矿井通风系统和通风动力特点和介绍

1、矿井通风系统和通风动力特点和介绍 绪论第1章矿 内 空 气第2章矿井空气流动基本理论第3章矿井通风系统和通风动力第4章铀矿山辐射危害与安全第5章辐射防护标准与矿井防氡指标第6章氡来源及性质第7章氡析出与氡传播第8章排氡通风与控氡技术第9章铀矿井排氡通风设计第10章氡测量和其他辐射测量方法第11章矿井通风系统测定与评价 矿井通风系统是指向井下各作业地点供给新鲜空气,排出污浊空气的通风网路、通风动力和通风控制设施的总称。矿井通风系统对铀资源的安全开发有深远的影响。根据矿井通风系统结构、进回风井的布置位置、主扇的工作方式和主扇的安装地点,矿井通风系统可分为若干类型。通风动力分为自然通风动力和机械通风

2、动力两类。3.1矿井通风系统3.1.1统一通风与分区通风 一个矿井构成一个整体的通风系统称为统一通风,一个矿井划分成若干个独立的通风系统,风流互不干扰,称为分区通风。通风系统设计时,首先要确定采用统一通风还是分区通风。在我国,大部分矿山过去都采用统一通风,其特点是:统一通风,一个通风系统,入排风比较集中,使用的通风设备也较少,便于集中管理。对于开采范围不太大的矿井,特别是深矿井,采用全矿统一通风比较合理。 随着通风技术不断提高以及节能的需要,近年来,不少矿山,根据各矿特点,将一个矿井划分为若干个独立的通风区域,实行分区通风,收到了较好的通风效果和节能效果。分区通风具有如下特点:(1)风路短、矿

3、井阻力小; (2)矿井漏风少;(3)费用低以及通风网路简单; (4)风流易于控制,有利于减少风流串联和合理进行风量分配等特点。当然不是任何一个通风系统都可以采用分区通风系统,应根据各矿山的实际情况来制定系统的方案。一般说来,在下述条件下采用分区通风系统比较有利:(1)矿体埋藏较浅且分散,开凿通达地表的通风井巷工程量小,或有现成的井巷可供利用;(2)矿体埋藏较浅,走向长,产量大,如构成一个通风系统,风路长,漏风大,风路复杂,风量调节困难;(3)开采围岩或矿石有自然发火危险的规模较大的矿井。分区通风不同于在一个矿区内因划分成几个井田开拓而构成的几个通风系统。分区通风各通风系统是处于同一开拓系统中,

4、井巷间存在一定联系。分区通风也不同于多台风机在一个通风系统中作并联通风。分区通风的各系统不仅具有各自的通风动力,而且还各有一套完整的进、回风井巷,它们在通风系统上是相互独立的。3.1.2进风井与回风井的布置形式图3.1中央并列式(1)中央并列式进风井与排风井均并列在井田走向的中央,风流在井下的流动路线是折返式的。如图3.1所示。(2)对角式进风井在矿体一翼,排风井在矿体另一翼,或者进风井在矿体中央,排风在两翼,风流在井下的流动路线是直向式的,如图3.2所示。(3)混合式进风井与出风井由三个以上井筒按上述各种方式混合而成。如图3.3所示。图3.2对角式通风(a)单翼对角式;(b)两翼对角式图3.

5、3中央对角混合式通风 中央式通风系统的主要优点是:基建投资少,基建时间较短,地面建筑集中,电力输送较经济,便于管理。缺点是:矿井漏风大,总风压大而不稳定,风机效率较低,耗电量较大。 此系统适用于矿体埋藏较深,井田走向长度不大的矿井,我国的煤矿使用较多。对角式通风系统(或侧异式通风系统)主要优点是:矿井漏风小,总风压较小,通风效率较高,耗电量小。缺点是:基建费用较大,地面建筑分散,电力输送路线长。此方式适用于矿体埋藏不深,井田走向长度较大的矿床。铀矿山和冶金矿山广泛采用这种通风布置方式。混合式通风系统适用于矿体规模很大,多矿体,多井筒的矿井中,此时可用多台扇风机联合工作。3.1.3压入、抽出和混

