下载文档原格式
第二章矿井空气流动基本理论（第一、二节 3学时）1.上次课内容回顾（5-10min）1-1.上次课所讲的主要内容。
矿井空气成分，矿井空气中主要成分的质量（浓度）标准、矿井中有毒、有害气体的基本性质和危害性及安全浓度标准。
矿井气候条件平衡量指标（干球温度、湿球温度、等效温度、同感温度、卡他度）。
1.2、能解决的实际问题。
（1）要保证作业人员健康，井下空气质量和数量的最低要求；（2）矿井空气中氧气（O2），二氧化碳（CO2）的浓度要求；（3）各种有害气体的危害性与最高允许浓度标准；（4）矿井气候条件衡量方法与指标，保证有一个舒适的作业环境。
2.本节课内容的引入（5min）2.1、本节课讨论的内容与上次课内容的关联。
2.2、本节课讨论的内容空气的主要物理参数，空气密度的测算，空气流动过程中的能量及其能量的变化，风流点压力及其相互关系。
2.3、思考题（1）一年中冬季还是夏季大气压力大？一天中哪个时间大气压力最小？（2）温度与压力相同时，干空气密度大还是湿空气密度大？（3）为什么位能不能用仪器进行直接测量？（4）测定风流点压力时，水柱计放置的位置对测值有影响吗？3.课堂讲述与讨论（100-110min）矿井空气流动的基本理论主要研究矿井空气沿井巷流动过程中宏观力学参数的变化规律以及能量的转换关系。
第一节空气主要物理参数与矿井通风密切相关的空气物理性质有：温度、压力(压强)、密度、比容、重度、粘性、湿度、焓等。
正确理解和掌握空气的主要物理性质是学习矿井通风的基础。
一、温度温度是描述物体冷热状态的物理量。
测量温度的标尺简称温标。
国际单位为：热力学温标，其单位为K (kelvin),用符号T来表示，热力学温标规定纯水三相态点温度（汽、液、固三相平衡态时的温度）为基本定点，定义为273.15K，每1K为三相点温度的1/273.15。
常用的摄氏温标为实用温标，用t表示，单位为摄氏度℃，摄氏温标的每1℃与热力学温标的每1K完全相同，它们之间的关系为：T=273.15+t温度是矿井表征气候条件的主要参数，《规程》规定：生产矿井采掘工作面的空气温度不得超过26℃，机电硐室的空气温度不得超过30℃。
安全专篇矿井通风宁夏枣泉煤矿初步设计安全专篇第二章矿井通风第二章矿井通风第一节概况一、瓦斯、煤尘、自燃、地温（一）瓦斯根据《枣泉井田勘探（精查）地质报告》（1989），本矿井各煤层瓦斯成分以氮气(n2)为主，次为二氧化碳(co2)。
甲烷（ch4）和重烃(c2-c4)含量均较少。
瓦斯分带除2、14煤各有一个点可划为氮气―沼气带外，其它煤层均为二氧化碳―氮气带，均属瓦斯风化带。
在每层煤中，总瓦斯含量的最大值为0.188m3/t（16煤），最小值为0.036m3/t（5煤），一般为0.044~0.104m3/t。
除1、3、5、8、9、12和16煤层外，所有煤层的CH4含量为0.003~0.041m3/t。
与北部磁窑铺煤矿瓦斯含量相同，属低瓦斯煤层。
从磁窑堡生产矿井看，开采2煤时相对瓦斯涌出量为2.73m3/t，最高达2.88m3/t，属低瓦斯矿井。
根据地质报告和相邻矿井瓦斯条件，+950m水平瓦斯涌出量最大计算数据为：煤层瓦斯含量：0.188m3/t；矿井瓦斯绝对排放量：6.35m3/min；矿井相对瓦斯涌出量：0.549m3/t。
因此，结合计算结果并参照邻近矿井情况，本矿井亦按低瓦斯矿井设计。
（二）煤尘中煤国际工程集团武汉设计研究院2-1宁夏枣泉煤矿初步设计安全专篇第二章矿井通风井田内各煤层的煤尘爆炸指数（Vdaf）一般为29~35%。
其中1煤32.84%，2煤30.86%～38.52%，平均34.17%。
爆炸火焰长度一般大于317~400mm，防止煤尘爆炸所需的石粉量一般为60~70%。
每层煤尘都具有爆炸性。
