矿井一通三防计算相关公式.docx
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矿井一通三防计算相关公式
矿井一通三防计算相关公式
一、通风阻力测定相关公式
1.简单算术平均数。
有这么一组数字10、20、30、40、50 那么它们的算术平均值是(10+20+30+40+50)/5=30
2.加权算术平均数。
加权算术平均数=各组(变量值×次数)之和/各组次数之和=∑xf/∑f
3.紊流状态下井巷的摩擦阻力
对于不同形状的井巷断面,其周长U与断面积S的关系,可用下式表示:
式中:
C—断面形状系数:
梯形C=4.16;三心拱C=3.85;半圆拱C=3.90。
摩擦阻力系数α
矿井中大多数通风井巷风流的Re值已进入阻力平方区,λ值只与相对糙度有关,对于几何尺寸和支护已定型的井巷,相对糙度一定,则λ可视为定值;在标准状态下空气密度ρ=1.2kg/m3。
对上式,令:
α称为摩擦阻力系数,单位为 kg/m3 或 N.s2/m4。
则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为:
通过大量实验和实测所得的、在标准状态(ρ0=1.2kg/m3)条件下的井巷的摩擦阻力系数,即所谓标准值α0值,当井巷中空气密度ρ≠1.2kg/m3时,其α值应按下式修正:
摩擦风阻Rf
对于已给定的井巷,L、U、S都为已知数,故可把上式中的α、L、U、S 归结为一个参数Rf:
Rf 称为巷道的摩擦风阻,其单位为:
kg/m7或N.s2/m8。
工程单位:
kgf.s2/m8 ,或写成:
kμ。
1N.s2/m8=9.8kμ
4.标准摩擦阻力系数
通过大量实验和实测所得的、在标准状态(ρ0=1.2kg/m3)条件下的井巷的摩擦阻力系数,即所谓标准值α0值,当井巷中空气密度ρ≠1.2kg/m3时,其α值应按上式修正。
通风阻力等级
通风难易程度
风阻R(Ns2/m8)
等积孔A(m2)
大阻力矿
困难
>1.42
<1
中阻力矿
中等
1.42~0.35
1~2
小阻力矿
容易
<0.35
>2
5.干空气密度
式中P为空气的绝对压力,单位为kPa;T为空气的热力学温度(K),T=273+t,t为空气的摄氏温度(℃)。
标准状态下,T0=273K,P0=101.3kPa时,组成成分正常的干空气的密度ρ0=1.293kg/m3。
空气1.293g/L。
气体的密度=它的相对分子质量/22.4,单位是g/L.
用空盒气压计测定空气的大气压力,用湿度计测定空气的干温度和相对湿度,根据下列公式计算空气密度。
P=(0.003458~0.003473)p/T
式中p一一空气密度,kg/m
p——大气压力,Pa;
T——空气绝对温度,T=273+t(t为干温度计读数,0C)。
6.湿空气密度
式中ρw——湿空气密度,kg/m3;
ψ——空气相对湿度,%;
Pb——饱和水蒸汽压力,kPa(由表2-1-1确定)。
相对湿度用RH表示。
相对湿度的定义是单位体积空气内实际所含的水气密度(用d1表示)和同温度下饱和水气密度(用d2表示)的百分比,即RH(%)=d1/d2x100%;另一种计算方法是:
实际的空气水气压强(用p1表示)和同温度下饱和水气压强(用p2表示)的百分比,即RH(%)=p1/p2x100%。
不同温度下饱和水蒸汽压力
空气温度(℃)
饱和水蒸汽压力(Pa)
空气温度(℃)
饱和水蒸汽压力(Pa)
空气温度(℃)
饱和水蒸汽压力(Pa)
-20
128
8
1069.24
20
2333.1
-15
193.32
9
1143.9
21
2493.1
-10
287.98
10
1127.9
22
2639.8
-5
422.63
11
1311.89
23
2813.1
0
610.6
12
1402.55
24
2986.4
1
655.94
13
1497.21
25
3173.5
2
705.27
14
1598.9
26
3359.7
3
757.27
15
1706.2
27
3563.7
4
811.93
16
1818.5
28
3766.8
5
870.59
17
1933.2
29
4013
6