6、合式通风主扇风机的工作方式有三种:压入式、抽出式、混合式。不同的通风方式,矿井空气处于不同的受压状态,同时,在整个通风路线上形成了不同形式的压力分布状态,从而在进、回风量、漏风量、风质和受自然风流干扰的程度等方面出现了不同的通风效果。压入式通风,主扇安设在入风井口,在压入式主扇的作用下,整个通风系统都处在高于当地大气压力的正压状态。在进风侧高压的作用下新鲜风流沿指定的通风路线迅速进入井下用风地点,有利于控制氡的析出。压入式通风由于使整个通风系统都处于正压状态,所以,有利于控制采空区、老硐等地点的有毒有害气体外逸而污染矿井空气。但主扇风机一旦因故停止运转,它所服务的巷道系统内空气压力下降,使采空

7、区内有毒有害气体向停风区域涌出,可能导致停风区域巷道内有毒有害气体浓度超限,或使巷道中的氧气浓度下降,严重时可使人员缺氧窒息。同时,压入式通风的风门等风流控制设施均安设在进风段巷道,进风段巷道其中有些是交通要道,人员、车辆或提升容器通过频繁,风门易受损坏,井底车场漏风大,不易管理和控制。抽出式通风的矿井主扇安设在回风井口。抽出式主扇的工作使整个矿井通风系统处在低于当地大气压力的负压状态。在回风侧高负压的作用下,用风地点的污风迅速进入回风系统,污风不易扩散。与压入式通风比较,抽出式通风由于使整个通风系统都处于负压状态,所以,对于有自燃发火、瓦斯等危险的矿井,具有防止一旦停风时瓦斯等有毒有害气体大

8、量涌出的作用。同时,风流的调节控制设施均安设在回风巷道,不妨碍行人,运输、管理方便。但不利于控制采空区、老硐等地点的有毒有害气体外逸而污染矿井空气。压抽混合式通风要在进风井口设一台风机作压入式工作,回风井口设一台风机作抽出式工作。通风系统的进风部分处于正压状态,回风部分处于负压状态。这种通风方式兼有压入式和抽出式两种通风方式的优点,是提高矿井通风效果的重要途径。但混合式通风所需通风设备较多,通风动力消耗也大,管理复杂。选择主扇风机的工作方式时,要注意地表有无塌陷区或其他难以隔离的通路,即产生漏风的因素十分重要,对于开采无地表塌陷区或虽有塌陷区但可以采取充填、密闭等措施,能够保持回风巷道严密性的

9、矿井,应采用抽出式或以抽出式为主的混合式通风。对于开采有地表塌陷区,而且回风道与采空区之间不易隔绝的矿井,应采用压入式或以压入式为主的压抽混合式的风机工作方式进行矿井通风。主扇风机安装在地表的主要优点是:安装、检修、维护管理都比较方便。井下发生灾害事故时,地表风机比较安全可靠,不易受到损害;井下发生火灾时,便于采取停风、反风或控制风量等通风措施。其缺点是:井口密闭、反风装置和风硐的短路漏风较大。当矿井较深、工作面距主扇较远时,沿途漏风量大。在地形条件复杂的情况下,安装、建筑费用较高,并且安全上受到威胁。主扇风机可以安装在地表,也可安装在井下,一般安装在地表。3.1.4主扇风机的安装主扇风机安装

10、在矿井下,主扇装置的漏风少,风机距工作面近,沿途漏风也少。可同时利用较多井巷进风或回风,可降低通风阻力。但其风机安装、检查、管理不方便。且易受井下灾害所破坏。所以,矿井主扇风机一般安装在地表。3.2通 风 动 力矿井空气沿着既定井巷流动,在能量差或压差的作用下克服风流流动的阻力,促使风流流动,提供这种能量差或压差的动力称为通风动力。根据通风能力来源不同,可将通风动力分为机械动力、自然动力两种,矿井通风中,依靠机械动力通风称为机械通风,依靠自然动力通风称为自然通风。3.2.1矿井自然通风在各种自然因素作用下,使风流获得能量并沿井巷流动,这种通风方法称为矿井自然通风。如图3.4所示的模型,说明自然