（三）煤的自燃井田各煤层原煤燃点较低，为271~314℃，煤的自燃倾向性等级较低△ TL~3℃。
除L6煤层外，其余煤层均在40余层，易自燃。
（四）地温矿区温度值偏高，7号以上煤层不存在地温问题，7、8、12、14号煤层存在不同程度的地温问题。
地面温度对矿山的初始开采没有影响。
二、瓦斯及地温变化预测伊达煤层的胶凝程度较低，成煤过程中形成了大量的裂隙、节理和孔隙。
第三节 通风能量方程当空气在井巷中流动时，将会受到通风阻力的作用，消耗其能量；为保证空气连续不断地流动，就必须有通风动力对空气做功，使得通风阻力和通风动力相平衡。
空气在其流动过程中，由于自身的因素和流动环境的综合影响，空气的压力、能量和其他状态参数沿程将发生变化。
一、空气流动的连续性方程质量守恒是自然界中基本的客观规律之一。
根据质量守恒定律：对于稳定流(流动参数不随时间变化的流动称之稳定流)，流入某空间的流体质量必然等于流出其空间的流体质量。
风流在井巷中的流动可以看作是稳定流，当空气在图2－18的井巷中从1断面流向2断面，且做定常流动时(即在流动过程中不漏风又无补给)，则两个过流断面的空气质量流量相等，即：222111S S υρυρ＝ (2－16)式中 ρ1 ，ρ2―1，2断面上空气的平均密度，kg/m 3；υ1 ，υ2―1，2断面上空气的平均流速，m/s ； S 1 ，S 2 ―1，2断面的断面积，m 2。
任一过流断面的质量流量为M i (kg/s)，则：M i ＝ const (2－17)这就是空气流动的连续性方程，它适用于可压缩和不可压缩流体。
对于可压缩流体，根据式(2－16)，当S 1＝S 2时， 空气的密度与其流速成反比，也就是流速大的断面上的密度比流速小的断面上的密度要小。
图2－18 一元稳定流连续性对于不可压缩流体(密度为常数)，则通过任一断面的体积流量Q(m 3/s)相等，即：const s Q i i ==υ (2－18)井巷断面上风流平均流速与过流断面面积成反比。
即在流量一定的条件下，空气在断面大的地方流速小，在断面小的地方流速大。
空气流动的连续性方程为井巷风量的测算提供了理论依据。
[例2—3] 风流在如图2－18的井巷中的由断面1流至断面2时，已知S 1＝10m 2 ，S 2=8m 2，υ1＝3m/s ，1、2断面的空气密度为：ρ1＝1.18kg/m 3， ρ2＝1.20kg/m 3，求：①1、2断面上通过的质量流量M 1、M 2；②1、2断面上通过的体积流量Q 1、Q 2；③2断面上的平均流速。
2. 在压入式通风管道中，风流的相对静压在什么情况下能出现负值？在抽出式通风管道中，相对静压能否出现正值？答：在压入式通风管道中，相对全压大于零，所以当风流的相对静压绝对值小于动压绝对值时相对静压有能出现负值；在抽出式通风管道中，相对静压可以出现正值。
4. 紊流扩散系数的概念。
答：紊流扩散系数,靠近出口dd 处定量核心断面炮烟的平均浓度与硐室炮烟的平均浓度的比值。
如下图2-17所示紊流扩散系数 K=c ′cc ′: 靠近出口dd 处定量核心断面炮烟的平均浓度 c : 硐室炮烟的平均浓度5. 某矿井地表大气压力p a =101559 Pa ，矿井深度每增加100m 时，大气压力递增率为1306 Pa ，求井下-400m 处大气压力为多少？若该处气温t =18℃，求空气密度为多少？ 解：P -400=p a +4∗1306=106783Pa ρ=3.45P −400T= 3.45*106783/291 =1.27kg/m 39. 某通风管道如图2-3所示，测得12=18 mm H O h ，32=12 mm H O h ，空气密度31.2 kg/m ρ=，求所测中心点的风速并判断其通风方式。
