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矿井通风系统优化问题研究

毕业设计[论文]

题目：

矿井通风系统优化问题研究

学院：

市政与环境工程学院

专业：

安全工程

姓名：

李辉

学号：

023212125

指导老师：

张岩

完成时间：

2014年5月23日

摘要

矿井通风系统是由矿井主要通风机装置和井下通风网络组合而成的动态系统。

矿井通风系统的主要任务向井下的用风地点输送新鲜空气，供井下作业人员呼吸；稀释并且排放出井下的各种有毒有害的气体和粉尘；降低作业环境温度；创造良好的井下气候条件；在井下发生灾变时能够根据实际需要调节控制风流，最大限度限制灾变区域的蔓延，提升矿井的安全性。

矿井通风系统优化问题研究工作有助于提高我国矿山的经济效益，对改善矿山经营状况具有重要作用。

为使矿井通风系统整体最优，必须使各要素之间相互协调，而要使其高度协调，必须首先对通风系统运行现状进行分析，找出存在的问题，以寻求改进途径。

为制定现有通风系统的科学管理方案和选择通风系统改造方案提供依据。

因此，本论文针对矿井通风系统存在的问题，对其如何优化的问题进行了研究，采取有效措施，不断提高矿井通风系统的安全性、可靠性，保障矿井作业人员的生命安全，保证煤矿实现高产高效的安全生产，该研究内容具有重要的现实意义。

关键词：

煤矿；通风系统；优化；问题　

Abstract

Themineventilationsystemismadeupofmainventilatorunitandacombinationofventilationnetworkdynamicsystem.Themaintaskofthemineventilationsystemtominesiteconveyingfreshair,thewindforundergroundworkpersonnelbreathing;Dilutionandallkindsofpoisonousandharmfulgasemissionsfromundergroundanddust;Lowerthetemperatureintheworkingenvironment;Tocreateagoodundergroundclimateconditions;Inundergrounddisastercanaccordingtotheactualneedtoadjustthecontrolwindflow,maximumlimitthespreadofthedisasterarea,improvethesafetyofmine.

Mineventilationsystemoptimizationresearchworkisbenefittoimprovetheeconomicofminesinourcountry,playsanimportantroleinimprovingminingoperatingconditions.Tomaketheoptimalmineventilationsystemasawhole,wemustmakemutualcoordinationbetweenalltheelements,andtomakeitshighlycoordinated,wealsoanalyzetheventilationsystemoperationstatus,findouttheexistingproblemsandwaystoseekimprovement.Tomakethescientificmanagementoftheexistingventilationsystemplanandselecttheventilationsystemtransformationprovidesthebasis.Therefore,thispaperaimingattheexistingproblemofmineventilationsystem,andstudiedthequestionofhowtheoptimization,alsotakeeffectivemeasurestoimprovethereliabilityofmineventilationsystem,andensurethesafetyofthelivesofmineworkers,lastensurethesafetyofcoalminetorealizehighyieldandefficientproduction,theresearchcontenthasimportantpracticalsignificance.

Keywords:

Coalmine;Ventilationsystem;Optimization;Theproblem

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1研究背景1

1.2国内现状1

2矿井通风系统概述3

2.1矿井通风系统的作用3

2.2矿井通风系统的组成4

2.3矿井通风系统类型4

3当前矿井通风系统存在的问题5

3.1通风设施设置不合理5

3.2主要通风机运行效率低5

3.3通风阻力大且分布不合理6

3.4风量不足6

3.5风量调节方法不准确6

3.6漏风多7

3.7恶性调节7

4通风系统优化途径8

4.1通风机的合理选型8

4.2更换电机8

4.3建立合理的通风系统9

4.4改造反风系统9

4.5主要通风机附属装置的改造10

4.6建立合理的风网结构10

4.7准确测量和降低矿井通风阻力10

4.8正确调节矿井风量11

4.8.1调节局部风量12

4.8.2调节矿井总风量13

4.9加强矿井通风管理工作13

4.10对矿井通风系统进行正确的评价14

总结15

参考文献16

致谢17

1绪论

1.1研究背景

近年来,随着我国的矿业的迅速发展，人们在更多利益的驱动下,越来越多的矿山在扩大矿井生产能力，开采的范围也因此增大,但是基本的通风能力却没有发生重大变化，以至于矿井的通风效果很不理想。

