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矿井通风与安全课程设计

矿井通风与安全

课程设计

设计人：

周桐

学号：

3

指导老师：

郭金明

前言

《矿井通风》设计是学完《矿井通风》课程后进行，是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。

通过课程设计使学生获得以下几个方面能力，为毕业设计打下基础。

1、进一步巩固和加深我们所学矿井通风理论知识，培养我们设计计算、工程绘图、计算机应用、文献查阅、运用标准与规范、报告撰写等基本技能。

2、培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际的能力。

3、培养学生创新意识、严肃认真的治学态度和理论联系实际的工作作风。

依照老师精心设计的题目，按照大纲的要求进行，要求我们在规定的时间内独立完成计算，绘图及编写说明书等全部工作。

设计中要求严格遵守和认真贯彻《煤炭工业设计政策》、《煤矿安全规程》、《煤矿工业矿井设计规范》以及国家制定的其它有关煤炭工业的方针政策，设计力争做到分析论证清楚，论据确凿，并积极采用切实可行的先进技术，力争使自己的设计达到较高水平，但由于本人水平有限，难免有疏漏和错误之处，敬请老师指正。

（一）矿井基本概况

1、煤层地质概况单一煤层，倾角25°，煤层厚4m，相对瓦斯涌出量为13m3/t,煤尘有爆炸危险。

2、井田范围设计第一水平深度240m，走向长度7200m，双翼开采，每翼长3600m。

3、矿井生产任务设计年产量为0.6Mt，矿井第一水平服务年限为23a。

4、矿井开拓与开采用竖井主要石门开拓，在底板开围岩平巷，其开拓系统如图1-1所示。

拟采用两翼对角式通风，在7、8两采区中央上部边界开回风井，其采区划分见图1-2。

采区巷道布置见图1-3。

全矿井有2个采区同时生产，分上、下分层开采，共有4个采煤工作面，1个备用工作面。

为准备采煤有4条煤巷掘进，采用4台局部通风机通风，不与采煤工作面串联。

井下同时工作的最多人数为380人。

回采工作面最多人数为38人，温度t=20℃，瓦斯绝对涌出量为3.2m3/min,放炮破煤，一次爆破最大炸药量为2.4kg。

有1个大型火药库，独立回风。

附表1-1井巷尺寸及其支护情况

区段

井巷名称

井巷特征及支护情况

巷长

m

断面积

m2

1~2

副井

两个罐笼，有梯子间，风井直径D=5m

240

2~3

主要运输石门

三心拱，混凝土碹，壁面抹浆

120

9.5

3~4

主要运输石门

三心拱，混凝土碹，壁面抹浆

80

9.5

4~5

主要运输巷

三心拱，混凝土碹，壁面抹浆

450

7.0

5~6

运输机上山

梯形水泥棚

135

7.0

6~7

运输机上山

梯形水泥棚

135

7.0

7~8

运输机顺槽

梯形木支架d=22cm，Δ=2

420

4.8

8~9

联络眼

梯形木支架d=18cm，Δ=4

30

4.0

9~10

上分层顺槽

梯形木支架d=22cm，Δ=2

80

4.8

10~11

采煤工作面

采高2m控顶距2~4m，单体液压，机采

110

6.0

11~12

上分层顺槽

梯形木支架d=22cm，Δ=2

80

4.8

12~13

联络眼

梯形木支架d=18cm，Δ=4

30

4.0

13~14

回风顺槽

梯形木支架d=22cm，Δ=2

420

4.8

14~15

回风石门

梯形水泥棚

30

7.5

15~16

主要回风道

三心拱，混凝土碹，壁面抹浆

2700

7.5

16~17

回风井

混凝土碹（不平滑），风井直径D=4m

70

（二）拟定矿井通风系统

矿井开拓采用立井开拓方式，矿井通风采用两翼对角式通风方式。

矿井主要进风井为位于井田中央的副井，矿井主要回风井位于第七采区和第八采区的上部边界。

矿井主要通风机采用抽出式通风方式。

大巷位置位于负240米处石门揭煤地带的岩石巷道中。

在第一采区有一个备用工作面，一个采煤工作面，两个掘进工作面，在第二采区有两个采煤工作面，两个掘进工作面所以矿井总共有4个采煤工作面，4个掘进工作面。

回采工作的采煤方法采用单一走向长壁采煤法，采煤工作面推进方向采用后退式。

（三）矿井总风量计算与分配

一、矿井需风量计算原则

（1）矿井需风量应按照“由里往外”的计算原则，由采、掘工作面、硐室和其他用风地点的实际最大需风量总和，再考虑一定的备用风量系数后，计算出矿井总风量。

（2）按该用风地点同时工作的最多人数计算，每人每分钟供给风量不得少于4m3。

（3）按该用风地点风流中的瓦斯、二氧化碳和其他有害气体浓度、风速以及温度等都符合《规程》的有关规定分别计算，取其最大值。

二、矿井需风量的计算方法

矿井需风量按以下方法计算，并取其中最大值。

（1）按进下同时工作的最多人数计算

Q矿=4NK

=4×380×1.15

=1748m3/min

式中Q矿——矿井总需风量，m3/min

N——井下同时工作的最多人数，人；

4——矿井通风系数，包括矿井内部漏风和分配不均等因素。

采用压入式和中央并列式通风时，可取1.20~1.25;采用对角式或区域式通风时，可取1.10~1.15。

上述备用系数在矿井产量T≧0.90Mt/a时取大值。

（2）按采煤、掘进、硐室等处实际需风量计算

采煤工作面需风量计算

采煤工作面的需风量应按下列因素分别计算，并取其中最大值。

1、按瓦斯（二氧化碳）涌出量计算：

Q采=100Q瓦K瓦

=100×3.2×1.6

=512m3/min

