第4章矿井通风动力

矿井通风和防护

通风动力

第四章

矿井通风动力

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第一节 自然风压 第二节 矿用通风机的类型及构造 第三节 通风机附属装置 第四节 通风机实际特性曲线 第五节 通风机工况点及其经济运行 第六节 通风机的联合运转

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1、上一章内容回顾 1)、 1)、上一章所讲的主要内容 风速在井巷断面上的分布、摩擦阻力定律及摩擦阻力的计算、 风速在井巷断面上的分布、摩擦阻力定律及摩擦阻力的计算、 摩擦阻力系数、摩擦风阻、尼古拉兹实验、 摩擦阻力系数、摩擦风阻、尼古拉兹实验、矿井局部阻力系数的计 算方法、矿井风阻特性曲线及画法、 算方法、矿井风阻特性曲线及画法、总风阻与等积孔的计算及降低 矿井通风阻力的措施。 矿井通风阻力的措施。 2)、 2)、能解决的实际问题 (1)判断井巷风流状态 判断井巷风流状态； (1)判断井巷风流状态； (2)摩擦阻力系数及摩擦风阻值的计算 摩擦阻力系数及摩擦风阻值的计算； (2)摩擦阻力系数及摩擦风阻值的计算； (3)矿井通风阻力计算问题 (3)矿井通风阻力计算问题 (4)降低矿井通风阻力的技术措施 (4)降低矿井通风阻力的技术措施

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2、本章的重点： 本章的重点： 1)自然风压的产生 计算、 自然风压的产生、 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 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 3)主要通风机的联合运转 4)主要通风机的合理工作范围 4)主要通风机的合理工作范围 本章的难点： 3、本章的难点： 1)自然风压的计算 自然风压的计算、 1)自然风压的计算、利用与控制 2)主要通风机的联合运转 2)主要通风机的联合运转 3)主要通风机的合理工作范围 3)主要通风机的合理工作范围 4、本章的思考题 1)烟囱为什么能够排烟？ 烟囱为什么能够排烟 1)烟囱为什么能够排烟？ 2)矿井主要通风机为什么要有反风装置？ 矿井主要通风机为什么要有反风装置 2)矿井主要通风机为什么要有反风装置？ 3)通风机为啥有个体特性曲线、类型曲线和通用特性曲线？ 通风机为啥有个体特性曲线 3)通风机为啥有个体特性曲线、类型曲线和通用特性曲线？ 4)矿井主要通风机工况点是静态的 还是动态 矿井主要通风机工况点是静态 动态的 为什么？ 4)矿井主要通风机工况点是静态的，还是动态的，为什么？ 5)轴流式通风机为什么会出现喘振现象？ 轴流式通风机为什么会出现喘振现象 5)轴流式通风机为什么会出现喘振现象？ 6)两台风机并联运行时矿井风量一定增大吗 6

)两台风机并联运行时矿井风量一定增大吗？ 两台风机并联运行时矿井风量一定增大河南理工大学 安全学院4/60

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概述通风动力两种：自然通风与 通风动力两种：自然通风与机械通风 风流在矿井中流动，新鲜空气进入，浑浊气体(乏风)排出， 风流在矿井中流动，新鲜空气进入，浑浊气体(乏风)排出，这都需要通 风动力，不论是自然风压还是机械通风机，这些都是通风动力。 风动力，不论是自然风压还是机械通风机，这些都是通风动力。 通风动力的发展情况总体上来说：纯自然风压→风箱、牛皮囊、水车→ 通风动力的发展情况总体上来说：纯自然风压→风箱、牛皮囊、水车→蒸 汽机→现在的通风机。 汽机→现在的通风机。 古代采煤，井深一般在20丈之内(50米)。(唐.李善对《魏都赋》的注中 古代采煤，井深一般在20丈之内(50米 。(唐 李善对《魏都赋》 20丈之内 讲明井深8 讲明井深8丈(约27米)),由于没有机械设备，通风动力人们就自发地利用 27米)),由于没有机械设备， 由于没有机械设备 自然风压。 自然风压。 最初采用是一个独眼井( 天工开物》中有记载) 首先是依靠井壁温度与 最初采用是一个独眼井(《天工开物》中有记载)。首先是依靠井壁温度与 大气温度(或燃火)不同造成空气流动来进行通风，后来井下有了通风回路， 大气温度(或燃火)不同造成空气流动来进行通风，后来井下有了通风回路，靠 进、出井口的高度来通风，这时也利用火炉(在回风井筒内),靠热动力来通 出井口的高度来通风，这时也利用火炉(在回风井筒内),靠热动力来通 来通风 利用火炉 ), 风，空气加热密度变轻上升，来产生空气流动。 空气加热密度变轻上升，来产生空气流动。