11、通风的原理。这个模型是在一个大水槽下安装一个U形管,里面注满水,并在U形管的一个竖管上缠上电热丝。图3.4说明自然通风原理的模型 当被电热丝加热的水变轻上升时,与热水同体积的冷水,沿另一竖管下降,流进缠有电热丝的竖管。只要电热丝持续地加热,U形管中的水就会不断地流动。温水流入水槽和大量的冷水混合,不断地向周围空间散热。所以,冷水会不断地沿另一个竖管流下。上述模型中的水可比作矿井与大气构成的通风系统中的空气;U形管可比作矿井通风巷道;水槽中的水可比作大气;由电热丝供给的热可比作地热、氧化和机械等热源对矿井空气的散热。依据上述模型就能理解,矿井的自然通风是由于矿井空气受热而造成的。在非机械通风的矿

12、井里,风流从气温较低的井筒经工作面流到气温较高的井筒。这主要是由于风流流过井巷时与岩石发生了热量交换,使进风和回风井里的气温出现差异,回风井里的空气重率比进风井里的空气重率要小,因而两个井筒底部的空气压力不相等,其产生的压差就是所谓自然风压h自,在自然风压的作用下风流不断流过矿井形成自然通风过程。如图3.5所示,Po为井口的大气压(Pa),Z为井深(m),i表示空气密度(kg/m3),g为重力加速度(m/s2),则自然风压h自(Pa)为:下面我们来研究矿井的平硐和竖井自然通风是怎样形成的。h自=P1-P2=(P0+1Z1)-(P0+2Z2)=Z(1-2) (3.1)图3.5自然通风如果在冬天,

13、地面气温较低,如图3.5所示的矿井里,形成12,那么P1P2,就会出现1-2-3-4方向的自然通风。如果在夏天,地面气温较高,形成21,那么P2P1,就会出现4-3-2-1方向的自然通风,方向正好相 反。不难设想,由于地面气温的变化,也会出现P1=P2,因而自然通风停止的情况。在我国的南方山区平硐开拓的矿井,未安装主扇时,经常可以见到自然通风风向变化,有时风流停滞。这就表明,完全依靠自然通 风,不能满足安全生产的要求。对于一个有主扇通风的矿井,上述自然通风风压依然存在。若设主扇在回风井抽出式或在进风井压入式工作,当炎热季节温度很高的地面空气流入进风井巷后,其热量虽然不断传给岩石,但最终仍然形成

14、进风井的空气重率小于回风井的空气重率,进风井空气柱的质量比回风井的还轻,这时自然风压的方向就与扇风机通风的方向相反,扇风机风压不仅要用来克服井巷通风阻力,而且还要克服反向的自然风压。在冬季,情况正好相反,自然风压能够帮助扇风机去克服井巷通风阻力。 能正确计算自然压差,并有效利用自然通风,将有助于通风管理及通风设计。因此,应该掌握自然风压的计算方法。 图3.6矿井的自然压差如图3.6所示,若地表大气压力为Po(Pa),则AB空气柱的压力为:P1=P0+Z1Pa (3.2)式中,1为AB空气柱的平均密度,kg/m3。CD空气柱的压力为:P2=P0+Z2Pa (3.3)式中,2为CD空气柱的密度,k

15、g/m3。 两空气柱压力差就是自然风压差。即:h自=P1-P2=Z(1-2)Pa (3.4)(3.4)式表明:如果12,h自为正值,风流由AB进风,经CD排出;反之,若12,h自为负值,风流由CD进风,经AB排风。为了测定通风系统的自然风压,以最低水平为基准面(线),将通风系统分为两个高度均为Z的空气柱,一个称之为进风空气柱,一个称之为回风空气柱。为了准确地求得高度Z内空气柱的平均密度,应在密度变化较大的地方,如井口、井底、斜井巷道的上下端及风温变化较大和变坡的地方布置测点,并在较短的时间内测出各点分流的绝对静压P,干湿球温度和相对湿度。两测点间高度差不宜超过100 m(以50 m为宜)。若各

