第九章矿井通风及安全.docx
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第九章矿井通风及安全
9矿井通风及安全
9.1矿井概况、开拓方式及开采方法
9.1.1矿井地质概况
坪湖矿位于丰城矿区东端。
距矿务局机关6公里左右，属上塘镇境内。
井田地形复杂，地势陡缓不一，沟谷发育、切割剧烈。
东以含煤地层与侏罗纪接触带为界，西以F3断层为界，与建新一井相邻。
北（浅部）以B4煤层-50m底板等高线为界，南（深部）以B4煤层-650m底板等高线，与曲江矿井相邻。
走向长4.3公里，倾斜宽3.3公里，面积14.2平方公里。
井田内可采煤层一层，即B煤组4号煤层。
厚度在2.2m~4.9m，一般在3.00米，倾角8º~12º。
属主焦煤，为煤和瓦斯突出的矿井。
煤尘具有爆炸性危险，自燃发火期2~4个月。
井田内可采储量约32.47Mt，矿年产0.6Mt/a，为中小型矿井，服务年限为41.7a。
9.1.2开拓方式
井田开拓采用斜井三水平带区、采区式混合开拓，一水平标高为-250m，二、三水平标高依次为-450m、-650m。
为了保证矿井产量并结合矿井的实际情况，在井田一水平内划分为2个带区和1个采区，分别为西二带区、西六带区和西四采区。
9.1.3开采方法
带区内布置两个新型高效炮采工作面，工作面长度为100m，同时布置一个备用面，根据通风需要，一个工作面布置三条顺槽，留15m宽的煤柱护巷，工作面回采后同样采用爆破法回收房柱。
工作面生产能力为2462.4t/d，每日推进两个循环，每个循环度为2.4m。
工作面装备的部分机电设备见表9-1所示。
表9-1工作面装备的部分机电设备表
地点
机电设备名称
容量
1
工作面
MZ-12煤电钻
1.2kW
2
工作面
SGB630/150刮板输送机
2×75kW
3
胶带顺槽
SZZ764/160转载机
160kW
4
胶带顺槽
SSJ1400/3×355胶带输送机
3×355kW
5
工作面
DWX31型单体支柱
250kN
为了保证生产正常接替，前期东区安排两个独立通风的煤层平巷掘进头，后期东区安排两个独立通风的煤层平巷掘进头和一个西区岩层大巷掘进头。
9.1.4变电所、充电硐室、火药库
井下辅助运输大巷采用电机车牵引固定车厢式矿车运输，井底车场设有变电所、充电硐室。
带区下部车场设有移动变电站。
煤层和岩层巷道掘进所需要的火药由井底车场火药库提供，各硐室均需独立通风。
9.1.5工作制、人数
各工作面采用三八工作制。
井下同时作业的最多人数为400人，炮采面同时工作人数为100人。
9.2矿井通风系统的确定
9.2.1矿井通风系统的基本要求
矿井通风系统的基本要求：
一般情况下矿井通风系统，都要符合投产较快、出煤较多、安全可靠、技术经济指标合理等总原则。
具体地说要适应以下基本要求：
（一）每个矿井，特别是地震区、多雷区的矿井至少要有两个通往地面的安全出口，每个出口之间距离不得小于30m；
（二）进风井口，要有利于防洪，不受粉尘、污风炼焦气体、矸石燃烧气体等有毒气体的侵入；
（三）采用多台分区主扇通风时，为了保持联合运转的稳定性，总进风道的断面不宜过小，尽可能减少公共风路的风阻；各分区主扇的回风流中央主扇和每一翼的主扇的回风流都必须严格隔开；
（四）所有矿井都要采用机械通风主扇和分区主扇必须安装在地面；
（五）北方矿井，井口要有供暖设备；
（六）总回风巷不得作为主要人行通道；
（七）工业广场不允许受扇风机噪音的干扰；
（八）装有皮带机的井筒不允许兼作回风井；
（九）装有箕斗的井筒不允许兼作进风井；
（十）可以独立通风的矿井，采区尽可能独立通风；
