第4章 矿井通风动力

1/70河南理工大学安全学院通风动力目录第四章矿井通风动力2/70河南理工大学安全学院通风动力目录第一节自然风压第二节矿用通风机的类型及构造第三节通风机附属装置第四节通风机实际特性曲线第五节通风机工况点及其经济运行第六节通风机的联合运转3/70河南理工大学安全学院通风动力目录1、上一章内容回顾1)、上一章所讲的主要内容风速在井巷断面上的分布、摩擦阻力定律及摩擦阻力的计算、摩擦阻力系数、摩擦风阻、尼古拉兹实验、矿井局部阻力系数的计算方法、矿井风阻特性曲线及画法、总风阻与等积孔的计算及降低矿井通风阻力的措施。2)、能解决的实际问题(1)判断井巷风流状态；(2)摩擦阻力系数及摩擦风阻值的计算；(3)矿井通风阻力计算问题(4)降低矿井通风阻力的技术措施4/70河南理工大学安全学院通风动力目录2、本章的重点：1)自然风压的产生、计算、利用与控制2)轴流式和离心式主要通风机特性3)主要通风机的联合运转4)主要通风机的合理工作范围3、本章的难点：1)自然风压的计算、利用与控制2)主要通风机的联合运转3)主要通风机的合理工作范围4、本章的思考题1)烟囱为什么能够排烟？2)矿井主要通风机为什么要有反风装置？3)通风机为啥有个体特性曲线、类型曲线和通用特性曲线？4)矿井主要通风机工况点是静态的，还是动态的，为什么？5)轴流式通风机为什么会出现喘振现象？6)两台风机并联运行时矿井风量一定增大吗？5/70河南理工大学安全学院通风动力目录概述通风动力两种：自然通风与机械通风。风流在矿井中流动，新鲜空气进入，浑浊气体（乏风）排出，这都需要通风动力，不论是自然风压还是机械通风机，这些都是通风动力。通风动力的发展情况总体上来说：纯自然风压→风箱、牛皮囊、水车→蒸汽机→现在的通风机。古代采煤，井深一般在20丈之内（50米）。（唐.李善对《魏都赋》的注中讲明井深8丈（约27米）），由于没有机械设备，通风动力人们就自发地利用自然风压。最初采用是一个独眼井(《天工开物》中有记载)。首先是依靠井壁温度与大气温度(或燃火)不同造成空气流动来进行通风，后来井下有了通风回路，靠进、出井口的高度来通风，这时也利用火炉（在回风井筒内），靠热动力来通风，空气加热密度变轻上升，来产生空气流动。6/70河南理工大学安全学院通风动力目录概述随着开采深度的增加，通风阻力增大，这时人们就采用井下多设置火炉，就是提高温度，加快气流上升的动力。自然风压利用到了极限后，仍不能满足开采用风时，开始利用水车、风箱、风扇、牛皮囊等机械装置向矿井内压风。这标志着机械通风的开始。随着科学技术的发展，瓦特发明了蒸汽机，真正意义上的机械通风开始了。虽然现在矿井要求必须进行机械通风，但自然风压是始终存在的，任何矿井中都不可避免自然风压，它在现代矿井通风中也起着很重要的作用。7/70河南理工大学安全学院通风动力目录第一节自然风压一、自然风压及其形成和计算1、自然风压与自然通风由自然因素作用而形成的通风叫自然通风。冬季：空气柱0-1-2比5-4-3的平均温度较低，平均空气密度较大，导致两空气柱作用在2-3水平面上的重力不等。它使空气源源不断地从井口1流入，从井口5流出。夏季：相反。自然风压：在通风系统中，由于重力差引起的通风压力，就叫该系统的自然风压。其大小等于作用在最低水平两侧空气柱重力差。012345dzρ1dzρ2z)1(46457.0378.0PPTPsat8/70河南理工大学安全学院通风动力目录2、自然风压的计算根据自然风压定义，自然风压是“势函数”，是一种势能，因此要注意选取计算的参考面，即0势位面，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：在实际测量计算中，常取：注意：1）自然风压的计算必须取一闭合系统。2）进风系统和回风系统必须取相同的标高。3）一般选取最低点作为基准面。