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1、第四章第四章 矿井通风动力矿井通风动力 本章重点与难点本章重点与难点1、自然风压的产生、计算、利用与控制2、轴流式和离心式主要通风机特性3、主要通风机的联合运转4、主要通风机的合理工作范围 欲使空气在矿井中源源不断地流动，就必须克服空气沿井巷流动时所受到的阻力。这种克服通风阻力的能量或压力叫通风动力通风动力。由第二章可知，通风机风压和自然风压均是矿井通风通风机风压和自然风压均是矿井通风的动力的动力。本章将就对这两种压力对矿井通风的作用、影响因素、特性进行分析研究，以便合理地使用通风动力，从而使矿井通风达到技术先进、经济合理，安全可靠。第一节第一节 自然风压自然风压 一、一、自然风压及其形成和计
2、算自然风压及其形成和计算 自然风压与自然通风自然风压与自然通风 图4-1-1为一个简化的矿井通风系统，2-3为水平巷道，0-5为通过系统最高点的水平线。如果把地表大气视为断面无限大，风阻为零的假想风路，则通风系统可视为一个闭合的回路。在冬季，由于空气柱0-1-2比5-4-3的平均温度较低，平均空气密度较大，导致两空气柱作用在2-3水平面上的重力不等。其重力之差就是该系统的自然风压。它使空气源源不断地从井口1流入，从井口5流出。在夏季时，若空气柱5-4-3比0-1-2温度低，平均密度大，则系统产生的自然风压方向与冬季相反。地面空气从井口5流入，从井口1流出。这种由自然因这种由自然因素作用而形成的
3、通风叫自然通风。素作用而形成的通风叫自然通风。图411 简化矿井通风系统 由上述例子可见，在一个有高差的闭合回路中，只要两侧有高差巷道中空气的温度或密度不等，则该回路就会产生自然风压。根据自然风压定义，图411所示系统的自然风压自然风压Hn可用下式计算：4-1-1式中 Z矿井最高点至最低水平间的距离，m；g重力加速度，m/s2；1、2分别为0-1-2和5-4-3井巷中dZ段空气密度，kg/m3。由于空气密度受多种因素影响，与高度Z成复杂的函数关系。因此利用式4-2-1计算自然风压较为困难。为了简化计算，一般采用测算出0-1-2和5-4-3井巷中空气密度的平均值m1和m2，用其分别代替式411中
4、的1和2，则(4-1-1)可写为：4-1-2 二、二、自然风压的影响因素及变化规律自然风压的影响因素及变化规律 自然风压影响因素自然风压影响因素 由式4-1-1可见，自然风压的影响因素可用下式表示：Hn=f(Z）=f(T,P,R，)Z 4-1-3 影响自然风压的决定性因素是两侧空气柱的密度差，而影响空气密度又由温温度度T、大气压力、大气压力P、气体常数、气体常数R和相对湿和相对湿度度等因素影响。等因素影响。三、自然风压的控制和利用三、自然风压的控制和利用 自然风压既是矿井通风的动力，也可能是事故的肇矿井通风的动力，也可能是事故的肇因因。因此，研究自然风压的控制和利用具有重要意义。1、新设计矿井
5、在选择开拓方案、拟定通风系统时，、新设计矿井在选择开拓方案、拟定通风系统时，应充分考虑利用地形和当地气候特点，使在全年大部应充分考虑利用地形和当地气候特点，使在全年大部分时间内自然风压作用的方向与机械通风风压的方向分时间内自然风压作用的方向与机械通风风压的方向一致，以便利用自然风压。一致，以便利用自然风压。例如，在山区要尽量增大进、回风井井口的高差；进风井井口布置在背阳处等。2、根据自然风压的变化规律，应适时调整主要通风、根据自然风压的变化规律，应适时调整主要通风机的工况点，使其既能满足矿井通风需要，又可节约机的工况点，使其既能满足矿井通风需要，又可节约电能。电能。例如在冬季自然风压帮助机械通
6、风时，可采用减小叶片角度或转速方法降低机械风压。3、在多井口通风的山区，尤其在高瓦斯矿井，要掌、在多井口通风的山区，尤其在高瓦斯矿井，要掌握自然风压的变化规律，防止因自然风压作用造成某握自然风压的变化规律，防止因自然风压作用造成某些巷道无风或反向而发生事故。些巷道无风或反向而发生事故。4、在建井时期，要注意因地制宜和因时、在建井时期，要注意因地制宜和因时制宜利用自然风压通风，制宜利用自然风压通风，如在表土施工阶段可利用自然通风；在主副井与风井贯通之后，有时也可利用自然通风；有条件时还可利用钻孔构成回路，形成自然风压，解决局部地区通风问题。5、利用自然风压做好非常时期通风。一、利用自然风压做好非
