第五章风网和风量的自然分配.docx

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第五章风网和风量的自然分配

第五章矿井通风网络与风量分配

矿井各工作地点需要有足够的风量，以满足人们安全与生理的需要。

但风量的分配形式有自然分配和按需分配两种。

当自然分配不能满足需要时，往往通过各种风量调节设施加以调节。

因此，我们必须了解风网的形式与性质，以便于应用。

§5—1矿井通风网络

一、有关概念

1、风网：

指风流在流动过程中的分岔、汇合的结构形式，分简单风网和复杂风网。

2、简单风网：

仅有串、并联风路组成的风网叫简单风网。

3、复杂风网：

有对角风路的风网叫复杂风网，也叫角联风网。

4、节点：

三条以上风路的汇合点。

二、风网中风流流动的基本规律

1、风量平衡定律

在风路中，流进某一节点（或回路）的风量，等于流出该节点（或回路）的风量，称风量平衡定律。

即

ΣQi＝0

图示，Q1＋Q2＋Q3＝Q4＋Q5

或：

Q1＋Q2＋Q3－Q4－Q5＝0

2、风压平衡定律

对于任何闭合风路，在无自然风压

或风机工作时，各支路的风压（或阻力）

代数和为零。

一般地，顺时针取正，逆时针取负。

或描述为：

任何闭合风路，顺时针压降

（阻力）之和等于逆时针压降（阻力）之和。

即

Σhi＝0

当有自然风压或风机存在时，

Σh通±Σh自－Σhi＝0

上例中，h1—2＋h2—3＋h3—4＝h1—4

或h1—2＋h2—3＋h3—4－h1—4＝0

3、阻力定律

对于任何风路，其阻力等于风阻与通过风量平方之积。

hi＝RiQi2

§5—2简单风网的性质

一、串联风路

两条以上的风路循序地首尾相接，中间无分岔与汇合的风路，叫串联风路。

由串联风路进行的通风叫串联通风，俗称“一条龙通风”。

1、风量

串联风路总风量等于各支路的风量，即

2、阻力

串联风路总阻力等于各支路的阻力之和，即

h总＝h1＋h2＋…＋hnPa

3、风阻

将hi＝RiQi2代入上式，由于Q总＝Q1＝Q2＝…＝Qn，得

R总＝R1＋R2＋…＋Rn

即；串联风路总风阻等于各支路的风阻之和。

4、总等积孔

由A＝

得R＝（

）2代入上式并化简得

＝

＋

＋…＋

或：

A总＝

m2

即：

串联风路总等积孔平方的倒数等于各支路等积孔平方的倒数之和。

二、并联风路

两条以上的风路在某一点分开，又在某一点汇合，中间没有交叉风路，叫并联风路。

由并联风路进行的通风叫并联通风，又叫“分区通风”。

1、风量

并联风路的总风量等于各支路风量之和。

即

Q总＝Q1＋Q2＋…＋Qnm3/s

2、阻力

并联风路的总阻力等于各支路阻力。

即

h总＝h1＝h2＝…＝hnPa

3、总等积孔

由A＝1.19

得Q＝

代入上式，得

A总＝A1＋A2＋…＋Anm2

并联风路的总等积孔等于各支路等积孔之和。

4、总风阻

将A＝

代入上式并化简，得

＝

＋

＋…＋

并联风路的总风阻平方根的倒数等于各支路风阻平方根的倒数之和。

或：

R总＝

当R1＝R2＝…＝Rn时，

R总＝

即并联风路的总风阻小于任何一个支路的风阻值。

5、并联风路风量自然分配规律

由h1＝h2即R1Q12＝R2Q22

得：

＝

或Q1＝

Q2

同理得：

Qn＝

Q总

当R1＝R2＝…＝Rn时，

Qn＝

显然，并联风路某支路的风量，取决于总风阻和该支路的风阻，风阻小的自然分配的风量大，风阻大的自然分配的风量小。

这就是风量自然分配规律。

因此，要改变某支路的风量时，可从改变该支路或其他并联支路的风阻入手；当风阻一定时，支路风量随总风量增减而呈线性增减。

三、串、并联的比较