933.25
18
2066.5
30
4239.6
7
998.58
19
2199.3
31
4493
7.利用干湿球温度计算相对湿度
(1)相对湿度U的计算公式:
U=(E/Ew)×100%∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙(A.1)
式中U为相对湿度,E为水气压(hPa),Ew为干球温度t(℃)所对应的纯水平液面(或冰面)饱和水气压(hPa)。
(2)水气压E的计算公式
E=Etw-APh(t-tw)∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙(A.2)
式中Etw(hPa)为湿球温度tw(℃)所对应的纯水平液面的饱和水气压,湿球结冰且湿球温度低于0℃时,为纯水平冰面的饱和水气压;A为干湿表系数,湿球未结冰时的通风干湿表(通风速度≥2.5m/s)系数是0.662×10-3℃-1,湿球结冰时的通风干湿表(通风速度≥2.5m/s)系数是0.584×10-3℃-1;Ph为本站气压(hPa);其他符号意义同上。
(3)饱和水气压Ew的计算公式:
①纯水平液面饱和水气压的计算公式
式中Tl=273.16(水的三相点绝对温度,单位:
K)T=273.15+℃(绝对温度,单位:
K)。
②纯水平冰面饱和水气压的计算公式
式中符号意义同上。
8.自然风压HN
(1)
式中Z—矿井最高点至最低水平间的距离,m;
g—重力加速度,m/s2;
ρ1、ρ2—分别为0-1-2和5-4-3井巷中dZ段空气密度,kg/m3。
由于空气密度受多种因素影响,与高度Z成复杂的函数关系。
因此利用式4-2-1计算自然风压较为困难。
为了简化计算,一般采用测算出0-1-2和5-4-3井巷中空气密度的平均值ρm1和ρm2,用其分别代替式4—1—1中的ρ1和ρ2,则(4-1-1)可写为:
(2)he=P0H×(1+H/10000)×[1/R(273+t′)-1/R(273+t″)]
he为矿井自然风压(单位为Pa)
P0为空气柱上边的压力(单位为Pa)
H为井筒有效计算深度(单位为m)
R为空气常数一般取R=29.27
t′、t″为进、出风井平均摄氏温度(单位为℃)
浅井自然风压示意图深井自然风压示意图
(3)直接测定法
对于任一矿井,还可用另一种方法测算矿井的自然风压。
如在矿井中任一地点制做临时密闭,堵截风流,主要通风机停止运转后,用压差计测出密闭两侧的压差,即为该矿的hn。
要求是密闭不漏风,否则测值不准。
9.矿井等积孔
二、通风能力核定相关公式
(一)采煤工作面风量计算
1、按气象条件计算
Qcf=60×70%×Vcf×Scf×Kch×Kcl
⏹式中:
⏹Vcf—采煤工作面的风速,按采煤工作面进风流的温度从表1中选取,m/s;
⏹Scf—采煤工作面的平均有效断面积,按最大和最小控顶有效断面的平均值计算,m2;
⏹Kch—采煤工作面采高调整系数,具体取值见表2;
⏹Kcl—采煤工作面长度调整系数,具体取值见表3;
⏹70%—有效通风断面系数;
⏹60—为单位换算产生的系数。
表1采煤工作面进风流气温与对应风速
采煤工作面进风流气温℃
采煤工作面风速m/s
<20
1.0
20~23
1.0~1.5
23~26
1.5~1.8
表2kch—采煤工作面采高调整系数
采高(m)
<2.0
2.0~2.5
>2.5及放顶煤面
系数(kch)
1.0
1.1
1.2
表3kcl—采煤工作面长度调整系数
采煤工作面长度(m)
长度风量调整系数kcl
<15
0.8
15~80
0.8~0.9
80~120
1.0
120~150
1.1
150~180
1.2
>180
1.30~1.40
2、按照瓦斯涌出量计算
⏹Qcf=100×qcg×kcg………………………
(2)
⏹式中:
⏹qcg—采煤工作面回风巷风流中平均绝对瓦斯涌出量,m3/min。
抽放矿井的瓦斯涌出量,应扣除瓦斯抽放量进行计算;
⏹kcg—采煤工作面瓦斯涌出不均匀的备用风量系数,正常生产时连续观测1个月,日最大绝对瓦斯涌出量和月平均日绝对瓦斯涌出量的比值;
⏹100—按采煤工作面回风流中瓦斯的浓度不应超过1%的换算系数。
3、按照二氧化碳涌出量计算