如今矿井通风系统存在的各种问题，如通风设施设置不合理、通风阻力大且分布不合理、风量不足、风量调节方法不准确、漏风多等。

这些问题毫无疑问影响了矿山日常的生产工作，给作业人员带来重大威胁。

因此，针对我国矿井通风系统的现状,我们有必要进行主要通风机的合理选型、更换电机、建立合理的通风系统、改造反风设施及防爆盖主要通风机附属装置的改造建立合理的风网结构、准确测量和计算矿井实际风阻和风量、正确调节矿井风量、加强矿井通风系统的管理的措施。

通过这些措施来进一步优化矿井通风系统，我希望能够通过此文为煤矿通风工作提供自己的一份力，能够为矿山提供更好的生产条件，也能够更好的保障作业人员的人身健康。

因此，本研究具有重要的意义和实用价值。

1.2国内现状

在我国,无论是新建矿井、改建矿井还是扩建的矿井,这些矿井通风系统的类型不仅仅跟随着国家的能源政策、技术状况以及安全法规的变化而改变,而且也受到井田自然条件、开发规模等因素的制约。

__70年代以后,我国逐步进入了经济建设大发展时期。

随着我国机械化水平的迅速提高，以及矿井生产能力的大幅度增长，矿井通风系统也发生了诸多变化。

例如平顶山一矿改压入式为抽出式通风，简化了通风网络,降低了通风阻力,实现了多主要通风机的联合运行。

80年代以后，我国的矿井通风技术取得了较快的发展，尤其在介于能耗方面极为突出。

例如研制与推广多风机多级机站通风新技术、高效节能风机、井下风流调控技术等等。

伴随着科学的进步、技术的发展以及先进设备的充分利用，矿井的日常生产能力在不断增大，深度以及强度也在不断加大，已经可以开采更为复杂地质条件的矿井，因此对于每一个矿井的生产和安全而言通风系统起着越来越大的作用。

矿井通风系统的快速发展决定了它本身的不细致，许多矿井跟不上前进的步伐，或因资金因素，或因人为因素，伴随而来的各种不协调问题严重制约着我国矿井的安全生产。

2000年，山西大同永定庄煤矿发生特别重大瓦斯爆炸事故，同年黑龙江双鸭山东保卫煤矿的特大瓦斯爆炸事故，其都是通风设施不可靠导致的。

2003年，因为局部通风管理的混乱，北京小北桶煤矿发生了“12.17”事故，造成了4名人员中毒窒息死亡。

同年6月，北京市堂上瑞祥煤矿因为对盲巷管理的不到位导致一名工人因违章作业而死亡。

2006年，陕西长县瓦窑堡镇煤矿因通风系统不完善而发生特别重大瓦斯爆炸事故。

2013年7月23日，四川杉木树煤矿因供电网络故障造成局部通风机停止运行发生瓦斯爆炸事故，造成7人死亡。

这些事故的发生都是因为通风系统的不完善或管理的不到位。

所以一个完善的、功能健全的、调节合理的、管理到位的通风系统对于一个矿井来说十分重要。

因此，虽然我国矿井通风技术飞速发展，通风系统对于矿井而言也发挥着越来越重要的作用，但是我国矿井因为管理不到位或者系统的不合理调节等原因造成的事故还是在不断发生，造成了无法挽回的巨大损失。

对我们而言，目前矿井通风系统存在着哪些问题，这些问题为何存在，以及如何解决这些问题应该成为下一步的研究目标。

2矿井通风系统概述

矿井通风系统是向矿井各作业地点供给新鲜空气、排出污浊空气的进、回风井的布置方式，主要通风机的工作方法，通风网路和风流控制设施的总称[1]。

在矿井通风中，矿井通风系统是运用率极高的一个专业术语,许多专家分别用不同的方式为我们定义了矿井通风系统。

山东矿业学院的谭允祯教授这样定义:

矿井通风系统是生产矿井的主要组成部分，是矿井通风方式、通风方法和通风网络的总称[2]。

中国矿业大学陈开岩、王省身等将矿井通风系统定义为:

矿井通风系统是由通风动力及其装置、通风井巷网络、风流监测与控制设施所组成[3]。

在《矿井通风与安全》中，吴中立则把它定义为:

矿井通风系统是向矿井各作业地点供给新鲜空气、排除污浊空气的通风网路、通风动力和通风控制设施（通风构筑物）的总称[4]。

2.1矿井通风系统的作用

从地下开采，矿井大气成分与气候变化规律，以及有毒气体和粉尘的性质及对人体健康的影响和危害来看，通风是解决这些问题的最有效的方法。

一般情况下，自然通风难以持续、稳定、有效地解决上述问题，因此《冶金地下矿山安全规程》5.2.1条规定：

所有矿井必须建立完善的机械通风系统[5]。

图2.1矿井通风系统组成与结构示意图

如图2.1所示，通风设施的控制下以及在风机动力的作用下，地面新鲜空气由进风井巷进入到矿井内部，经过有关井巷供给各个工作面，不断稀释有害物质，能够使之达到无害的程度，最后经回风道从回风井巷将污浊空气排出地表，这就是矿井通风系统运转的全过程。

