通风技术管理讲义

１矿井通风技术矿井通风的基本任务：①向井下各工作场所连续不断地供给新鲜空气，供人员呼吸；②把有毒有害气体和矿尘稀释到安全浓度以下，并排出矿井外；③提供适宜的气候条件，创造良好的生产环境，以保障职工的身体健康和生命安全及机械设备正常运转，提高劳动生产率；④增强矿井的防灾、抗灾能力，实现矿井安全生产。第一节矿内空气一、井下气体成分矿内空气是指矿井井巷内气体的总称。包括地面进入井下的新鲜空气和井下产生的优点有害气体、浮尘。地面空气进入井下后要发生一系列物理、化学变化，因此矿内空气与地面空气有较大的差别。1、地面空气成分：氧气20.96％，氮气79％，二氧化碳0.04％，还有少量的水蒸气、微生物、尘埃。地面空气进而井下后成分性质发生变化：氧气含量降低，有害气体混入，固体微粒混入，气体膨胀与压缩等。（1）氧气。氧气维持人体的正常生理机能，人在休息时需氧量0.2~0.4L/min,重体力劳动时需氧量1.8~2.4L/min。空气中氧气浓度降低17％以下时，人体会产生不适生理反映，严重时导致缺氧死亡。空气中氧气含量在17％时称为安全临界值。２（2）二氧化碳。微毒、略带酸味、不助燃，也不能供人呼吸，与空气相对密度为1.52，所以易积存在巷道底板附近，对人体神经有刺激作用，如果空气中完全不含二氧化碳人体正常呼吸功能不能维持，二氧化碳浓度过高会导致氧气含量降低造成人员窒息。（3）氮气。惰性气体，无毒、不助燃，不能助人呼吸，含量过高会造成“高氮窒息”事故。2、井下各有害气体来源及其性质（1）甲烷。来源于煤层和煤系地层；无色、无味、无臭、无毒，标准状态（一个大气压，20℃）下密度0.716kg/m3,与空气相对密度0.554。扩散性强，扩散率是空气的1.34倍。空气中甲烷浓度过高会导致空气中氧气浓度降低，是空气具有窒息性；具有燃烧和爆炸性，微溶于水，在0.1013Mpa和20℃时溶解度为3.5％。二、大气参数测定与矿井通风有关的主要参数：温度、压力（压强）、密度、比容、粘性、湿度、焓等。1、温度。是描述物体冷热程度的物理量，测量温度的指标称为温标，主要有：热力学绝对温标（K）T，基本点为273.15K；摄氏温标是一种适用温标（℃）t；T＝273.15＋t。2、空气压力。空气分子不停息的、无规则的热运动对容器壁面产生的压力，即大气压力（空气的绝对静压），空气绝对静压在各个反向上大小相等，且不论空气是静止还是运动，绝对静压都存在。地面大气中的绝对静压称为大气压，大小与标高有关。３一个标准大气压是指气温为0℃、北纬45°的海平面处的条件，称空气的标准状态，其大气压力称为标准大气压，一个标准大气压＝101324.96Pa＝1013.2496bar＝760mmHg＝10332.27mmH2O。大气压随高度增加而降低，海拔1000m的大气压是674mmHg，海拔2000m的大气压是600mmHg。3、密度。单位体积空气所具有的质量，叫空气密度（ρ）。ρ＝M/VM－空气质量，kg；V－空气体积，m3。它与大气压力、温度、湿度有关。标准状态下干空气密度1.293kg/m3密度计算公式：ρ＝0.46457P/T·(1-0.378ΦPsat/P)式中P－大气压力，mmHg；Psat－饱和水蒸气压力，mmHg；Φ－空气相对湿度；T－空气K氏温度，K;t-空气的摄氏温度，℃。在应用上湿空气可近似按干空气计算，将上式简化为：ρ＝0.463P/T。矿内空气，把气温20℃、气压760mmHg、湿度为60％的条件称为空气的标准状态，这是空气密度ρ＝1.20kg/m3。4、湿度。空气中所含水蒸气量，即空气的潮湿程度。４相对湿度：Φ＝f/F饱×100式中f－空气所含水蒸气量，g/m3；F饱－在同温度下饱和水蒸气量，g/m3（查表）；Φ－空气相对湿度，％。空气中的饱和水蒸气量随温度变化而变化，空气温度增加，饱和水蒸气量增大；如果空气中含湿度不变，则相对湿度随温度升高而降低；反之，则升高。对人体适用的相对湿度为50～60％。三、矿内气候条件矿内气候条件是指矿内空气温度、湿度和风速的综合效应。