矿井通风与安全课程设计1.doc

《矿井通风与安全》
课程设计
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专业：安全工程
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目录
1矿井通风系统的确定 2
1。1 概述 2
1.2 矿井通风系统 2
2 矿井风量计算及确定 7
2。1 采煤工作面需风量的计算 7
2.2 矿井风量的分配 11
3 矿井通风阻力计算 12
3。1 绘制通风系统图 12
3.2 矿井通风总阻力计算 12
4 通风机选型 15
4。1 自然风压 15
4.2 选择主要通风机 15
4.3 选择电动机 17
5 概算矿井通风费用及评价 18
6 矿井灾害防治措施 20
参考文献 22
1矿井通风系统的确定
1.1 概述
某煤矿井田范围走向长7。42km，倾斜宽0.66—1.47km，井田面积约8.53 km2。位于背斜南翼，为一般平缓的单斜构造，地层产状走向近东西向，倾向南，倾角10—25。，一般为16.左右。矿井生产能力为90万t/a。
矿井采用中央竖井,煤层分组采区上山布置的开拓方式，单翼对角式通风。矿井通风难易时期的系统示意图见后。井田设三个井筒：主井、副井、风井。地面标高+200m。全矿井划分为两个水平，第一水平标高－150m，第二水平标高－350m，回风水平标高+45～+50m.第一水平东西运输大巷布置在煤层的底板岩石中，距煤层30m，通过水平大巷开拓煤层的全部上山采区。矿井采用走向长壁开采方式。
该矿是高瓦斯矿井，瓦斯涌出量较大,为安全起见，用“品”字形布置三条上山.采用综合机械化放顶煤采煤。采煤工作面的平均断面积8.1 m2，回采工作面温度一般在21°，回风巷风流中瓦斯（或二氧化碳）的平均绝对涌出量为5.65m3/min，三四班交接时人数最多66人;掘进工作面平均绝对瓦斯涌出量3.75m3/min，掘进工作面同时工作的最多人数18人，一次爆破炸药用量4.3kg。
1。2 矿井通风系统
1。2.1 矿井通风方式
根据前述矿井的地质概况，开拓方式及开采方法,提出本矿井前25年左右的矿井通风系统方案为:中央边界式、两翼对角式和分区对角式。
表1-1
通风方式
图示
适用条件及优缺点
中央边界式

通风阻力较小，内部漏风较小。工业广场不受主要通风机噪声的影响及回风风流的污染
风流在井下的流动线路为折返式，风流线路长，阻力较大
适用于煤层倾角较小、埋藏较浅，井田走向长度不大，瓦斯与自然发火比较严重的矿井
两翼对角式

风流在井下的流动线路是直向式，风流线路短，阻力小。内部漏风少中。安全出口多，抗灾能力强.便于风量调节，矿井风压比较稳定。工业广场不受回风污染和通风机噪声的危害
井筒安全煤柱压煤多，初期投资大,投产较晚
煤层走向大于4km，井型较大，瓦斯与发火严重的矿井；或低瓦斯矿井,煤层走向较长，产量较大的矿井
分区式

每个采区有独立通风线，互不影响，便于风量调节，安全出口多，抗灾能力强，建井工期短，初期投资少,出煤快
占用设备多，管理分散,矿井反风困难
煤层埋藏浅，或因地表高低起伏大,无法开掘总回风巷
经过上表的粗略的技术比较，考虑到本矿井为高瓦斯矿井，瓦斯涌出量较大,和粗略的经济比较，所以综上述考虑采用单翼对角式比较合理。