式中Q采——采煤工作需要风量，m3/min；

Q瓦——采煤工作面瓦斯（二氧化碳）绝对涌出量，m3/min；

K瓦——采煤工作面因瓦斯（二氧化碳）涌出量不均匀的备用风量系数，即该工作面炮采工作面可取1.4~2.0;水采工作面可取2.0~3.0。

生产矿井可根据各个工作面正常生产条件时，至少进行五昼夜的观测，得出五个比值，取其最大值。

2、按工作面进风流温度计算；采煤工作面应有良好的气候条件，其进风流温度可根据风流温度预测方法进行计算。

其气温与风速应符合表1的要求

表3-1采煤工作面空气温度与风速对应表

采煤工作面进风流气温/℃

采煤工作面风速/（m/s）

＜15

15~18

18~20

20~23

23~26

0.3~0.5

0.5~0.8

0.8~1.0

1.0~1.5

1.5~1.8

采煤工作面的需风量按下式计算：

Q采=60v采S采K采，m3/min

=60×1.0×6×1

=360m3/min

式中v采——采煤工作面适宜风速，m/s

S采——采煤工作面平均有效断面积，㎡，按最大和最小控顶有效断面积的平均值计算；

K采——采煤工作面长度风最系数，按表2先取

表3-2采煤工作面长度风量系数表

采煤工作面长度/m

工作面长度风量系数

﹤50

50~80

80~120

120~150

150~180

﹥180

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.30~1.40

3、按炸药使用量计算：

Q采=25A采，m3/min

=25×2.4

=60m3/min

式中25——每使用1kg炸药的供风量，m3/min

A采——采煤工作面一次爆破使用的最大炸药量，kg

4、按工作人员数量计算：

Q采=4n采，m3/min

=4×38=152m3/min

式中4——每人每分钟供给的最低风量，m3/min

n采——采煤工作面同时工作的最多人数，人。

5、按风速验算：

按最低风速验算各个采煤工作面的最小风量：

Q采≧60×0.25S采，m3/min

=60×0.25×6

=90m3/min

按最高风速验算各个采煤工作面的最大风量：

Q采≦60×4S采，m3/min

=60×4×6

=1440m3/min

掘进工作面需风量计算

煤巷、半煤岩巷和岩巷掘进工作面的需风量，应按下列因素分别计算，取其最大值。

1、按瓦斯（二氧化碳）涌出量计算：

Q掘=100Q瓦K瓦

=100×1.2×2

=240m3/min

2、按炸药量使用最计算：

Q掘=25A掘，m3/min

=25×2.4

=60m3/min

3、按局部通风机吸风量计算：

Q掘=Q通IK通，m3/min

=200×1×1.3

=260m3/min

式中Q通——掘进工作面局部通风机额定风量（表3），

I——掘进工作面同时运转的局部通风机台数，台：

K通——防止局部通风机吸循球风的风量备用系数，一般取1.2~1.3,进风巷中无瓦斯涌出时取1.2，有瓦斯涌出时取1.3。

表3-3局部通风机额定风量Q通

风机型号

额定风量/（m3/min）

JBT-51（5.5KW）

JBT-52（11KW）

JBT-61（14KW）

JBT-62（28KW）

150

200

250

300

4、按工作人员数量计算：

Q掘=4n掘，m3/min

=4×15

=60m3/min

5、按风速进行验算；

岩巷掘进工作面的风量应满足：

60×0.15×S掘≦Q掘≦60×4×S掘

由上式得43.2m3/min≦Q掘≦1152m3/min

煤巷、半煤岩巷掘进工作面的风量应满足：

60×0.25×S掘≦Q掘≦60×4×S掘

=72m3/min≦Q掘≦1152m3/min

根据上面的计算掘进工作面的风量应取其最大值。

Q掘=260m3/min

72m3/min≦Q掘≦1152m3/min

所以，Q掘=260m3/min符合上述要求。

硐室需风量

各个独立通风的硐室供风量，应根据不同的硐室分别计算。

1、井下爆破材料库

按经验值计算，小型矿井一般80~100m3/min，大型矿井一般100~150m3/min。

2、充电硐室

通常充电硐室的供风量不得小于100m3/min。

3、机电硐室

采区小型机电硐室，可按经验值确定风量，一般为60~80m3/min。

表3-4机电硐室发热系数表

机电硐室名称

发热系数（

）

空气压缩机房

水泵房

变电所、绞车房

0.15~0.23

0.01~0.04

0.02~0.04

4、其它巷道需风量计算

新建矿井，其他用风巷道的总风量难以计算时，也可按采煤，掘进，硐室的需风量总和的3%~5%估算。

5、矿井总风量计算；

=4066m3/min。

通过计算所得；矿井总风量为4066m3/min

矿进总风量的分配

（1）分配原则

矿井总风量确定后，分配到各用风地点的风量，应不得低于其计算的需风量；所有巷道都应分配一定的风量；分配后的风量，应保证井下各处瓦斯及有害气体浓度、风速等满足《规程》的各项要求。

（2）分配的方法

首先按照采区布置图，对各采煤、掘进工作面、独立回风硐室按其需风量配给风量，余下的风量按采区产量、采掘工作面数目、硐室数目等分配到各采区，再按一定比例分配到其它用风地点，用以维护巷道和保证行人安全。

风量分配后，应对井下各通风巷道的风速进行验算，使其符合《规程》对风速的要求。

（四）矿井通风总阻力计算

一、矿井通风总阻力的计算原则

（1）如果矿井服务年限不长（10~20年），选择达到设计产量后通风容易和困难两个时期分别计算其通风阻力；若矿井服务年限较长（30~50年），只计算前15~25年通风容易和困难两个时期的通风阻力。

