计生产能力及服务年限；矿井开拓方式及采区巷道布置，回采顺序、开采方法；矿井巷道断面图册；矿区电费等。
矿井通风设计应满足以下要求：
1、将足够的新鲜空气有效的送到井下工作场所，保证生产和创造良好的工作条件；
2、通风系统简单、风流稳定、易于管理，具有抗灾能力；
3、发生事故时，风流易于控制，人员便于撤出；
4、有符合规定的井下安全与环境监测系统或检测措施；
5、系统的基建投资省、营运费用低、综合经济效益好。
本设计主要是利用矿井已形成的井巷工程和通风工程，采用机械通风系统将井下有毒有害气体的浓度控制到可以接受的水平，确保矿山职工职业安全和生命安全，保证矿山生产顺利进行。
由于本人所学及实践经验有限，本次设计必然存在众多不足之处，敬请各位领导、老师给予批评、指正。
编者
2011.7
设计任务书
一、题目
某铀矿某工区下通风系统的安全技术改造
二、课程设计目的和任务
1、使学生熟悉核（铀矿井）通风设计的基本内容及流程。
2、掌握铀矿井通风系统的风量和阻力的计算方法、风机选择的原则和通风控氡理论。
3、结合实际矿山进行通风设计，选择适合的矿井通风系统、完成矿井所需风量的计算及分配、全矿井容易时期、困难时期的通风阻力计算以及对通风设备的选型等问题，理论与实际相结合，巩固和扩展所学知识，培养和提高学生分析矿山的实际问题，培养学生严谨的科学态度和认真负责的思想作风，完成课程设计的要求。
三、课程设计的要求
1、根据某铀矿实际情况，结合测量数据，根据存在的问题提出整改措施。
2、根据课程设计装订格式及打印规范的要求，完成某铀矿通风的技术改造，锻炼自身的能力，增加自身的实践经验。
四、重点和难点
本次课程设计，重点在于风量的计算以及通风阻力的计算，通过风量的大小和通风阻力大小来确定风机。
难点在于核（铀矿）通风方案的选择和辐射安全措施。
五、时间进度安排
11.6.27-11.6.29：
查阅核（铀矿）通风设计规范，熟悉课程设计资料；
11.6.30-11.7.3：
针对课程设计资料，提出通风方案。
11.7.4-11.7.6：
完成风量与阻力计算，风机选型及通风安全措施。
11.7.7-11.7.8：
交课程设计，教师评审。
六、参考资料
1、《铀矿井排氡及通风技术规范》（EJ/T359-2006）
2、《金属非金属矿山安全规程》（GB162423—2006）
3、《采矿手册2》，中国建筑工业出版社
4、《中国采矿设备手册》下册，王运敏，科学出版社，2007.9
目录
第一章矿山概述1
1.1矿山基本情况1
1.1.1矿山位置及交通1
1.1.2气候及其地理环境1
1.1.3矿区经济情况2
1.1.4矿山企业基本情况2
1.2矿床地质与开采技术条件及开采概况2
1.2.1矿床地质2
1.2.2开采技术条件及开采概况3
第二章矿井通风现状及危害4
2.1通风系统现状4
2.2矿井井下有毒气体的来源及其危害5
2.2.1矿井井下有毒有害气体的来源5
2.2.2有毒有害气体危害5
2.3矿井有害气体的浓度指标6
第三章矿井通风设计安全技术改造8
3.1矿井现有通风系统概述8
3.2矿井通风系统技术改造8
3.2.1通风安全技改遵循的原则8
3.2.2通风技改方案的选择9
3.2.3矿井通风改造目标9
3.3矿井通风量和阻力计算10
3.3.1矿井需风量的确定10
3.3.2矿井通风阻力计算11
3.3.3主扇风机选择12
第四章通风安全措施14
总结15
附录16
参考文献17
第一章矿山概述
1.1矿山基本情况
1.1.1矿山位置及交通
某矿残矿回收的原301工区地处广东省南雄县西北部，地跨澜河、百顺两地。