1。2.2 采区通风方式
1、确定采区的通风方式并作技术比较
采区应该有足够的供风量,并按需分配到各个采、掘工作面。为此采区通风系统就满足以下要求：
⑴一个采区，都必须布置回风巷，实行分区通风。
⑵采煤工作面和掘进工作面都应采用独立通风。
⑶采煤工作面和掘进工作面的进风和回风，都不得经过采空区和冒落区。
本矿井各采区设置三条上山即运输机上山、回风上山及轨道上山。
由于本矿井是高瓦斯矿井，瓦斯涌出量较大，为了安全起见,用“品”字形布置三条上山。即轨道上山、运输机上山进风，回风上山回风。
2、采煤工作面通风方式
确定采煤工作面的通风方式并作技术比较：
工作面的回采顺序有前进式和后退式，前进式与后退式相比，回采时不用提前掘出回采巷道，可以边采边掘，但是回采巷道的上、下顺槽的维护费用多。并且新鲜风流首先通过采空区，漏风严重，且风流会带着采空区涌出的瓦斯进入工作面，容易使瓦斯超限。考虑到本矿井是高瓦斯矿井，瓦斯涌出量较大，前进式通风更容易引起瓦斯超限，增加通风管理难度，故考虑采用后退式回采顺序。
由于本矿井的准备巷道是三条上山，故采用U型通风,再加上本矿井的煤层倾角16°,属于中等，并且本矿井瓦斯绝对涌出量为5.65m3/min，属于中等偏上，由于瓦斯比空气轻，为了减少在上隅角产生瓦斯积聚,因此采用上行通风方式。
1.2。3 主要通风机工作方法
确定主要通风机的工作方法并做技术比较：
主要通风机的工作方式有抽出式、压入式和压抽混合式
通风方式分为抽出式、压入式和混合式。
采区通风必须满足《煤矿安全规程》的规定。每一个生产水平和每一个采区，都必须布置回风道,实行分区通风。回采工作面和掘进工作面都应采用独立通风。对于煤层倾角大的回采工作面应采用上行通风。采煤工作面和掘进工作面的进风和回风，都不得经过采空区和冒落区。
表1—2
通风方式
图示
适用条件及优缺点
抽出式

是当前常用的通风方式,适应性强,有利于瓦斯管理，适用于矿井走向长，开采面积大的矿井。井下风流处于负压状态,漏风量小，管理简单。当有塌陷区或于别的采区沟通时，会把有害气体带到井下，使矿井有效风量减少
压入式

低瓦斯矿的第一水平，矿井地面地形复杂,高差起伏，无法在高山上设置通风机。总回风巷无法连同或维护困难的条件下。与抽出的优缺点相反，进风路线漏风大.管理困难，风阻大，风量调节困难.井下风流处于正压状态，通风机停止运转时,采空区瓦斯会涌向工作面。
混合式

可产生较大的通风阻力，适应大阻力矿井，但通风管理困难，一般新建矿井和高瓦斯矿井不宜采用。但是个别用于老井延深或改建的低瓦斯矿井.
抽出式：主要通风机安设在回风井口，在抽出式主要通风机的作用下,整个矿井通风系统处在低于当地大气压力的负压状态.当主要通风机因故停止运转时，井下风流的压力提高，比较安全。
压入式：主要通风机安设在入风井口，在压入式通风机的作用下，整个矿井通风系统处在高于当地大气的正压状态。在冒落裂隙通达地面时,压入式通风矿井采区的有害气体通过塌陷区向外停止漏出。当主要通风机运转时，井下风流的压力降低.采用压入式通风时,须在矿井总进风路线上设置若干通风构筑物，使通风管理难度加大，且漏风严重.
所以，通过比较并且考虑到该矿井为高瓦斯矿井，选择抽出式通风,通风管理较容易，安全可靠性好.