（十一）通风系统要为防瓦斯、火、水、煤尘及降温创造条件；通风系统要有利于深水平延伸或后期通风系统的发展变化；
（十二）要注意降低通风费用。
9.2.2矿井通风方式的选择
选择矿井通风方式时，应考虑以下两种因素：
（一）自然因素：
煤层赋存条件、埋藏深度、冲击层深度、矿井沼气等级；
（二）经济因素：
井巷工程量、通风运行费、设备装备费。
一般情况下，矿井主要有五种通风类型（图中主扇工作方法暂且按抽出式）：
中央并列式（图9-1）、中央分列式（图9-2）、两翼对角式（图9-3）、分区对角式（图9-4）和混合式通风。
但一般来说新建矿井多在前4种方式中选择。
混合式是前几种方式的综合，多在老矿井的改建、扩建时使用。
因而，我们只对前4种通风方式作一个粗略的比较，见表9-2所示。
图9-1中央并列式
图9-2中央分列式
图9-3两翼对角式
图9-4分区对角式
表9-2通风方式粗略比较表
通风方式
中央并列式
中央分列式
两翼对角式
分区对角式
优点
初期投资较
少，出煤较
多
通风阻力较小，内部漏
风小，增加了一个安全
出口，工业场地没有主
要通风机的噪音影响；
从回风系统铺设防尘洒
水管路系统比较方便
风路较短，阻力较小，采空区的漏风较小，比中央并列式安全性更好
通风路线短
，阻力小
缺点
风路较长，
风阻较大，
采空区漏风
较大
建井期限略长，有时初
期投资稍大
建井期限略长，有时初期投资稍大
井筒数目多
，基建费用
多
适用条件
煤层倾角大
、埋藏深，
但走向长度
并不大，而
且瓦斯、自
燃发火都不
严重
煤层倾角小，埋藏较浅
，走向长度不大，而且
瓦斯、自燃发火比较严重
煤层走向较大
（超过4km），井型较大，煤层上部距
地表较浅，瓦斯和自燃发火严重的新矿井
煤层距地表
浅，或因地
面高低起伏
较大，无法
开掘浅部的
总回风道
通过对以上几种通风方式的比较和技术分析，结合矿井的地质条件、水平标高为+76m。
煤层为缓倾斜煤层。
矿井年产量为0.6Mt/a，为中小型矿井，井田走向长度大于4km，煤层平均倾角为12º，矿井具有自燃防火倾向，为煤与瓦斯突出矿井，矿井风量大。
根据以上分析，确定技术可行的两个方案为：
两翼对角式和中央分列式通风。
下面进行经济比较：
通过经济比较，两翼对角式通风方式和中央分列式通风方式相比：
初期投资中央分列式略小，但相差不大。
且中央分列式相比两翼对角式而言，具有通风线路短、阻力小，通风总费用少，故确定该矿井采用中央并列式通风方式。
9.2.3矿井主要通风机工作方式选择
（一）主扇工作方法的确定
主扇的工作方法有抽出式和压入式两种。
（1）抽出式的风流运动过程：
在服务范围内的风井安设抽出式主扇。
主扇开始工作后，矿井内的风流处于负压状态，新鲜风流顺着副井进入井下。
然后，风流沿辅助运输大巷经分带下部车场、分带主运输顺槽进入综采工作面，乏风经分带运输顺槽、尾顺槽、回风斜巷到回风大巷，再经风井排到地面。
（2）压入式的风流运动过程：
在副井井口安设压入式主扇，主井井底和总进风分开。
主扇开始工作后，矿井内的风流处于正压状态，新鲜风流顺着副井进入井下。
然后，风流沿辅助运输大巷经分带下部车场、分带主运输顺槽进入综采工作面，乏风经分带运输顺槽、尾顺槽、回风斜巷到回风大巷，再经风井排到地面。
（二）抽出式和压入式的优缺点
比较见表9-4所示。
该矿井虽然为高瓦斯矿井，煤层有自燃发火倾向和爆炸危险性。
采用抽出式通风，沿通风线路漏风少，通风管理工作比较容易，并且新旧水平过渡容易。
因此，综合以上因素，确定主扇的工作方法为抽出式。
表9-3通风机工作方式比较法
工作方式
优 点
缺 点
抽 出 式
整个通风系统处于负压状态，当主扇应故停止运转时，井下风流的压力提高，有可能使采空区瓦斯涌出量减少，比较安全。