7、常时期通风。一旦主要通风机因故遭受破坏时，便可利旦主要通风机因故遭受破坏时，便可利用自然风压进行通风。用自然风压进行通风。这在矿井制定事故预防和处理计划时应予以考虑。第二节第二节 通风机的类型及构造通风机的类型及构造 矿井通风的主要动力是通风机。通风机是矿井的“肺肺脏脏”。其日夜不停地运转，加之其功率大，因此其能耗很大。据统计，全国部属煤矿主要通机平均电耗约占矿井电耗的16%。所以合理地选择和使用通风机，不仅关系到矿井的安全生产和职工的身体健康，而且对矿井的主要技术经济指标也有一定影响。矿用通风机按其服务范围可分为三种：矿用通风机按其服务范围可分为三种：1、主要通风机，服务于全矿或矿井的某一翼
8、（部分）；2、辅助通风机，服务于矿井网络的某一分支（采区或工作面），帮助主要通风机通风，以保证该分支风量；3、局部通风机，服务于独头掘进井巷道等局部地区。按通风机的构造和工作原理可分为离心按通风机的构造和工作原理可分为离心式通风机和轴流式通风机两种。式通风机和轴流式通风机两种。一、离心式通风机的构造和工作原理一、离心式通风机的构造和工作原理 风机构造。离心式通风机一般由进风口、工作轮（叶轮）、螺形机壳和前导器等部分组成。二、轴流式通风机的构造和工作原理二、轴流式通风机的构造和工作原理如轴流式通风机主要由进风口、叶轮、整流器、风筒、扩散（芯筒）器和传动部件等部分组成。工作原理工作原理。在轴流式通
9、风机中，风流流动的特点是，当叶（动）轮转动时，气流沿等半径的圆柱面旋绕流出。用与机轴同心、半径为R的圆柱面切割叶（动）轮叶片，并将此切割面展开成平面，就得到了由翼剖面排列而成的翼栅。在叶片迎风侧作一外切线称为弦线。弦线与叶(动)轮旋转方向（u)的夹角称为叶片安装角，以表示。叶(动)轮上叶片的安装角可根据需要在规定范围内调整，但必需保持一致。当叶（动）轮旋转时，翼栅即以圆周速度u移动。处于叶片迎面的气流受挤压，静压增加；与此同时，叶片背的气体静压降低，翼栅受压差作用，但受轴承限制，不能向前运动，于是叶片迎面的高压气流由叶道出口流出，翼背的低压区“吸引”叶道入口侧的气体流入，形成穿过翼栅的连续气流
10、。第三节第三节 通风机附属装置通风机附属装置 矿山使用的通风机，除了主机之外尚有一些附属装置。主机和附属装置总称为通风机装置。附属装置的设计和施工质量，对通风机工作风阻、外部漏风以其工作效率均有一定影响。因此，附属装置的设计和施工质量应予以充分重视。一、风硐一、风硐 风硐是连接风机和井筒的一段巷道。由于其通过风量大、内外压差较大，应尽量降低其风阻，并减少漏风。在风硐的设计和施工中应注意下列问题：断面适当增大，使其风速10m/s，最大不超过15m/s；转弯平缓，应成圆弧形；风井与风硐的连接处应精心设计，风硐的长度应尽量缩短，并减少局部阻力；风硐直线部分要有一定的坡度，以利流水；风硐应安装测定风流
11、压力的测压管。施工时应使其壁面光滑，各类风门要严密，使漏风量小。二、扩散器二、扩散器(扩散塔扩散塔)无论是抽出式还是压入式通风，无论是离心式通风机还是轴流式通风机，在风机的出口都外接一定长度、断面逐渐扩大的构筑物扩散器。其作用是降低出口速压以提高风机静压。小型离心式通风机的扩散器由金属板焊接而成，扩散器的扩散角(敞角)不宜过大，以阻止脱流，一般为810；出口处断面与入口处断面之比约为34。扩散器四面张角的大小应视风流从叶片出口的绝对速度方向而定。大型的离心式通风机和大中型的轴流式通风机的外接扩散器，一般用砖和混凝土砌筑。其各部分尺寸应根据风机类型、结构、尺寸和空气动学特性等具体情况而定，总的原
12、则是，扩散器的阻力小，出口动压小并无回流。(可参考有关标准设计。)三、防爆门三、防爆门(防爆井盖防爆井盖)出风井的上口，必须安装防爆设施，在斜井井口安设防爆门，在立井井口安设防爆井盖。其作用是，当井下一旦发生瓦斯或煤尘爆炸时，受高压气浪的冲击作用，自动打开，以保护主要通风机免受毁坏；在正常情况下它是气密的，以防止风流短路。图4-3-1所示为不提升的通风立井井口的钟形防爆井盖。井盖用钢板焊接而成，其下端放入凹槽中，槽中盛油密封(不结冰地区用水封)，槽深与负压相适应；在其四周用四条钢丝绳绕过滑轮用重锤配重；井口壁四周还应装设一定数量的压脚，在反风时用以压住井盖，防止掀起造成风流短路。装有提升设备的