2 矿井风量计算及确定
2。1 采煤工作面需风量的计算
1、采煤工作面的风量应按下列因素分别计算，取其最大值
ⅰ 按瓦斯涌出量计算（《规程2010》第一百三十六条)
（2—1)
其中：
—第i个采煤工作面需要风量， m3/min；
—第i个采煤工作面瓦斯绝对涌出量，m3/min；
—第i个采煤工作面瓦斯涌出不均匀的风量备用系数，它是该工作面瓦斯绝对涌出量的最大值和平均值的比值。生产矿井可以根据各工作面正常生产条件时,至少进行5昼夜的观测，得出5个值，取其最大值。通常机采工作面取=1.2～1.6；炮采工作面取=1。4～2。0；水采工作面取=2.0~3.0。综合考虑取1.3
ⅱ 按工作面进风流温度计算
回采工作面应有良好的气候条件，其气温和风速的关系应符合下表的要求。
　表2-1
回采工作面的空气温度（℃）
回采工作面的风速(m/s)
〈15
0。3—0。5
15—18
0.5—0.8
18—20
0。8—1.0
20—23
1.0—1.5
23—26
1。5—1。8
（2—2）
其中
—第i个采煤工作面的平均风速，按其进风流温度从上表选，m/s；
— 第i个采煤工作面有效通风断面，取最大和最小控顶时有效断面平均值，m2；
—第i个采煤工作面的长度系数,从下表中选择。
　表2-2
采煤工作面的长度/m
采煤工作面的长度风量系数
〈50
0。8
50-80
0.9
80—120
1.0
120-150
1。1
150—180
1。2
>180
1.3—1。4
ⅲ 按使用炸药量计算
(2-3)
其中: 25-每使用1kg炸药的供风量,m3/min；
—第i个采煤工作面一次爆破使用的最大炸药量,kg。
ⅳ 按工作人员人数计算
(2—4)
其中： 4—每人每分钟应供给的最低风量,m3/min；
—第i个采煤工作面同时工作的最多人数，个.
ⅴ 按风速进行验算（《规程2010》第一百零一条）
按最低风速验算采煤工作面的最小风量：
按最高风速验算采煤工作面的最大风量：
根据风速验算工作面的风量符合要求。
用以上四种方法对采区每个独立通风的回采工作面进行计算，选择最值作为回采工作面所需风量即904m3/min。备用工作面亦按上述要求，并满足瓦斯、二氧化碳、风流温度和风速等规定计算需风量，且不得低于其回采时需风量的50%.把这些风量和采区内独立通风的备用工作面所需风量累加起来，就是采区内回采工作面和备用工作面所需的总风量.即（904+904/2)=1356m3/min
2、掘进工作面需风量计算：
ⅰ 按瓦斯涌出量计算
（2—5)
其中：—第i个掘进工作面需要风量，m3/min
—第i个掘进工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min;
—第i个掘进工作面瓦斯涌出不均匀和风量备用系数，一般取1。5～2。0。
ⅱ 按炸药量计算
(2—6）
其中: 25—每使用1kg炸药的供风量，m3/min；
—第i个掘进工作面一次爆破使用的最大炸药量,kg。
ⅲ 按工作人员数量计算
(2-7)
其中: 4—每人每分钟应供给的最低风量,m3/min；
—第i个掘进工作面同时工作的最多人数。
ⅳ 按风速进行验算
按最低风速验算各个岩巷掘进工作面的最小风量：
按最高风速验算各掘进工作面的最小风量：
式中 —第i个掘进巷道工作面巷道的净断面积，m2。
根据风速验算掘进工作面的风量符合要求。
用以上几种方法对掘进工作面进行计算,选择最大值作为掘进工作面所需风量即675m3/min
3、硐室所需风量的计算
采区各硐室的风量可按经验值来确定，即采区变电所、绞车房供风量均不低于60m3/min,其他硐室的供风量不低于30m3/min。又结合本矿为高瓦斯矿的实际情况确定为：采区绞车房、变电所及火药库供风量为80 m3/min，其他硐室的供风量为45m3/min。
4、矿井总风量的计算
矿井的总风量，应按采煤、掘进、硐室及其他地点实际需要风量的总和计算:
　 Qm=（∑Qwt＋∑Qht＋∑Qrt＋∑Qot) KWZ (2—8)
　 式中： ∑Qwt--采煤工作面和备用工作所需风量之和，m3/min.
∑Qht --掘进工作面所需风量之和,m3/min。
∑Qrt ――硐室所需风量之和，m3/min.
∑Qot ――其他用风地点所需风量之和，为以上工作面所需风量的总和的3％m3/min.