图2-3解：全压ℎt =18×9.8 Pa； 静压ℎs =12×9.8 pa动压ℎv =ℎt −ℎs =6×9.8=58.8Pa 由动压212v h v ρ=可知：v =√2ℎvρ=√2×58.81.2=9.9 m/s10. 用皮托管和U 型管压差计测得某通风管道中压力的结果分别如图2-4所示，单位为2mm H O ，问静压、动压、全压各为多少？123判断其通风方式。
解：A. 压入式通风 ℎs =−10 mmH 2O ℎv =40 mmH 2O ℎt =30 mmH 2OB. 压入式通风 ℎs =5 mmH 2O ℎv =15 mmH 2O ℎt =20 mmH 2OC. 抽出式通风 ℎs =−10 mmH 2O ℎv =−20 mmH 2O ℎt =−30 mmH 2OD. 压入式通风 ℎs =30 mmH 2O ℎv =10 mmH 2O ℎt =40 mmH 2O13. 若梯形巷道断面分别为4、9、16㎡，空气运动粘性系数621510 m /s ν−=⨯。
2第二章矿井通风第二章矿井通风第一节概况一、井田瓦斯、粉尘、煤与瓦斯突出及地温根据井田精查地质报告，主采煤层瓦斯含量最大值为4.17～8.86m3/t·r，13-1煤层为6.05m3/t·r，矿井东翼瓦斯略小于西翼，13-1煤层东翼-762m处瓦斯含量约5.0m3/t·r，西翼为6.0m3/t·r，与邻近矿井相比，其一水平瓦斯含量明显偏小；谢桥矿井一水平瓦斯含量约为8.0m3/t·r，潘三约为11m3/t·r，潘一约为14m3/t·r。
由于本矿井较邻近矿井深，所以，本矿井瓦斯梯度较小，按精查报告给出的瓦斯含量与深度关系式，13-1煤层瓦斯含量梯度为1.0m3/t·r·hm左右。
矿井建设过程中，建设单位与煤炭科学总院抚顺分院合作进行了13-1煤层瓦斯突出危险性预测，预测本矿井13-1煤层为具有煤与瓦斯突出危险煤层，本矿井为突出矿井。
因此，本矿井按煤与瓦斯突出矿井进行设计。
经煤炭科学总院抚顺分院实测，西区首采区-700m处13-1煤层瓦斯含量为4.91m3/t。
矿井各可采煤层的煤尘具有强爆炸性；煤的自燃倾向为容易自燃～自燃。
主要可采煤层均具有自燃倾向，自然发火期一般为3～6个月，实际生产的邻近矿井其最短发火期为20天左右。
井田恒温带深度为30m，温度为16.8℃，-750m处各煤层温度为37.5～40.1℃，平均38.6℃，-762m各煤层平均温度为38.9℃。
上部煤层温度小于下部煤层。
二、矿井深部瓦斯、地温预测和依据根据地质精查报告提供的主采煤层瓦斯含量与埋深关系式和瓦斯含量等值线图，瓦斯含量随深度增加而增加，瓦斯含量梯度0.6～1.56m3/t·r·hm。
精查地质报告提供了各煤层地温与埋藏深度的回归关系式，根据关系式预计各煤层-900m处岩温为41.3～43.1℃，平均为41.96℃；本井田上部煤层岩温小于下部煤层，另外，岩温梯度大于3℃/hm的钻孔多分布在矿井北部。
第二节矿井通风一、通风方式和通风系统1．煤层开采技术条件及矿井开拓方式本井田东西走向长约16.0km，南北倾斜宽3.5～8.0km，面积约82km2，可采煤层13层，可采总厚27.58m，主采13-1、11-2、8、5和1煤层，累厚18.51m。
矿井地质储量1560.56Mt，工业储量1400.92Mt，全矿井可采储量679.406Mt，其中548.022Mt适于综采。
煤层倾角3～20°，主采煤层平均厚度2.54～4.24m。
东区13-1煤层首采块段赋存稳定，煤厚4.01m，瓦斯含量2～5m3/t，走向长2600～2900m，倾斜宽900～1000m，经精查和地面三维地震勘探，构造简单，顶底板岩性以泥岩、砂质泥岩为主。
西区13-1煤层首采块段煤层厚度平均约4.95m，倾角8°左右，走向长度1400～2000m，倾斜宽1900～2100；顶、底板以泥岩和砂质泥岩为主，顶板类别属Ⅱ1～Ⅲ2，底板属Ⅲa～Ⅳ，开采条件与矿井东区首采区条件类似。
