通風(fēng)基本理論

第一章礦井通風(fēng)基本理論本章著重介紹礦井礦井通風(fēng)、礦井通風(fēng)系統(tǒng)、礦井通風(fēng)阻力與動(dòng)力、礦井通風(fēng)壓力，為主通風(fēng)機(jī)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。第一節(jié)礦井通風(fēng)一、礦井空氣一般情況下，地面大氣主要是由氧氣(02)、氮?dú)?*)、二氧化碳(C02)等組成。其體積百分含量分別為氧氣20.9%、氮?dú)?8.13%、二氧化碳0.03%、氬和其他稀有氣體0.94%。地面空氣進(jìn)入礦井后即稱為礦井空氣。礦井空氣的來(lái)源主要是地面空氣，但地面空氣進(jìn)入井下后，受自然因素、生產(chǎn)過程的影響，會(huì)發(fā)生物理和化學(xué)兩種變化，因而井下空氣的質(zhì)量和成分都和地面空氣有較大不同。氧氣相對(duì)減少、氮?dú)夂投趸己吭龈?、混入有害氣體和礦塵，且溫度、濕度和壓力均有所變化，但礦井空氣的主要成分仍然是氧氣、氮?dú)夂投趸?。一般?lái)說(shuō)井巷中用風(fēng)地點(diǎn)以前、受污染程度較輕的進(jìn)風(fēng)巷道內(nèi)的空氣，稱為新鮮空氣；用風(fēng)地點(diǎn)以后，受污染程度較重的回風(fēng)巷道內(nèi)的空氣，稱為污濁空氣。礦井空氣中所含有的對(duì)人體健康及生命安全有威脅的一切氣體，均稱為有害氣體。井內(nèi)常見有害氣體有：一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、硫化氫、氨氣、甲烷等?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定：采掘工作面的進(jìn)風(fēng)風(fēng)流中，按體積計(jì)算，氧氣的濃度不得低于20%,二氧化碳的濃度不得超過0.5%，總回風(fēng)流中，二氧化碳不超過0.75%。二、礦井通風(fēng)在礦井生產(chǎn)過程中，必須源源不斷地將地面空氣輸送到井下各個(gè)作業(yè)地點(diǎn)，供給足夠數(shù)量的新鮮空氣，并稀釋和排出各種有毒、有害氣體和礦塵，調(diào)節(jié)并下空氣的溫度和濕度，創(chuàng)造良好的工作環(huán)境，保障作業(yè)人員的身體健康和安全。這種利用機(jī)械或自然通風(fēng)動(dòng)力，使地面空氣進(jìn)入井下，并在井巷中做定量和定向流動(dòng)，最后排出礦井的全過程為礦井通風(fēng)。礦井通風(fēng)是保障礦井安全生產(chǎn)的最主要技術(shù)手段之一。因此，礦井通風(fēng)的首要任務(wù)就是保證礦井空氣的質(zhì)量符合要求。礦井通風(fēng)系統(tǒng)的基本任務(wù)是：持續(xù)供給井下足夠的新鮮空氣，滿足人員對(duì)氧氣的需要。沖淡井下有毒有害氣體和粉塵，保證安全生產(chǎn)。調(diào)節(jié)井下氣候，創(chuàng)造良好的工作環(huán)境。第二節(jié)礦井通風(fēng)系統(tǒng)礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦井通風(fēng)方法、通風(fēng)方式和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的總稱。一、通風(fēng)方法礦井通風(fēng)方法是指主要通風(fēng)機(jī)的工作方法，包括抽出式、壓入式、混合式。抽出式：也稱負(fù)壓式，是將主要通風(fēng)機(jī)安設(shè)在出風(fēng)井井口附近，并用風(fēng)桐使它和出風(fēng)井筒連接，同時(shí)將出風(fēng)井口封閉。