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1、矿井通风动力 第四章 矿井通风动力空气在井巷中流动需要克服通风阻力，必须提供通风动力以克服空气阻力，才能促使空气在井巷中流动，实现矿井通风。矿井通风动力有由自然条件形成的自然风压和由通风机提供的机械风压两种。本章将研究这两种通风动力的影响因素和特性及其对矿井通风的作用。第一节自然风压如果不在井口安装通风机，而是在各种自然因素作用下(例如，利用井口位置的高低差、两井的温差等)，使风流获得能量(即自然风压)，让风流沿井巷流动的现象，就是自然通风。一、自然风压及其变化规律1、自然风压如图4-1所示，该矿井的自然风压为：H自=，Pa （4-1）式中 Z矿井最高点到最低点间的距离，m； g重力加速度，m

2、/s2； 1、2分别为0-1-2和5-4-3井巷中dz段空气密度，kg/m3。 由于空气密度与高度Z有着复杂的函数关系，因此用式（4-1）计算自然风压比较困难。为了简化计算，一般先测算出0-1-2和5-4-3井巷中空气密度的平均值均进、均回，分别代替式（4-1）中的1和2，则式（4-1）可写为：自（均进均回）g，Pa （4-2）例4-1讲解自然风压具有如下几种性质：1.形成矿井自然风压的主要原因是矿井进、出风井两侧的空气柱重量差。不论有无机械通风，只要矿井进、出风井两侧存在空气柱重量差，就一定存在自然风压。2.矿井自然风压的大小和方向，取决于矿井进、出风两侧空气柱的重量差的大小和方向。这个重量

3、差，又受进、出风井两侧的空气柱的密度和高度影响，而空气柱的密度取决于大气压力、空气温度和湿度。由于自然风压受上述因素的影响，所以自然风压的大小和方向会随季节变化，甚至昼夜之间也可能发生变化，单独用自然风压通风是不可靠的。因此规程规定，每一个生产矿井必须采用机械通风。3.矿井自然风压与井深成正比；矿井自然风压与空气柱的密度成正比，因而与矿井空气大气压力成正比，与温度成反比。地面气温对自然风压的影响比较显著。地面气温与矿区地形、开拓方式、井深以及是否机械通风有关。一般来说，由于矿井出风侧气温常年变化不大，而浅井进风侧气温受地面气温变化影响较大，深井进风流气温受地面气温变化的影响较小，所以矿井进、出

4、风井井口的标高差越大，矿井越浅，矿井自然风压受地面气温变化的影响也越大，一年之内不但大小会变化，甚至方向也会发生变化；反之，深井自然风压一年之内大小虽有变化，但一般没有方向上的变化。4.主要通风机工作对自然风压的大小和方向也有一定的影响。因为矿井主通风机的工作决定了矿井风流的主要流向，风流长期与围岩进行热交换，在进风井周围形成了冷却带，此时即使风机停转或通风系统改变，进、回风井筒之间仍然会存在气温差，从而仍在一段时间之内有自然风压起作用，有时甚至会干扰主要通风机的正常工作，这在建井时期表现尤为明显，需要引起注意。二、自然风压的控制和利用自然通风作用在矿井中普遍存在，它在一定程度上会影响矿井主要

5、通风机的工况。要想很好地利用自然通风来改善矿井通风状况和降低矿井通风阻力，就必须根据自然风压的产生原因及影响因素，采取有效措施对自然风压进行控制和利用。1.对自然风压的控制在深井中自然风压一般常年都帮助主要通风机通风，只是在季节改变时其大小会发生变化，可能影响矿井风量。但在某些深度不大的矿井中，夏季自然风压可能阻碍主要通风机的通风，甚至会使小风压风机通风的矿井局部地点风流反向。这在矿井通风管理工作中应予重视，尤其在山区多井筒通风的高瓦斯矿井中应特别注意，以免造成风量不足或局部井巷风流反向酿成事故。为防止自然风压对矿井通风的不利影响，应对矿井自然通风情况作充分的调查研究和实际测量工作，掌握通风系