⏹Qcf=67×qcc×kcc………………………(4)
⏹式中:
⏹qcc—采煤工作面回风巷风流中平均绝对二氧化碳涌出量,m3/min;
⏹kcc—采煤工作面二氧化碳涌出不均匀的备用风量系数,正常生产时连续观测1个月,日最大绝对二氧化碳涌出量和月平均日绝对二氧化碳涌出量的比值;
⏹67—按采煤工作面回风流中二氧化碳的浓度不应超过1.5%的换算系数。
4、按炸药量计算
⏹a)一级煤矿许用炸药
⏹Qcf≥25Acf……………………………(5)
⏹b)二、三级煤矿许用炸药
⏹Qcf≥10Acf……………………………(6)
⏹式中:
⏹Acf—采煤工作面一次爆破所用的最大炸药量,kg;
⏹25—每千克一级煤矿许用炸药需风量,m3/min;
⏹10—每千克二、三级煤矿许用炸药需风量,m3/min。
5、按工作人员数量验算
⏹Qcf≥4Ncf……………………………(7)
⏹式中:
⏹Ncf—采煤工作面同时工作的最多人数,人;
⏹4—每人需风量,m3/min。
6、按风速进行验算
⏹Qcf≥60×0.25Scb……………………(8)
⏹Scb=lcb×hcf×70%…………………(9)
⏹b)验算最大风量
⏹Qcf≤60×4.0Scs……………………(10)
⏹Scs=lcs×hcf×70%…………………(11)
⏹c)综合机械化采煤工作面,在采取煤层注水和采煤机喷雾降尘等措施后,验算最大风量
⏹Qcf≤60×5.0Scs…………………(12)
⏹式中:
⏹Scb—采煤工作面最大控顶有效断面积,m2;
⏹lcb—采煤工作面最大控顶距,m;
⏹hcf—采煤工作面实际采高,m;
⏹Scs—采煤工作面最小控顶有效断面积,m2;
⏹lcs—采煤工作面最小控顶距,m;
⏹0.25—采煤工作面允许的最小风速,m/s;
⏹70%—有效通风断面系数;
⏹4.0—采煤工作面允许的最大风速,m/s;
⏹5.0—采煤工作面允许的最大风速,m/s。
(二)掘进工作面实际需要风量的计算
1、按照瓦斯涌出量计算
⏹Qhf=100×qhg×khg…………………(16)
⏹式中:
⏹qhg—掘进工作面回风流中平均绝对瓦斯涌出量,m3/min。
抽放矿井的瓦斯涌出量,应扣除瓦斯抽放量进行计算;
⏹khg—掘进工作面瓦斯涌出不均匀的备用风量系数,正常生产条件下,连续观测1个月,日最大绝对瓦斯出量与月平均日绝对瓦斯涌出量的比值;
⏹100—按掘进工作面回风流中瓦斯的浓度不应超过1%的换算系数。
2、按照二氧化碳涌出量计算
⏹Qhf=67×qhc×khc…………………(17)
⏹式中:
⏹qhc—掘进工作面回风流中平均绝对二氧化碳涌出量,m3/min;
⏹khc—掘进工作面二氧化碳涌出不均匀的备用风量系数,正常生产条件下,连续观测1个月,日最大绝对二氧化碳出量与月平均日绝对二氧化碳涌出量的比值;
⏹67—按掘进工作面回风流中二氧化碳的浓度不应超过1.5%的换算系数。
3、按炸药量计算
⏹a)一级煤矿许用炸药
⏹Qhf≥25Ahf……………………………(18)
⏹b)二、三级煤矿许用炸药
⏹Qhf≥10Ahf……………………………(19)
⏹式中:
⏹Ahf—掘进工作面一次爆破所用的最大炸药量,kg。
⏹按上述条件计算的最大值,确定局部通风机吸风量。
4.、按局部通风机实际吸风量计算
⏹a)无瓦斯涌出的岩巷
⏹Qhf=Qaf×I+60×0.15Shd…………………(20)
⏹b)有瓦斯涌出的岩巷,半煤岩巷和煤巷
⏹Qhf=Qaf×I+60×0.25Shd…………………(21)
⏹式中:
⏹Qaf—局部通风机实际吸风量,m3/min;
⏹I—掘进工作面同时通风的局部通风机台数;
⏹0.15—无瓦斯涌出岩巷的允许最低风速;
⏹0.25—有瓦斯涌出的岩巷,半煤岩巷和煤巷允许的最低风速;
⏹Shd—局部通风机安装地点到回风口间的巷道最大断面积,m2。
5、按工作人员数量验算
⏹Qaf≥4Nhf……………………………(22)
⏹式中:
⏹Nhf—掘进工作面同时工作的最多人数,人。
6、按风速进行验算
⏹a)验算最小风量
⏹—无瓦斯涌出的岩巷:
⏹Qaf≥60×0.15Shf………………………(23)
⏹—有瓦斯涌出的岩巷,半煤岩巷和煤巷
⏹Qaf≥≤60×0.25Shf………………………(24)