gdZgdZHN532201)(21mmNZgH012345dzρ1dzρ2znnm09/70河南理工大学安全学院通风动力目录二、自然风压的影响因素及变化规律影响自然风压的决定性因素是两侧空气柱的密度差，而空气密度又受温度T、大气压力P、气体常数R(气体常数，是一个只与气体的种类有关，与气体所处的状态无关的一个物理量)和相对湿度φ等因素影响。因此，影响自然风压的因素可用下式表示：HN=f(ρZ）=f[ρ(T,P,R,φ)，Z]1、温差：矿井某一回路中两侧空气柱的温差是影响HN的主要因素。影响气温差的主要因素是地面入风流气温和风流与围岩的热交换。其影响程度随矿井的开拓方式、开采深度、地形、地质原因不同而有不同的影响，在山区浅井，受地面温度影响大，深井偏小。10121234567891112月份HN)1(46457.0378.0PPTPsat浅井深井深井自然风压受围岩热交换影响显著，一年四季变化小。10/70河南理工大学安全学院通风动力目录影响井下风流温度的因素•1）矿井进风温度；•2）井下风流的自压缩热；•3）机电设备放热；•4）氧化放热；•5）地下热水散热；•6）围岩散热；•7）运输中煤炭及矸石散热等。11/70河南理工大学安全学院通风动力目录二、自然风压的影响因素及变化规律2、空气成分和湿度：它影响空气的密度，因而对自然风压也有一定影响，但影响较小。3、井深：HN与矿井或回路最高与最低点间的高差Z成正比。4、主要通风机：主要通风机工作对自然风压的大小和方向也有一定影响。因为矿井主要通风机工作决定了主风流的方向，加之风流与围岩的热交换，使回风井气温高于进风井，在进风井周围形成了冷却带以后，即使风机停转或通风系统改变，这两个井筒之间在一定时期内仍有一定的气温差，从而仍有一定的自然风压起作用。12/70河南理工大学安全学院通风动力目录三、自然风压的控制和利用自然风压既可作为矿井通风的动力，也可能是事故的肇凶。因此，研究自然风压的控制和利用具有重要意义。1、新设计矿井在选择开拓方案、拟定通风系统时，应充分考虑利用地形和当地气候特点。新井设计应尽量使自然风压全年的方向与机械通风机方向一致。2、根据自然风压的变化规律，应适时调整主通风机的工况点，使其既能满足矿井通风需要，又可节约电能。3、在建井时期，要注意因地制宜和因时制宜利用自然风压通风，如在表土施工阶段可利用自然通风；在主副井与风井贯通之后，有时也可利用自然通风；有条件时还可利用钻孔构成回路。4、利用自然风压做好非常时期通风。一旦主要通风机因故遭受破坏时，便可利用自然风压进行通风。13/70河南理工大学安全学院通风动力目录5、在多井口通风的山区，尤其在高瓦斯矿井，要掌握自然风压的变化规律，防止因自然风压作用造成某些巷道无风或反向而发生事故。如图是四川某矿因自然风压使风流反向示意图。(两个系统的自然风压)ABB’CEFA系统的自然风压为：DBB’CED系统的自然风压为：(夏季)自然风压与主要通风机作用方向相反。相当于在平硐口A和进风立井口D各安装一台抽风机（向外）。)('AFCBNAZgH)('BECBNDZgHRDRCABCDB′EZABCDFB′14/70河南理工大学安全学院通风动力目录设AB风流停滞，对回路ABDEFA和ABB’CEFA可分别列出压力平衡方程：式中：HS—风机静压，Pa；Q—DBB’C风路风量，m3/S;RD、RC—分别为DB和BB’C分支风阻，N·S2/m8。两式相除：此即AB段风流停滞条件式。当上式变为则AB段风流反向。由此可知防止AB风路风流反向的措施有：（1）加大RD；（2）增大HS；（3）在A点安装风机向巷道压风。22QRHHQRHHCNASDNDNACDNASNDNARRHHHHCDNASNDNARRHHHHEZABCDFB′15/70河南理工大学安全学院通风动力目录第二节矿用通风机的类型及构造矿井的通风动力主要是通风机，每个风井至少有2台主要通风机（一台使用、备用）一般功率都很大，其电耗一般为全矿的20%～25%，有的矿井甚至高达50%，原因是功率大效率低，平均只有52.79%。