6、统及各水平自然风压的变化规律，这是采取有效措施控制自然风压的基础。在掌握矿井自然风压特性的基础上，可根据情况采取安装高风压风机的方法来对自然风压加以控制，也可适时调整主要通风机的工况点，使其既能满足矿井通风需要，又可节约电能。2.设计和建立合理的矿井通风系统由于矿区地形、开拓方式和矿井深度的不同，地面气温变化对自然风压的影响程度也不同。在山区和丘陵地带，应尽可能利用进出风井口的标高差，将进风井布置在较低处，出风井布置在较高处。如果采用平硐开拓，有条件时应将平硐作为进风井，并将井口尽量迎向常年风向，或者在平硐口外设置适当的导风墙，出风平硐口设置挡风墙。进出风井口标高差较小时，可在出风井口修筑风塔

7、，风塔高度以不低于10m为宜，以增加自然风压。3.人工调节进、出风侧的气温差在条件允许时，可在进风井巷内设置水幕或借井巷淋水冷却空气，以增加空气密度，同时可起到净化风流的作用。在出风井底处利用地面锅炉余热等措施来提高回风流气温，减小回风井空气密度。4.降低井巷风阻尽量缩短通风路线或采用平行巷道通风；当各采区距离地表较近时，可用分区式通风；各井巷应有足够的通风断面，且应保持井巷内无杂物堆积，防止漏风。5.消灭独井通风在建井时期可能会出现独井通风现象，此时可根据条件用风幛将井筒隔成一侧进风另一侧出风；或用风筒导风，使较冷的空气由井筒进入，较热的空气从导风筒排出。也可利用钻孔构成通风回路，形成自然风

8、压。6.注意自然风压在非常时期对矿井通风的作用在制定矿井灾害预防和处理计划时，要考虑到万一主要通风机因故停转，如何采取措施利用自然风压进行通风以及此时自然风压对通风系统可能造成的不利影响，制订预防措施，防患于未然。三、自然风压的测定生产矿井多用实测法掌握自然风压的变化规律。自然风压的测定法有两种,直接测定法和间接测定法。1.直接测定法矿井在无通风机工作或通风机停止运转时，在总风流的适当地点设置临时隔断风流的密闭，将矿井风流严密遮断，而后用压差计测出密闭两侧的静压差，该静压差便是矿井的自然风压值。或将风硐中的闸门完全放下，然后由风机房水柱计直接读出矿井自然风压值（如图4-2所示）。2.间接测定法

9、以抽出式通风矿井为例。如图4-3所示的抽出式通风矿井，因风硐中通风机入口风流的相对全压h全与自然风压H自的代数和等于矿井的通风阻力，即h全+H自=RQ2 （4-3）式中 R矿井总风阻，Ns2/m8； Q矿井总风量，m3/s。所以首先在通风机正常运转时，测出矿井总风量Q及通风机入风口处风流的相对全压h全，而后停止主要通风机的运转，若有自然风流，立即测出自然风流的风速v自，计算出自然通风的风量Q自=Sv自，S是测v自处的风硐的断面积，可得下式：H自= RQ自2 （4-4）解式（4-3）和（4-4）的联立方程组，得矿井自然风压：H自=h全，Pa （4-5）第二节 矿井主要通风机及其附属装置矿用通风机

10、是矿井通风的主要动力。它对于矿井的重要性，不亚于肺脏对人体的作用。加之它的功率较大，日夜不停地运转，因此，耗电量很大。据统计，全国统配煤矿平均主扇电耗约占全矿电耗的16。所以合理地选择和使用通风机，不仅关系到矿井的安全生产和职工的身体健康，而且对矿井的技术经济指标也有着一定的影响。 矿用通风机按其服务范围，可分为三种： 1主要通风机(主扇)：服务于全矿或矿井的某一翼(或采区)； 2辅助通风机(辅扇)：服务于矿井通风网路的某一分支(某一采区或采煤工作面)风路，帮助主扇工作，以保证该分支所需的风量； 3局部通风机(局扇)：服务于独头巷道掘进。 通风机按其构造和工作原理来分，可分为离心式扇通风机和轴