13、井筒设井盖门，一般为铁木结构。与门框接合处要加严密的胶皮垫层。防爆门(井盖)应设计合理，结构严密、维护良好、动作可靠。四、反风装置和功能四、反风装置和功能 反风装置是用来使井下风流反向的一种设施，以防止进风系统发生火灾时产生的有害气体进入作业区；有时为了适应救护工作也需要进行反风。反风方法因风机的类型和结构不同而异。目前的反风方法主要有：设专用反风道反风；利用备用风机作反风道反风；风机反转反风和调节动叶安装角反风。第四节第四节 通风机的实际特性曲线通风机的实际特性曲线 一、通风机的工作参数一、通风机的工作参数 表示通风机性能的主要参数是风压H、风量Q、风机轴功率N、效率和转速n等。（一）风机（
14、一）风机(实际实际)流量流量Q 风机的实际流量一般是指实际时间内通过风机入口空气的体积，亦称体积流量（无特殊说明时均指在标准状态下），单位为 ,或 。（二）风机（二）风机(实际实际)全压全压Hf与静压与静压Hs 通风机的全压Ht是通风机对空气作功，消耗于每1m3空气的能量（Nm/m3或Pa），其值为风机出口风流的全压与入口风流全压之差。值为风机出口风流的全压与入口风流全压之差。在忽略自然风压时，Ht用以克服通风管网阻力hR和风机出口动能损失hv，即 Ht=hR+hV,克服管网通风阻力的风压称为通风机的静压HS，Pa HS=hR=RQ2 因此 Ht=HS+hV (三）通风机的功率三）通风机的功率
15、 通风机的输出功率（又称空气功率）以全压计算时称全压功率Nt，用下式计算：Nt=HtQ10-3 用风机静压计算输出功率，称为静压功率NS，即 NS=HSQ10-3 因此，风机的轴功率，即通风机的输入功率N（kW）或 式中 t、S分别为风机全压和静压效率。设电动机的效率为m,传动效率为tr时，电动机的输入功率为Nm,则 二、通风机的个体特性曲线二、通风机的个体特性曲线 当风机以某一转速、在风阻的管网上工作当风机以某一转速、在风阻的管网上工作时、可测算出一组工作参数风压、风量、时、可测算出一组工作参数风压、风量、功率、和效率功率、和效率，这就是该风机在管网风阻，这就是该风机在管网风阻为时的工况点为
16、时的工况点。改变管网的风阻，便可得到另一组相应的工作参数，通过多次改变管网风阻，可得到一系列工况参数。将这些参数对应描绘在以为横坐将这些参数对应描绘在以为横坐标，以、和标，以、和为纵坐标的直角坐标系上，为纵坐标的直角坐标系上，并用光滑曲线分别把同名参数点连结起来，即并用光滑曲线分别把同名参数点连结起来，即得得、和和曲线，这组曲线称为曲线，这组曲线称为通风机在该转速条件下的个体特性曲线通风机在该转速条件下的个体特性曲线。有时为了使用方便，仅采用风机静压特性曲线(S)。轴流式个体特性曲线轴流式个体特性曲线 离心式通风机个体特性曲线离心式通风机个体特性曲线 第五节第五节 通风机工况点及其经济运行通风
17、机工况点及其经济运行 一、工况点的确定方法一、工况点的确定方法 所谓工况点所谓工况点，即是风机在某一特定转速和工作风阻条件下的工作参数，如、和等，一般是指和两参数。已知通风机的特性曲线，设矿井自然风压忽略不计，则可用下列方法求风机工况点。图解法图解法 当管网上只有一台通风机工作时，只要在风机风压特性（）曲线的坐标上，按相同比例作出工作管网的风阻曲线，与风压曲线的交点之坐标值，即为通风机的工作风压和风量。通过交点作轴垂线，与和曲线相交，交点的纵坐标即为风机的轴功率和效率。图解法的理论依据是：风机风压特性曲线的函数式为风机风压特性曲线的函数式为f()，管网风阻特性（或称阻力特性，管网风阻特性（或称
18、阻力特性)曲线函数式是曲线函数式是h=2，风机风，风机风压是用以克服阻力压是用以克服阻力h，所以，所以h，因此两曲线的交点，即两方，因此两曲线的交点，即两方程的联立解。可见图解法的前提是风压与其所克服的阻力相对应。程的联立解。可见图解法的前提是风压与其所克服的阻力相对应。解方程法 随着电子计算机的应用，复杂的数学计算已成为可能。风机的风压曲线可用下面多项式拟合 式中 a1、a2、a3曲线拟合系数。曲线的多项式次数根据计算精度要求确定，一般取3，精度要求较高时也可取5。在风机风压特性曲线的工作段上选取i 个有代表性的工况点（i、i），一般取i。通常用最小二乘法求方程中各项系数，也可将已知的i、i