要与矿井内部空气里中一些有毒有害气体以及矿尘作斗争，最有效的措施之一就是建立矿井通风系统，建立矿井通风系统可以改善矿井内部气候条件，为采矿生产工作创造更好工作环境。

其主要作用为：

1　保证井下工作面有足够氧气供给作业人员；

2　将井下的各种有毒有害气体以及矿尘等有害物质稀释到无害程度并且排出矿井外部；

3　创造良好的井下工作面气候条件。

2.2矿井通风系统的组成

如图2.1所示，整体看，矿井的通风系统主要由通风网络、通风动力以及通风控制设施三大部分组成，这三部分定义分别如下：

1　通风网络是由风流流过的井巷所构成的集合体，因此通风网络是相互关联的、复杂的、网络状的。

2　通风动力是为风流流动提供能量动力源组成的动力结构体系，其动力源有主扇、辅扇、自然压差等。

3　通风控制设施就是能够有效地控制有害漏风，并且使进入井下的风流按照需求进行分配的一系列的调节控制设施，常用的通风控制设施有风窗、风门、辅扇、风墙、风桥、导风板等[6]。

2.3矿井通风系统类型

矿井通风系统可以从不同的角度分成若干类型：

1　根据系统格局，可分为统一通风、分区通风和单元通风三种类型；

2　根据进风井和回风井的布置方式，可分为中央式、对角式、及混合式；

3　根据主扇的工作方式及井下压力状态，可分为压入式、抽出式、压抽混合式；

4　根据风流的输送与调控方式，可分为主扇-风窗、主扇-辅扇、多级机站、单元调控[7]。

3当前矿井通风系统存在的问题

矿井通风系统组成的各要素之间彼此相互联系，又相互影响。

但在日常生产过程中，难免会产生各种各样的问题，这些问题看似不大但最终可能导致不可挽回的事故。

因此，为了防止这些事故的发生，也为了达到矿井通风系统整体为最优的目的，首先我们必须针对通风系统的运行现状进行系统的分析，找出通风系统存在的各种问题，改进的各种途径，最终使各要素之间高度协调，避免因不协调而可能产生的后果。

3.1通风设施设置不合理

通过对全国80多个中小煤矿的调查，其中有50%以上的煤矿存在通风设施设置不合理的现象。

矿井通风设施是控制井下风流流动的各类建筑、构筑物的总称。

分3类：

1　引导风流的设施，如风硐、反风装置、风桥等；

2　隔断风流的，如防爆门、风门、挡风墙；

3　调节或控制风量的设施如调节风门（窗）。

采区的主要的通风设施：

风桥、挡风墙、风门、调节风门（窗）

许多矿井的通风设置因为各种原因而很不合理，其不合理主要表现为器材选用不合理以及放置位置的不合理，因此会留下重大的安全隐患，最终导致事故的发生，造成人员伤亡和经济损失。

通风设施设置的不合理的原因主要有开支预算因素和人为因素两方面。

一般情况下承建单位之所以对于通风系统改造时不进行更换主要通风机，是为了节省开支，这些风机虽然仍然可以使用，但已经不处于最佳的运作范围内了，存在很大的安全隐患，对煤矿的安全生产产生会消极的影响。

许多承建单位并不在意通风设施的合理设置，怀着侥幸的心理一味的削减预算减少开支，最终造成严重的事故发生，而这时造成的种种损失又岂是金钱能够衡量的。

3.2主要通风机运行效率低

据相关资料统计，在对我30多个煤矿集团公司的检查中发现他们所使用的旧型号轴流式通风机的诸多矿井中，大约有49%的风机运行效率远低于80%，造成了大量的电能损失，电能的损失不仅是资源的浪费其也是变相的环境污染。