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概述随着开采深度的增加，通风阻力增大， 随着开采深度的增加，通风阻力增大，这时人们就采用井下多设置 火炉，就是提高温度，加快气流上升的动力。 火炉，就是提高温度，加快气流上升的动力。 自然风压利用到了极限后，仍不能满足开采用风时，开始利用水车、 自然风压利用到了极限后，仍不能满足开采用风时，开始利用水车、 风箱、风扇、牛皮囊等机械装置向矿井内压风。 风箱、风扇、牛皮囊等机械装置向矿井内压风。这标志着机械通风的开 始。 随着科学技术的发展，瓦特发明了蒸汽机， 随着科学技术的发展，瓦特发明了蒸汽机，真正意义上的机械通风开 始了瓦特。 始了瓦特。 虽然现在矿井要求必须进行机械通风，但自然风压是始终存在的， 虽然现在矿井要求必须进行

机械通风，但自然风压是始终存在的，任 何矿井中都不可避免自然风压， 何矿井中都不可避免自然风压，它在现代矿井通风中也起着很重要的作 用，。

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第一节一、 自然风压及其形成和计算1、自然风压与自然通风

自然风压

由自然因素作用而形成的通风叫自然通风。 自然因素作用而形成的通风叫自然通风。 作用而形成的通风叫自然通风 冬季：空气柱0 冬季：空气柱0-1-2比5-4-3的 平均温度较低， 平均温度较低，平均 空气密 度较大， 度较大，导致两空气柱作用 在2-3水平面上的重力不等。 水平面上的重力不等。 它使空气源源不断地从井 口1流入，从井口5流出。 流入，从井口5流出。 夏季：相反。 夏季：相反。

0 ρ2 dz 3

5 dz 4 z

1 ρ1 2

自然风压：在通风系统中，由于重力差引起的通风压力 就叫该系统的自然风压。 重力差引起的通风压力， 自然风压：在通风系统中，由于重力差引起的通风压力，就叫该系统的自然风压。 其大小等于作用在最低水平两侧空气柱重力差 作用在最低水平两侧空气柱重力差。 其大小等于作用在最低水平两侧空气柱重力差。

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2、自然风压的计算根据自然风压定义，自然风压是“势函数” 是一种势能， 根据自然风压定义 ， 自然风压是 “ 势函数 ” , 是一种势能 ， 因此要注意选取计算的参 考面， 考面，即0势位面，图所示系统的自然风压HN可用下式计算 ： 势位面，图所示系统的自然风压H

H N = ∫ ρ1 gdZ ∫ ρ 2 gdZ0 3

2

5

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ρm1和ρm2, 为了简化计算，一般采用测算出0 井巷中空气密度的平均值ρ 用其分别代替上式的ρ 则上式可写为： 用其分别代替上式的ρ1和ρ2,则上式可写为：

H N = Zg ( ρ m 1 ρ m 2 )在实际测量计算中，常取： 在实际测量计算中，常取：

0 ρ2 dz 3目录

5 dz 4 z

ρm =

ρ0 + L + ρnn

1 ρ1 2

注意： 注意：1)自然风压的计算必须取一闭合系统。 自然风压的计算必须取一闭合系统。 闭合系统 相同的标高 2)进风系统和回风系统必须取相同的标高。 进风系统和回风系统必须取相同的标高。 3)一般选取最低点作为基准面。 一般选取最低点作为基准面。 基准面