矿用通风机按其服务范围可分为三种：1、主要通风机，服务于全矿或矿井的某一翼（部分）；2、辅助通风机，服务于矿井网络的某一分支（采区或工作面），帮助主通风机通风，以保证该分支风量；安全隐患，一般不用；3、局部通风机，服务于独头掘进井巷道等局部地区。按构造和工作原理可分为：离心式通风机和轴流式通风机。16/70河南理工大学安全学院通风动力目录一、离心式通风机的构造和工作原理1、风机构造。离心式通风机一般由：进风口、工作轮（叶轮）、螺形机壳和前导器等部分组成。吸风口有：单吸和双吸两种。在相同的条件下双吸风机叶(动)轮宽度是单吸风机的两倍。前导器(有些通风机无前导器)，使进入叶(动)轮的气流发生预旋绕，以达到调节性能之目的。叶轮是唯一的旋转部件。17/70河南理工大学安全学院通风动力目录叶片出口构造角：风流相对速度W2的方向与圆周速度u2的反方向夹角称为叶片出口构造角，以β2表示。离心式风机可分为：前倾式（β290º)、径向式（β2=90º)和后倾式（β290º)三种。β2不同，通风机的性能也不同。矿用离心式风机多为后倾式。w2c2u2c2uβ2w2c2u2β2u2c2w2β218/70河南理工大学安全学院通风动力目录2、工作原理当电机通过传动装置带动叶轮旋转时，叶片流道间的空气随叶片旋转而旋转，获得离心力。经叶端被抛出叶轮，进入机壳。在机壳内速度逐渐减小，压力升高，然后经扩散器排出。与此同时，在叶片入口（叶根）形成较低的压力（低于进风口压力），于是，进风口的风流便在此压差的作用下流入叶道，自叶根流入，在叶端流出，如此源源不断，形成连续的流动。3、常用型号目前我国煤矿使用的离心式风机主要有G4-73、4-73型和K4-73型等。这些品种通风机具有规格齐全、效率高和噪声低等特点。型号参数的含义举例说明如下：G4—73—11№25D代表通风机的用途，K表示表示传动方式矿用通风机，G代表鼓风机通风机叶轮直径（25dm)表示通风机在最高效率点时全压系数10倍化整设计序号(1表示第一次设计）表示通风机比转速(ns)化整表示进风口数,1为单吸,0为双吸19/70河南理工大学安全学院通风动力目录二、轴流式风机的构造和工作原理1、风机构造主要由进风口、叶轮、整流器、风筒、扩散（芯筒）器和传动部件等部分组成。叶轮有一级和二级两种2、工作原理（1）特点：在轴流式风机中，风流流动的特点是，当动轮转动时，气流沿等半径的圆柱面旋绕流出。12345678920/70河南理工大学安全学院通风动力目录（2）叶片安装角在叶片迎风侧作一外切线称为弦线。弦线与动轮旋转方向（u)的夹角称为叶片安装角，以θ表示。可根据需要在规定范围内调整。但每个动轮上的叶片安装角θ必需保持一致。（3）工作原理当动轮旋转时，翼栅即以圆周速度u移动。处于叶片迎面的气流受挤压，静压增加；与此同时，叶片背的气体静压降低，翼栅受压差作用，但受轴承限制，不能向前运动，于是叶片迎面的高压气流由叶道出口流出，翼背的低压区“吸引”叶道入口侧的气体流入，形成穿过翼栅的连续气流。uθ21/70河南理工大学安全学院通风动力目录3、常用型号目前我国煤矿在用的轴流式风机有1K58、2K58、GAF和BD或BDK（对旋式）等系列轴流式风机。轴流式风机型号的一般含义是：1K—58—4№25表示表示叶轮级数,1表示通风机叶轮直径（25dm)单级，2表示双级表示设计序号表示用途，K表示矿用，T表示通用表示通风机轮毂比,0.58的100倍化整BDK658№24防爆型叶轮直径（24dm)对旋结构电机为8极（740r/min）表示用途，K为矿用轮毂比0.65的100倍化整22/70河南理工大学安全学院通风动力目录若轮毂比低于0.4则认为是低压(或低轮毂比)型轴流通风机，轮毂比大于0.71时，则认为是高压（或大轮毂比）型轴流通风机，轮毂比介于0.4～0.7