KWZ――采区风量备用系数，包括采区漏风和配风不均匀等因素，该值应从实测和统计中求得，一般取1.15～1.25
∑Qwt =904+904/2=1356m3/min
∑Qht ==600m3/min
∑Qrt =80×3=240m3/min
∑Qot =(1356+600+240）×3％=65.88m3/min
Q容易 =（1356+600+240+65.88)×1.2=2714m3/min
2。2 矿井风量的分配
2。2.1风量的分配的原则和方法
根据实际需要由里往外细致配风，即先定井下各个工作地点所需的有效风量,逆风流方向加上各风路上允许的漏风量，确定各风路上的风量和矿井的总进风量,再加上抽出式主扇井口和附属装置的允许漏风量。如不考虑因体积膨胀的风量，即得出通过主要通风机的总风量。
所配给的风量必须符合《规程》中相关规定：
关于氧气、沼气、二氧化碳和其他有毒有害气体安全浓度的规定；关于最高风速和最低风速的规定；关于采掘工作面和机电硐室最高温度的规定；关于冷空气预热i的规定,以及关于空气中粉尘安全浓度的规定等。
2.2.2 矿井风量分配表
矿井风量分配表见下表为矿井通风容易时期和通风困难时期风量分配表，见附图表2-3
3 矿井通风阻力计算
3.1 绘制通风系统图
确定矿井通风容易时期和困难时期的开采位置，分别绘制两个时期的通风系统立体图和网络图。
　 矿井通风容易时期，上山采区西两翼的第一个区段布置一个综采工作面。东翼布置两个独立通风的煤层平巷掘进头，有一个绞车房、一个采区变电所及炸药库.
　 矿井通风困难时期，上山采区东翼的区段布置一个综采工作面，西翼布置一个备用工作面.东翼布置两个独立通风的煤层平巷掘进头，有一个绞车房、一个采区变电所及炸药库。
通风立体图见附图表3—1表3-2,通风网络图见附图表3-3.
3.2 矿井通风总阻力计算
3。2。1 矿井通风总阻力的计算原则
⑴矿井通风的总阻力，不应超过2940pa
⑵矿井井巷的局部阻力,新建矿井宜按井巷摩擦阻力的10％计算，扩建矿井宜按井巷摩擦阻力的15%计算
⑶当风量按照各用风地点的需要或自然分配后,选择达到设计产量时通风容易时和最困难时通风阻力大的风路，然后分别计算这两条风路中各段井巷通风阻力,分别累加后即得到矿井通风最容易和最困难两个时期的最大通风阻力。
通风路线的确定：
容易时期的最大风阻风路:
副井→主石门→大巷→南五运输上山→南五运输上山→20151运输巷→采煤工作面→20151运输巷→回风石门→风井
对应于矿井通风容易时期通风系统立体图用节点号表示为:1→2→3→4→5→6→7→8→9→10→11→12
困难时期的最大风阻风路:
副井→主石门→大巷→南一运输上山→南一运输上山→南一运输上山→21011运输平巷→综采工作面→21011回风平巷→总回风巷→回风石门→风井
对应于矿井通风容易时期通风系统立体图用节点号表示为：1→2→3→4→5→6→7→8→9→10→11→12→13
3。2.2 计算方法
沿两个时期的通风阻力路线，分别用下式算出各段巷道的摩擦阻力。
(3—1）
式中： Hf――巷道摩擦阻力，Pa。
――巷道摩擦阻力系数，Ns2/m4
L――井巷长度，m
Q――通过井巷的风量,m3/s
U――井巷净断面周长，m.