⏹b)验算最大风量
⏹Qaf≤60×4.0Shf………………………(25)
⏹式中:
⏹Shf—掘进工作面巷道的净断面积,m2。
(三)硐室需要风量计算
1、爆破材料库需要风量计算
⏹Qem=4V/60……………………………(26)
⏹式中:
⏹Qem—井下爆炸材料库需要风量,m3/min;
⏹V—井下爆炸材料库的体积,m3;
⏹4—井下爆炸材料库内空气每小时更换次数。
⏹但大型爆破材料库不应小于100m3/min,中、小型爆破材料库不应小于60m3/min
2、充电硐室需要风量计算
⏹Qer=200qhy……………………………(27)
⏹式中:
⏹Qer—充电硐室需要风量,m3/min;
⏹qhy—充电硐室在充电时产生的氢气量,m3/min;
⏹200-按其回风流中氢气浓度不大于0.5%的换算系数。
⏹但充电硐室的供风量不应小于100m3/min。
/3
3、机电硐室需要风量计算
⏹式中:
⏹Qmr—机电硐室的需要风量,m3/min;
⏹ΣW—机电硐室中运转的电动机(或变压器)总功率(按全年中最大值计算),kW;q
⏹θ—机电硐室发热系数,数值见表4;
⏹ρ—空气密度,一般取rρ=1.20kg/m3;
⏹Cp—空气的定压比热,一般可取Cp=1.0006KJ/(kgK);
⏹Δt—机电硐室的进、回风流的温度差,K。
表4机电硐室发热系数(θ)表
机电硐室名称
发热系数
空气压缩机房
0.20~0.23
水泵房
0.01~0.03
变电所、绞车房
0.02~0.04
⏹机电硐室需要风量应根据不同硐室内设备的降温要求进行配风;采区小型机电硐室,按经验值确定需要风量或取60~80m3/min;选取硐室风量,应保证机电硐室温度不超过30℃,其他硐室温度不超过26℃。
(四)其他用风巷道实际需要风量计算
⏹其他用风巷道的需要风量,应根据瓦斯涌出量和风速分别进行计算,采用其最大值。
⏹5.1.5.2按瓦斯涌出量计算
⏹Qrl=133qrg×krg………………………(29)
⏹式中:
⏹qrg—其他用风巷道平均绝对瓦斯涌出量,m3/min;
⏹krg—其他用风巷道瓦斯涌出不均匀的备用风量系数,取1.2~1.3;
⏹133—其他用风巷道中风流瓦斯浓度不超过0.75%所换算的常数。
(五)按风速验算
⏹a)一般巷道
⏹Qrc≥60×0.15Src………………………(30)
⏹b)架线电机车巷道
⏹—有瓦斯涌出的架线电机车巷道
⏹Qre≥60×1.0Sre………………………(31)
⏹—无瓦斯涌出的架线电机车巷道
⏹Qree≥60×0.5Sre………………………(32)
⏹式中:
⏹Qrc—一般用风巷道实际需要风量,m3/min;
⏹Src—一般用风巷道净断面积,m2;
⏹Qre—架线电机车用风巷道实际需要风量,m3/min;
⏹Sre—架线电机车用风巷道净断面积,m2;
⏹0.15—一般巷道允许的最低风速,m/s;
⏹1.0—有瓦斯涌出的架线电机车巷道允许的最低风速,m/s;
⏹0.5—无瓦斯涌出的架线电机车巷道允许的最低风速,m/s。
三、通风设备选型
⏹为使通风机运转稳定,保证通风机的工况点处于一个合理的工作范围之内,对任何通风机都有如下规定:
1.实际风压不能超过最大风压的0.9倍;
2.通风机动轮的转数不能超过它的额定转数;
3.主通风机的静压效率不应低于0.6。
1、计算通风机的风量Q通
考虑到外部漏风(即井口防爆门及主要通风机附近的反风门等处的漏风),主要通风机风量可用下式计算:
m3/s(9-25)
式中Q矿——矿井总风量,m3/s;
k——漏风损失系数。
风井无提升任务时取1.1;箕斗井兼作回风井时取1.15;回风井兼做升降人员时取1.2。
2、计算通风机的风压H全(或H静)
通风机全压H全和矿井自然风压H自共同作用,克服矿井通风系统的总阻力h阻、风硐阻力h硐以及扩散器出口动能损失h扩。
当自然风压与通风机风压同向时取“-”;反之取“+”。
即:
,pa(9-26)
风硐阻力一般不超过100~200Pa。
通常离心式风机提供的大多是全压曲线,而轴流式、对旋式通风机提供的大多是静压曲线。
因此,对抽出式通风矿井:
离心式通风机:
容易时期
(9-27)
困难时期
(9-28)
