矿井通风阻力与动力分析

【任务描述】

矿井通风阻力、动力是矿井通风的基本概念。本课题主要对矿井通风阻力、动力做详细的分析介绍。通过本课题理论学习和实习，使学生熟悉并掌握通风阻力、摩擦阻力、局部阻力等基本概念；掌握自然通风和机械通风的概念；了解通风机的基本原理和类型；了解利用皮托管和水柱计测压的方法。

【知识学习】

一、矿井通风阻力

当井巷中空气流动时，由于空气的黏滞性和惯性以及井巷壁面对风流的阻滞、扰动作用，产生的风流能量损失称为通风阻力。因其产生的原因不同，通风阻力分为摩擦阻力和局部阻力两大类。

1.摩擦阻力

井下风流沿井巷或管道流动时，由于空气的黏性，受到井巷壁面的限制，造成空气分子之间相互摩擦（内摩擦）以及空气与井巷或管道周壁间的摩擦（外摩擦）而产生的阻力，称为摩擦阻力，其计算公式为

式中 h_摩——井巷摩擦阻力（Pa）；

R_摩——井巷摩擦风阻（kg/m⁷）；

α——井巷摩擦阻力系数（kg/m³）；

L——井巷长度（m）；

U——井巷断面周长（m）；

S——井巷净断面积（m²）；

Q——通过井巷的风量（m³/s）。

在应用式（7-1）计算矿井通风紊流摩擦阻力时，关键在于如何确定摩擦阻力系数α值。摩擦阻力系数α值取决于井巷的粗糙程度，即取决于井下巷道的支护形式。不同的井巷、不同的支护形式，α值也不同。确定α值的方法有查表法和实测法两种。

2.局部阻力

在风流运动过程中，由于井巷断面形状、大小，井巷方向的变化以及井巷的分岔或汇合等的影响，引起风流分布、流速大小和方向的突然变化，产生涡流或冲击，造成的局部地点的风流能量损失，称为局部阻力。

3.矿井通风总阻力

矿井通风总阻力由摩擦阻力和局部阻力构成。在矿井通风总阻力构成中，摩擦阻力是井巷通风阻力的主要组成部分，一般为矿井通风总阻力的80%～90%，局部阻力所占的比例较小，一般为矿井通风总阻力的10%～20%，为井巷通风阻力的次要组成部分。故在矿井通风设计中，一般只对摩擦阻力进行计算，再按摩擦总阻力的10%～15%比例折算出局部总阻力。

矿井紊流通风阻力定律为

h_阻=R_阻Q² （7-4）

式中 h_阻——井巷总阻力（Pa）；

R_阻——井巷总风阻（kg/m⁷）；

Q——矿井总风量（m³/s）。

式（7-4）为井巷中风流紊流状态下的矿井通风阻力定律，它反映了井下任何巷道：当通过井巷的风量一定时，井巷通风阻力与风阻成正比；风阻一定时，井巷通风总阻力与井巷通过风量的二次方成正比。

二、矿井通风动力

空气在井巷中的流动需要克服通风阻力，必须提供通风动力以克服通风阻力，才能使空气在井巷中流动，实现矿井通风。根据风流获得动力的来源不同，矿井通风动力可分为自然通风和机械通风；根据矿井通风压力状态不同，矿井通风动力分为正压通风和负压通风。

1.自然通风

利用自然因素产生的通风动力，致使空气在井下巷道流动的通风方法称为自然通风。自然风压的大小和风流方向，主要受地面空气温度变化和井筒高差、井口风速等影响，其实质是进、回风井的空气柱密度差引起的空气流动。矿井自然通风如图7-1所示。

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，而且它在冬、夏两季内可能会出现风流的反向，这在通风管理工作中应予以充分重视，特别是对高瓦斯矿井。

2.机械通风

图7-1 矿井自然通风示意图

1—平硐 2—立井

矿井通风动力中自然风压较小，且不稳定，不能满足矿井通风的要求，因此《规程｝规定，每一个矿井必须采用机械通风。利用通风机运转产生的通风动力，致使空气在井巷中流动的通风方法称为机械通风。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。

矿用通风机按其构造和工作原理不同可分为离心式通风机和轴流式通风机；按其安装地点，服务范围和所起的作用不同分为主要通风机、辅助通风机和局部通风机。主要通风机安装在地面，为全矿井或矿井的一个区域帮助主要通风机克服通风阻力服务；辅助通风机安装在井下，为矿井的一个区域服务；局部通风机安装在井下某一地点，通常只为一个掘进工作面服务。(www.xing528.com)

（1）离心式通风机 离心式通风机如图7-2所示，主要由叶轮1、螺形外壳2、扩散器3、轴4、前导器7和吸风口12等组成。叶轮上有两个圆盘，圆盘之间装有20多块叶片。叶轮1装于轴4上，轴4装在两个轴承上，一个是止推轴承5，一个是径向轴承6。轴4与电动机14的轴用齿轮联轴器9直接相连，形成直接传动。前导器（有的通风机没有前导器）的作用是通过调节风流进入通风机叶轮时的方向，调节通风机的风压和风量。要使通风机急速停转时，可用制动器10。通风机吸风口12与风硐15相连，13为通风机房，机房中设有反映通风机运转情况的观察仪表和电力拖动装置。