煤矿主通风机运行效率低的原因主要有：

1　风机本身性能不好。

我国目前在用中的通风机中80%以上都是轴流式通风机以及离心通风机，轴流式通风机的型号有70B2、2BY等，离心通风机的型号有9-57、4-62等。

这些通风机普遍存在着性能差、效率低的问题，已被国家列为淘汰产品。

其中9-57型风机的最高效率低于65%，而70B2风机的最高静压效率也仅为70%[8]。

其性能不好主要表现在以下几点：

一是风机进风口部件不齐全或结构不合理；二是风机间隙过大；三是整流器导叶不齐全或被锈蚀。

2　通风机附属装置的影响。

通风机附属装置对风机效率的影响表现在以下四个方面：

一是扩散器的结构不合理；二是通风机引风道结构不合理；三是驱动电机的负荷率低；四是安装质量不高，维修不及时[9]。

3.3通风阻力大且分布不合理

在全国国有重点煤矿总风量为52300m3/s的情况下,矿井通风阻力每减阻98Pa,每年就可节电900万kWh,节约电费72万元以上。

例如,窑街某矿四号井的回风立井和风硐,全长只有56m（占系统长度的2%）,其阻力却占总阻力的50%,其回风段中一个拐弯处阻力相当于1000m长巷道的阻力。

淮南某矿18系统中一段长70m回风巷的通风阻力达905.7Pa,占系统总阻力的28.46%。

淮南某矿回风巷道中一处未拆除的风门门垛造成100Pa的阻力损失,占总阻力的3.4%[10]。

造成回风巷通风阻力过大的原因有：

风速过大、堆积物多、风量大但通风断面小等，以及忽视了局部阻力的影响，对产生局部阻力的地点没有采用必要的措施以导致局部阻力增大。

这种通风阻力约占总阻力的60%-80%[11]。

由于矿井风速过大、有效通风断面过小、拐弯过急过多。

3.4风量不足

通风系统的有效性表现为将足够的、符合质量要求的风量送往用风地点、保障重点位置减少漏风、有效供风、防止瓦斯积累、保证矿井安全生产。

在我国，许多中小型煤矿都存在着串联次数过多和矿井风量不足现象。

有的矿井外部漏风或内部漏风较大，导致有效风量率低，采掘面或全矿供风量不足以及风流串联次数多而造成矿尘浓度超标、瓦斯聚集等现象，这些都直接威胁着矿井的安全生产工作，同时也制约着我国矿山的经济效益。

3.5风量调节方法不准确

之所以需要对风量进行调节是因为在一般情况下风量的自然分配是不能满足作业地点的风量需求的，通过风量调节能够给井下提供充足的风量，能够针对不同的情况提供不同的风量。

在我国，一些矿井通过下放闸门来减少矿井进风量，虽然这种方法简便易行，而且对离心式风机也能节省一部分电能，但是相比之下，通过调小风机能力能够节省更多的电能，因此这些矿井所采用的风量调节方法降低了通风系统的经济效益。

3.6漏风多

在矿井通风中，风流经过风井巷送到各用风地点，达到通风目的的风流，称为有效风流。

未经用风地点，而通过通风构筑物的缝隙、采空区及地表塌陷区的空隙直接渗漏到回风道或地表的短路风流称为漏风。

漏风的根本原因在于有漏风通道及其两端存在压力差。

矿井漏风使工作面有效风量降低，大量风量流失，增加通风困难；矿井漏风可能使通风系统的可靠性和风流稳定性遭到破坏，使角联网路中风流反向、烟尘倒流；大量漏风风路存在，可使矿井总风阻降低，从而破坏主扇的正常工况，造成主扇效率降低，增加无益电能消耗；同时漏风还能加速可燃矿物的自然发火，因此，必须想办法减少矿井漏风。

3.7恶性调节

我国很多矿井的通风系统都采用增阻调节方式，因而造成了矿井总风量的减少，而需要增加的风量无法得到增加，任意缩小风窗的面积，进而把巷道堵塞，最后造成了恶性调节。

此外，一些煤矿的通风设施不仅仅设置不合理而且设施质量较差。

有的风门设在主要进、回风巷中间，压差大、漏风比较严重。

总而言之，矿井通风系统中的调节方式应当适当，恶性的调节方式对矿井安全生产会产生恶劣的影响。

4通风系统优化途径

通风系统必须运行可靠、系统简单、稳定性高，与此同时有效风量率高，用风地点独立通风等等也是一个优良的通风系统所具备的特征。

我国许多矿山的通风系统面临着这样或那样的问题，这些问题是发生矿难的潜在因素，是造成人员伤亡和经济损失的罪魁祸首。

因此针对这些存在于矿井通风中的问题，我们只有认真辨识、正确分析、提出措施、合理改进才能做到矿井安全生产，人员安全作业，经济安全增长，才能最终实现国家的繁荣富强和人民的共同富裕。

4.1通风机的合理选型

为了保证矿井的主要通风机正常运行、合理运行、经济运行，首先要做到风机选型必须合理。

最近几年，无论是新矿井设计、矿井改建还是矿井扩建，很多煤矿为了保证新投入的风机的高效节能，都会注意选用一些高效风机。

正因为通风机是一个矿井通风系统好坏的重要指标，为了保证所选择的通风机满足矿井通风要求必须选择合适的通风机，而且通风机运转轴功率越小，节约能源越多，矿井生产的运转费用降低的也相对越多。

