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1、第四章 通风动力矿井中的空气之所以能在巷道中运动而形成风流，是由于风流的起末点间存在着能量差。这种能量差的产生，若是由通风机提供的，则称为机械风压；若是由矿井自然条件产生的，则称为自然风压。机械风压和自然风压都是矿井通风的动力，用以克服矿井的通风阻力，促使空气流动。但自然风压一般较小且不稳定，难以满足矿井通风的要求，因此我国煤矿安全规程第121条规定：矿井必须采用机械通风。故我国煤矿已普遍使用主要通风机进行机械通风，使矿井通风条件得到了根本保证和改善。第一节 自然风压一、自然风压及其形成和计算1、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
2、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，则通风系统可极为一个闭合的回路。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流人，从井口1流出。这种由自然因素作用而形成的通风叫自然通风。图4-1-1 简化矿井通风系统2、自然风压的计算由上述例子可见，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
3、就会产生自然风压。根据自然风压定义，图4-1-1所示系统的自然风压可用下式计算： （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； 、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（4-1-1）计算自然风压较为困难。为了简化计算，一般采用测算出的0-1-2和5-4-3井巷中空气密度的平均值和分别代替式（4-1-1）中的和，则式（4-1-1）可写为： （4-1-2）二、自然风压的变化规律及其影响因素1、自然风压的变化规律自然风压的大小和方向，主要受地面空气温度变化的影响。根据实测资料
4、可知，由于风流与围岩的热交换作用使机械通风的回风井中一年四季中气温变化不大，而地面进风井中气温则随季节变化，两者综合作用的结果，导致一年中自然风压随季节发生周期性的变化。例如在冬季，地面气温很低，空气柱1-2比空气柱5-3重，风流由1流向2，经出风井3-5排至地面；夏季，地面气温高于井筒3-5内的平均气温，使风流由21排出。而在春秋季节，地面气温与井筒内空气柱的平均气温相差不大，自然风压很小，因此，将造成井下风流的停滞现象。在一些山区，由于地面气温在一昼夜之内也有较大变化，所以自然风压也会随之发生变化，夜晚，1-2段进风；午间，2-1段出风。图4-1-2和图4-1-3所示分别为浅井和位于我国北
5、部地区的深井自然风压随季节变化的情形。由图可以看出，对于浅井，夏季的自然风压出现负值，而对于我国北部地区的一些深井，全年的自然风压都为正值。 图4-1-2 浅井自然风压示意图 图4-1-3 深井自然风压示意图2、自然风压的影响因素由式（4-1-1）可见，影响自然风压的决定性因素是两侧空气柱的密度差，而空气密度除了受温度T的影响，还受大气压力P、气体常数R和相对湿度等因素影响。因此，影响自然风压的因素可用下式表示：（1）矿井某一回路中两侧空气柱的温差是影响的主要因素。影响气温差的主要因素是地面入风气温和风流与围岩的热交换。其影响程度随矿井的开拓方式、采深、地形和地理位置的不同而有所不同。（2）空
6、气成分和湿度影响空气的密度，因而对自然风压也有一定影响，但影响较小（3）井深。由式（4-1-2）可见，当两侧空气柱温差一定时，自然风压与矿井或回路最高与最低点（水平）间的高差Z成正比。（4）主要通风机工作对自然风压的大小和方向也有一定影响。因为矿井主要通风机工作决定了主风流的方向，加之风流与围岩的热交换，使冬季回风井气温高于进风井，在进风井周围形成了冷却带以后。即使风机停转或通风系统改变，这两个井筒之间在一定时期内仍有一定的气温差，从而仍有一定的自然风压起作用。有时甚至会干扰通风系统改变后的正常通风工作，这在建井时期表现尤其明显。如淮南潘一矿及浙江长广一号井在建井期间改变通风系统时都曾遇到这个
7、问题。三、自然风压的控制和利用自然风压既可作为矿井通风的动力，也可能是事故的肇因。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。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机的工况点，使其既能满足矿井通风需要，又可节约电能。例如在冬季自然风压帮助机械通风时，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，要掌握自然风压的
8、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。图4-1-4是某矿因自然风压使风流反向示意图。该矿为抽出式通风，风机型号为BY-2-28，冬季AB平硐和BD立井进风，夏季平硐自然风压作用方向与主要通风机相反，干硐风流反向，出风量，反向风流把平硐某处涌出的瓦斯带至硐口的给煤机附近，因电火花引起瓦斯爆炸。下面就此例分析平硐AB风流反向的条件及其预防措施。如图4-1-4（b）所示，对出风井来说夏季存在两个系统自然风压。图4-1-4 自然风压使风流方向示意图系统的自然风压为：系统的自然风压为：式中 、和分别为、和空气竹的平均密度，kg/m3。自然风压与主要通风机作用方向相反，相当于在平硐