东区采用走向长壁布置，采区内布置3条上山；西区首采区采用倾斜长壁布置，轨道大巷和胶带机大巷布置在13-1煤层底板，回风大巷布置在13-1煤层中。
矿井生产能力为8.0Mt/a，达产时移交东二（13-1）采区和西三（13-1）采区，配备2个13-1综采工作面和14个掘进工作面。
全井田东区划分为一个水平，西区划分为两个水平，矿井一水平标高-762m，西区二水平标高暂定为-900m，均采用上、下山开采。
矿井采用立井、集中大巷、分区开拓、分区通风、集中出煤的开拓方式，先期开发东区，目前东区已经投产，西区正在准备。
2．通风方式矿井通风方式为全负压机械抽出式通风。
3．通风系统矿井采用分区通风系统，东、西区通风系统相对独立，东、西区之间以轨道和胶带机大巷相连。
东区工业场地内设主井、副井、矸石井和中央回风井4个井筒，主、副、矸石井进风，东风井回风，区内采用中央并列式通风系统。
后期，东翼边界增设东回风井，矿井通风系统为混合式。
西区工业场地内设西区进风井和回风井共2个井筒，区内为中央并列式通风系统。
达产时矿井东区新鲜风流从副井、主井、矸石井至-762m井底车场，经-762m中央轨道石门（中央胶带机斜巷）到达采区下部车场（采区石门、分组大巷），再经采区轨道、胶带机上山到达区段中部车场，最后经胶带机顺槽到达回采工作面；回风流经轨道顺槽进入采区回风上山、采区回风石门及东区总回风石门至中央回风井，由东区扇风机抽至地面。
矿井西区新鲜风流主要从西进风井至西区井底车场，部分经东区3个进风井进入-762m井底车场，经东、西区之间的轨道和胶带机大巷进入西区井底车场。
两路风流经轨道石门和胶带机石门进入西三轨道和胶带机大巷，经采区车场至胶带机顺槽抵达回采工作面，工作面乏风经轨道顺槽进入西三回风大巷，再经西区回风石门到达回风井井底，经西回风井由西区扇风机抽至地面。
采区内部采取后退式回采，回采面准备方式为沿空掘巷，工作面通风方式为“U”型。
矿井达产时通风系统见图2-2-1。
东区风井通风困难时期通风系统见图2-2-2，西区风井通风困难时期通风系统见图2-2-3。
二、风井数目、位置、服务范围及时间本矿井采用分区开拓、分区通风方式。
首先开发东区，并在工业场地内设主井、副井、矸石井和东区回风井共4个井筒。
进风井为全矿井服务，东区回风井服务范围为东一、东二采区及东三（11-2）和东三（13-1）采区。
其最长通风距离约14.3km，最大通风阻力达3603Pa；在矿井投产第16年即东三（7-2～8）采区投产时，东回风井投入使用。
矿井东区前、后期共设3进2回计5个井筒。
西区设1个进风井和1个回风井，西区进风井主要承担西区进风任务（东区主、副、矸石井为西区进部分风），西区回风井担负西区回风任务。
经计算2个井筒可满足西区前、后期生产时的通风要求，后期根据井下开采条件变化，可结合矿井实际通风状况再确定是否增开西翼边界风井，全矿井后期井筒数目暂定为7个。
各井筒服务时间直到矿井报废。
东区回风井主要通风机使用寿命内，通风容易时期服务范围为东一、东二和东三（11-2）采区，服务时间为东区投产至10年，通风困难时期服务范围为东三（13-1）下采区和东三（11-2）下采区，服务时间为东区投产11年至16年。
东三（7-2～8）采区投产时，东回风井投入使用，东区回风井进入通风容易时期。
西区回风井主要通风机使用寿命内，通风容易时期服务范围为西一、西二和西三采区，服务时间为西区投产至20年，通风困难时期服务范围为西四采区，服务时间为西区投产20年至25年。
三、采掘工作面及硐室通风回采工作面采用“U”型通风；掘进工作面采用压入式通风。
井下爆破材料库、中央水泵房及变电所、充电整流硐室等均采用独立通风。