轴流式(或对旋式)通风机:
容易时期
(9-29)
困难时期
(9-30)
自然风压在容易时期取负值,困难时期取正值,是为了确保所选的通风机在这两个(极端)时期均有能力满足矿井通风要求。
对于压入式通风矿井,式(9-27)及(9-28)中的h扩应改为出风井的出口动压。
1、选择通风机
根据计算的矿井通风容易时期通风机的Q通、H静小(或H全小)和困难时期通风机的Q通、H静大(或H全大),在通风机的个体特性图表(参见附录四、五、六)上选择合适的主要通风机。
判别是否合适,要看上面两组数据所构成的两个时期的工作点,是否都在通风机个体特性曲线的合理工作范围内。
选定以后,即可得出两个时期主要通风机的型号、动轮直径、动轮叶片安装角(指轴流式或对旋式风机)、转速、风压、风量、效率和输入功率等技术系数,并列表整理。
2、选择电动机
⑴计算通风机输入功率
按通风容易和困难时期,分别计算通风机输入功率N电小、N电大
,kW(9-31)
,kW(9-32)
或
,kW(9-33)
,kW(9-34)
式中
、
——分别为通风机静压效率和全压效率;
、
——分别为矿井通风容易时期和困难时期通风机的输入功率。
⑵选择电动机
时,
当
时,可选一台电动机,其功率为:
初期
,kW(9-35)
当
时,选两台电动机,其功率分别为:
初期
,kW(9-36)
后期按式(9-35)计算。
式中
——电动机容量备用系数,k电=1.1~1.2;
——电动机效率,η电=0.92~0.94(大型电机取较高值);
——传动效率,电动机与通风机直联时η传=1;皮带传动时η传=0.95。
电动机功率在400~500kW以上时,宜选用同步电动机。
其优点是低负荷运转时,用来改善电网功率因数,使矿井经济用电;缺点是这种电动机的购置和安装费较高。
通风网路特性方程
(1)计算矿井通风网路阻力系数
公用段
支路 初期
末期
Ⅱ#支路 初期
末期
(2)通风网路特性方程
初期
末期
主通风机功率
(1)主风机功率(输出功率)KW
单位时间内主通风机对通过风量为Qf的空气所做的功,可分为全压功率Nfot和静压功率Nfos,计算公式为:
Nfot=hft.Qf/1000,Nfos=hfs.Qf/1000
(2)轴功率N(输入功率)KW
电动机经传动部件输入给主通风机的功率,计算公式为:
U-线电压,V;I-线电流,A;cosψ-功率因数;ηd-电动机效率,%;ηc-传动功率,%,直接传动取1.0,间接传动0.95。
。
主通风机的效率
ηft=Nft/N轴=hftQf/(1000N轴)
ηfs=Nfs/N轴=hfsQf/(1000N轴)
上式中ηft和ηfs分别表示通风机的全压效率和静压效率。
五、概算矿井通风费用
(一)吨煤通风电费
吨煤通风电费为主要通风机年耗电费及井下辅助通风机、局部通风机电费之和除以年产量。
可用下式计算:
,元/t(9-37)
式中Wo——吨煤通风电费,元/t
E——主要通风机年耗电量,kW·h/a;
通风容易时期和困难时期共选一台电动机时
,kW·h/a;
选两台电动机时
,kW·h/a;
式中EA——局部通风机和辅助通风机的年耗电量,kW·h/a;
D——电价,元/kW·h;
η变——变压器效率,可取0.95;
η缆——电缆输电效率,取决于电缆长度和每米电缆耗损,在0.90~0.95内选取。
(二)其它吨煤通风费用
1、设备折旧费
通风设备折旧费与设备数量、成本及服务年限有关,可用表9-6计算。
吨煤通风设备折旧费W1用下式计算:
,元/t(9-38)
表9-6通风成本计算表
序
号
设
备
名
称
计
算
单
位
数
量
单
位
成
本
总成本
服
务
年
限
每年的折旧费
备
注
设备费
运转及
安装费
总计
基本设资折旧费
(G1)
大修理折旧费
(G2)
2、材料消耗费
吨煤通风材料消耗费W2按下式计算:
,元/t(9-39)
式中C——通风材料消耗总费用(包括各种通风构筑物的材料费、通风机和电动机润滑油料费等),元/a。
3、通风工作人员工资费
吨煤通风工作人员工资费用W3按下式计算:
,元/t(9-40)
式中A——矿井通风工作人员每年工资总额,元/a。
4、专为通风服务的井巷工程折旧费和维护费
折算至吨煤的费用为W4(元/t)。
5、通风