當(dāng)主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，造成風(fēng)桐中空氣壓力低于大氣壓力,迫使空氣從進(jìn)風(fēng)井口進(jìn)入井下，再由出風(fēng)井排出,井下空氣壓力低于大氣壓力，如圖1-1左所示。壓入式：也稱正壓式，將主要通風(fēng)機(jī)安設(shè)在進(jìn)風(fēng)井井口附近，并用風(fēng)桐和進(jìn)風(fēng)井筒連接,如圖1右所示。當(dāng)主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將地面空氣壓入井下，迫使空氣從出風(fēng)井排出。井下任意一點(diǎn)的壓力都高于大氣壓力?；旌鲜剑核且陨蟽煞N方法的綜合。主要應(yīng)用于通風(fēng)距離大、通風(fēng)阻力大的礦井。在管理上比較復(fù)雜，應(yīng)用很少。圖1-1抽出式通風(fēng)系統(tǒng)東灘煤礦主通風(fēng)機(jī)工作方法為抽出式。二、通風(fēng)方式礦井通風(fēng)方式是指礦井進(jìn)風(fēng)井和回風(fēng)井布置方式。按進(jìn)回風(fēng)巷在井田位置不同，通風(fēng)系統(tǒng)分為中央式、對(duì)角式、區(qū)域式和混合式。中央式：進(jìn)回風(fēng)井均位于井田走向中央。根據(jù)進(jìn)回風(fēng)井的相對(duì)位置中央并列式和中央分列式。對(duì)角式：是進(jìn)、回風(fēng)分別位于井田的兩翼，包括兩翼對(duì)角式、單翼對(duì)角式、分區(qū)對(duì)角式。區(qū)域式：在井田的每一個(gè)生產(chǎn)區(qū)域開鑿進(jìn)、回風(fēng)井，風(fēng)別構(gòu)成獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)?；旌鲜剑河蜕鲜鲋T種方式混合組成。東灘煤礦為兩翼對(duì)角式，如圖1-2，設(shè)一個(gè)進(jìn)風(fēng)井（副井）位于井田中央，西、北風(fēng)井兩個(gè)回風(fēng)井，位于井田兩翼（沿傾斜方向的淺部）。

圖1-2兩翼對(duì)角式通風(fēng)三、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)用不成比例，不反映空間關(guān)系的單線條來(lái)表示礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的圖，叫通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖是在通風(fēng)系統(tǒng)圖的基礎(chǔ)上繪制的，如圖1-3。礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)都是由一些基本的風(fēng)路或網(wǎng)絡(luò)組成。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中井巷的基本連接形式有串聯(lián)、并聯(lián)和角聯(lián)3種。2條或2條以上的巷道首尾相接在一起進(jìn)行通風(fēng)叫串聯(lián)通風(fēng)，串聯(lián)通風(fēng)俗稱一條龍通風(fēng)。串聯(lián)通風(fēng)的特點(diǎn)是：所串聯(lián)的井巷越多，通風(fēng)阻力越大。2條或2條以上的通風(fēng)巷道，在某一點(diǎn)分開后，又在另一點(diǎn)匯合，其中間沒有交叉巷道時(shí)，叫并聯(lián)通風(fēng)。并聯(lián)通風(fēng)的特點(diǎn)是：并聯(lián)的井巷越多，各井巷分得的風(fēng)量越少；并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的總阻力比并聯(lián)的任一條井巷通風(fēng)阻力都?。