19、值代入上式，即得含i个未知数的线性方程，解此联立线性方程组，即得风压特性曲线方程中的各项拟合系数。二、通风机工况点的合理工作范围二、通风机工况点的合理工作范围 为使通风机安全、经济地运转，它在整个服务期内的工况点必须在合理的范围之内。从经济的角度出从经济的角度出发发，通风机的运转效率不应低于；从安全方面从安全方面来考虑来考虑，其工况点必须位于驼峰点的右下侧、单调下右下侧、单调下降的直线段上降的直线段上。由于轴流式通风机的性能曲线存在马鞍形区段，为了防止矿井风阻偶尔增加等原因，使工况点进入不稳定区，一般限定实际工作风压不得超过最高风压的，即S.Smax。轴流式通风机的工作范围如图阴影部分所示。上
20、限为最大风压.倍的连线，下限为.的等效曲线。轴流式通风机的合理工作范围 三、主要通风机工况点调节三、主要通风机工况点调节 在煤矿中，通风机的工况点常因采掘工作面的增减和转移、瓦斯涌出量等自然条件变化和风机本身性能变化（如磨损）而改变。为了保证矿井的按需供风和风机经济运行，需要适时地进行工况点调节。实质上，工况点调节就是供风量的调节。由于风机的工况点是由风机和风阻两者的特性曲线决定的，所以，欲调节工况点只需改变两者之一或同时改变即可。据此，工点调节方法主要有：改变风阻特性曲线改变风阻特性曲线 当风机特性曲线不变时，改变其工作风阻，工况点沿风机特性曲线移动。）增风调节）增风调节。为了增加矿井的供风
21、量，可以采取下列措施：（）减少矿井总风阻。）减少矿井总风阻。（）当地面外部漏风较大时，可以采取堵塞地面的）当地面外部漏风较大时，可以采取堵塞地面的外部漏风措施。外部漏风措施。）减风调节。）减风调节。当矿井风量过大时，应进行减风调节。其方法有：（）增阻调节。（）增阻调节。对于离心式通风机可利用风硐中闸门增阻（减小其开度）。这种方法实施较简单，但因无故增阻而增加附加能量损耗。调节时间不宜过长，只能作为权宜之计。（）（）对于轴流式通风机，当其对于轴流式通风机，当其曲线在工作段曲线在工作段具有单调下降特点时，因种种原因不能实施低具有单调下降特点时，因种种原因不能实施低转速和减少叶片安装角度转速和减少叶
22、片安装角度时，可以用增大外时，可以用增大外部漏部漏风的方法，来减小矿井风量。这种方法比增阻调节要经济，但调节幅度较小。改变风机特性曲线 这种调节方法的特点是矿井总风阻不变，改变风机特性，工况点沿风阻特性曲线移动。调节方法有：）轴流风机可采用改变叶安装角度达）轴流风机可采用改变叶安装角度达到增减风量的目的。到增减风量的目的。）装有前导器的离心式通风机，可以）装有前导器的离心式通风机，可以改变前导器叶片转角进行风量调节。改变前导器叶片转角进行风量调节。）改变风机转速。）改变风机转速。第六节第六节 通风机的联合运转通风机的联合运转 风机联合工作可分为串联和并联两大类。下面就两种联合工作的特点进行分析
23、。一、风机串联工作一、风机串联工作 一台风机的进风口直接或通过一段巷道（或管道）联结到另一台风机的出风口上同时运转，称为风机串联工作风机串联工作。风机串联工作的特点是风机串联工作的特点是，通过管网的总风量等于每台风机的风量（没有漏风）。两台风机的工作风压之和等于所克服管网的阻力。即 h=Hs1+Hs2 Q=Q1=Q2式中h 为管网的总阻力，HS1、HS2分别为1、2两台风机的工作静压；Q为管网的总风量，Q1、Q2分别为1、2两台风机的风量。二、通风机并联工作二、通风机并联工作两台风机的进风口直接或通过一段巷道连结在一起工作叫通风机并联。风机并联有集中并联和对角并联之分。理论上，两台风机的进风口（或出风口）可视为连接在同一点。所以两风机的装置静压相等，等于管网阻力；两风机的风量流过同一条巷道，两风机的风量流过同一条巷道，故通过巷道的风量等于两台风机风量之和。即故通过巷道的风量等于两台风机风量之和。即 h=Hs1=Hs2 Q=Q1+Q2