S――井巷净断面积，S2
矿井最大通风阻力路线上各段通风阻力计算见后面附图表3—4、表3—5所示。
全矿通风摩擦阻力计算如下：
容易时期通风总阻力：
困难时期通风总阻力：
3。2。3 矿井等积孔的计算
矿井等积孔是用用来表示井巷或矿井的通风难易程度。其计算步骤如下:
(3—2)
式中:R——矿井风阻，
Hr——矿井总阻力， pa
Qf—-矿井总风量，
⑴容易时期:
R=902/45。22=0。441 N·S2/m8
⑵困难时期：
R=1298/45.22=0.63N·S2/m8
　表3-6
矿井等积孔计算表
时期
地区
风量m3/s
风压Pa
风阻Ns2/m4
等积孔m2
容易时期
西翼
45.2
902
0.44
2.01
困难时期
东翼
45.2
1298
0.63
1.49
　表3—7
矿井通风难易程度分级表
矿井通风难易程度
矿井总风阻 Rm/Ns2·m-s
等积孔A/m2
容易
＜0。355
＞2
中等
0.355~1。420
1～2
困难
＞1.420
＜1
根据计算，本矿井在容易和困难时期，其通风难易程度都在中上等以上。
4 通风机选型
分别选择矿井主要通风机并确定两个时期的工况点，选择配套电机,概算通风费用，提出对通风设备的安全技术要求.
4.1 自然风压
矿井进、回风井的空气柱的的容重差（容重差又主要由温度差造成）以及高差和其它自然因素所形成的压力差称为自然风压。它对矿井主扇的工况点会产生一定的影响,因此设计中应考虑自然风压对主扇的影响。本设计矿井冬，夏季自然风压都取100 pa
4。2 选择主要通风机
本矿井为高瓦斯矿井，考虑压人和抽出通风方式的优缺点及轴流式通风机和离心式通风机的优缺点。
初步选择轴流式通风机采用抽出通风方式通风。
1、确定主要通风机的风量
(1）容易时期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
对于抽出式
Q容=（1.05～1。10）Q矿 m3/s （4—1)
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。 此处取1。1
Q扇=1.1×51。2=56.3 m3/s
（2）困难时期时期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 （4—2）
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。 此处取1。1
Q扇=1。1×51。2=56。3 m3/s
2、确定主要通风机的风压
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。此处取150pa
所以
容易时期 h扇易＝h阻易十hd一HN=913＋150－100=963pa
困难时期 h扇难＝h阻难十hd十HN=1320＋150＋100=1570pa
3、初选通风机
观察BDN°—20轴流式通风机特性曲线图知,其可满足要求，在其风量坐标51.2，做Q轴垂线，在风压坐标963. 在1570点分别做Q轴平行线,分别与通风机特性曲线交于A. B两点，有图可见此两个工况点均在合理工作范围内，故初步选BDN°-20轴流式通风机。
4、求通风机的实际工况点
计算通风机的工作风阻
因为选择抽出方式，所以用静压特性曲线
容易时期：
困难时期：
根据以上数据,在扇风机个体特性图表上选定风机，该矿井选择型号为BDN°—20轴流式通风机.
确定通风机的实际工况点在通风机特性曲线图中做到通风机工作风阻曲线与风压曲线交点即为实际工况点。
表4—1
型号
时期
叶片安装角度
转速/r。min—1
风压/pa
风量/m3.s—1
效率/％
输出功率/kw
BDN°—20
容易
15
740
963
51.2
0。85
80
困难
20
740
1570
51。2
0。70
120
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。
4.3 选择电动机
由于选用异步电动机，且,故在通风容易和通风困难时期都用一种较大功率的电动机，选择这种电动机的输出功率和输入功率分别用下式计算：
式中:—-传动效率，直接传动时，= 1。0
=120/1.0=120 KW
=1.10×/
式中:1.10--电动机的容量系数
——电动机效率
根据以上的计算方法，选择电动机机型号如下表:
　表4—2
电动机型号
额定功率（KW）
转速（rpm）
效率（％）
功率因数
JB0630M2-10
180
600
93。1
0.8
5 概算矿井通风费用及评价
根据通风电费、通风设备折旧维修费、专用通风井巷工程折旧维修费、通风器材购置维修以及通风区队全体职工的工资和附加费用等，计算吨煤通风成本。
每吨煤的通风电费计算：
kwh/a (5—1)
式中：N1N2 —— 一年内最大和最小的主扇输入功率，kw
-— 主扇电动机的效率，可在电动机的技术特征表上查得，一般取0。9~0。95
—-变压器的效率，一般取0。8
——电线的输电效率,一般取0。95
——传动功率,直接传动时,取1.0;间接传动时取0.95
每吨煤耗电量：
kwh/t
式中:T—— 一年内的矿井产量；t/a
每吨煤的通风电费
E=I×D元/t
式中:D--每度电的费用; 元/kwh
矿井通风费用：
=（80+120）×365×24/［2(0。931×0。8×0.95×1。0)]
=186 万kw。h/a
kwh/a
=（80+120）×365×24/[2(0.928×0.8×0.95×1。0)]
=155 万 kw。h/a
每吨煤耗电量：
=（186+155）/150
=2.273 kwh/t
每吨煤的通风电费
E = I×D
=2。273×0。24
=0.55 元/t
6 矿井灾害防治措施
为了保证矿井安全生产，自矿井建设和生产过程中，要重点防范瓦斯煤层、水和火的威胁。本设计采用较先进的设备,并建立了井下环境安全监测系统,对瓦斯、煤层、水和火等灾害进行了早期预防，综合治理.