老矿部设在澜河镇东1km处，地理坐标为东经114°09′北纬25°14′，距韶关市134km，距南雄县城35km。
301工区位于矿部北部2km处，距矿部27km,有专线公路与矿部相连，交通尚属方便。
图1.1矿区交通位置示意图
1.1.2气候及其地理环境
矿区位于亚欧大陆东南缘，处在北回归线北侧，属亚热带季风湿润气候，具有四季分明。
冬短夏长及秋季过渡快等特点。
冬半年受大陆冷性高压控制，气温较低，寒冷少雨多霜冻，具有大陆性气候特征。
夏半年受到副热带海洋天气系统影响，具有气温较高，热量充足，雨量颇丰的偏海洋性气候特点。
根据南雄气象站提供的气象资料，该地区年均气温19.8℃，极端最高气温38℃，极端最低气温-6℃。
常年主导风向为东北风，年均风速1.8m/s，最大风速14.7m/s，静风频率18.8%。
年均降雨量1732mm，年均蒸发量1678.7mm，年均日照时数1825.7h。
历年最大的一天降雨量为180mm。
大气稳定度频率以D类为主，占64.49%。
301工区的受纳水体为澜河，其流量为0.137～7.78m3/s。
1.1.3矿区经济情况
矿区地处中低山区，附近人口稀少，以尾矿库为中心5km范围内总人口不到1万人，人口密度约89人/km2。
矿区内工业不发达，不存在自然保护区和旅游景点。
农业以粮食为主，主要种植水稻，经济作物主要为黄烟和花生。
地方工业重工业主要有电力、机械、氮肥和建材为主，轻工业的卷烟、竹木业和土纸为主。
森林覆盖率达56.29%，以松、杉、银杏树为主，畜牧业以猪、牛为主，家禽以鸡、鸭、鹅为主，渔业生产以水库、池塘放养为主。
在高山深林区有穿山甲等国家级保护动物。
1.1.4矿山企业基本情况
某矿是我国核原料主要生产基地之一，是我国第一批建设的铀矿山之一。
于1963年建矿，1965年投产，1994年政策性关停。
三十年共采出矿石X万吨，铀金属X吨，为中国核工业的发展做出了重要的贡献。
1994年某关停后，矿部迁至韶关，大部分已转民，在澜河矿区设立了管委会，有300多名职工（其中多数下岗），为了既回收残矿铀资源，同时又解决矿管会部分下岗职工就业问题，该矿于1998年开始重建了铀回收车间，采用铀堆浸工艺新技术回收铀金属，1999年建成了年产“111”金属X吨规模的堆浸水冶车间，并一直保持年产“111”金属X吨生产水平。
经过近三年的开采，301工区剩余的残矿大部分基本回收完毕，已采出铀金属X吨。
1.2矿床地质与开采技术条件及开采概况
1.2.1矿床地质
301工区开采的是201矿床，位于诸广山花岗岩岩体东段的北东边缘，东坑一澜河断裂东段尾部的北侧。
矿床地层为：
a前泥盒纪龙山群，主要由麻岩和片岩组成；
b燕山期斑状黑云母花岗岩，分布最广泛，铀矿床产于其中；
c云母花岗岩，分布在矿床西北部。
矿床构造为近南北向的断层及断裂，主要含矿构造为I、II及V号带。
1.2.2开采技术条件及开采概况
301工区所开采的矿体主要赋存于201矿床西组矿床，矿区开采范围为北起9号至0号到南至12号勘探线之间，长550m，东西宽440m，标高540～225m，垂直深度315m。
451m标高以上为露天开采，开采深度100m，边坡角45°，阶段高10m，该露天为山坡形小露天。
451m标高至270m标高为地下开采，其中350m标高以上为平硐——溜井开拓，350m标高以下为平硐——育斜井开拓。
采矿方法为水平分层充填法和浅孔留矿法。
矿石和围岩较完整、稳定，矿岩硬度f=8～12，矿石比重2.53～2.75t/m3，矿石松散系数1.5，矿岩自然安息角38°～41°。
第二章矿井通风现状及危害
2.1通风系统现状
a自然通风不能满足残矿回收矿井通风安全的要求
某矿残矿回收以来，由于多种原因至今未形成机械通风系统。