各采区变电所、绞车房等采区机电硐室采用独立通风，设计无任何2个工作面之间串联通风。
四、井下通风设施及构筑物布置因矿井各用风地点在网络分支中的压力相差较大，为确保矿井各地点有足够的风量，达到安全生产的目的，需在井下相应地点设置必要的通风设施：1．反风设施：在进、回风巷之间及采区有关巷道内设两道正向、两道反向风门。
2．永久密闭墙和永久风门：在长期不用的联络巷设置挡风墙，通向采空区的巷道内设置永久密闭墙；在部分用于行人、运输的巷道内设置永久风门。
3．临时风门：在服务时间短的调风地点等处设置临时风门。
4．调节风门和调节风窗：在爆破材料库、采区变电所、联络巷等处设置调节风门或调节风窗。
五、安全逃生途径1．矿井安全出口设置和保证措施矿井东区工业场地设有4个井筒，副井和矸石井均设玻璃钢梯子间，作为矿井2个安全出口，2个井筒相距120m，大于《煤矿安全规程》规定不小于30m的要求，梯子角度80°，相邻2个平台间距4.0m。
在开采东三（7-2～8）采区时，投入运行东风井，在东风井中装备梯子间，作为边界安全出口。
西区设1进1回2个井筒，在西区进风井井筒内装备玻璃钢梯子间，作为西区的安全出口。
各采区设3条大巷（上、下山），均与顺槽相通，可通行人员，采区安全出口2个以上。
2．井下避灾线路井下发生事故时，人员撤离路线一般按就近进入新鲜风流为原则。
（1）发生火灾时，灾区人员以尽快进入新鲜风区域为原则，必要时戴上自救器撤离至无危险区。
（2）发生瓦斯、煤尘爆炸事故时，灾区人员必须立即戴上自救器，由熟悉线路人员带路，尽可能穿过灾区，当巷道遭受严重破坏难以穿过时，可选择在避难硐室或有压风、有供水管路的巷道内等待救援，并尽可能向外界传递信号。
（3）发生水灾时，人员应向地势高的、能通往外界的巷道转移。
视灾害类型及地点不同，井下避灾路线及图纸应根据巷道变化情况，在采掘技术措施中详细确定。
在矿井灾防计划中要标明避灾路线。
达产时井下避灾路线见图2-2-4。
六、通风设备及反风1．矿井前、后期风量，最大、最小负压矿井生产能力为8.0Mt/a，达产时布置2个回采面24个掘进面，回采面配风量43~45m3/s，掘进面风量10～20m3/s，计算总风量为550m3/s，其中东区风井风量为290m3/s，西区风井风量为260m3/s。
东区风井通风困难时期回采工作面和掘进工作面个数分别为2个和14个，风量为335m3/s；西区风井通风困难时期回采面和掘进面个数分别为2个和10个，风量为306m3/s。
2．通风设备及反风（1）东区风井通风设备校核1）设备现状东区回风井扇风机房已安装两台ANN-2884/1400N型轴流式风机，配同步电机为TK2000-6/1430型、2000kW、1000r/min、10kV。
2）设备校核计算东区回风井风量、负压计算见表2-2-1。
风机风量、负压计算结果表2-2-1地点生产期计算风量（m3/s）计算负压（Pa）东区回风井矿井达产时319 2280 通风困难时368.5 3903计算公式Q=K·Qk式中：K——通风设备漏风系数，取1.1。
Qk——矿井所需要风量。
H=H k+△H式中：H k——矿井通风阻力。
△H——风井至调节闸门处的阻力损失。
中央区达产时取200Pa，困难时期取300。
东区回风井达产时和通风困难时期的风机运行工况点及网络特性曲线见图2-2-5。
电动机功率计算表2-2-2。
电动机功率计算表表2-2-2地点生产期轴功率（kW）东区回风井矿井达产时990 通风困难时1747实选电动机型号中央区回风井安装TK2000-6/1430型2000kW、10kV同步电动机2台计算公式P=·bmmmHQηη×10-3式中：Q m、H m——工况点的风量负压。
ηm——工况点装置效率。
ηb——传动效率，取0.98。
