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矿井通风与安全课程设计指导书

河南理工大学自考助学

采矿工程专业

矿井通风与安全

课程设计指导书

河南理工大学

成人教育学院

2014年6月

一、课程设计性质、目标与基本要求

1、课程设计的性质

矿井通风与安全课程设计是在高年级学生基本学完《矿井通风与安全》课程时的一次集中式的综合设计，是一次重要的实践性教学环节。

2、课程设计的目标

本设计的目的是让学生能综合地运用所学知识，理论联系实际，对新建矿井或改扩建矿井的通风设计具有初步设计和计算的能力，以加深对基础知识的理解，提高分析问题和解决问题的能力，为毕业设计和今后从事矿井通风的工程实践打下良好的基础。

3、课程设计的基本要求

通过对一个课程设计的全过程，使学生达到以下要求：

1）巩固和加深对《矿井通风与安全》课程基本理论的理解，提高综合运用本课程所学知识的能力。

2）培养学生调查研究、查阅技术文献、资料、手册的能力。

培养独立思考，深入研究，分析问题、解决问题的能力。

3）掌握矿井通风设计的基本程序和方法。

4）能够按要求编写课程设计报告书，能正确用简洁文字、图表阐述设计过程和结果，能够正确绘制相关图形。

5）通过课题设计的全过程，使学生树立严肃认真的工作作风和实事求是的科学态度。

二、课程设计具体内容和步骤

1）拟定矿井通风系统，绘出通风系统图及网络图

首先应结合矿井开拓、开采和运输拟定出安全可靠、经济技术合理的矿井通风系统，并确定最困难时期和容易时期的通风路线，分别绘制出两个时期的通风系统示意图和网络图。

矿井通风系统示意图可按水平投影示意图或轴侧投影示意图绘制，二者既可用单线表示巷道，也可采用双线表示巷道。

图中各通风设施应按规定的符号表示。

网络图要与通风系统图完全对应绘制，各条风路上应加注风流方向、巷道风阻、通过风量、通风阻力、调节风窗等。

2）矿井需风量计算和风量分配

矿井需风量，按下列要求分别计算，并采取其中最大值。

（1）按井下同时工作最多人数计算，每人每分钟供给风量不得少于4m3；

（2）按采煤、掘进、硐室及其他实际需要风量的总和进行计算。

矿井总需风量确定后，应按矿井设计期限内通风最困难时期和最容易时期，对各个用风地点进行风量分配，并验算各通风巷道中的风速是否符合《规程》规定，如符合《规定》，则风量分配合理。