原有矿井利用山区平硐一斜井开拓系统，采用开掘天井使其形成自然通风系统进行通风。
由于自然通风系统受气候条件变化影响大，一旦地表温度与井下温度一致时，自然通风的风量将很少，采掘工作面的炮烟将很难排出，CO浓度将增高，从而会导致CO中毒事故的发生。
到目前为止，虽然尚未出现CO等中毒事故，但矿井通风效果欠佳，风量和风质均不能满足矿井安全生产的要求，存在安全生产隐患。
目前的自然通风远达不到通风降氡和排炮烟的要求，也是铀矿冶安全规程所不允许的，必须尽快对残矿回收矿井进行通风技术改造，以防止CO等中毒事故发生，满足矿井通风降氡和安全生产的要求。
b改善井下工作环境，降低职工职业病发生率的需要
残矿回收一般工作条件比正常矿井生产差，特别是某矿井矿石品位高，采空区体积大，废旧巷道多，导致矿井析出氡量大，如果不将采空区、废旧巷道析出氡尽快排出矿井，采掘工作区及运输大巷，将导致大面积污染，特别是夏季自然通风将从平硐口出风，采空区积累的大量氡将从平硐口排出，平硐口出风氡浓度达20～60kBq/m3，使整个矿井形成大面积污染，高出国家标准5倍至15倍以上，矿工年均接受剂量超过了15mSv/a，井下工作人员的工作环境较差，而且对平硐口附近的工业场地造成了污染。
因此应尽快进行通风技术改造，改善井下作业环境，使矿工接受的辐射剂量尽快降下来，以降低职业病的发生率，确保矿工安全与健康。
c保证残矿回收任务完成的需要
由于矿井至今未采用机械通风，井下生产存在安全隐患，某矿残矿回收矿井在铀矿冶安全大检查中，被责令停产整顿，并要求尽快形成完善的机械通风系统，以消除井下生产的安全隐患。
通风技改是某矿残矿回收停产整顿的主要内容之一，通风技改不完成，残矿回收的矿井将不能恢复生产，将直接影响到残矿回收任务的完成，从而造成更大的经济损失。
d添置通风测量仪器和救护设备的需要
某矿残矿回收至今尚未配齐通风系统检测仪器和有害物测量仪器，导致常规通风系统专项测定和井下空气环境质量监测无法进行。
矿山救护设备也尚未购置，给矿山救护带来不便，因此在这次通风技改中也要配备相应的监测仪器和救护设备。
2.2矿井井下有毒气体的来源及其危害
2.2.1矿井井下有毒有害气体的来源
（1）掘进、采矿爆破。
在进行巷道掘进和采矿时,需要炸药进行爆破作业,产生的的炮烟是CO、NO2和CO2的来源,并造成井下空气中O2的含量下降。
（2）作业人员的呼吸作用。
在井下人员进行作业时，需要吸入空气中的氧气，将造成空气中O2浓度的降低，同时呼出CO2将成为井下空气的来源之一。
2.2.2有毒有害气体危害
不同的有害气体虽然具体伤害不同，但是这些有害气体有一共性，可引起工作人员产生不适感觉、中毒现象，严重者甚至导致死亡。
经过定点检测，确定此矿区有害成分为一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、二氧化氮等有害气体。
1、一氧化碳（CO）
一氧化碳是无色、无味、无臭的气体，对空气的比重为0.97，微溶于水。
在通常温度与压力下，化学性质不活泼，但浓度达到13～75%时能引起爆炸。
一氧化碳性极毒。
中毒症状：
轻者耳鸣、头痛、头晕与心跳；重者肌肉疼痛、四肢无力、呕吐、感觉迟钝、丧失行动能力，以至死亡。
2、硫化氢（H2S）
硫化氢是无色、微甜、带有臭鸡蛋味的气体，对空气的比重为1.19，易溶于水。
它有强烈的毒性，能使血液中毒，对眼睛粘膜和呼吸系统有强烈的刺激作用。
3、二氧化硫（SO2）
二氧化硫是无色、具有强烈硫磺味和酸味的气体，对空气的比重为2.2，常积聚在巷道底部，易溶于水。
它对眼睛和呼吸器官有强烈的刺激作用和腐蚀作用，轻时会使喉咙和支气管发炎、呼吸麻痹，严重时会引起肺水肿。