例设某通风系统，Q＝20m3/s，R1＝R2＝0.8，试比较串、并联的优、缺点。

解：

①风阻值的比较

R串＝R1＋R2＝0.8＋0.8＝1.6

R并＝

＝

＝0.2

R串＝8R并

②阻力比较

h串＝R串Q2＝1.6×202＝640（Pa）

h并＝R并Q2＝0.2×202＝80（Pa）

（或h并＝R1Q12＝0.8×102＝80）

h串＝8h并

③功率比较

N串＝

＝

＝12.8（kw）

N并＝

＝

＝1.6（kw）

N串＝8N并

并联通风较串联通风具有以下优点：

⑴安全上：

分区通风各风路都有新风，安全性好，当其中任一风路发生瓦斯、煤尘爆炸或火灾事故时，所产生的有害气体直接排入到回风道，不会污染危害与其并联的其它风路，使灾情局限于本风路系统内，不会使灾情事故扩大。

串联通风则相反。

⑵技术上：

分区通风风流比较稳定，各用风地点的风量可以相互调节，达到按需分配，调节方法也比较简便。

串联通风则无法实现风量的按需分配。

⑶经济上：

分区通风风网的总风阻要小，总阻力小，通风电耗小，矿井通风能力大，通风能耗小。

分区通风风网的总风阻小于任何一支路的风阻值。

因此《规程》规定，矿井的每个生产水平和各个采区都必须布置单独回风巷道，实行分区通风。

§5—3角联风路的特性

并联风路之间有一条或多条风路联通的风路，叫角联风路。

如图，CD叫对角风路（巷道），AC、AD、CB、DB叫边沿风路（巷道）。

仅有一条对角巷道的风路叫简单角联，有两条以上对角巷道的风路叫复杂角联。

角联风路的特点是风流不稳定，风流可能由C→D，也可能D→C，或风流停滞。

一、巷道CD无风（Q5＝0）

此时，Q1＝Q2Q3＝Q4

即：

hC＝hD

对于ACD、BCD回路，有

h1＋h5＝h3即h1＝h3①

h2＋h5＝h4即h2＝h4②

或：

R1Q12＝R3Q32③

R2Q22＝R4Q42④

③÷④

＝

由于Q1＝Q2Q3＝Q4

上式为：

＝

或：

＝M＝1A

A式为对角巷道无风的条件式。

二、风流由C→D

此时，hC＞hD

对于ACD、BCD回路，有

h1＋h5＝h3①

h4＋h5＝h2②

或：

R1（Q2＋Q5）2＋R5Q52＝R3Q32③

R4（Q3＋Q5）2＋R5Q52＝R2Q22④

由③、④，有下列不等式成立：

R1（Q2＋Q5）2＜R3Q32

R4（Q3＋Q5）2＜R2Q22

即

比较上式得：

＞

即：

＜

或：

＝M＜1B

B式为对角巷道风流C→D的条件式。

三、风流由D→C

同理可得风流由D→C的条件式为：

＞

或：

＝M＞1C

综上，简单对角风路某边沿巷道对角前与对角后风阻之比，大于对应侧巷道风阻之比时，对角巷道的风流必流向该侧；否则相反，相等时无风。

显然，对角风路中风流的流动是不稳定的，当其他巷道的风阻发生变化时，对角巷道可能出现风量增加、减少、停风、甚至反风。

因此，在矿井通风设计中，要避免对角风路的出现。

§5—4通风网络解算

方法

§5—5采区通风系统

一、采区通风系统应满足的基本要求

1、矿井生产水平和采区必须实行分区通风。

2、任何准备采区，必须在采区构成通风系统后，方可开掘其他巷道。

采煤工作面必须在采区构成完整的通风、排水系统后，方可回采。

3、高瓦斯矿井、有煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出危险的矿井的每个采区和开采容易自燃煤层的采区，必须设置至少1条专用回风巷；低瓦斯矿井开采煤层群联合布置的采区和分层开采采用联合布置的的采区，必须设置1条专用回风巷。

采区专用回风巷内不得运输物料、安设电气设备；在煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出区域，专用回风巷内不得行人。