否则还需进行个别调整或扩大巷道断面。

3）矿井通风阻力计算

计算矿井通风阻力时，应分别计算出通风机服务年限内通风最容易时期和最困难时期的最小阻力和最大阻力。

选择达到设计产量后在通风机服务年限内，通风最容易和通风最困难两个时期通风阻力最大的风流路线，分别计算出各段井巷的通风阻力，然后分别累加。

4）选择主要通风设备及附属装置

选择矿井主要通风设备，是选择矿井主要通风机（或分区通风机）及其电动机。

主要通风机的选择方法为：

（1）计算通风最容易时期和最困难时期的通风机风量和风压；

（2）参考风机产品样本，初选合适的通风机；

（3）求通风机的实际工况点，并确定通风机的型号和转速。

主要通风机选定后，根据各时期的主要通风机输入功率计算出电动机的输出功率，选出电动机。

三、设计说明书内容要求与注意事项

1、设计说明书内容

注意：

设计说明书内容必须包含：

①课程设计的收获和建议；②参考资料。

2、设计说明书用纸：

A4纸打印或手写。

3、设计说明书格式应满足“河南理工大学自考助学实训格式”要求。

四、设计图纸要求

图纸可手绘，也可以采用CAD或其他制图软件出图，都必须符合国家“工程制图统一标准”要求。

附件1：

矿井通风参数计算及选择方法

一、风量计算及风量分配

（一）矿井需风量计算

对设计矿井的风量，可按两种情况分别计算：

一种是新矿区无邻近矿井通风资料可参考时，矿井需要风量应按设计中井下同时工作的最多人数和按吨煤瓦斯涌出量的不同的吨煤供风量计算，并取其中最大值。

在矿井设计中吨煤瓦斯涌出量的计算，根据在地质勘探时测定煤层瓦斯含量，结合矿井地质条件和开采条件计算出吨煤瓦斯涌出量，再计算矿井需风量。

另一种是依据邻近生产矿井的有关资料，按生产矿井的风量计算方法进行。

其原则是：

矿井的供风量应保证符合矿井安全生产的要求，使风流中瓦斯、二氧化碳、氢气和其它有害气体的浓度以及风速、气温等必须符合《规程》有关规定。

创造良好的劳动环境，以利于生产的发展。

课程设计是在收集实习矿井资料基础上进行的，故可按此种方法计算矿井风量。

即按生产矿井实际资料，分别计算设计矿井采煤工作面、掘进工作面、硐室等所需风量，得出全矿井需风量，即“由里往外”计算方法。

1、生产工作面、备用工作面

每个回采工作面实际需要风量，应按瓦斯、二氧化碳涌出量和爆破后的有害气体产生量以及工作面气温、风速和人数等规定分别进行计算，然后取其中最大值。

（1）、低瓦斯矿井的采煤工作面按气象条件或瓦斯涌出量（用瓦斯涌出量计算，采用高瓦斯计算公式）确定需要风量，其计算公式为：

式中：

Qc——采煤工作面需要风量，m3/s；

Qjb——不同采煤方式工作面所需的基本风量，m3/s。

Qjb——工作面控顶距×工作面实际采高×70%（工作面有效断面积）×适宜风速（不小于1m/s）；

Kcg——回采工作面采高调整系数（见表1）；

Kcc——回采工作面长度调整系数（见表2）；

Kcw——回采工作面温度调整系数（见表3）。

表1Kcg——回采工作面采高调整系数

采高

<2.0

2.0～2.5

2.5～5.0及放顶煤面

系数（K采高）

1.0

1.1

1.5

表2Kcc——回采工作面长度调整系数

回采工作面长度（m）

80～150

150～200

>200

长度调整系数（K长）

1.0

1.0～1.3

1.3～1.5

表3Kcw——回采工作面温度与对应风速调整系数

回采工作面空气温度（℃）

采煤工作面风速（m/s）

配风调整系数K温

<18

0.3～0.8

0.90

18～20

0.8～1.0

1.00

20～23

1.0～1.5

1.00～1.10

23～26

1.5～1.8

1.10～1.25

26～28

1.8～2.5

1.25～1.4

28～30

2.5～3.0

1.4～1.6

（2）、高瓦斯矿井按照瓦斯（或二氧化碳）涌出量计算。

根据《煤矿安全规程》规定，按回采工作面回风流中瓦斯（或二氧化碳）的浓度不超过1％的要求计算：

式中：

Qc——回采工作面实际需要风量，m3/sn；

qc——回采工作面回风巷风流中瓦斯（或二氧化碳）的平均绝对涌出量，m3/s；

KCH4——采面瓦斯涌出不均衡通风系数。

（正常生产条件下，连续观测1个月，日最大绝对瓦斯涌出量与月平均日瓦斯绝对涌出量的比值）。

工作面布置有专用排瓦斯巷（俗称尾巷,且符合《煤矿安全规程》第一百三十七条的规定）的回采工作面风量计算:

（m3/s）

（m3/s）

（m3/s）

式中：

qCH4p——采煤工作面尾巷的风排瓦斯量，m3/s。

其他符号的含义同上。

（3）、按工作面温度选择适宜的风速进行计算（见表5-3）

（m3/s）

式中：

Vc——采煤工作面风速，m/s；

Sc——采煤工作面的平均断面积，m2。

（4）、按回采工作面同时作业人数

每人供风不小于4m3/min，则

（m3/s）

式中：

N——采煤工作面同时工作人数。

（5）、炸药量计算需要风量：

每千克炸药供风不小25m3/min，则

（m3/s）

式中：

A——一次爆破炸药最大用量，Kg。

（6）、按风速进行验算：

（m3/s）

式中：

S——工作面平均断面积，m2。

按二氧化碳涌出量的计算，可参照按瓦斯涌出量的计算方法执行。

（7）、备用工作面亦应满足按瓦斯、二氧化碳、气温等规定计算的风量，且最少不得低于采煤工作面实际需要风量的50%。

2、掘进工作面所需风量

单个掘进工作面的需风量利用第一部分计算结果。

掘进工作面所需总风量，应按矿井各个需要独立通风的掘进工作面实际需要风量的总和计算

3、硐室实际需要风量

硐室实际需要风量应按矿井各个独立通风硐室实际需要风量的总和计算，即

式中：

Q火——火药库实际需要风量，按每小时4次换气量计算，即Q火=4V/60=0.07V（m3/s）；

V——井下爆炸材料库的体积，m3，包括联络巷道在内的火药库的空间总体积（m3），一般按经验值给定风量，大型火药库供风100～150m3/min；中小型火药库供风60～100m3/min；

Q充——充电硐室实际需要风量，应按回风流中氢气浓度小于0.5%计算，但不得小于100m3/min，或按经验值给定100～200m3/min；

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，选取硐室风量，须保证机电硐室温度不超过30℃，其它硐室温度不超过26℃。

Q机——大型机电硐室实际需要风量，应按机电设备运转的发热量计算，即

Wi——机电硐室中运转的机电总功率，kW；

（1-μi）——机电硐室的发热系数，应根据实际考查的结果确定，也可取下列数值，空气压缩机房取0.20～0.23；水泵房取0.02～0.04；

860——1kW/h的热当量数，千卡；

μi——机电设备效率；

Δt——机电硐室进回风流的气温差，℃；

Q采硐——采区绞车房或变电硐室实际需要风量，按经验供给风量60～80m3/min；

Q其它硐——其它硐室所需风量，根据具体情况供风。

4、其它井巷实际需要风量

其它井巷实际需要风量，应按矿井各个其它巷道用风量的总和计算：

∑Q其它=Q其1+Q其2+Q其3+...+Q其n

式中：

Q其1、Q其2、Q其3、...、Q其n——各其它井巷风量，m3/s。

按瓦斯涌出量计算：

Q其i=100qCH4×K其通（m3/s）

式中：

Q其i——第i个其它井巷实际用风量，m3/s；

qCH4——第i个其它井巷最大瓦斯绝对涌出量，m3/s；

K其通——瓦斯涌出不均衡系数，取1.2～1.3；

100——其它井巷中风流瓦斯浓度不超过1%所换算的常数。

按其风速验算:

Q其它i>9×S其i（m3/s）

架线机车巷中的风速验算:

Q其它架线机车＞60×S其i

式中：

S其i——第i个其它井巷断面，m2。

5、矿井总风量

矿井总风量按下式计算

式中：

Qkj——矿井总进风量，m3/s；

∑Qcj——采煤工作面实际需要风量总和，m3/s；

∑Qjj——掘进工作面实际需要风量总和，m3/s；

∑Qdj——独立通风的硐室实际需要风量总和，m3/s；

∑Qgj——矿井中除采煤、掘进和硐室以外其它井巷需要通风量总和，m3/s；

Kkj——矿井通风系数（包括矿井内部漏风和配风不均匀等因素）宜取1.15～1.25。

对上述Qkj中各项计算如上所述。

（二）风量分配与风速验算

当风量分配到各用风地点后，必须结合巷道断面情况进行风速验证，保证各条巷道的风速均在合理范围内。

各条井巷的供风量确定后，要按《规程》第101条规定的风速进行验算。

需绘制出矿井通风系统图与网络图，计算出每条巷道的通过风量，计算出每条巷道的风速，进行验算，验算结果可填入表4中。

如果某条井巷的风速不符合《规程》规定，则必须进行调整，然后将各地点、各巷道的风量、断面、风速列成一览表。

表4巷道风速校验表

巷道名称

断面m2

容易时期

困难时期

允许风速m/s

是否

满足

风量m3/s

风速m/s

风量m3/s

风速m/s

最小

最大

《规程》规定的风速限定值见表5所示。

表5风速限定值

井巷名称

最低允许风速（m/s）

最高允许风速（m/s）

无提升设备的风井和风硐

—

15

专为升降物料的井筒

—

12

风桥

—

10

升降人员和物料的井筒

—

8

主要进、回风巷道

—

8

架线电机车巷道

1.0

8

运输机巷道、采区进、回风巷道

0.25

6

采煤工作面，掘进中的煤巷和半煤岩巷

0.25

4

掘进中的岩巷

0.15

4

其它通风行人巷道

0.15

—

注1：

设有梯子间的井筒或修理中的井筒，风速不得超过8m/s，梯子间四周经封闭后，井筒中的最高允许风速可按表中有关规定执行。

注2：

无瓦斯涌出量的架线电机车巷道中的最低风速可低于1.0m/s，但不得低于0.5m/s。

注3：

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，其最大风速可高于4m/s的规定值，但不得超过5m/s。

注4：

专用排瓦斯巷道的风速不得低于0.5m/s，抽放瓦斯巷道的风速不应低于0.5m/s。

矿井下各类巷道的适宜风速一般为：

阶段运输大巷：

4.5~5.0m/s；轨道上（下）山、运输上（下）山：

3.5~4.5m/s；回风上（下）山：

4.5~5.5m/s；区段运输平巷（顺槽）：

3.0~3.5m/s；区段回风平巷（回风顺槽）：

4.5~5.5m/s；阶段回风大巷、总回风巷：

5.5~6.5m/s。

二、矿井通风阻力计算

在主要通风机整个服务期限内，矿井通风总阻力随着开采深度的增加和走向范围的扩大以及产量提高而增加。

为了主要通风机于整个服务期限内均能在合理的效率范围内运转，在选择主要通风机时必须考虑到最大可能的总阻力和最小可能的总阻力，前者对应于主要通风机服务期限内通风最困难时期矿井总阻力，后者对应于通风最容易时期的矿井总阻力，同时还考虑到自然风压的作用。

（一）计算原则

1、在进行矿井通风总阻力计算时，不要计算每一条巷道的通风阻力，只选择其中一条阻力最大的风路进行计算。

但必须是选择矿井达到设计产量以后，通风容易时期和通风困难时期的阻力最大风路。

一般，可在两个时期的通风系统图上根据采掘作业布置情况分别找出风流线路最长、风量较大的一条线路作为阻力最大的风路。

在选定的线路上（分最容易和最困难时期），从进风井口到回风井口逐段编号，对各段井巷进行阻力计算，然后累加起来得出这两个时期的各自井巷通风总阻力（h阻易、h阻难）。

如果通风系统复杂，直观上难以判断哪条风路阻力最大时，则需选择几条风路，通过计算比较选出其中最大值。

如果矿井服务年限较长，则只计算头15～25a的通风容易和困难两个时期的井巷通风总阻力。

2、为了经济、合理、安全地使用主要通风机，应控制h阻难不太大，对大型矿井不超过4400Pa，有自燃倾向的矿井不超过3400Pa。

（二）计算方法

沿着上述两个时期通风阻力最大的风路，分别用下式算出各区段井巷的摩擦阻力：

h摩=a·L·U·Q2/S3（Pa）

式中：

L、U、S——分别为各井巷的长度、周长、净断面积（m,m,m2）；

a——摩擦阻力系数，可查阅《煤矿通风与安全》一书的附录；

Q——各井巷和硐室所通过的风量分配值，系根据前面所计算的各井巷硐室所需要的实际风量值再乘以K矿（即考虑井巷的内部漏风和配风不均匀等因素）后所求得风量值，m3/s。