在地面小窑塌陷区分布较广，并和采区相沟通的条件下，用抽出式通风，会把小窑积存的有害气体抽到井下，同时使通过主扇的一部分风流短路。
总进风量和工作面通风量都会减少。
压 入 式
用压入式通风，能用一部分回风流把小窑塌陷区的有害气体带到地面，在地面小窑塌陷区分布较广，并和采区相沟通的条件下使用比较安全。
如果能够严防总风路上的漏风，则压入式主扇的规格尺寸和通风电力费用都较抽出式小。
采用压入式通风时，须在矿井总进风路线上设置若干构筑物，使通风管理工作比较难，漏风较大。
在由压入式通风过渡到深水平抽出式通风时，有一定困难，因为过渡时期是新旧水平同时产生，战线较长。
压入式主扇使井下风流处于正压状态，当主扇停转时，风流压力降低，有可能使采空区瓦斯涌出量增加。
9.2.4带区通风系统的要求
（一）带区通风总要求
（1）能够有效地控制带区内风流方向、风量大小和风质；
（2）漏风少；
（3）风流的稳定性高；
（4）有利于排放沼气，防止煤尘自燃和防尘；
（5）有较好的气候条件；
（6）安全经济合理技术。
（二）带区通风的基本要求
（1）每个带区必须有单独的回风道，实行分区通风，回采面和掘进面都应采用独立通风，不能串联；
（2）工作面尽量避免位于角联分支上，要保证工作面风向稳定；
（3）煤层倾角大于12°时，不能采用下行风；
（4）回采工作面的风速不得低于1m/s；
（5）工作面回风流中沼气浓度不得超过1%；
（6）必须保证通风设施（风门、风桥、风筒）规格质量要求；
（7）要保证风量按需分配，尽量使通风阻力小风流畅通；
（8）机电硐室必须在进度风流中；
（9）采空区必须要及时封闭；
（10）要防止管路、避灾路线、避灾硐室和局部反风系统。
9.2.5工作面通风方式的选择
工作面通风有上行风和下行风之分，以下是上行通风和下行通风两种通风方式的优缺点比较：
（一）上行风风速小时，可能会出现瓦斯分层流动和局部积聚，下行风时，沼气和空气混合能力大，不易出现分层和局部积聚；
（二）上行风运输途中瓦斯被带入工作面，工作面瓦斯浓度大，下行风运输途中瓦斯被带入回风巷，工作面瓦斯浓度小；
（三）上行风须把风流引导到最低水平，然后上行，路线长，风流被地温加热程度大，且运输设备发热量也加入，故工作面温度高；
（四）上行风上隅角瓦斯浓度常超限，限制了生产能力；
（五）下行风运输设备在回风巷运转安全性差；
（六）下行风比上行风所需的机械风压大，因为要克服自然风压，且一旦停风机，工作面风向逆转；
（七）下行风工作面若有火源，产生火风压与机械风压相反，会使工作面风量减少，甚至反风，导致瓦斯浓度上升引爆，故下行风在起火地点瓦斯爆炸的可能性比上行风大。
通过对上行风和下行风的比较，确定工作面通风方式为上行通风方式。
结合本矿实际条件，瓦斯涌出量大，单巷给工作面供风不能满足要求，故采用双巷进风，单巷回风，工作面通风可选的通风方式有：
U形、Y形、偏Y形、H形等。
（以后退式为例，见图9-5）这几种通风类型的粗略比较见表9-4。
图9-5工作面通风类型
表9-4通风类型粗略比较表
类型
优点
缺点
U形
采空区漏风少
在工作面上隅角附近容易积存沼气，影响工作面的安全生产。
Z形
在采空区上部维护一条回风巷，工作面回风流经回风巷时，采空区的漏风可将其中的沼气排至回风道，工作面比较安全。
采空区漏风大，需要维护一条巷道，巷道维护费用高。
Y形
增加一条进风巷，能有效地解决回风流的瓦斯浓度过高和积存问题。
对回采工作面的瓦斯和气候条件没有改善；要求工作面的上顺槽沿采区一翼全长预先掘好，且在回采期间始终维护；同时，还需要在采区边界开一条为相邻两个采区共用的回风上山，故采区巷道的掘进和维护费用较大。
双Z形
对于瓦斯涌出量大和采用综采机组的回采工作面，能有效解决产量严重受通风限制的问题。