4、采区进、回风巷必须贯穿整个采区，严禁一段为进风巷、一段为回风巷。

5、采、掘工作面应实行独立通风，同一采区内，同一煤层上下相连的2个同一风路中的采煤工作面、采煤工作面与其相连的掘进工作面、相邻的2个掘进工作面，布置独立通风有困难时，在制定措施后，可采用串联通风，但串联通风的次数不得超过1次。

6、采区内为构成新区段通风系统的掘进巷道或采煤工作面遇地质构造而重新掘进的巷道，布置独立通风确有困难时，其回风可以串入采煤工作面，但必须制定安全措施，且串联通风的次数不得超过1次；构成独立通风系统后，必须立即改为独立通风。

7、对于5条、6条两种情况规定的串联通风，必须在进入被串联工作面的风流中装设安全监测系统，且瓦斯和二氧化碳浓度都不得超过0．5%，其他有害气体浓度都应符合本标准规定。

8、开采有瓦斯喷出或有煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出危险的煤层时，严禁任何2个工作面之间串联通风。

9、采掘工作面的进风和回风不得经过采空区或冒顶区。

水采工作面由采空区回风时，工作面必须有足够的新鲜风流，工作面及其回风巷的风流中的瓦斯和二氧化碳浓度必须符合本标准有关规定。

10、无煤柱开采沿空送巷和沿空留巷时，应采取防止从巷道的两帮和顶部向采空区漏风的措施。

矿井在同一煤层、同翼、同一采区相邻正在开采的采煤工作面沿空送巷时，采掘工作面严禁同时作业。

11、突出矿井中布置采掘工作面应遵循下列原则：

⑴主要巷道应布置在岩层或非突出煤层中。

应尽可能减少突出煤层中的掘进工作量。

开采保护层的采区，应充分利用保护层的保护范围。

⑵应尽可能减少石门揭穿突出煤层的次数，揭穿突出煤层地点应避开地质构造带。

如果条件许可，应尽量将石门布置在被保护区内，或先掘出揭煤地点的煤层巷道，然后再与石门贯通。

石门与突出煤层中已掘进巷道贯通时，被贯通巷道应超过石门贯通位置5m以上、并保持正常通风。

⑶在同一突出煤层的同一区段的集中应力影响范围内，不得布置2个工作面相向回采或掘进。

突出煤层的掘进工作面，应避开本煤层或邻近煤层采煤工作面的应力集中范围。

12、防突安全防护措施中，采取震动爆破的工作面，必须具有独立、可靠、畅通的回风系统，爆破时回风系统内必须切断电源，严禁人员作业和通过。

在其进风侧的巷道中，必须设置2道坚固的反向风门。

与回风系统相连的风门、密闭、风桥等通风设施必须坚固可靠，防止突出后的瓦斯涌人其他区域。

13、采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中瓦斯浓度超过1．0％或二氧化碳浓度超过1．5%时，必须停止工作，撤出人员，采取措施，进行处理。

14、对回采工作面和其他用风地点，应根据实际需要随时测风，每次测风结果应记录并写在测风地点的记录牌上。

二、《规程》有关规定

见《规程》第100条~132条，略。

三、采区进回风上山的布置方式

采区进回风上山的布置方式可分为：

轨道上山进风、运输机上山回风和轨道上山回风、运输机上山进风及专用回风道三种方式。

如图。

轨道上山进风运输机上山回风轨道上山回风运输机上山进风

1、轨道上山进风、运输机上山回风

优点：

进风被污染和加热的程度小，采区车场不设风门等。

缺点：

采区上、中部车场风门多，漏风多，不易管理，电气设备在回风流中，安全性差等。

2、运输机上山进风、轨道上山回风

优点：

通风系统简单，风门少，易于风流控制，电气设备在进风流中，安全性好等。

缺点：

进风被污染、加热的程度大，采区车场风门不易控制等。

3、专用回风道

生产能力大、需要风量大、瓦斯涌出严重、上下阶段同时生产时应布置三条上山，其中一条专用回风。

《规程》113条规定，高瓦斯矿井、有瓦斯突出危险的矿井的每个采区和开采容易自燃煤层的采区，必须设置至少1条专用回风巷；低瓦斯矿井开采煤层群和厚煤层分层开采联合布置的采区，必须设置至少1条专用回风巷。