将以上计算结果填入附表6-2。

其总和为总摩擦阻力∑h摩，即是：

∑h摩=h1-2+h2-3+……+h-n-（n+1）（Pa）

式中：

h1-2、h2-3、……为各段井巷之摩擦阻力，Pa。

因此，全矿总阻力为：

（1）通风容易时期的总阻力h阻易为：

h阻易=1.2∑h摩易

（2）通风困难时期的总阻力h阻难为：

h阻难=1.15∑h摩难

式中：

1.2、1.15——考虑到风路上有局部阻力的系数。

三、主要通风机选型

（一）自然风压的计算

矿井冬、夏季气温差别较大，使得空气密度也有所差别，致使矿井自然风压也气温变化而变化，因此需计算矿井自然风压。

规定矿井冬、夏季空气密度如表6所示。

表6矿井冬、夏季空气密度

季节

密度/kg/m3

进风

回风

冬季

1.28

1.24

夏季

1.20

1.24

如图所示，根据自然风压定义，以矿井最低水平作为计算的参考面，图所示系统的自然风压HN可用下式计算：

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，用其分别代替上式的ρ1和ρ2，则上式可写为：

式中：

——重力加速度，m/s2；

Z——矿井最高点至最低水平间的距离，m；

、

——分别为空气柱0-1-2和5-4-3井巷内dZ段空气密度，kg/m3；

、

——分别为空气柱0-1-2和5-4-3井巷内dZ段空气平均密度，kg/m3。

根据上述计算原则可分别计算出矿井冬、夏季自然风压。

（二）选择主要通风机

通常用主要通风机的个体特性曲线来选择主要通风机。

要保证主要通风机在容易时期的工作效率不致太低，又能保证主要通风机在困难时期风压够用且能有足够的风量，同时还要考虑自然风压的影响。

1、确定主要通风机的风量

通过主要通风机的风量Q扇必大于通过出风井的矿井总风量Q矿，

对于抽出式：

Q扇=（1.05～1.10）Q矿（m3/s）

式中，1.05～1.10为外部漏风系数，出风井无提升运输任务时取1.05，有提升运输任务时取1.10。

对于压入式：

Q扇=（1.10～1.15）Q矿（m3/s）

式中，通风井无提升运输任务时取1.10，有提升运输任务时取1.15。

2、确定主要通风机的风压

分别求出通风容易和通风困难两个时期的主要通风机风压。

通常离心式通风机提供的大多是全压曲线，而轴流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h扇易＝h阻易十hd十hv一HN

困难时期h扇难＝h阻难十hd十hv十HN

式中：

hd——通风机装置阻力，Pa。

hv——通风机出口动能损失，Pa。

轴流式通风机：

容易时期h扇易＝h阻易十hd一HN

困难时期h扇难＝h阻难十hd十HN

式中：

hd——通风机装置阻力，Pa。

2、选择主要通风机

根据求出的Q扇、h扇难、h扇易两组数据，在主要通风机个体特性曲线图表（参看《通风安全学》第四章及附录Ⅳ、附录Ⅴ）上选择合适的主要通风机。

3、求通风机的实际工况点

设计工况点不一定恰好在所选择通风机的特性曲线上，必须根据通风机的工作阻力，确定其实际工况点。

1）计算通风机的工作风阻

R易=h扇易/Q扇2

R难=h扇难/Q扇2

在通风机特性曲线图中做通风机工作风阻曲线，与风压曲线的交点即为实际工况点。

对轴流式主要通风机：

容易时期应在安装角θ较小的情况工作，困难时期应在安装角θ较大的情况下工作，其效率不低于0.6，如两组数据所确定的工作点不是刚好落在特性曲线上，应偏大一个调整级差（以2.5°为一个级差）确定主要通风机特性曲线。