16、测点间高差相等,可用算术平均法求各点密度的平均值,即:(1)平均密度测算法测定矿井自然风压的方法比较多,现介绍平均密度测算法和直接测定法两类。 (3.5)若各测点间高差不相等,则按高度加权平均法求其平均值,即: (3.6)式中,i为i测段的平均空气密度,kg/m3;Zi为i测段高差,m;n为测段数。直接测定矿井自然风压时,应首先停止风机运转并在总风流中设置一密墙,用压差计测出墙两侧的压力差,此压力差值,即为自然风压。但必须注意密闭墙应严密不漏气,同时测定工作应尽可能在短时间内完成。可以证明,采用直接方法测定矿井自然风压时,与设置的密闭墙的位置无关。所以对于机械通风的矿井,如果通风机风硐中安有闸

17、门,在测定时,只要将通风机风硐上的闸板放下(闸板四周应密严),自然风压值可在扇风机房内的水柱上反映出来。 (2)直接测定法 在测定时应注意,停扇至读数的间隔时间,以风流稳定为原则,一般510分钟。应指出,因自然风压还随风量大小而变,此时测出的自然风压接近于扇风机工作时矿井的自然风压值h自开,而不同于扇风机长期停转后的自然风压h自停。为掌握h自在全年的变化规律,应在不同季节分别测定。当h自冬夏反向时,应在四季分别测量,如h自不反向时,应冬夏分别测量。考虑到岩石的调热作用,根据年内最高最低自然风压往往比最冷最热期要稍滞后的特点,一般可安排在年内最冷与最热期间的末期进行。该法简单、直观,如密墙严密,

18、测量结果准确。缺点是机械通风矿井需停开风机,通常可在节日检修风机等停机时进行。矿井自然风压,有时表现为积极的一面,有时却表现为消极的一面,但只要我们掌握了自然风压的特点和规律,就能够很好地利用自然通风。(1)矿井自然风压的特性空气温度的影响 进风井和出风井的温度是造成自然风压差最主要的因素。矿井深度的影响在进风井和出风井温度差的基础上矿井的深度越大,所产生的自然风压差就越大。据国外报道,深达1 000 m以上的矿井“自然通风能”约占总通风能的30%;有一个1 000 m深的矿井,主扇运转时风量为60 m3/s,而当主扇停止运转时自然通风量达2065 m3/s。空气湿度的影响 当通风井和出风井空

19、气的相对湿度相差很大时,由于湿空气比干空气轻,就会产生自然压差。地表大气压力的影响地表大气压力的改变也会使自然压差随之增减。但是,地表大气压力变化不大,从而它的影响也很小。(2)自然风压对矿井通风的影响采用机械通风的矿井,自然风压也是始终存在的,并在各个时期内影响着矿井通风工作。对于自然风压较大的深井,自然风压对矿井通风起着重要作用,而且它在全年内可能都为正值。但对于某些深度不太大的矿井,夏季的自然风压可以变为负值,甚至会出现风流反向,这在通风管理工作中应给予充分重视,特别是在煤矿含有高瓦斯的矿井尤应注意,否则,可能会造成严重的后果。例如,四川省某矿,采用平硐、立井开拓,平硐与出风井的标高高差

20、达326 m。出风井装设一台70B2N028轴流式扇风机作抽出式通风。在冬季,立井和平硐都进风,其中平硐进风2 000 m3/min;但在夏季,平硐进风量减少,有时无风,甚至反风,出风量达300 m3/min。在铀矿,在一些岩石裂隙及溶硐发育的矿井,由于自然风压的作用,冬季由矿井向地表漏风,夏季由地表向矿井漏风,致使矿井空气中氡及其子体浓度冬季降低,夏季增高。例如云南某锡矿1月份平均氡浓度为0.37 kBq/m3,而9月份的平均氡浓度为5.07 kBq/m3,9月份的氡浓度为1月份的17倍多。国外也有资料报道,季节变化对氡析出量有影响,夏季的氡析出量较冬季高36.8%75.5%。由上可见,自然