1、矿内空气温度。《煤矿安全规程》对温度的规定：第一百零二条进风井口以下的空气温度（干球温度，下同）必须在2℃以上。生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30℃；当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。采掘工作面的空气温度超过30℃、机电设备硐室的空气温度超过34℃时，必须停止作业。新建、改扩建矿井设计时，必须进行矿井风温预测计算，超温地点必须有制冷降温设计，配齐降温设施。2、风速。《煤矿安全规程》对温度的规定：５第一百零一条井巷中的风流速度应符合表2要求。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2规定执行。无瓦斯涌出的架线电机车巷道中的最低风速可低于表2的规定值，但不得低于0.5m/s。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，其最大风速可高于表2的规定值，但不得超过5m/s。第二节矿井通风压力与通风阻力一、矿井通风压力当矿井进风口与出风口之间，由于自然因素或机械的作用造成空气能量不平衡产生压差时，空气将在井巷中流动，形成井下风流，通常将这一６压差叫做矿井通风压力，简称风压。1、压力测算的两种测算基准（1）绝对压力：以真空为测算零点而测得的压力称为绝对压力，P。（2）相对压力：以当地当时同标高的大气压为测算零点（基准）测得的压力称为相对压力，用h表示。绝对压力、相对压力、和大气压三者之间关系：h＝P－P0式中P0－同地点同标高的大气压。2、井巷任一断面的压力井巷风流任一断面的单位体积空气具有的能量有3种，即静压能、动压能和位能。三种能量有分别以静压、动压和位压来体现。（1）静压。作无序运动的空气分子撞击器壁所呈现的压力。PV＝NrtAP0BPPAhA(+)P0PBhB(－)PAPB真空（0）图4－1绝对压力、相对压力和大气压之间关系７式中P－绝对静压，Pa；V－气体体积，m3；n－气体的摩尔数，R＝8314J/kmol·K；T－绝对温度，T＝273＋t。（2）位压。空气位置高度不同产生的压力。E12＝ρ12gZ12式中Z12－1、2两点高差，m；ρ12－1、2两点空气平均密度，kg/m3;g－重力加速度。（3）动能。当空气流动时，空气除了具有静压能和位能之外，还有定向运动的功能，客观存在所呈现的压力称为动压或动能。hv=ρv2/2式中hv－动压，Pa；ρ－空气密度，kg/m3；v－点风速，m/s。某点的绝对静压和动压之和称为绝对全压：Pti＝Ph＋hvi无论压入式还是抽出式，任一点风流的相对全压总是等于相对静ρ11·Z12ρ2·2图4-2位压示意图８压与等于的代数和。hti＝hi＋hvi绝对全压（抽出、压入式）：P全＝P静+h速mmH2O相对全压①h全（抽出）＝h静-h速mmH2O②h全（压入）＝h静+h速mmH2O二、矿井空气流动的能量方程。P1＋ρ1gZ1＋ρ1v12/2＝P2＋ρ2gZ2＋ρ2v22/2式中P1、P2－井巷风流在1、2点断面上所具有的静压能，Pa；ρ1gZ1、ρ2gZ2－井巷风流在1、2点断面上所具有的位压能，Pa；·ρ2v2Z2·ρ1v1Z10-0图4-3空气流动示意图９ρ1v12/2、ρ2v22/2－井巷风流在1、2点断面上所具有的动压能，Pa；称为伯诺利方程，也叫通风能量方程。该方程表明，理想流体（不考虑粘滞性、可压缩性）在巷道的任一断面上，风流的压能、位能、和动能之和必为常数。在实际应用中能量方程为：P1＋ρm1gZ1＋ρ1v12/2＝P2＋ρ2gZ2＋ρm2v22/2＋h阻1-2式中h阻1-2－空气从断面1流到断面2所损失的能量，即阻力；ρm1、ρm2－分别为1、2断面与基准面之间的平均空气密度，kg/m3。三、矿井通风阻力风流在井巷中流动时所受阻力，必须以通风压力来克服，因此，通风阻力和通风压力是对立的统一，是作用力与反作用力，两种大小相等，反向相反，相互依存。