对离心式主要通风机：

容易时期应在转数较低的情况工作，困难时期应在转数较高的情况下工作，其效率亦不低于0.6。

如两组数据所确定的工作点也不是刚好落在特性曲线上，应偏大一个调整转数级差确定主要通风机特性曲线，其工作点可采取增大主要通风机工作风阻的方法（用调节闸门增大阻力）确定。

选定主要通风机后，将两个时期的主要通风机型号、动轮直径、动轮叶片安装角度（指轴流式）、转数、风压、风量、效率、输入功率等数值，列出一览表，并绘出所选主要通风机的特性曲线及工作点。

表7　　井巷通风总阻力计算表

巷道

各段

序号

巷

道

名

称

支

架

形

式

α

（NS2/m4）

净断面

R

（NS2/m8）

风量Q（m3/s）

h摩

（pa）

V

（m/s）

L

（m）

U

（m）

S

（m2）

容易时期

1~2

2~3

3~4

……

……

局部阻力

合计

困难时期

1~2

2~3

3~4

……

……

局部阻力

合计

（三）选择电动机

1、根据通风容易和通风困难两个时期实际工况点计算主要通风机的输入功率，

式中：

h扇易’、h扇难’、Q扇’均为实际工况点的对应参数

η——风机效率，可在风机特性图上查得。

2、由通风容易通风困难两个时期主要通风机输入功率，计算电动机的输出功率N电出。

当选择异步电动机时，可用下列两种方法计算。

当主要通风机的输入功率在通风容易时期为N扇入易与困难时期的N扇入难相差不大时，即N扇入易≥0.6N扇入难时，则两个时期都用一种较大功率的电动机。

其电动机的输出功率N电出和输入功率N电入分别用下式计算：

（kW）

式中：

η转——传动效率，直接传动时，η转=1；

（kW）

式中：

1.10～1.15——电动机的容量系数，对于离心式主要通风机取1.15，对于轴流式主要通风机取1.10；

η电——电动机效率，一般取0.9～0.95，或在电动机的技术特征上查得。

2、当主要通风机的输入功率N扇入易<0.6N扇入难时，则容易时期用功率较小的电动机，在适当时候换用功率较大的电动机。

通风容易时期电动机的输出功率用比例中项式计算：

（kW）

（kW）

通风困难时期电动机的输出功率用下式计算：

（kW）

对于功率在400～500kW以上的主要通风机，宜选用同步电动机，用第一种计算方法计算。

根据以上计算所得出的数据，在《电动机技术手册》上选用合适的电动机，并将电动机型号、转数、功率等技术特征列出一览表。

四、矿井通风评价

矿井等积孔、总风阻

R矿易=h阻易/Q2扇

R矿难=h阻难/Q2扇

式中：

R矿易、R矿难——容易时期和困难时间的全矿总风阻，Ns2/m8。

式中：

A矿易、A矿难——容易时间、困难时期全矿通风等积孔，m2。

矿井通风难易程度评价见依据见表，根据这一分类等级结合前面的计算结果，可以评价矿井通风难易程度

等积孔（㎡）

风阻Ns2/m8

矿井通风阻力等级

矿井通风难易程度评价

<1

>1.44

大阻力矿

难

1-2

1.44-0.36

中阻力矿

中

>2

<0.36

小阻力矿

易

附录2：

说明书（或报告）及封皮格式

Xxxx

课程设计说明书（或实训报告）

设计题目（实训项目）:

助学院校:

自考助学专业:

姓名:

自考助学学号:

成绩:

指导教师签名:

河南理工大学成人高等教育

2O年月日

设计题目（已知条件）（或实训报告）

课程设计（论文）（实训报告）各章应有序号，序号用阿拉伯数字编码，层次以少为宜，根据实际需要选择，建议采用以