1、瓦斯管理措施
⑴严格执行《安全技术操作规程》第四章第一节《煤矿安全规程》的有关规定。
⑵设专职瓦斯员对工作面每班巡回检测，不得少于两次，发现问题及时汇报处理。另外,建立瓦斯的个体巡回检测和连接检查的双重检测系统，可靠预防和控制瓦斯事故的发生.
⑶在采煤工作面以及与其相互连接的上下顺槽设置瓦斯报警仪，检测风流中瓦斯含量，并将信息及时传递到地面控制室。
⑷严格掌握风量分配，保证各个工作面和机电硐室有足够的新风流.
⑸按井下在册人员配置隔离式自救器。
（6)严禁在工作面两道再掘超过3m的硐室。
⑺按规程规定设置反风装置，风机能在规定时期内反风并达到规定风量。
⑻采后按规定时间回收，密闭，注浆。
2、煤层的防治措施
⑴掘进机与采煤机都必须配备有可靠的降尘装置，掘进头风机要设防尘器。
⑵利用环境安全监测系统及时测定风流中的防尘浓度.
⑶奖励防尘、洒水、降尘系统对煤流各转载点必须经常喷雾洒水。
⑷对于容易积存煤尘处，应定期进行清理。
⑸井下煤仓和溜煤眼应保持一定的存煤,不得放空,防止煤仓和溜煤眼出漏风。
（6）相邻煤层所有运输机道和回风道必须设置隔爆木棚.
⑺采掘工作面的工人应按规定佩带防护帽和防尘口罩。
3、防火措施
⑴实行无煤柱沿空掘巷开采，尽量少丢煤，清除煤层自然发火根源。
⑵完善矿井通风系统合理分配风量，降低并控制负压，以减少漏风，每个面回采结束，要将其两顺槽就近连通并及时加以密闭,使采空区处于均压状态。
⑶对每个工作面及采空区进行束管监测,电子计算机监控.及时掌握自然的情况及时采取有效措施.
⑷煤层大巷要搞好壁后充填和喷混凝封层煤层，防止煤的风化和自然。
⑸井下设置完备的消防洒水系统，存放足够的消防器材.
参考文献
［1] 张国枢.通风安全学[M]。中国矿业大学出版社。2007
[2] 林在康。风机装置性能曲线图册［J］。 中国矿业大学出版社。2008
[3] 李希海.采矿专业毕业设计文件[J]。中国矿业大学出版社.2008
［4] 辛长平。简明电动机技术手册[J］.辽宁科学技术出版社。2010
感谢
矿井通风是防止矿内大气污染，保护矿工安全健康，促进矿业发展的一个重要方面，采矿生产中引起矿内空气污染的主要物质是有毒有害气体和粉尘。
矿井通风课程是安全工程一门重要专业课。在这次设计中，得到了老师和同学们的支持和帮助,谢谢你们。通过课程设计,进一步系统的学习了矿井通风,特别是在风机的选型、电机的选型方面,学到了许多知识,使我对以前一些模糊的地方,通过自己的摸索,有了自己的认识,使我对通风学有了更深的理解。设计中，发现自己很多的缺点和不足，对今后在学习、工作及其他方面起到了积极的促进作用。
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