11、流式通风机。一、离心式通风机离心式通风机的工作原理，就像旋转雨伞时，雨水由于离心力的作用，沿雨伞的边缘，以切线方向飞离的现象相同。离心式通风机主要由动轮(又叫工作轮、叶轮)、螺形外壳、进风道和扩散器等部件组成。有些离心式风机还在动轮前面装设具有叶片的前导器，使气流在进入动轮的方向产生扭曲，以调节风机产生的风压和风量。离心式风机的构造示意图，如图46所示。根据风机叶片弯曲形式的不同，可分为前倾式（2900）、后倾式（2900和径向式（2900）三种。前倾式叶片多用于鼓风机；后倾式叶片的风机效率高，大型风机一般都是后倾式；小型离心式风机，为便于制造，多用径向叶片。离心式通风机有单侧吸风口与双侧吸风

12、口两种，增加吸风口的目的在于增加扇风机的风量。现我国生产的离心式通风机较多，适用煤矿作主要通风机的有：4-72-11型、G4-73-11型、K4-73-01型等。型号参数的含义以K4-73-0132型为例说明如下：K4-73-0132K矿用；4效率最高点压力系数的10倍，取整数；73效率最高点比转速，取整数；0通风机进风口为双面吸入；1 第一次设计；32通风机机号，为叶轮直径，dm。二、轴流式通风机如图47,轴流式风机主要由进风口、叶轮、整流器、主体风筒、扩散器和传动轴等部件组成。轴流式通风机运转时，空气沿风机轴的方向进入集风口，叶轮的旋转把空气向前推进，并产生压力，然后经扩散器排出.轴流式通

13、风机依工作轮数有：一级(或一段)和二级(或两段)通风机。增加工作轮数可增加通风机的风压和风量。工作轮固定在主轴上，由齿轮联轴节使主轴和电动机相联。工作轮由轮毂和在其上安装的若干叶片组成。叶片用螺栓固定在轮毂上，叶片呈梯形(中间是空的)，其横截面和机翼形相似，如图48所示。称为轴流式通风机的叶片安装角，即从叶片的风流入口处与风流出口处的联线(弦线)和工作轮旋转方向的切线间的夹角。角是可调的，因通风机的风压、风量的大小与角有关，所以工作时可根据所需要的风量、风压调节角度。目前我国生产的轴流式通风机中，适用于煤矿作主要通风机的有：2K60型、GAF型、2K56型、KZS型等。型号参数的含义以2K60

14、-1- No24型为例说明如下：2K60-1- 242-两级叶轮；K矿用；60轮毂比的100倍；1-结构设计序号；24叶轮直径，dm。三、对旋式通风机1994年9月，原煤炭部颁发了关于推广使用四项通风安全装备的决定，对旋式局部通风机被列为在全国推广使用的四项装备之一。对旋式局部通风机也是一种轴流式通风机，和传统轴流式通风机相比较，具有高效率、高风压、大风量、性能好、高效区宽、噪声低、运行方式多、安装检修方便等优点。现在我国已经研制成功新一代高效节能矿用防爆对旋式主要通风机。对旋式通风机由集流器、一级通风机、二级通风机、扩散筒和扩散塔组成。风机采用对旋式结构，一、二级叶轮相对安装，旋转方向相反；

15、在主风筒中设置有稳流环，使得通风机性能曲线中无驼峰区，无喘振，在任何阻力情况下均可稳定运行。通风机噪音较低，绝大多数型号在无消声装置的情况下，噪声均可低于90dB（A）。通风机叶轮叶片安装角可以调整，一般分为45。、40。、35。、30。及25。五个角度。一、二级叶轮叶片安装角角度可以一致，也可不同，又可调节为小于或等于45。范围内任意角度运行。可以单级运行，也可以双级运行，因此可调范围极广，尤其在矿井投产初期可只运行一级。通风机和扩散器均安装在带轮的平板车上，下设轨道，安装维修很方便。可以反转反风。在各种情况下，反风率均为70%以上；不需要反风道及通风机的基础，也可不要主通风机房，只需要建造

16、电控值班室。电动机轴承和电动机定子有测温装置，可遥测和报警。电动机轴承还配备了不停机注油和排油管装置。目前，对旋式通风机有数十个系列。作为煤矿主要通风机使用的有BD或BDK系列高效节能矿用防爆对旋式主要通风机，最高静压效率可达85%，噪声不大于85dB（A）。局部通风机主要有FDC-16/30型、FSD-218.5型、DSF-6.3/60型、DSFA-5型、BDJ60系列、2BKJ-6.0/3.0型、KDF型等。型号参数的含义以BDK65A-8- 24型为例说明如下：BDK65A-8- 24B防爆型；D对旋结构；K矿用；65轮毂比的100倍；A叶片数目配比为A种；8配用8极电机；24机号为24