四、工作面通风系统

（一）工作面通风系统

按采煤工作面进回道的布置方式可分为：

1、“U”型通风系统（逆向）

具有采空区漏风少的优点，但采煤

工作面上隅角易积聚瓦斯。

一般用于长壁工作面（走向或倾向）。

2、“S”型通风系统（顺向）

具有漏风可带走采空区和上隅角瓦斯

的优点，但回风巷道维护困难。

一般用于采空区瓦斯涌出严重的情况。

3、“Y”型通风系统（顺向）

具有供风量大，漏风可带走采空区和

上隅角瓦斯的优点，但回风巷道维护困难，

巷道开掘工程量大。

一般用于采空区瓦斯涌出严重的情况。

4、“M”型通风系统

可分为顺向式、折反式、串联掺新风、上下巷进风中巷回风等。

“M”型通风系统一般用于瓦斯涌出量大、生产能力大、需要风量大的采煤工作面，如综采等。

5、下行通风

上行通风：

风流沿采煤工作面由下向上流动的通风方式。

下行通风：

风流沿采煤工作面由上向下流动的通风方式。

⑴优点

①风流与煤流方向一致，风流受污染、加热的程度小；

②风流与瓦斯自然流相反，瓦斯易被风流混合带出，瓦斯不易积聚；

③风流线路短，可降低工作面的气温等。

⑵缺点

①运输机在回风流中，安全性差；

②火灾时，由于火风压与风流方向相反，不利于风流的控制；

③自然风压与风机方向相反；

④瓦斯突出时容易形成风流的紊乱等。

上行通风的优、缺点与下行通风相反。

《规程》115规定，有瓦斯突出危险的工作面不得采用下行通风。

（二）工作面通风系统应满足的基本要求

1、回采工作面通风方式由采区瓦斯、粉尘、气温以及自然发火倾向等因素决定。

根据采煤工作面进、回风道的数量与位置，将回采工作面通风方式分为U形、W形、Y形、Z形及U+L形等。

2、U形通风方式指采煤工作面与进、回风道构成的形如英文字母“U”的通风方式，包括后退式和前进式两种。

U形后退式通风漏风小，上角易瓦斯积聚，适用于瓦斯涌出量不大的煤层；U形前进式通风漏风大，不适用于自然发火煤层。

3、W形通风方式指采煤工作面上、下端的平巷进风（或回风），中间平巷回风（或进风）的布置方式。

W形通风采准巷道的开掘和维护量少；风阻小，漏风量少，易于防火；中间及上下平巷可布置钻孔，利于煤层注水和抽放瓦斯。

适用于高瓦斯、易自燃的煤层。

4、Y形通风方式指在采煤工作面上、下端各设一条进风道，另在采空区一侧设回风道的通风方式。

Y形通风上角不易积聚瓦斯，且其上下两端处于进风流中、可布置抽放钻孔；采空区漏风多，易引起采空区煤炭自燃。

适用于瓦斯涌出量大、发火不严重的煤层。

5、Z形通风方式指采煤工作面、进、回风道构成的形如英文字母“Z”的通风方式，其中一条进风道（或回风道）的一侧为采空区，分为前进式和后退式。

前进式上角易积聚瓦斯，不适用于瓦斯涌出大的工作面；后退式当采空区的瓦斯涌出量很大时，其回风巷中会出现瓦斯超限现象。

Z形通风采空区内漏风大，易引起煤炭自燃，不适用于发火严重的工作面。

6、U+L形通风方式即U形通风+尾巷的通风方式，俗称尾巷通风方式。

风流通过上隅角经联络横巷进入上部回风巷，上角不易瓦斯积聚，但是大部分瓦斯涌向尾巷，易发生瓦斯事故，因此尾巷不得兼作其他用途，不得敷设电缆、金属管道，并须设栅栏、安装安全监测系统。