徊⒙?lián)的兩條風(fēng)路之間，還有一條或數(shù)條風(fēng)路連通的聯(lián)結(jié)形式叫角聯(lián)通風(fēng)。構(gòu)成角聯(lián)的風(fēng)路稱為對(duì)角風(fēng)路。角聯(lián)通風(fēng)的特點(diǎn)是：對(duì)角巷道中風(fēng)流的方向是不穩(wěn)定的。其中可能有風(fēng)，也可能無(wú)風(fēng)，風(fēng)向不定。

第三節(jié)礦井通風(fēng)阻力與通風(fēng)動(dòng)力一、礦井通風(fēng)阻力當(dāng)空氣沿井巷運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于風(fēng)流的黏滯性和慣性以及井巷壁面等對(duì)風(fēng)流的阻滯、擾動(dòng)作用而形成通風(fēng)阻力，它是造成風(fēng)流能量損失的原因。井巷通風(fēng)阻力可分為兩類，摩擦阻力（也稱沿程阻力）和局部阻力。1、摩擦阻力與風(fēng)阻風(fēng)流在井巷中做沿程流動(dòng)時(shí)，由于流體層間的摩擦和流體與井巷壁面之間的摩擦所形成的阻力稱為摩擦阻力（也稱沿程阻力）。在礦井通風(fēng)中，克服摩擦阻力的能量損失，常用單位體積（1立方米）的能量損失七（Pa）來(lái)表示。摩擦阻力分為層流摩擦阻力和紊流摩擦阻力，均以風(fēng)流壓能損失來(lái)反應(yīng)摩擦阻力，以動(dòng)壓的倍數(shù)來(lái)表示：Lv2h=人—p—V為斷面平均速度，m/S；P為空氣式中L為風(fēng)道長(zhǎng)度，m；d為風(fēng)道的當(dāng)量直徑，m；V為斷面平均速度，m/S；P為空氣在礦井中大多數(shù)通風(fēng)井巷風(fēng)流完全處于紊流狀態(tài)，完全紊流下的摩擦阻力定律:^=RQ2式中Rf稱為摩擦風(fēng)阻，阻力氣與風(fēng)量Q的平方成正比。2、局部阻力與風(fēng)阻在風(fēng)流運(yùn)動(dòng)過程中，由于井巷斷面、方向變化以及分岔或匯合等原因，使均勻流動(dòng)在局部地區(qū)受到影響而破壞，從而引起風(fēng)流速度場(chǎng)分布變化和產(chǎn)生渦流等，造成風(fēng)流的能量損失，這種阻力稱為局部阻力。局部阻力在紊流條件下也與風(fēng)量的平衡成正比："廣RQ2式中稱為局部風(fēng)阻，局部阻力hi也與風(fēng)量Q的平方成正比。3、礦井總風(fēng)阻與等積孔在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，地面大氣從進(jìn)風(fēng)井進(jìn)入井下，沿井巷流動(dòng)，直到從主通風(fēng)機(jī)出口再排到地面大氣中，要克服各段井巷的通風(fēng)阻力。從進(jìn)風(fēng)井到主通風(fēng)機(jī)入口，把順序連接的各段井巷的通風(fēng)阻力累加起來(lái)，就得到礦井通風(fēng)總阻力h，這是井巷通風(fēng)阻力的疊加原則。因在紊流條件下，摩擦阻力與局部阻力均與風(fēng)量的平方成正比，可得：

h=RQ2式中R稱為總風(fēng)阻，礦井總阻力h也與風(fēng)量Q的平方成正比。R反應(yīng)礦井通風(fēng)難易程度，總風(fēng)阻越大礦井通風(fēng)越困難，反之則容易。用礦井總風(fēng)阻來(lái)表示礦井通風(fēng)難易程度不夠形象，且單位復(fù)雜，因此我國(guó)煤礦常用礦井等積孔作為衡量礦井通風(fēng)難以程度的指標(biāo)。假定在無(wú)限空間有一薄壁，如圖1-4，在薄壁上開一面積為A（m2）的孔，當(dāng)孔口通過風(fēng)量等于礦井風(fēng)量，而且孔口兩側(cè)的風(fēng)壓差等于礦井通風(fēng)阻力時(shí)，則孔口面積稱為該礦井的等積孔。