4、二氧化氮（N02）
在炸药爆炸时，通常产生一氧化碳和一氧化氮，而一氧化氮极不稳定，遇到空气中的氧即变为二氧化氮。
二氧化氮是褐红色、有强烈窒息性的气体，对空气的比重为1.57，极易溶于水。
它对眼睛、鼻腔、呼吸道和肺部有强烈的刺激作用；与水结合成硝酸（HNO3），对肺部组织起破坏作用，可引起肺部浮肿。
二氧化氮中毒的最重要特征是经过六小时甚至更长的时间后才发生中毒征兆。
炮烟中毒，通常是其中一氧化碳和二氧化氮两种气体的中毒。
两者区别是：
二氧化氮中毒时，手指尖和头发变黄；一氧化碳中毒时，两颊现红斑点，嘴唇呈桃红色。
5、矿尘危害
矿尘对矿内空气的污染不容忽视，它对人体和生产都会产生严重危害，粉尘能引起物理性粉尘爆炸；矿尘能引起矿山工人尘肺病，加速机械的磨损，缩短精密仪器的使用寿命，降低工作场所的能见度，增加工伤事故的发生。
2.3矿井有害气体的浓度指标
为保证井下作业人员的安全与健康，根据《GB1642421996金属非金属地下矿山安全规程》规定,井下作业地点有毒有害气体的最高允许浓度见表2.1。
表2.1 井下作业地点有毒有害气体最高允许浓度
有毒有害气体
最高容许浓度
体积浓度%
mg/m3
CO
0.0024
30
NOX（换算为N02）
0.00025
5
SO2
0.0005
15
H2S
0.00066
10
根据《铀矿井排氡及通风技术规范》，矿井工作面入风流中氡、氡子体和粉尘浓度应不超过表2.2的规定
表2.2矿井总入风流和工作面入风流风质要求
名称
氡浓度kBq/m3
氡子体浓度μJ/m3
总粉尘浓度mg/m3
矿井总入风流
0.2
0.3
0.2
工作面总入风流
1.0
2.0
0.5
第三章矿井通风设计安全技术改造
3.1矿井现有通风系统概述
某矿自1998年开始回收残矿以来，由于投资不足，一直未建成完整的机械通风系统，仅利用山区平硐开拓的优势，形成受气候条件影响大的自然通风系统，工作面通风则采用局扇将风送入工作面。
由于自然通风不能控制大量采空区氡的析出，致使整个系统都受到了氡的污染。
通风安全存在的主要问题有：
a、通风风量少，远不能满足通风降氡和排炮烟的要求
简易的自然通风系统通风风量少，且不稳定，随天气变化而变化，当春夏或秋冬地面温度与井下温度基本一致时，井下自然通风的风量将很少，这时远不能满足矿井通风降氡和排炮烟的要求。
CO和氡浓度迅速增高是矿井安全生产的重大隐患。
b、自然通风系统风流、风量难以控制
自然通风系统随天气变化，其风压大小，风流方向也随之发生变化。
特别是夏天，采空区氡的下行通风，将对整个自然通风系统形成大区域的污染，导致整个系统及井口的工作场地氡及氡子体浓度偏高，矿工接受的有效剂量将偏大，将增大矿工职业病的发生率。
c、没有形成有组织的进回风系统
由于采用自然通风，进回风系统随季节而变化，夏天主要人行、运输系统变成了回风系统。
采场大都采用局扇通风，污风有时又回到了进风道，在自然风压作用下风流无序流动，形成循环风流、污风串联，致使风质差，无法形成有组织的进回风系统。
3.2矿井通风系统技术改造
3.2.1通风安全技改遵循的原则
a充分利用已有井巷工程和设施，尽快形成机械通风系统，消除井下安全生产的隐患。
b根据氡析出及其控氡原理和充分利用自然风压的原则进行方案设计，设计的通风系统要有利于控制采空的氡析出，使之形成新风有采路、污风有去路、新污分流不干扰的通风系统。
c要确保人行、运输大巷的新鲜风流，防止出风污染，确保人员安全。
d设计方案既要满足当前安全生产的需要，也要兼顾长远发展的需要。
3.2.2通风技改方案的选择
a、进风入口及回风出口的选择