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二、 自然风压的影响因素及变化规律 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 影响自然风压的决定性因素是两侧空气柱的密度差， 两侧空气柱的密度差 温度T 大气压力P 气体常数R 又受温度 又受温度T、大气压力P、气

体常数R(气体常数 ，是一个只与气体的种 类有关， 和相对湿度φ 类有关，与气体所处的状态无关的一个物理量 )和相对湿度φ等因素 影响。因此，影响自然风压的因素可用下式表示： 影响。因此，影响自然风压的因素可用下式表示： =f(ρZ)=f[ρ(T,P,R,φ), HN=f(ρZ)=f[ρ(T,P,R,φ),Z] 1、温差：矿井某一回路中两侧空气柱的温差是影响HN的主要因素。 温差： 矿井某一回路中两侧空气柱的温差是影响H 的主要因素。 两侧空气柱的温差是影响 影响气温差的主要因素是地面入风流气温和风流与围岩的热交换 地面入风流气温和风流与围岩的热交换。 影响气温差的主要因素是地面入风流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、开采深度、地形、 影响程度随矿井的开拓方式、开采深度、地形、地质原因不同而有不 同的影响，在山区浅井，受地面温度影响大，深井偏小。 同的影响，在山区浅井，受地面温度影响大，深井偏小。

HN

月份 12 1 2 3 4 5 6 7 8河南理工大学 安全学院9/60

9 10 11 12目录

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二、 自然风压的影响因素及变化规律2、空气成分和湿度：它影响空气的密度，因而对自然风压也 空气成分和湿度：它影响空气的密度， 有一定影响，但影响较小。 有一定影响，但影响较小。 最高与最低点间的高差Z 3、井深：HN与矿井或回路最高与最低点间的高差Z成正比。 井深： 与矿井或回路最高与最低点间的高差 成正比。 4、主要通风机：主要通风机工作对自然风压的大小和方向也 主要通风机： 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， 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 主风流的方向 之风流与围岩的热交换， 回风井气温高于进风井， 之风流与围岩的热交换，使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， 以后， 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 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 气温差 压起作用。 起作用。

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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，也可能是事故的肇凶。因此， 自然风压既可作为矿井通风的动力，也可能是事故的肇凶。因此， 矿井通风的动力 事故的肇凶 研究自然风压的控制和利用具有重要意义。 研究自然风压的控制和利用具有重要意义。 新设计矿井在选择开拓方案、拟定通风系统时， 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。 用地形和当地气候特点。新井设计应尽量使自然风压全年的方向与机 械通风机方向一致。 械通风机方向一致。 2、根据自然风压的变化规律，应适时调整主通风机的工况点，使 根据自然风压的变化规律， 适时调整主通风机的工况点， 其既能满足矿井通风需要，又可节约电能。 其既能满足矿井通风需要，又可节约电能。 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 因地制宜和因时制宜利用自然风压通风， 3、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自然通风；在主副井与风井贯通之后， 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。 也可利用自然通风；有条件时还可利用钻孔构成回路。 4、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 利用自然风压做好非常时期通风。 非常时期通风 坏时，便可利用自然风压进行通风。 坏时，便可利用自然风压进行通风。

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通风动力 5、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 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， 自然风压作用造成某些巷道无风或反向而发生事故。 自然风压作用造成某些巷道无风或反向而发生事故。 如图是四川某矿因自然风压使风流反向示意图。 如图是四川某矿因自然风压使风流反向示意图。

c d a b′

f

e d RD Z RC b′

c

b

a

b

CEFA系统的自然风压为 系统的自然风压为： ABB’CEFA系统的自然风压为： CED系统的自然风压为 系统的自然风压为： DBB’CED系统的自然风压为： 抽风机(向外) 抽风机(向外)。