圖1-4等積孔在孔口左側(cè)距孔口足夠遠(yuǎn)處I面，風(fēng)速［為0，在孔口右側(cè)風(fēng)流收縮斷面最小處II面，該處風(fēng)速v2最大，假設(shè)在流動(dòng)過程中無(wú)能量損失，可得：P+—V2=p+—V2TOC\o"1-5"\h\z7P-h-p-p=■—V2由于11面面積為A孔的0.65倍，可得：2\P4Q11.19式中p取1.2kg/m3。A===「\o"CurrentDocument"0.65；丑0.65'2R*RPP式中p取1.2kg/m3。通風(fēng)難易程度可分為三級(jí)，當(dāng)?shù)确e孔大于2時(shí)為通風(fēng)容易，大于1小于2時(shí)為通風(fēng)中等，小于1時(shí)為通風(fēng)困難。東灘煤礦2014年數(shù)據(jù)，西風(fēng)井葉片角度27度，西風(fēng)井等積孔為5.17,礦井等積孔為9.37，屬通風(fēng)容易礦井。三、礦井通風(fēng)動(dòng)力欲使空氣在礦井中源源不斷地流動(dòng)，就必須克服空氣沿井巷流動(dòng)時(shí)所受到的阻力。這種克服通風(fēng)阻力的能量或壓力加通風(fēng)動(dòng)力。自然風(fēng)壓和通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓均是礦井通風(fēng)動(dòng)力。1、自然通風(fēng)圖1-5自然風(fēng)壓通風(fēng)，如圖1-5為一簡(jiǎn)化自然風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)，從0到5為一個(gè)閉環(huán)。冬季，0-1-2氣柱溫度低，密度大于3-4-5氣柱，風(fēng)流為0-1-2-3-4-5，夏季則相反，為5-4-3-2-1-0?？梢娫谝粋€(gè)有溫差的閉合回路中，氣柱有溫差或密度差，就會(huì)形成自然通風(fēng)，自然風(fēng)壓計(jì)算：H=（p-p*，式中p、p為平均密度。N1212影響自然通風(fēng)的決定性因素是兩側(cè)空氣柱的密度差，空氣密度受溫度、大氣壓力、濕度等因素的影響。溫差是主要影響因素，空氣成分與濕度影響較小。影響溫差的主要因素是地面入風(fēng)溫度，和風(fēng)流與圍巖的熱交換。入風(fēng)溫度受季節(jié)影響，但出風(fēng)溫度變化不大。對(duì)于深井，自然風(fēng)壓受圍巖的熱交換影響顯著，一年四季變化較小。主要通風(fēng)機(jī)工作時(shí)決定了風(fēng)流方向，加之風(fēng)流與圍巖的熱交換，使回風(fēng)井氣溫高于入風(fēng)井，在入風(fēng)井周圍形成冷卻帶后，即使風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，兩個(gè)井筒之間一定時(shí)期內(nèi)仍然有一定溫差，從而有一定的自然風(fēng)壓起作用。2、礦井機(jī)械通風(fēng)由于自然風(fēng)壓按季度變化影響大，井巷風(fēng)流不穩(wěn)定，因此煤礦安全規(guī)程規(guī)定，生產(chǎn)礦井必須采用機(jī)械通風(fēng)。礦井機(jī)械通風(fēng)的主要?jiǎng)恿κ峭L(fēng)機(jī)。通風(fēng)機(jī)是礦井的肺臟。礦用通風(fēng)機(jī)按其服務(wù)范圍可分為三種：主要通風(fēng)機(jī)：服務(wù)于全礦井或礦井的某一翼。輔助通風(fēng)機(jī)：服務(wù)于礦井網(wǎng)絡(luò)的某一分支（采區(qū)或工作面），幫助主要通風(fēng)機(jī)通風(fēng)，保證該分支風(fēng)量。