17、，即24dm。BD系列对旋式风机特性曲线如附录六所示。四、离心式和轴流式通风机的比较离心式和轴流式两类风机，各有优缺点，应根据各矿自己的特点和具体条件选用适宜的风机。 表41 离心式和轴流式风机综合比较表 项 目 离 心 式 轴 流 式 平均效率 特性曲线 性能调节 起 动 噪 音 转 数 故障机会 检 修 并联工作 适 用 较 高 平 缓 利用闸门调节，经济性差。 调整前导器角度，尾翼，安装角调整范围较小。 全闭 较 小 较 低 较 少 较方便 稳定性好 风阻变化小，风量变动大 的矿井，即h小变，Q大变时。 较 低 陡 削 可调整叶片安装角，叶片 数，级数等，经济性较好 全 开 很 大 较

18、高 较 多 较复杂 稳定性差 风阻变化大，风量变动小 的矿井。即h大变，Q小变时五、通风机的附属装置矿井使用的主要通风机，除了主机之外尚有一些附属装置。主要通风机和附属装置总称为通风机装置。附属装置有风硐、扩散器、防爆门和反风装置等。1.风硐风硐是连接通风机和风井的一段巷道，如图4-9所示。因为通过风硐的风量很大，风硐内外压力差也较大，其服务年限长，所以风硐多用混凝土、砖石等材料建筑，对设计和施工的质量要求较高。 良好的风硐应满足以下要求： (1)应有足够大的断面，风速不宜超过15ms。 (2)风硐的风阻不应大于0.0196Ns2m8，阻力不应大于100200Pa。风硐不宜过长，与井筒连接处要

19、平缓，转弯部分要呈圆弧形，内壁要光滑，并保持无堆积物，拐弯处应安设导流叶片，以减少阻力。 (3)风硐及闸门等装置，结构要严密，以防止漏风。(4)风硐内应安设测量风速和风流压力的装置，风硐和主通风机相连的一段长度不应小于1012D(D为通风机工作轮的直径)。(5)风硐与倾角大于30。的斜井或立井的连接口距风井12m处应安设保护栅栏，以防止检查人员和工具等坠落到井筒中；在距主要通风机入风口12m处也应安设保护栅栏，以防止风硐中的脏、杂物被吸入通风机。(6)风硐直线部分要有流水坡度，以防积水。 2.防爆门防爆门是在装有通风机的井口上为防止瓦斯或煤尘爆炸时毁坏通风机而安装的安全装置。图4-10所示为出

20、风井口的防爆门，门1用铁板焊成，四周用4条钢丝绳绕过滑轮3，用挂有配重的平衡锤4牵住防爆门，其下端放入井口圈2的凹槽中。正常通风时它可以隔离地面大气与井下空气。当井下发生爆炸事故时，防爆门即能被爆炸波冲开，起到卸压作用以保护通风机。具体要求是：防爆门应布置在出风井轴线上，其面积不得小于出风井口的断面积。从出风井与风硐的交叉点到防爆门的距离应比从该交叉点到主要通风机吸风口的距离至少短10m。防爆门必须有足够的强度，并有防腐和防抛出的措施。为了防止漏风，防爆门应该封闭严密。如果采用液体作密封时，在冬季应选用不燃的不冻液，且要求以当地出现的十年一遇的最低温度时不冻为准。槽中应经常保持足够的液量，槽的

21、深度必须使其内盛装的液体的压力大于防爆门内外的空气压力差。井口壁四周还应安装一定数量的压脚，当反风时用它压住防爆门，以防掀起防爆门造成风流短路。 3.反风装置当矿井在进风井口附近、井筒或井底车场及其附近的进风巷中发生火灾、瓦斯和煤尘爆炸时，为了防止事故蔓延，缩小灾情，以便进行灾害处理和救护工作，有时需要改变矿井的风流方向。规程规定：生产矿井主要通风机必须装有反风设施，并能在l0min内改变巷道中的风流方向；当风流方向改变后，主要通风机的供给风量不应小于正常供风量的40。每季度应至少检查1次反风设施，每年应进行1次反风演习；当矿井通风系统有较大变化时，应进行1次反风演习。 1）离心式通风机的反风