中间巷道开掘在煤体中，并且在回采期间始终维护，故掘进和维护费用较大。
针对本矿特点：
（1）带区内分带较长，沿空留巷比较难，且费用高，故不选用Y形、H形通风方式；
（2）偏Y形通风方式工作面一进两回，回风尾巷稀释瓦斯上隅角浓度，不会形成瓦斯积聚，但巷道费用过高，故不宜选用；
（3）工作面生产能力大，瓦斯涌出量大，U形通风方式上隅角易形成瓦斯积聚，工作面共布置3条顺槽2条进风、1条回风。
因此可以通过两条巷道进风来稀释瓦斯、防止瓦斯的积聚。
巷道掘进采用钻眼爆破法双巷掘进，分带煤柱也用钻眼爆破法采用房柱式采煤方式回收煤柱，故工作面之间留保护煤柱15m。
为U形通风方式。
9.2.6通风构筑物
矿井通风系统除了有结构合理的通风网路和能力适当的通风机外，还要在网路中的适当位置安设隔断，引导及控制风流的设施和装置，以保证风流按生产需要流动。
为了保证带区内通风风流的稳定，在巷道内设置一系列通风构筑物，控制风流的流动。
本矿的主要通风构筑物有：
（一）风门
在通风系统中既要隔断风流又要行人或通车的地方应设立风门。
在行人或通车不多的地方，可构筑普通风门。
而在行人通车比较频繁的主要运输道上，则应该构筑自动风门。
（二）挡风墙（密闭）
在需要阻截风流和交通的巷道内设置挡风墙。
9.3矿井风量计算
根据《煤矿安全规程》规定，配风基本原则为：
（一）井下工作人员每人每分钟供风量不小于4m3；
（二）工作面沼气和其它有害气体浓度不能超限；
（三）工作面要有良好的气候条件。
矿井风量计算应根据实际需要按由里向外的原则，先从各用风地点算起，由里向外，逆风将各用风地点计算值乘以1.2就是各用风地点实际风量，采煤工作面只配计算的风量，上下顺槽的风量乘以1.2。
顺风流而下，遇到分风地点则加上其它风路的风量，一起分配给未分风前的那条风路，作为该风路的分量，直至确定进风井的风量。
9.3.1工作面所需风量的计算
每个采煤工作面实际需要风量，应按瓦斯（或二氧化碳）涌出量、工作面气温、风速和人数等规定分别计算，然后取其中的最大值。
矿井平均瓦斯涌出量为43.90m3/t，由于矿井产量相对较大，绝对涌出量大，为满足通风要求，在开采前采取预抽瓦斯措施，以减少开采时的瓦斯涌出量。
设计时矿井瓦斯相对涌出量按20m3/t来计算。
（一）按瓦斯涌出量计算
根据《煤矿安全规程》规定，按采煤工作面回风巷风流中瓦斯的浓度不得超过1%的要求计算，即：
（9-1）
式中：
Qai——第i个工作面实际需风量，m3/min；
Qgai——该采煤工作面采煤时瓦斯的平均绝对涌出量，m3/min；
Kai——该采煤工作面的瓦斯涌出不均衡系数，取Kai=1.5。
工作面日产量：
1026t；
则瓦斯绝对涌出量
m3/min
工作面所需风量：
m3/min
取为
m3/min
（二）按工作面气温与风速的关系计算
采煤工作面应有良好的劳动气候条件，其温度和风速应符合下列要求，见表9-5所示。
表9-5温度和风速要求
工作面温度（℃）
<15
15~18
18~20
20~23
23~26
工作面风速（m/s）
0.3~0.5
0.5~0.8
0.8~1.0
1.0~1.5
1.5~1.8
按下式计算：
（9-2）
式中：
vai——采煤工作面风速，取vai=1.5m/s；
Sai——第i个工作面平均断面积，对于炮采工作面，Sai=13.5m2。
故工作面风量：
m3/min
（三）按人数计算
按每人每分钟所需风量和工作面的最多人数计算工作面所需风量。
（9-3）
式中：
4——每人每分钟供给4m3的规定风量，m3/min；
Nai——第i个工作面同时工作的最多人数，取55人。
故工作面风量：
m3/min
由以上三种方法计算的采煤工作面所需风量最大值为：