考虑到残矿回收主要在430m-350m之间进行，且二个采场都靠近平硐口，故新鲜风入口为原入风斜井、430m平硐口和350m平硐口。
回风选择在靠501天井的390m大巷，并通过回风天井排至地表，故该矿井通风选择为统一通风系统。
b、主扇工作方式与安装地点
为结合现有生产和供电设施，技改方案采用抽出式通风系统。
为便于管理，主扇风机安装在靠5-1天井的390m大巷内，回风井出风口在山坡上，周围无人居住，也不会对工业场地空气造成污染。
c、中段通风网
为减少污风串联和采空区析出氡对入风流污染，采用上下行中段间隔通风网，确保了350m中段运输大巷的新鲜风流。
d、采场通风
采场通风一般利用全矿总风压通风，同时残矿回收采场要确保2个以上的安全出口，在通风困难时辅以局扇加强通风。
技改的通风系统图见附图1。
3.2.3矿井通风改造目标
a矿井总入风流中含尘量<0.2mg/m3，氡浓度≤0.2kBq/m3；采掘工作面入风流粉尘浓度≤0.5mg/m3，氡浓度≤1.0kBq/m3。
b主要回风井巷不得作为人行通道，从回风道排出到地表的位置，要有利于污风的大气扩散和稀释，以免对附近居民造成危害，总回风排出的氡致使公众接收的最大个人有效剂量应<1mSv/a。
c矿井有效风量利用率≥70%
d主扇风机运行效率≥70%
e井下各类工作面浓度规定限值为：
粉尘浓度≤2.0mg/m3，氡浓度≤2.7kBq/m3，氡子体浓度≤5.4μJ/m3，氧的体积浓度≥20%，CO2体积浓度≤0.5%，CO的体积浓度≤0.005%，氡、氡子体、粉尘的合格率不低于80%，一氧化碳合格率100%。
f矿工职业照射率有效剂量<15mSv/a，终身有效剂量<1000mSv/a。
g要根据氡析出特点和氡来源特点，尽可能减少通风空间的析出氡量，要充分利用通风压力分布来控制氡的析出，确保入风风质良好。
3.3矿井通风量和阻力计算
3.3.1矿井需风量的确定
采场需风量按采场氡析出量进行计算，风量计算式为：
（3-1）
式中：
Qs为采场需风量，m3/s；
D为采场析出氡量，kBq/s
Kt为采场紊流扩散系数，Kt=0.8～1，取Kt=0.8；
C0为采场入风风质指标，取C0=1.0kBq/m3。
采场析出氡量D按下式计算：
（3-2）
式中：
δ为单位当量氡析出率，实测δ=0.143kBq/（S·m2·1%）
S0为当量射气面积，m2·1%
D2为采场崩落矿堆的氡析出率kBq/s；D2按下式计算：
（3-3）
式中：
ρ为采场崩落矿石重量，t；ρ=1260t
α为矿石铀品位，%；取α=0.3%；
η为矿石射气系数，η实测为0.10；
κρ为矿石铀镭平衡系数，κρ=1；
λe为氡在矿堆析出的等效衰减系数，λe=0.42～1，取λe=0.8。
按采场平均面积100m2计算，充填料与周壁围岩品位平均按0.01%计算，按（3-2）和（3-3）式计算出采场的析出氡量为12.68kBq/s，按（3-1）式计算出采场需风量9.4m3/s。
取每个采场需风量9.4m3/s。
301工区矿井残矿回收共布置2个采场，无掘进工作面和硐室，1个采场需风量9.4m3/s，故矿井需风量为18.8m3/s，考虑矿井风量备用系数k=1.4，则301工区矿井残矿回收所需总风量为26.4m3/s。
根据矿井通风空间分布，风量分配为：
原入风斜井进风5.2m3/s，430m中段坑口入风8m3/s，350m中段坑口入风13.2m3/s。
矿井需风量计算结果见表3.1。
表3.1矿井需风量表
用风地点
个数，个
单个用风点风量，m3/s
总需风量，m3/s
采场
2
13.2
26.4
掘进
0
——
——
硐室
0
——
——
合计
26.4