22、装置离心式通风机只能用反风门与旁侧反风道的方法反风，如图4-11所示。通风机正常工作时，反风门1和2处于实线位置，反风时将反风门1提起，把反风门2放下，地表空气自活门2进入通风机，再从活门1进入旁侧反风道3，进入风井流入井下，达到反风的目的。 2）轴流式通风机的反风装置 轴流式通风机的反风方法有三种：（1）利用反风门与旁侧反风道反风，如图4-12所示。（2）调节通风机叶片角度反风。GAF型轴流式通风机有两种方法调整叶片安装角，一是运行中采用液压调节，常在电厂的通风机调节中采用。二是采用机械式调节，如图4-13所示。（3）反转通风机叶轮旋转方向反风。这种方法是调换电动机电源的任意两相接线，使电动

23、机改变转向，从而改变通风机叶轮的旋转方向，使井下风流反向。这种方法基建费较少，反风方便，但是一些老型号的轴流式通风机反风后风量达不到要求。一些新型轴流式通风机，将后导叶设计成可调节角度的，反风时，将后导叶同时扭一角度，反风后的风量即能满足要求。4.扩散器在通风机出口处外接的具有一定长度、断面逐渐扩大的风道，称为扩散器。其作用是降低出口速压以提高通风机的静压。五、主要通风机的使用及安全要求 为了保证通风机安全可靠的运转，规程中规定： 1.主要通风机必须安装在地面；装有通风机的井口必须封闭严密，其外部漏风率在无提升设备时不得超过5%，有提升设备时不得超过15%。 2. 必须保证主要通风机连续运转。

24、 3. 必须安装2套同等能力的主要通风机装置，其中一套作备用，备用通风机必须能在10min内开动。在建井期间可安装1套通风机和1部备用电动机。生产矿井现有的2套不同能力的主要通风机，在满足生产要求时，可继续使用。 4.严禁采用局部通风机或局部通风机群作为主要通风机使用。 5.装有主要通风机的出风井口应安装防爆门，防爆门每6个月检查维修1次。 6.新安装的主要通风机投入使用前，必须进行1次通风机性能测定和试运转工作，以后每5年至少进行1次性能测定。主要通风机至少每月检查1次。改变通风机转数或叶片角度时，必须经矿技术负责人批准。 7.主要通风机因检修、停电或其它原因停止运转时，必须制订停风措施。主

25、要通风机停止运转时，受停风影响的地点，必须立即停止工作、切断电源，工作人员撤到进风巷道中，由值班矿长迅速决定全矿井是否停止生产、工作人员是否全部撤出。主要通风机在停止运转期间，对由1台主要通风机担负全矿井通风的矿井，必须打开井口防爆门和有关风门，利用自然风压通风；对由多台主要通风机联合通风的矿井，必须正确控制风流，防止风流紊乱。第三节 通风机风压及实际特性一、通风机的工作参数反映通风机工作特性的基本参数有4个，即通风机的风量Q通、压力H通、功率N通和效率。 1.通风机的风量Q通 Q通表示单位时间内通过通风机的风量，单位为m3s。当通风机抽出式工作时，通风机的风量等于回风道总排风量与井口漏入风量

26、之和；当通风机压入式工作时，通风机的风量等于进风道的总进风量与井口漏出风量之和。所以通风机的风量要用风表或皮托管与压差计在风硐或通风机扩散器处实测。2.通风机的风压H通通风机的风压有通风机全压(H通全)、静压(H通静)和动压(h通动)之分。通风机的全压表示单位体积的空气通过通风机后所获得的能量，单位为Nmm3或Pa，其值为通风机出口断面与入口断面上的总能量之差。因为出口断面与入口断面高差较小，其位压差可忽略不计，所以通风机的全压为通风机出口断面与入口断面上的绝对全压之差，即：H通全=P全出P全入，Pa (4-6)式中 P全出通风机出口断面上的全压，Pa； P全入通风机入口断面上的全压，Pa。