H NA = Zg ( ρCB' ρ AF )H ND = Zg ( ρCB' ρ BE )

自然风压与主要通风机作用方向相反。相当于在平硐口A和进风立井口D 自然风压与主要通风机作用方向相反。相当于在平硐口A和进风立井口D各安装一台

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CEFA可分别列出压力平衡方程 设AB风流停滞，对回路ABDEFA和ABB’CEFA可分别列出压力平衡方程： AB风流停滞，对回路ABDEFA和ABB CEFA可分别列出压力平衡方程： 风流停滞 ABDEFAH NA H ND = R D Q 2 H S H NA = R C Q 2

式中： 风机静压， 式中： HS—风机静压，Pa; 风机静压 Pa; DBB’C Q—DBB C风路风量，m3/S; DBB 风路风量， /S; 分别为DB RD、RC—分别为DB和BB C分支风阻，N·S2/m8。 分别为DB和BB’C分支风阻， S 两式相除： 两式相除：H NA

H ND RD = H S H NA RC

此即AB段风流停滞条件式。 此即AB段风流停滞条件式。 AB段风流停滞条件式 当上式变为H NA H ND R D > H S H NA RC AB段风流反向 段风流反向。 则AB段风流反向。

由此可知防止AB风路风流反向的措施有 加大R 由此可知防止AB风路风流反向的措施有：(1 ) 加大 RD ; (2 ) 增大 AB 风路风流反向的措施有： 点安装风机向巷道压风。 HS;(3)在A点安装风机向巷道压风。河南理工大学 安全学院13/60

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第二节

矿用通风机的类型及构造

矿井的通风动力主要是通风机，每个风井至少有2台主要通风机( 矿井的通风动力主要是通风机，每个风井至少有2台主要通风机(一台 使用、备用)一般功率都很大，其电耗一般为全矿的20%~25%, 使用、备用)一般功率都很大，其电耗一般为全矿的20%~25%,有的 20% 矿井甚至高达50%,原因是功率大效率低，平均只有52.79%。 矿井甚至高达50%,原因是功率大效率低，平均只有52.79%。 50% 52.79% 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(部分); 主要通风机，服务于全矿或矿井的某一翼(部分) 辅助通风机，服务于矿井网络的某一分支(采区或工作面) 2 、 辅助通风机， 服务于矿井网络的某一分支 ( 采区或工作面) , 帮助主通风机通风，以保证该分支风量；安全隐患，一般不用； 帮助主通风机通风，以保证该分支风量；安全隐患，一般不用； 3、局部通风机，服务于独头掘进井巷道等局部地区。 局部通风机，服务于独头掘进井巷道等局部地区。 按构造和工作原理可分为： 按构造和工作原理可分为： 离心式通风机和轴流式通风机。 离心式通风机和轴流式通风机。

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一、离心式通风机的构造和工作原理 风机构造。 1、 风机构造。 离心式通风机一般由：进风口、工作轮(叶轮) 离心式通风机一般由：进风口、工作轮(叶轮)、螺 等部分组成。 形机壳和前导器等部分组成 形机壳和前导器等部分组成。 吸风口有 单吸和双吸两种。 吸风口有：单吸和双吸两种。在相同的条件下双吸风 两种 机叶( 轮宽度是单吸风机的两倍 两倍。 机叶(动)轮宽度是单吸风机的两倍。 前导器(有些通风机无前导器),使进入叶(动)轮的气 前导器(有些通风机无前导器) 使进入叶( 流发生预旋绕，以达到调节性能之目的。 流发生预旋绕，以达到调节性能之目的。 叶轮是唯一的旋转部件 是唯一的旋转部件。 叶轮是唯一的旋转部件。