9、口A和进风立井口D各安装一台抽风机。设AB风流停滞，对回路和可分别列出压力平衡方程： （4-1-3）式中 风机静压，Pa； Q风路风量，m3/s； 、分别为和分支风阻，。方程组（4-1-3）中两式相除，得： （4-1-4）此即AB段风流停滞条件式。当上式变为 （4-1-5）则AB段风流反向。根据式（4-1-5），可采用下列措施防止AB段风流反向： 加大只； 增大； 在A点安装风机向巷道压风。为了防止风流反向，必须做好调查研究和现场实测工作，掌握矿井通风系统和各回路的自然风压和风阻，以便在适当的时候采取相应的措施。（4）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，如在表土施工阶段可利用
10、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。这在矿井制定事故预防和处理计划时应予以考虑。第二节 矿用通风机类型及构造矿用通风机按其服务范围和所起的作用分为三种。（1）主要通风机 担负整个矿井或矿井的一翼或一个较大区域通风的通风机，称为矿井的主要通风机。主要通风机必须昼夜运转，它对矿井安全生产和井下工作人员的身体健康、生命安全关系极大。主要通风机一般安装在地面上，也是矿井的重要耗电设备。所以对主要通风机的选用，必须从安全、技术、
11、经济等方面进行综合考虑。（2）辅助通风机 用来帮助矿井主要通风机对一翼或一个较大区域克服通风阻力，增加风量的通风机，称为主要通风机的辅助通风机。辅助通风机大多安装在井下，目前已很少使用。（3）局部通风机 为满足井下某一局部地点通风需要而使用的通风机，称为局部通风机。局部通风机主要用作井巷掘进通风，将在后续章节中讨论。本章重点讨论主要通风机。矿用主要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两大类，其中轴流式通风机又可分为普通式和对旋式两种。一、离心式通风机图4-2-1是离心式通风机的构造及其在矿井通风井口安装作抽出式通风的示意图。离心式通风机主要由动轮（工作轮）、蜗壳体、主
12、轴、锥形扩散器和电动机等部件构成。工作轮1是在两个圆盘间装有若干个叶片构成。它由主轴4带动旋转。主轴4两端分别由止推轴承5和径向轴承6支撑。这两个轴承由机架8支撑并和机座11固定。主轴4和电动机14通过齿轮连轴节9联接，形成直接传动。(也有用皮带传动的)，前导器7（有的通风机没有前导器）是用来调节风流进入主要通风机叶轮时的方向，以调节主要通风机所产生的风压和风量。要使主要通风机紧急停转时可由制动器10完成。通风机吸风口12与风硐15相连，通风机房13中通常设有能反映通风机工作状况的各种仪表和电力拖动装置等。 图4-2-1 离心式通风机的构造1-工作轮；2-蜗壳体；3-扩散器；4-主轴；5-止推
13、轴承；6-径向轴承；7-前导器；8-机架；9-联轴节；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，靠离心力作用（离心式通风机的命名由此而来），空气由吸风口12进入，经前导器进入叶轮的中心部分，然后折转90沿径向离开叶轮而流入机壳2中，再经扩散器3排出，空气经过主要通风机后获得能量，使出风侧的压力高于入风侧，造成了压差以克服井巷的通风阻力促使空气流动，达到了通风的目的。根据通风机的叶片角度的不同，离心式通风机可分为径向式、后倾式和前倾式三种，如图4-2-2，2为叶片出口的构造角，即为风流沿叶片移动的切线W2与圆周速度u2的夹角。对于径向式2为90
14、，后倾式2大于90，而前倾式的2则小于90。图4-2-2 离心式通风机叶轮（a）径向式 （b）后倾式 （c）前倾式W2空气沿叶片出口的相对速度；u2动轮外缘圆周速度；C2合速度；C2uC2的切向分量；C2mC2的径向分量后倾叶片的通风机效率高，所以，中低压大型主要通风机一般都为后倾叶片。小型离心式通风机，为便于制造，多为径向叶片。离心式通风机有单面吸风口与双面吸风口两种。增加吸风口的目的，在于增加主要通风机的风量。我国矿井使用的离心式风机主要有G4-73、K4-73 、Y4-73和4-72等系列，该类风机的特点是特性曲线较平缓、无驼峰、运行噪声较小、效率高，且具有启动功率较小等特点。运行时调节
15、门（前导器）可在070范围内调节，用以改变运行工况，还可通过配置不同转速的电机或电机调速来改变其运行工况，适应性较好。其中4-72系列离心式风机主要用于风量和通风阻力不是太大的中小型矿井。我国小型煤矿使用该系列风机较多，由于机型小，配置电机的容量也小，可配用380 V或660 V电压的电机，适用于低压供电的矿井。二、轴流式通风机图4-2-3是轴流式通风机的构造及其安装在出风口作抽出式通风的装置示意图。图4-2-3 轴流式通风机的构造1集风器；2前流线体；3前导器；4第一级工作轮；5中间整流器；6第二级工作轮；7后整流器；8环行或水泥扩散器；9机架；10电动机；11通风机房；12风硐；13导流板；14基础；15径向轴承；16止推轴承；17制动器；18齿轮联轴节