局部通風(fēng)機(jī)：服務(wù)于獨(dú)頭掘進(jìn)巷道等局部地區(qū)。第四節(jié)礦井通風(fēng)壓力一、大氣壓力在地球的表面，空氣的流動(dòng)產(chǎn)生的氣流就是風(fēng)。由于各地海拔高度、溫度和濕度的不同，形成了有的地方氣壓高，有的地方氣壓低?？諝馐菑臍鈮焊叩牡胤搅飨驓鈮旱偷牡胤剑瑲鈮旱母叩筒罹褪且鹂諝饬鲃?dòng)的原因。這種空氣流動(dòng)的現(xiàn)象就是風(fēng)流。在一條水平巷道的兩端，若空氣壓力不同，就會(huì)產(chǎn)生風(fēng)流。但在傾斜及垂直巷道的兩端，由于空氣具有不同的能量，僅用空氣壓力的大小說(shuō)明風(fēng)流的運(yùn)動(dòng)方向就不夠確切。而礦井空氣流動(dòng)是從能量大的一端流向能量小的一端，這就是風(fēng)流運(yùn)動(dòng)的必要條件。礦井通風(fēng)是借助于通風(fēng)機(jī)壓力驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)，供給井下通風(fēng)空間足夠的風(fēng)量。1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=760毫米汞柱=10.336米水柱=101.325kPa。通風(fēng)機(jī)的壓力，是利用水柱高度差表示的，稱為毫米水柱(mmH2O)。二、礦井通風(fēng)壓力1、礦井風(fēng)流的點(diǎn)壓力靜壓：空氣的靜壓是氣體分子間的點(diǎn)壓力或氣體分子對(duì)容器壁所施加的壓力。所以，空氣中某一點(diǎn)的靜壓在各個(gè)方向都相等。靜壓有絕對(duì)靜壓與相對(duì)靜壓之分。絕對(duì)靜壓是以真空狀態(tài)為零點(diǎn)計(jì)算的壓力。礦井通風(fēng)中常使用的靜壓一般是相對(duì)壓力，就是以當(dāng)?shù)卮髿鈮毫橛?jì)算基準(zhǔn)的靜壓差。這個(gè)差值往往是由于通風(fēng)機(jī)械或某種自然力所造成的。因而，相對(duì)靜壓所表示的不是該點(diǎn)壓力的真實(shí)大小，而是該點(diǎn)的真實(shí)壓力與當(dāng)?shù)赝粯?biāo)高大氣壓力之差，所以其值可為正，亦可為負(fù)。動(dòng)壓?？諝饬鲃?dòng)時(shí)，施加于與風(fēng)流垂直的平面上的壓力除靜壓外，還有動(dòng)壓，動(dòng)壓的大小與風(fēng)流的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。只有運(yùn)動(dòng)的風(fēng)流才有動(dòng)壓，靜止的空氣沒有動(dòng)壓，并切動(dòng)壓永遠(yuǎn)是大于零的值。全壓。風(fēng)流的全壓是該點(diǎn)的靜壓和動(dòng)壓的疊加。2、礦井風(fēng)流的壓差大氣大氣吹氣大氣1*抽氣大氣1i

大氣大氣吹氣大氣1*抽氣大氣1i空氣在全壓的作用下沿著一定的通道，向能量低的地方運(yùn)動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)過程中消耗本身的能量。從這個(gè)意義上講，壓差是產(chǎn)生風(fēng)流的原因。所謂壓差，就是風(fēng)流中不同斷面上兩點(diǎn)的總能量差。上風(fēng)點(diǎn)的能量必定大于下風(fēng)點(diǎn)的能量。如果管道中兩個(gè)不同斷面的能量相等，則不產(chǎn)生風(fēng)流。礦井空氣流動(dòng)，就是利用通風(fēng)機(jī)造成壓差，達(dá)到通風(fēng)的目的。觀察圖1-6中，a,b,c三個(gè)U型管的水柱變化現(xiàn)象，用以表示壓差。三、主通風(fēng)機(jī)壓力進(jìn)風(fēng)側(cè)主通風(fēng)機(jī)，出風(fēng)側(cè)靜壓全壓.