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通风

动力

叶片出口构造角：风流相对速度W 的方向与圆周速度u 叶片出口构造角：风流相对速度W2的方向与圆周速度u2的反方向夹角 称为叶片出口构造角， 表示。 称为叶片出口构造角，以β2表示。 叶片出口构造角 w2 w2 c2 β2 β2 u2 c2u c2u2 w2

c2u2

β2

离心式风机可分为：前倾式( >90º) 径向式( =90º) 离心式风机可分为：前倾式(β2>90 )、径向式(β2=90 )和后倾式 <90º)三种。 (β2<90 )三种。 不同，通风机的性能也不同。矿用离心式风机多为后倾式。 β2不同，通风机的性能也不同。矿用离心式风机多为后倾式。

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2、工作原理 当电机通过传动装置带动叶轮旋转时，叶片流道间的空气随叶片旋转而旋转， 当电机通过传动装置带动叶轮旋转时，叶片流道间的空气随叶片旋转而旋转 ， 获得离心力。经叶端被抛出叶轮，进入机壳。在机壳内速度逐渐减小 压力升高， 速度逐渐减小， 获得离心力。经叶端被抛出叶轮，进入机壳。在机壳内速度逐渐减小，压力升高， 离心力 然后经扩散器排出。与此同时，在叶片入口(叶根)形成较低的压力( 然后经扩散器排出。与此同时，在叶片入口(叶根)形成较低的压力(低于进风 口压力) 于是，进风口的风流便在此压差的作用下流入叶道，自叶根流入， 口压力),于是，进风口的风流便在此压差的作用下流入叶道，自叶根流入，在 叶端流出，如此源源不断，形成连续的流动。 叶端流出，如此源源不断，形成连续的流动。 3、常用型号 目前我国煤矿使用的离心式风机主要有G 73、 73型和 型和K 73型 目前我国煤矿使用的离心式风机主要有G4-73、4-73型和K4-73型等。这些品种 通风机具有规格齐全、效率高和噪声低等特点。 通风机具有规格齐全、效率高和噪声低等特点。 型号参数的含义举例说明如下： 型号参数的含义举例说明如下： G代表通风机的用途， 代表通风机的用途，K表示 矿用通风机， 矿用通风机，G代表鼓风机 表示通风机在最高效率点时 全压系数10 10倍化整 全压系数10倍化整 表示通风机比转速(n 表示通风机比转速(ns)化整

4 —

73 —

1

1

№

25

D表示传动方式 通风机叶轮直径(25dm) 通风机叶轮直径(25dm)

设计序号( 表示第一次设计) 设计序号(1表示第一次设计) 表示进风口数, 为单吸, 表示进风口数,1为单吸,0为双吸

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二、轴流式风机的构造和工作原理1、风机构造 主要由进风口、叶轮、整流器、风筒、扩散(芯筒)器和传动部件 主要由进风口、叶轮、整流器、风筒、扩散(芯筒)器和传动部件 进风口 等部分组

成。叶轮有一级 二级两种 一级和 等部分组成。叶轮有一级和二级两种

2、工作原理 特点：在轴流式风机中，风流流动的特点是，当动轮转动时， (1)特点：在轴流式风机中，风流流动的特点是，当动轮转动时，气 流沿等半径的圆柱面旋绕流出。 半径的圆柱面旋绕流出 流沿等半径的圆柱面旋绕流出。河南理工大学 安全学院18/60

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(2)叶片安装角 在叶片迎风侧作一外切线称为弦线。弦线与动轮旋转方向(u)的夹角称 在叶片迎风侧作一外切线称为弦线。弦线与动轮旋转方向(u)的夹角称 弦线 为叶片安装角，以θ表示。 叶片安装角， 表示。 uθ

可根据需要在规定范围内调整。但每个动轮上的叶片安装角θ必需保 可根据需要在规定范围内调整。但每个动轮上的叶片安装角θ 叶片安装角 持一致。 持一致。 (3)工作原理 当动轮旋转时，翼栅即以圆周速度u 移动。 当动轮旋转时，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 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， 静压降低 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， 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， 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。 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。河南理工大学 安全学院19/60

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