21、风压对矿井通风的影响,在不同季节是不一样的,因此,应根据矿井的具体情况,有利则用,有害则防。机械通风产生的压差,是指风机运转产生的压差,它具有稳定、安全、可靠等特点。机械通风是我国矿山通风所采用的主要动力。矿用风机根据工作性质及服务范围,可分为主要通风机(简称主扇)、辅助通风机(简称辅扇)与局部通风机(简称局扇)三类。主扇是服务于全矿井、矿井的一翼或一个区域的扇风机。它一般担负整个生产时期供给井下新鲜风和排除废风的任务,因此主扇具有较大的功率,并能够在服务期限内进行调节。 在机械动力作用下,使风流获得能量并沿井巷流动,称为矿井机械通风。3.2.2矿井机械通风辅扇主要用来调节风量,帮助主扇发挥通

22、风作用。一般服务一个区域,服务期不长,故要求此类风机具有风量大、风压低、质量轻及移动方便等特点。局扇只用于局部地区主扇风流不能直接到达的作业面,主要用于巷道掘进时的通风,服务范围一般是一个或几个掘进作业面,常需导风筒进行通风。要求此类风机风压高、风量不需很大、质量轻、体积小、坚固及安装移动方便。 风机按其结构分为离心式和轴流式两类。(1)特性曲线风机的风量Q、风压h、功率N及效率都是扇风机的重要参数,它们相互之间存在一定关系,表示它们之间关系的曲线称为风机特性曲线。如图3.7所示,风机的特性曲线有三条:风压风量曲线(hQ)、功率曲线(NQ)和效率曲线(Q),它们分别表示风压与风量、功率与风量、

23、效率与风量之间的关系。图3.7风机特性曲线 这些特性曲线是选择风机、分析风机的经济性和稳定性的依据。实际使用时,常将矿井风阻特性曲线与风机特性曲线绘制在一张图上,矿井风阻曲线R与风机hQ特性曲线的交点A为风机的工况点。根据工况点的位置,便可由图中纵横坐标查风机风压、功率、效率及风量。hQ曲线图。曲线与纵坐标交点A是风机风量为0时的风压,K点为扇风机的最高风压点,又称临界点。K点将曲线分为两段,左侧AK段为非稳定工作段,右侧为稳定工作段。图3.8风机特性曲线(a)离心式风机;(b)轴流式风机由图可见,离心式风机在稳定工作段,风压风量特性曲线比较平缓,风量变化时风压变化较小,故适用于需要经常调节风

24、量的矿山。轴流式风机在稳定段曲线较陡,风压变化时风量变化较小,适用于要求风量变化小的矿山。(2)功率曲线由图3.8知离心式风机的功率曲线(NQ),在工作段内功率随风量的增加相应增加,因而离心式风机启动时,为避免电流过大烧坏电机,要关闭进风闸门启动,待风机启动后再逐渐打开闸门。轴流式风机在稳定工作段风机的功率随风量增加而有所下降,因此,轴流式风机可以直接启动。 由于风机本身存在能量损失,因此,其输出功率小于输入功率。二者的比值即为扇风机的效率。如图3.7所示,扇风机效率曲线(Q)近似地为一条抛物线,随风量的增加而增加,当增到最高值后,又随风量的增加而降低。最佳效率约为风压临界点的90%附近。风机在网路中运转时,所产生的风量等于通过网路的风量。而风量通过该网路时,对应的阻力即等于风机的风压。因此,如将网路风阻特性曲线与风机特性曲线画在同一坐标上,如图3.9所示,两曲线的交点M1就是它的工况点。根据此工况点即可决定风机的效率、轴功率。当网路风阻发生变化时,其特性曲线由OR1变为OR2或OR3,此时工况点随之变为M2或M3。工况点一发生变化,风机的风量、风压、功率和效率等都随之变化。为了保