为此，必须先给出这两个时期的通风网络图。

（2）通风容易和通风困难两个时期总阻力的计算，应沿着这两个时期的最大通风阻力风路，分别计算各段井巷的通风阻力，然后累加起来，作为这两个时期的矿井通风总阻力。

最大通风阻力风路可根据风量和巷道参数（断面积、长度等）直接判断确定，不能直接确定时，应选几条可能最大的路线进行计算比较。

（3）矿井通风总阻力不应超过2940Pa

（4）矿井井巷的局部阻力，新建矿井（包括扩建矿井独立通风的扩建区）宜按井巷摩擦阻力的10%计算；扩建矿井宜按井巷摩擦阻力的15%计算。

二、矿井通风总阻力的计算方法

沿矿井通风容易和困难两个时期通风阻力最大的风路（入不敷出风井口到风硐之前），分别用下式计算各段井巷的磨擦阻力；

将各段井巷的磨擦阻力累加后并乘以考虑局部阻力的系数即为两个时期的井巷通风总阻力。

即

两个时期的摩擦阻力可按表4-1进行计算。

表4-1矿井通风（容易）时期井巷磨擦阻力计算表

节点序号

巷道名称

支护形式

α/（Ns2/m4）

L/m

U/m

S/m2

S3/m6

R/（Ns2/m8）

Q/（m3/s）

Q2/（m6/s2）

h摩/Pa

v/（m/s）

1

副井

两个罐笼，有梯子间，

0.0037

240

15.7

19.625

7558.38

0.001844522

67.7667

4592.33

8.47

3.45

2

主要运输石门

三心拱，混凝土碹，壁面抹浆

0.0034

120

11.87

9.5

857.38

0.005648557

64.7667

4194.73

23.69

6.82

3

主要运输石门

三心拱，混凝土碹，壁面抹浆

0.0034

80

11.87

9.5

857.38

0.003765705

63.1

3981.61

14.99

6.64

4

主要运输巷

三心拱，混凝土碹，壁面抹浆

0.0034

450

10.19

7

343

0.045453936

37.7001

1421.30

64.60

5.39

5

运输机上山

梯形水泥棚

0.01

135

11.01

7

343

0.043333819

37.7001

1421.30

61.59

5.39

6

运输机上山

梯形水泥棚

0.012

135

11.01

7

343

0.052000583

29.0335

842.94

43.83

4.15

7

运输机顺槽

梯形木支架d=22cm,△=2

0.0119

420

9.11

4.8

110.59

0.411716973

20.5002

420.26

173.03

4.27

8

联络眼

梯形木支架d=18cm,△=4

0.0158

30

8.32

4

64

0.06162

10.2501

105.06

6.47

2.56

9

上分层顺槽

梯形木支架d=22cm,△=2

0.0119

80

9.11

4.8

110.59

0.07842228

10.2501

105.06

8.24

2.14

10

采煤工作面

采高难度2m控顶距2-4m,单体液压，机采

0.047

110

9.55

6

216

0.228581019

10.2501

105.06

24.02

1.71

11

上分层顺槽

梯形木支架d=22cm,△=2

0.0119

80

9.11

4.8

110.59

0.07842228

10.2501

105.06

8.24

2.14

12

联络眼

梯形木支架d=18cm,△=4

0.0158

30

8.32

4

64

0.06162

10.2501

105.06

6.47

2.56

13

回风顺槽

梯形木支架d=22cm,△=2

0.0119

420

9.11

4.8

110.59

0.411716973

20.5002

420.26

173.03

4.27

14

回风石门

梯形水泥棚

0.01

30

11.39

7.5

421.88

0.00809946