适用于瓦斯涌出量大的工作面。

7、有煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出危险的采煤工作面不得采用下行通风。

8、装有矿井安全监控系统的机械化采煤工作面、水采和煤层厚度小于0．8m的保护层的采煤工作面，经抽放瓦斯（抽放率25％以上）和增加风量已达到最高允许风速后，其回风巷风流中瓦斯浓度仍不能降低到1．0％以下时，回风巷风流中瓦斯最高允许浓度为1．5％，但应符合下列要求：

⑴工作面的风流控制必须可靠。

⑵必须保持通风巷的设计断面。

⑶必须配有专职瓦斯检查工。

9、回采工作面及其他作业地点风流中瓦斯浓度达到1．0％时，必须停止用电钻钻眼；爆破地点附近20m以内风流中瓦斯浓度达到1．0％时，严禁爆破。

10、回采工作面及其他作业地点风流中、电动机或其开关安设地点附近20m以内风流中的瓦斯浓度达到1．5％时，必须停止工作，切断电源，撤出人员，进行处理。

11、回采工作面及其他巷道内，体积大于0．5m3的空间内积聚的瓦斯浓度达到2．0％时，附近20m内必须停止工作，撤出人员，切断电源，进行处理。

12、回采工作面风流中二氧化碳浓度达到1．5%时，必须停止工作，撤出人员，查明原因，制定措施，进行处理。

13、采煤工作面绝对瓦斯涌出量大于或等于20m3／min、进回风巷道净断面8m2以上，经抽放瓦斯（抽放率25％以上）和增大风量已达到本标准规定最高允许风速后，其回风巷风流中瓦斯浓度仍不符合本标准规定时，由企业主要负责人审批后，可采用专用排瓦斯巷，但该巷回风流中的瓦斯浓度不得超过2．5％，并遵守下列规定：

⑴工作面风流控制必须可靠。

⑵专用排瓦斯巷内不得进行生产作业和设置电气设备；进行巷道维修工作时，瓦斯浓度必须低于1．5％。

⑶专用排瓦斯巷内风速不得低于0．5m／s。

⑷专用排瓦斯巷内必须用不燃性材料支护，并应有防止产生静电、摩擦和撞击火花的安全措施。

⑸专用排瓦斯巷必须贯穿整个工作面推进长度且不得留有盲巷。

⑹专用排瓦斯巷内必须安设甲烷传感器，甲烷传感器应悬挂在距专用排瓦斯巷回风口15m处，当甲烷浓度达到2．5％时，能发出报警信号并切断工作面电源，工作面必须停止工作，进行处理。