27、通风机的全压包括通风机的静压与动压两个部分，即： H通全H通静h通动，Pa (4-7) 由于通风机的动压是用来克服风流自扩散器出口断面进到地表大气(抽出式)或风硐(压入式)的局部阻力，所以扩散器出口断面的动压等于通风机的动压，即：h扩动=h通动 (4-8)式中 h扩动扩散器出口断面的动压，Pa。 3.通风机的功率N 通风机的输入功率N通入表示通风机轴从电动机得到的功率，单位为KW，通风机的输入功率可用下式计算： N通入，KW (4-9)式中 U一线电压，V；I线电流，A；COS功率因数； 电电动机效率， 传传动效率，。 通风机的输出功率N通出也叫有效功率，是指单位时间内通风机对通过的风量为Q的

28、空气所做的功，即： N通出 ，KW (4-10) 因为通风机的风压有全压与静压之分，所以公式(4-10)中当H通为全压时，即为全压输出功率N通全出，当H通为静压时，即为静压输出功率N通静出。 4.通风机的效率通风机的效率是指通风机输出功率与输入功率之比。因为通风机的输出功率有全压输出功率与静压输出功率之分，所以通风机的效率分全压效率通全与静压效率通静，即： 通全 （4-11） 通静 （4-12） 很显然，通风机的效率越高，说明通风机的内部阻力损失越小，性能也越好。二、通风机的个体特性及合理工作范围1.个体特性曲线通风机的风量、风压、功率和效率这四个基本参数可以反映出通风机的工作特性。每一台通风

29、机，在额定转速的条件下，对应于一定的风量，就有一定的风压、功率和效率，风量如果变动，其它三者也随之改变。表示通风机的风压、功率和效率随风量变化而变化的关系曲线，称为通风机的个体特性曲线。这些个体特性曲线不能用理论计算方法来绘制，必须通过实测来绘制。 1）风压特性曲线图4-14为离心式通风机的静压特性曲线。图4-15为轴流式通风机的全压、静压特性曲线以及全压效率与静压效率曲线。在煤矿中因主通风机多采用抽出式通风，因此要绘制静压特性曲线；当采用压入式通风时，则绘制全压特性曲线。 从图4-14与图4-15可看出，离心式与轴流式通风机的风压特性曲线各有其特点：离心式通风机的风压特性曲线比较平缓，当风量

30、变化时，风压变化不太大；轴流式通风机的风压特性曲线较陡，并有一个“马鞍形”的“驼峰”区，当风量变化时，风压变化较大。 2）功率曲线 图中N通入为通风机的输入功率曲线。从两个图中可看出：离心式通风机当风量增加时，功率也随之增大，所以启动时，为了避免因启动负荷过大而烧毁电动机，应先关闭闸门然后待通风机达到正常工作转速后再逐渐打开。当供风量超过需风量过多时，矿井常常利用闸门加阻来减少工作风量，以节省电能。轴流式通风机在B点的右下侧功率是随着风量的增加而减小，所以启动时应先全敞开或半敞开闸门，待运转稳定后再逐渐关闭闸门至其合适位置，以防止启动时电流过大，引起电动机过负荷。 3）效率曲线 如图4-14、

31、4-15中为通风机的效率曲线。当风量逐渐增加时，效率也逐渐增大，当增大到最大值后便逐渐下降。因为轴流式通风机叶片的安装角是可调控的，因此叶片的每个安装角都相应地有一条风压曲线和功率曲线。为了使图清晰，轴流式通风机的效率一般用等效率曲线来表示，如图4-16所示。等效率曲线是把各条风压曲线上的效率相同的点连接起来绘制成的。等效率曲线的绘制方法如图4-17所示，轴流式通风机两个不同的叶片安装角1与2的风压特性曲线分别为1与2，效率曲线分别为3与4。自各个效率值(如0.2、0.4、0.6、0.8)画水平虚线，分别和3与4曲线相交，可得4对效率相等的交点，从这4对交点作垂直虚线分别与相应的个体风压曲线1与2相交，又在曲线1与2上得出4对效率相等的交点，然后把相等效率的交点连结起来，即得出图中4条等效率曲线：0.2、0.4、