3.3.2矿井通风阻力计算
301工区矿井通风阻力
通风阻力计算中其摩擦阻力按下式计算：
（3-5）
式中：
h摩为井巷摩擦阻力，Pa；
α为井巷摩擦阻力系数，N·s2/m4；
L为井巷长度，m；
P为井巷周边长度，m；
S为井巷断面积，m2；
Q为井巷中流过的风量，m3/s。
总局部阻力和正面阻力按摩擦阻力的20%进行计算。
301矿井残矿回收通风阻力计算结果见表3.2。
矿井总阻力为**Pa。
表3.2301工区通风阻力计算
编号
巷道名称
长度m
面积m2
周长m
αN·s2/m4
风量m3/s
摩擦阻力Pa
1-2
5号坑沿脉
480
6.8
10.7
0.014
13.2
39.84
2-3
5号坑穿脉
30
4.7
8.9
0.014
13.2
6.27
3-4
天井、工作面
40
4.7
8.9
0.014
13.2
8.36
4-5
4号坑穿脉
30
4.7
8.9
0.014
13.2
6.27
5-6
4号坑沿脉
50
6.8
10.7
0.014
26.4
16.60
6-7
4号坑穿脉
200
4.7
8.9
0.014
26.4
167.29
7-8
4号坑回风天井
60
4.7
8.9
0.014
26.4
50.19
8-9
3号坑穿脉
30
4.7
8.9
0.014
26.4
25.09
9-10
3号坑沿脉
80
6.8
10.7
0.014
26.4
26.56
10-11
3号坑穿脉
10
4.7
8.9
0.014
26.4
8.36
11-12
3号坑回风天井
70
4.7
8.9
0.014
26.4
58.55
摩擦阻力合计
413.38
局部阻力，20%
82.68
矿井总阻力
496.05
3.3.3主扇风机选择
301工区主扇风机选择
a、风机风量
Qt=kQ（3-6）
式中：
Qt为风机风量m3/s；
Q为矿井所需风量m3/s；
k为通风装置的风量备用和漏风系数，取k=1.1。
由式（3-6）计算出风机风量为29.04m3/s，取Qt=30m3/s。
b、主扇风机全压
（3-7）
式中：
hf为扇风机全压，Pa；
ht矿井总阻力，Pa；ht=496.05Pa
Hn为与扇风机作用相关的自然风压，取Hn=30Pa；
hr为扇风机装置阻力之和，取hr=150Pa；
hv为风流流到大气出口的动压损失，Pa；经计算，hv=19Pa。
计算结果hf=695.05Pa。
c、主扇风机确定
根据主扇风机计算的风量和风压选择山东淄博风机厂制造的高效节能轴流风机，风机型号为：
机号：
2.8A转速：
2900r/min全压：
606-994Pa
流量：
1131-2356m3/h功率：
1.5KW电机型号：
Y90S-2
见图3.4；
图3.4轴流风机图
d、主扇风机安装
主扇风机安装在390m靠5-1天井的一侧平巷内，叶片安装角度为29°。
第四章通风安全措施
矿井通风的目的主要是排除井下有毒有害气体，降低粉尘浓度，降低职业病的发生，给井下作业人员提供新鲜的空气，保证作业条件的良好，提高工作效率。
对于铀矿通风，其通风的一个显著特点是降低井下氡及其子体的浓度，从而降低空气中放射性对人体造成的伤害。
通风安全措施主要有：
1.保证井下通风良好，在自然通风不能满足要求的情况下必须采用机械通风进行补偿。
2.主要巷道、工作面、作业面需进行撒水降尘，降低空气中粉尘浓度。
3.作业面和主要通道应制定相关安全措施，保证作业人员的安全。
4.放炮后，应进行机械通风排除有毒有害气体后方可进入井下作业。
5.制定应急救援预案。
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