m3/min
（四）按风速进行验算
根据《煤矿安全规程》规定，按采煤工作面最低风速0.25m/s、最高风速4m/s的要求来进行验算。
每个回采面：
m3/min（9-4）
m3/min（9-5）
式中：
Sai——第i个工作面的平均断面积，m2。
对于炮采工作面Sai=13.5m2。
由风速验算可知，Qa大=2200m3/min，符合风速要求。
9.3.2备用工作面需风量的计算
按下式计算：
（9-6）
式中：
Q备——备用工作面所需风量，m3/min。
所以，备用工作面所需风量为：
m3/min
9.3.3掘进工作面需风量
矿井生产前期，为了保证生产正常接替，前期一、二带区各安排两个独立通风的煤层平巷掘进头，后期一、二带区各安排两个独立通风的煤层平巷掘进头和两个岩层大巷掘进头。
通风方式：
由于采用钻眼爆破法掘巷，必须为双巷掘进。
利用联络巷贯通，可自行形成风路，在无联络巷贯通时的独头段采用压入式局部通风机通风。
各掘进工作面所需风量计算如下：
掘进工作面应按瓦斯（或二氧化碳）涌出量、工作面温度、同时工作的最多人数分别计算，取其中的最大值，并验算风速。
掘进工作面所需风量的计算：
（一）按瓦斯（或二氧化碳）涌出量计算
根据《煤矿安全规程》规定，按工作面回风风流中瓦斯浓度不得超过1%的要求计算。
即：
（9-7）
式中：
Qai——掘进工作面实际需要风量，m3/min；
Qgai——掘进工作面瓦斯绝对涌出量，m3/min；
Kai——掘进工作面因瓦斯涌出不均匀的备用风量系数。
通常机掘工作面取1.5~2.0；炮掘工作面取1.8~2.0。
掘进工作面日产量：
200t；
瓦斯绝对涌出量
m3/min
工作面需风量
m3/min
（二）按人数计算
按每人每分钟所需风量和工作面的最多人数计算工作面所需风量。
（9-8）
式中：
4——每人每分钟供给4m3的规定风量，m3/min；
Nai——第i个工作面同时工作地最多人数，取20人。
故钻眼爆破掘进工作面风量
m3/min
（三）按局部通风机的实际吸风量计算需要风量
煤巷掘进：
（9-9）
式中：
Q扇——局部通风机实际吸风量，m3/min；
S——安设局部通风机的巷道断面积，m2；
I——掘进工作面同时通风的局部通风机台数。
局部通风机为JBD62-2-No.5.5型，吸风量为295~594m3/min，取594m3/min；安设局部通风机的巷道断面面积为20m2；掘进工作面同时通风的局部通风台数为1台。
故钻眼爆破掘进工作面风量为：
m3/min
由以上三种方式计算的掘进工作面所需风量最大值为：
m3/min
9.3.4硐室需风量
按经验值给风量：
机车检修、充电硐室
m3/min
火药库
m3/min
矿井煤层为缓倾斜煤层，辅助运输方式为固定车厢式矿车运输，带区内各工作面设备材料由矿车经井底车场运输设备到各带区，故在井底车场和带区各处布置各硐室。
9.3.5其他巷道所需风量
其他巷道所需风量由下式计算：
（9-10）
式中：
S——其他巷道平均断面面积，取S=18.9m2。
m3/min
取1200m3/min。
9.3.6矿井总风量
（一）根据各用风地点需风量，采用由里向外配风，矿井总风量按下式计算：
（9-11）
式中：
——矿井总风量，m3/min；
K——风量备用系数，取K=1.2；
——炮采工作面所需风量，m3/min；
——备采面所需风量，m3/min；
——掘进面所需风量，m3/min；
——硐室所需风量，m3/min；
——其他巷道所需风量，m3/min。
则，
m3/min
m3/min
（二）根据矿井人数，按下式计算：
（9-12）
式中：
N——井下同时工作人数，取N=500人；
K——风量备用系数，取K=1.5。
则，