矿井通风阻力按其产生的原因和地点不同可分为：摩擦阻力和局部阻力两大类。1、摩擦阻力空气在井巷中流动时，由于空气与巷道壁面之间以及空气分子之间发生摩擦而造成的能量损失，摩擦阻力在矿井通风阻力中占80～90％。在完全紊流状态下，风流的摩擦阻力与巷道通过的风量的平方成正比，即：hr＝Rr·Q2式中hr－巷道的摩擦阻力，Pa；Rr－巷道的摩擦风阻，N·S2/m8(kμ);Q2－巷道通过风量，m3/s。１０以上为完全紊流状态下的摩擦通风阻力定律，其中的摩擦风阻与巷道的断面、周长、长度和粗糙程度有关，其大小按下式计算：Rr＝αLU/S3式中α－巷道的摩擦阻力系数，N·S2/m4，取决于巷道的相对粗糙度和空气密度；L－巷道的长度，m；U－巷道的周长，m；S－巷道的断面积，m2。2、局部阻力在风流流动过程中，由于边壁条件的变化，使均匀流动在局部地区受到阻碍物的影响而破坏，从而引起风流的流速大小和方向或分布的变化或产生涡流等，造成风流的能量损失，称局部阻力。局部地点主要是由于局部地点产生涡流而引起的，涡旋区越大，则能量损失越大。紊流状态下的局部阻力与风量的平方成正比，即：h1＝R1·Q2式中h1－巷道的局部阻力，Pa；R1－巷道的局部风阻，N·S2/m8(kμ)；R1＝ξ·ρ/2S2ξ－巷道局部阻力系数；ρ－风流密度，kg/m3；Q2－通过风量，m3/s。１１3、降低通风阻力的措施在巷道通过风流一定时，降低巷道的通风阻力，实质上是降低摩擦风阻和局部风阻。主要措施：（1）降低摩擦阻力系数。尽量选择α（巷道的摩擦阻力系数）小的支护方式。（2）扩大巷道断面。（3）巷道周长一定时，选择巷道断面积比较大的巷道形状。（4）缩短巷道的长度。（5）避免巷道内风量过于集中，尽可能使矿井的总进风早分开，使矿井的总回风晚汇合。（6）对于风速高、风量大的井巷，尽可能避免断面的突然增大或缩小；避免巷道拐急弯，拐弯处弧形过渡，曲率半径要大，设导风板。风筒要吊挂平直。（7）巷道分叉或汇合处要做成斜面或弧形，不要随意在巷道内堆放物料、器材等杂物，把正对风流的固定物体做成流线型。四、矿井通风阻力测定目的：分析通风系统合理性，了解通风系统中阻力分布情况，以便降阻增风；通过实际的井巷摩擦阻力系数和风阻值，为通风设计、网络解算、通风系统改造、均压通风防灭火提供可靠的基础资料。1、测定路线选择和测点布置选择通风系统最大阻力路线，若难以通过可选择并联风路。测点布置应考虑测点间压差不小于10～20Pa。１２2、方法：压差计法；气压计法；五、矿井等积孔为了形象化的表示矿井通风难易程度，采用一个和风阻值相当的假设的孔的面积值作为衡量指标，称为等积孔（注意：是个假想的面积）。（1）单台风机A＝1.19Q/√h式中A－等积孔面积，m2；Q－井巷通过的风量，m3/s；h－井巷通风阻力，Pa。（2）2台风机通风等积孔计算Am＝1.19(Q1+Q2)3/2/(Q1h1+Q2h2)3/2（3）多台通风机等积孔计算Am＝1.19(∑Qi)3/2/(Qihi)3/2第三节矿井通风系统一、矿井通风系统及其基本要求1、矿井通风系统：是指矿井通风方式、通风方法、通风网络和通风设施的总称。包括从进风到回风的全部路线。2、《煤矿安全规程》对通风系统基本要求：第一百零九条进、回风井之间和主要进、回风巷之间的每个联络巷中，必须砌筑永久性风墙；需要使用的联络巷，必须安设2道联锁的正向风门和2道反向风门。１３第一百一十条箕斗提升井或装有带式输送机的井筒兼作风井使用时，应遵守下列规定：（一）箕斗提升井兼作回风井时，井上下装、卸载装置和井塔（架）必须有完善的封闭措施，其漏风率不得超过15％，并应有可靠的防尘措施。装有带式输送机的井筒兼作回风井时，井筒中的风速不得超过6m/s，且必须装设甲烷断电仪。（二）箕斗提升井或装有带式输送机的井筒兼作进风井时，箕斗提升井筒中的风速不得超过6m/s、装有带式输送机的井筒中的风速不得超过4m/s，并应有可靠的防尘措施，