通常在选用通风机时，我们应考虑通风机的安全性、可靠性、技术先进、经济指标等作为标准来进行筛选，同时优良的通风机还应符合下列要求[12]：

1　选择通风机一般应满足第一水平各个时期的阻力变化要求，并适当照顾一下水平通风机的需要。

当阻力变化较大时，可考虑分期选择电动机，但初装电机械的使用年限不宜小于10a；

2　留有一定的余量，轴流式通风机在最大设计风量和风压时，叶片安装角度一般比最大允许使用值小5°，离心式通风机的转数一般不大于允许值的90%；

3　通风机的服务年限内，其矿井最大和最小阻力的工作点均应在合理工作范围内；

4　考虑风量调节时，应尽量避免采用风硐闸门调节。

只有按照上面的要求合理的选择通风机，才能在优化通风系统上迈上基础上的一步，不仅仅节约了运转费用更加提升了安全性。

4.2更换电机

在设计矿井时，是根据达产后通风容易时期和通风困难时期的最大需风量以及负压来确定主要通风机的选型工作。

由于初期产量低、生产范围太小，以及受地质条件限制等因素影响，设计产量与实际产量之间相差较大。

所以，我们针对不同矿井的实际不同的需求，利用更换小功率、低转速的电机的办法，从而提高电机的负荷率以达到通风系统的正常运行、经济运行的目的。

4.3建立合理的通风系统

我们把利用通风动力，以最节约经济的方式，通过向井下提供充足的新鲜空气，提供适宜的湿度和温度以及良好的气候条件，从而保证井下作业人员安全，作为合理的通风系统的特征[13]。

并且能够及时的在发生灾害时控制风向和风量，并配合其它一系列的措施，将事故范围控制在一定程度之内，进而防止灾害事故的进一步扩大。

一般情况下，合理的矿井通风系统具备以下几个特征[14]：

1　通风系统简单实用；

2　通风设施安全可靠；

3　保证稳定的风流导向；

4　包括局部阻力以及摩擦阻力在内的矿井通风阻力最小，并且分布也很合理；

5　具有较强的抗灾能力。

合理的通风系统，是保证主要通风机正常运行、经济运行的先决条件。

为了达到降低矿井的通风阻力的目的，必须对通风网络进行全面调查和阻力测定，以及在关键分支上进行降阻。

4.4改造反风系统

矿井反风是在矿井发生灾变时期采取的一项非常重要应急救灾措施。

它本身是很少使用的，但是矿井发生灾变时，防风系统就会发挥重大作用。

在反风过程中每个部门的分工必须明确这样才能确保其中的任何一个环节不会失误。

一般在矿井的反风系统中，如果闸门、防爆盖不严密，会造成主要通风机常年外部漏风，造成没有意义的电能消耗。

火风压、自然风压、反风后主要通风机的风压都会影响反风后的风流,必须根据经验全面考虑。

必须加强主要通风机的日常维护工作,确保其运转正常[15]。

在反风的过程中,也可能出现个别不反向的现象,这时就需要调整部分通风设施。

4.5主要通风机附属装置的改造

附属装置包括风硐和扩散器以及反风设施等等，它是通风机装置的重要组成部分。

附属装置的结构合理与否以及施工质量，会对通风机的运行效率和节能效益产生很大影响。

1　改造扩散器

2　改造风硐

在对新矿井风硐设计以及老矿井风硐的改造过程中，必须要特别注意以下4个方面的的要求[16]：

1）要保证风硐的断匝，使风硐的风速保持在10～15m／s以内；

2）风硐的断面形状要尽量采用圆形和半圆形，其表面还应该采用水泥沙浆涂抹，并保持光洁度，以减少摩擦阻力系数；

3）在布置形式上，应采用单一斜上式的，直接与井筒相连，尽量减少转弯数，风硐与风井联接处的联接角要求小于或等于60度，其联接处的内外转角应圆滑；

4）应清除风硐中的障碍物，以保持风道畅通，使风硐的总阻力小于200Pa，并小于总阻力的10％。

3　通过对通风设施进行合理的调整，对通风系统进行优化改造等措施来减小矿井内部的漏风率从而增加矿井有效风量。

4.6建立合理的风网结构

风网是矿井内的风流在井巷中流动时，所出现的风流分岔、汇合线路的结构形式。

合理的风网结构能使矿井通风系统可靠而稳定，从而达到节能降耗。

矿井风网机构的优化问题可以表现为三个方