m3/min
两种方法取最大值，则矿井总风量通风容易时期为6488m3/min，通风困难时期为7382m3/min。
9.3.7风量分配
（一）通风容易时期和困难时期的确定
在主要通风机服务年限内，随着采煤工作面及采区接替的变化，通风系统的总阻力也将因之变化。
其通风容易时期在西区正常回采期间，困难时期在东、西区接替时期。
在通风容易时期：
西区有两个回采工作面、两个掘进工作面；
在通风困难时期：
西区同上，东区增加一个大巷掘进工作面。
（二）配风的原则和方法
根据实际需要由里向外的原则配风，逆风将各用风地点计算值乘以1.2就是各用风地点实际风量，采煤工作面只配计算的风量，上下顺槽的风量乘以1.2。
顺风流而下，遇到分风地点则加上其它风路的风量，一起分配给未分风前的那条风路，作为该风路的分量，直至确定进风井的风量。
（1）炮采工作面，考虑到工作面的采空区漏风占工作面风量的20%，工作面进风侧顺槽风量为：
m3/min
（2）准备工作面：
m3/min
（3）煤巷掘进工作面：
m3/min
（4）大巷掘进工作面：
m3/min
（5）机车检修、充电硐室：
m3/min
（6）火药库：
m3/min
（7）其他巷道：
m3/min
经以上分配过程，矿井风量正好分配完毕。
井巷风速验算结果见表9-6所示。
表9-6井巷风速演算表
井巷名称
v（m/s）
主斜井
7.02
副斜井
4.10
井底车场
5.56
运输大巷
5.81
副主运输大巷
5.81
轨道顺槽
2.67
皮带顺槽
2.58
9.4矿井通风阻力计算
矿井通风阻力的大小是选择通风设备的主要依据，所以，在选择矿井主扇之前，必须首先计算通风总阻力。
（一）矿井通风总阻力的计算原则
（1）矿井通风的总阻力，不应超过2940Pa；
（2）矿井井巷的局部阻力，新建矿井（包括扩建矿井独立通风的扩建区）宜按井巷摩擦阻力的10%计算，扩建矿井宜按井巷摩擦阻力的15%计算；
（3）当风量按照各用风地点的需要或自然分配后，选择达到设计产量时通风最容易时期和最困难时期通风阻力最大的风路，然后分别计算这两条风路中各段井巷通风阻力，分别累加后即得到矿井通风最容易和最困难两个时期的最大通风阻力。
9.4.1矿井最大阻力路线
（一）通风容易时期（图9-1）
主、副井井口1、2→3→4→5（6）→7→8→9→10（11）→12→13→14→15→16→17→地面
下表9-7为矿井通风容易时期阻力计算表。
（二）通风困难时期（图9-2）
主、副井井口1、2→3→4→5（6）→7→8′→9′→20→21→19→22→15→17→地面
下表9-8为矿井通风容易时期阻力计算表。
9.4.2矿井通风阻力计算
沿着上述两个时期通风阻力最大的风路，分别用下式计算出各段风路井巷的摩擦阻力：
（9-13）
式中：
hfr——巷道摩擦阻力；
L、U、S——分别是巷道的长度、周长、净断面积；
Q——分配给井巷的分量；
α——各巷道的摩擦阻力系数。
通风容易及困难时期风网图如图9-3、如图9-4所示。
矿井通风阻力和见表9-9所示。
表9-9风路总阻力
容易时期
困难时期
阻力（Pa）
1896.84
2032.96
图9-3矿井通风容易时期网络图
图9-4矿井通风困难时期网络图
表9-7矿井通风容易时期阻力计算表
井巷序号
井巷名称
支护形式
α×104
（N·S2/m4）
L
（m）
U
（m）
S
（m2）
Rfr
（N·S2/m8）
Q
（m3/s）
hfr
（Pa）
v
（m/s）
1-4
副井井筒
混凝土
350
762
12.89
13.2
0.1495
84.81
107
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