图7-2 离心式通风机构造示意图

1—叶轮 2—螺形外壳 3—扩散器 4—轴 5—止推轴承 6—径向轴承 7—前导器 8—机架 9—联轴器 10—制动器 11—机座 12—吸风口 13—通风机房 14—电动机 15—风硐

当叶轮转动时，叶轮叶片间的空气在随叶片做圆周运动时会产生离心力，在这种离心力的作用下，叶片间的空气最终会沿叶轮径向离开叶轮，并从通风机的扩散器排出。叶片间的空气沿叶轮径向逐渐离开叶轮的过程中，在叶轮叶片间特别是靠近轴的区域形成低压区，于是通风机进风口的空气会由吸风口12被吸入，经前导器7流入叶轮。

（2）轴流式通风机 轴流式通风机的构造如图7-3所示，它由通风机进风口、叶轮、主体风筒、扩散器和传动部五大部分组成。

图7-3 轴流式通风机构造示意图

1—集风器 2—流线体 3—前导器 4—第一级叶轮 5—中间整流器 6—第二级叶轮 7—后整流器 8—扩散器 9—机架 10—电动机 11—机房 12—风硐 13—导风板 14—基础 15—径向轴承 16—止推轴承 17—制动阀 18—齿轮联轴器

进风口包括集风器1和流线体2，其作用是使空气均匀地沿轴向流入主体风筒内，以减少气流冲击。叶轮4和6是通风机向空气传递能量的部件。通风机的叶轮数目通常用级表示，只有一个叶轮时称为一级，有两个叶轮称为2级。增加叶轮数的目的在于提高通风机的风压。叶轮上一般有16个翼形叶片，用螺杆固定。叶片上风流入口处与出口处的连线与叶轮旋转的切线方向之间的夹角称为叶片安装角，用θ表示，如图7-4所示。叶片安装角θ可根据需要进行调整，对于一级叶轮的通风机，θ角的调整范围是10°、15°、20°、25°、30°、35°和40°7种不同角度；对二级叶轮的通风机，θ角的调整范围是15°、20°、25°、30°、35°、40°和45°7种不同角度。在第一级叶轮后方有中间整流器5，第二级叶轮后方有后整流器7。整流器的作用是调整由前一叶轮流出的气流方向，使它按轴向进入下一级叶轮或流入环形扩散器中。环形扩散器8由内外两个锥形圆筒组成，其作用是使由后整流器流出的气流速度逐渐降低，并使气流的大部分速压转变为静压，从而提高通风机的效率。

图7-4 叶片安装角

【任务考评】

本课题的考评表见表7-9。

表7-9 任务考评表

【思考与练习】

1.什么是摩擦阻力？什么是局部阻力？

2.矿用通风机按构造不同分为哪几种？按安装地点和服务范围不同分为哪几种？

3.自然风压的概念和特点是什么？

【任务描述】

本课题主要对矿井通风系统、矿井通风方式、矿井通风方法和矿井通风网络等做介绍。通过本课题的模型和多媒体教学等理论学习和实习，使学生熟悉并掌握矿井通风系统的概念和基本要求；掌握矿井通风方式和通风方法的基本类型及特点；掌握通风网络、串联通风、并联通风、角联通风、上行通风、下行通风、循环风和扩散通风的基本概念。

【知识学习】

一、矿井通风系统及基本要求

1.矿井通风系统

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，它包括矿井从进风到回风的全部路线。安全可靠的通风系统是矿井安全生产的重要保证。

2.对矿井通风系统的基本要求

《规程》对矿井通风系统有以下基本要求。

1）矿井必须有完整的独立通风系统。

2）每个生产矿井必须至少要有两个能行人的通达地面的安全出口，各个出口间的距离不得小于30m。采用中央式通风系统的新建和改、扩建矿井，设计中应规定井田边界附近的安全出口。当井田一翼走向较长，矿井发生灾害不能保证人员安全撤出时，必须掘出井田边界附近的安全出口。井下每一个水平到上一个水平和各个采区都必须至少有两个便于行人的安全出口，并与通达地面的安全出口相连接。未建成两个安全出口的水平或采区严禁生产。

3）进风井口必须布置在粉尘、有害和高温气体不能侵入的地方，能防洪、防冻。

4）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：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；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风速不得超过4m/s，并有可靠的防尘措施，井筒中必须装设自动报警灭火装置和敷设消防管路。

5）矿井必须采用机械通风。主要通风机必须安装在地面；装有通风机的井口必须封闭严密，其外部漏风率在无提升设备时不得超过5%，有提升设备时不得超过15%。必须安装两套同等能力的主要通风机装置，其中一套备用；备用通风机能在10min内开动。装有主要通风机的出风井口应安装防爆门，防爆门每6个月检查维修一次。至少每月检查一次主要通风机。

6）生产矿井主要通风机必须装有反风设施，并能在10min内改变巷道中的风流方向。

7）井下爆炸材料库必须有独立的通风系统，回风风流必须直接引入矿井的总回风巷或主要回风巷中。