動(dòng)壓靜壓.全壓動(dòng)壓圖1-7礦井通風(fēng)機(jī)壓力1、風(fēng)機(jī)風(fēng)流壓力如圖1-7,風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)側(cè)裝了3個(gè)U型水柱計(jì)，自左至右依次所測(cè)的參數(shù)為：第一個(gè)水柱計(jì)所測(cè)的參數(shù)為風(fēng)機(jī)入口靜壓，靜壓的數(shù)值為H1，為負(fù)壓。第二個(gè)水柱計(jì)所測(cè)的參數(shù)為風(fēng)機(jī)入口全壓，全壓的數(shù)值為H2,因測(cè)得的值是低于大氣壓力的，故也稱之為負(fù)壓。由上述兩個(gè)水柱計(jì)的敘述可知：風(fēng)機(jī)的負(fù)壓有兩個(gè)：負(fù)靜壓和負(fù)全壓。人們習(xí)慣上所稱的風(fēng)機(jī)負(fù)壓僅指風(fēng)機(jī)的負(fù)靜壓。第三個(gè)水柱計(jì)所測(cè)的參數(shù)為風(fēng)機(jī)入口動(dòng)壓，速壓的數(shù)值為H3,為全壓與靜壓差值，動(dòng)壓一定為為正壓。如圖1-7,風(fēng)機(jī)出風(fēng)側(cè)也裝了3個(gè)U型水柱計(jì)，自左至右依次所測(cè)的參數(shù)為：第一個(gè)水柱計(jì)所測(cè)的參數(shù)為風(fēng)機(jī)出口靜壓，靜壓的數(shù)值為H4,為正壓。第二個(gè)水柱計(jì)所測(cè)的參數(shù)為風(fēng)機(jī)出口全壓，全壓的數(shù)值為H5,因此測(cè)得的值是高于大氣壓力的，故也稱之為正壓。由上述兩個(gè)水柱計(jì)的敘述可知：風(fēng)機(jī)的正壓也有兩個(gè)：正靜壓和正全壓。人們習(xí)慣上所稱的風(fēng)機(jī)正壓僅指風(fēng)機(jī)的正靜壓。第三個(gè)水柱計(jì)所測(cè)的參數(shù)為風(fēng)機(jī)出口動(dòng)壓，速壓的數(shù)值為H6為全壓與靜壓差值，動(dòng)壓一定為為正壓。2、風(fēng)機(jī)負(fù)壓與風(fēng)機(jī)正壓在風(fēng)機(jī)入口側(cè)測(cè)得的靜壓為風(fēng)機(jī)負(fù)壓。在風(fēng)機(jī)出口側(cè)測(cè)得的靜壓為風(fēng)機(jī)正壓。3、風(fēng)機(jī)靜壓值得注意的是，風(fēng)機(jī)靜壓和風(fēng)機(jī)入口靜壓不是一個(gè)概念，水柱計(jì)上讀得的值為風(fēng)機(jī)入口靜壓，通風(fēng)機(jī)靜壓是風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的克服管網(wǎng)通風(fēng)阻力的風(fēng)壓，其值由下式計(jì)算：H=h=H2式中，H為通風(fēng)機(jī)靜壓，h｛為風(fēng)機(jī)入口全壓。4、風(fēng)機(jī)全壓風(fēng)機(jī)全壓用于克服通風(fēng)管網(wǎng)阻力與風(fēng)機(jī)出口動(dòng)能損失，為風(fēng)機(jī)出口風(fēng)流與風(fēng)機(jī)入口風(fēng)流全壓之差，其值由下式計(jì)算：H=H+h=H2+H6式中，H為通風(fēng)機(jī)全壓，hv為風(fēng)機(jī)出口動(dòng)壓機(jī)風(fēng)機(jī)出口的動(dòng)能，若有外接擴(kuò)散器，則按下式計(jì)算：H=H+h=H+h+htsv2vdRd式中，hdd為外接擴(kuò)散器出口動(dòng)壓，hRd為外接擴(kuò)散器風(fēng)阻。5、通風(fēng)阻力根據(jù)伯努利方程，可得出礦井風(fēng)阻計(jì)