⑺煤层的自燃倾向性为不易自燃。

14、开采容易自燃和自燃的煤层（薄煤层除外）时，采煤工作面必须采用后退式开采。

15、矿井在同一煤层、同翼、同一采区相邻正在开采的采煤工作面沿空送巷时，采掘工作面严禁同时作业。

16、水采工作面由采空区回风时，工作面必须有足够的新鲜风流，工作面及其回风巷的风流中的瓦斯和二氧化碳浓度必须符合本标准6．2．9～6．2．12规定。

17、采空区必须及时封闭。

必须随采煤工作面推进逐个封闭与采空区连通的巷道。

采区开采结束后45天内，必须在所有与已采区相连通的巷道中设置防火墙，全部封闭采区。

五、采区风量计算

采区需风量可用下式计算：

Q＝ΣQ采＋ΣQ备＋ΣQ掘＋ΣQ硐＋ΣQ其他m3/min

1、采煤工作面需风量计算

⑴按同时工作的最多的人数计算：

Q＝4Nm3/min

式中：

N—工作面同时工作的最多的人数，每人每分钟供风量不得少于4m3。

⑵按瓦斯涌出量计算：

Q＝

K瓦斯m3/min

式中：

K瓦斯—采煤工作面通风系数，一般取1.2~2.1

一般地：

机采工作面取1.2~1.6，炮采工作面取1.4~2.0。

Q瓦斯—采煤工作面瓦斯绝对涌出量，m3/min；

C—工作面回风流中最高允许瓦斯浓度，《规程》规定不大于1%。

⑶按工作面温度计算：

Q＝60VSk采m3/min

式中：

S—工作面控顶面积，m2。

V—工作面温度为t℃时的适宜风速，m/s。

见下表。

温度与风速之间的关系

温度℃

＜15

15～18

18～20

20～23

23～26

26～28

适宜风速m/s

0.3~0.5

0.5~0.8

0.8~1.0

1.0~1.5

1.5~2.0

2.0~2.5

k采——采煤工作面长度系数，按下表选取。

工作面长度系数

工作面长度m

＜50

50～80

80～120

120～150

150～180

＞180

系数

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3~1.4

⑷按炸药消耗量计算：

Q＝25Am3/min

式中：

A—一次爆破最多使用的炸药量，kg。

当分段爆破时取分段爆破最大值。

每公斤炸药的供风量不得少于25m3/min。

按上述计算结果取最大值，并进行最小、最大风速验算，符合规定时即为工作面的风量。

⑸风速验算：

上行通风：

0.25m/s；（V最小≥15S采）

爆破采煤：

V最大≤4m/s；（V最小≤240S采）

机械采煤：

V最大≤5m/s。

（V最小≤300S采）

⑹低瓦斯矿井综采工作面风量计算建议式（煤炭部科研院推荐）：

Q＝200K1K2K3K4m3/min

式中：

200—工作面基本供风量（工作面采高为1m，控顶距为4m，风速1.5m/s，

通风断面系数为0.55的基本供风量）

K1—采高系数，h＜2m时，K1＝

；

h≥2m时，K1＝

＋0.3

K2—采煤工作面长度系数，K2＝

K3—工作面温度系数，如表。

采煤工作面温度调整系数

工作面温度℃

≤15

16～17

18～22

23～24

25～26

温度调整系数（K3）

0.7

0.8

1.0

1.2

1.4

K4—支架后方控顶系数，易冒落顶板取1.0，强制性放顶时取1.1。

2、备用工作面风量计算

按同等生产能力采煤工作面的一半计算。

（当风量不足时，按瓦斯不积聚、不超限计算，并进行风速校验。

）

Q备＝

Q采m3/min

当风量不足时，可按最低风速计算。

3、掘进工作面风量计算

Q掘＝ΣK掘Q掘m3/min

式中：

K掘—掘进工作面备用风量系数，一般取1.0~1.2。

Q掘—局部通风机工作风量，见表。

JBT系列一般按下列取值：

5.5kW局部通风机，按150m3/min配风；

11kW局部通风机，按200m3/min配风；

28kW局部通风机，按350m3/min配风。

由于JBT系列风机效率低（η＝46～50%，但目前使用的占80%），有条件的可选用低噪、高效风机，如表。

4、采区硐室风量计算

采区硐室主要为采区变电所和采区绞车房，一般按下列取值：

变电所：

60~80m3/min，且t≤30℃。

绞车房：

D≤1.2m时，取60~120m3/min，且t≤30℃；

D≥1.6m时，取120~150m3/min，且t≤30℃。

5、其他风量计算

采区其他地点，如行人道、流水巷等，可按瓦斯涌出和最低风速计算。

高性能局部通风机参数

HD系列（HD—X）

MFA系列（MFAX—Y）

2BKJ系列

型号

直径

风量

风压

型号

直径

风量

风压

型号

风量

风压

1N05

500

250~160

1000~2800

40P2—SG4

400

150

1962

№3.5/2.2

153~76

250~1500

1N06A

600

500~300

2000~3500

50P2—SG4

500

300

3924

№4/4.4

220~130

300~1800

1N06B

600

500~300

2500~4200

60P2—SG6

600

400

2943

№4/6

220~120

300~2100

1N06C

600

600~430

2000~5800

40P2—SG3

400

500

4905

№4/8

200~150

300~2300

1N08A

800

520~390

2000~4500

90P2—SG3

900

700

3434

№4.5/9.5

224~156

333~2754

1N08B

800

720~500

2000~5000

90P2—SG3

900

1000

2943

№4.5/11

242~157

311~3070

1N10

1000

750~540

2000~6000

100P2—SG6

1000

1100

2943

№5.0/15

300~180

340~3500

100P2—SG3

1000

1000

4905

№5.6/22

400~200

350~4000

№6.0/30

447~260

440~5030

№6.0/37

500~250

450~5500

№6.0/44

550~250

450~6000

№6.3/60

630~260

360~6300