42.3668

1794.95

14.54

5.65

15

主要回风道

三心拱，混凝土碹，壁面抹浆

0.0035

2700

10.54

7.5

421.88

0.236093202

42.3668

1794.95

423.77

5.65

16

回风井

混凝土碹（不平滑），风井直径d=4m

0.0039

70

12.56

12.56

1981.39

0.001730543

42.3668

1794.95

3.11

3.37

17

单翼总风阻

1058.10

18

矿井总风阻

2116.20

（1）计算矿井通风容易时期的通风总阻力

表4-2矿井通风（困难）时期井巷磨擦阻力计算表

节点序号

巷道名称

支护形式

α/（Ns2/m4）

L/m

U/m

S/m2

S3/m6

R/（Ns2/m8）

Q/（m3/s）

Q2/（m6/s2）

h摩/Pa

v/（m/s）

1

副井

两个罐笼，有梯子间，

0.0037

240

15.7

19.625

7558.38

0.0018

67.7667

4592.33

8.47

3.45

2

主要运输石门

三心拱，混凝土碹，壁面抹浆

0.0034

120

11.87

9.5

857.38

0.0056

64.7667

4194.73

23.69

6.82

3

主要运输石门

三心拱，混凝土碹，壁面抹浆

0.0034

80

11.87

9.5

857.38

0.0038

63.1

3981.61

14.99

6.64

4

主要运输巷

三心拱，混凝土碹，壁面抹浆

0.0034

3150

10.19

7

343

0.3182

37.7001

1421.30

452.22

5.39

5

运输机上山

梯形水泥棚

0.01

135

11.01

7

343

0.0433

37.7001

1421.30

61.59

5.39

6

运输机上山

梯形水泥棚

0.012

135

11.01

7

343

0.0520

29.0335

842.94

43.83

4.15

7

运输机顺槽

梯形木支架d=22cm,△=2

0.0119

420

9.11

4.8

110.59

0.4117

20.5002

420.26

173.03

4.27

8

联络眼

梯形木支架d=18cm,△=4

0.0158

30

8.32

4

64

0.0616

10.2501

105.06

6.47

2.56

9

上分层顺槽

梯形木支架d=22cm,△=2

0.0119

80

9.11

4.8

110.59

0.0784

10.2501

105.06

8.24

2.14

10

采煤工作面

采高难度2m控顶距2-4m,单体液压，机采

0.047

110

9.55

6

216

0.2286

10.2501

105.06

24.02

1.71

11

上分层顺槽

梯形木支架d=22cm,△=2

0.0119

80

9.11

4.8

110.59

0.0784

10.2501

105.06

8.24

2.14

12

联络眼

梯形木支架d=18cm,△=4

0.0158

30

8.32

4

64

0.0616

10.2501

105.06

6.47

2.56

13

回风顺槽

梯形木支架d=22cm,△=2

0.0119

420

9.11

4.8

110.59

0.4117

20.5002

420.26

173.03

4.27

14

回风石门

梯形水泥棚

0.01

30

11.39

7.5

421.88

0.0081

42.3668

1794.95

14.54

5.65

15

主要回风道

三心拱，混凝土碹，壁面抹浆

0.0035

0

10.54

7.5

421.88

0.0000

42.3668

1794.95

0.00

5.65

16

回风井

混凝土碹（不平滑），风井直径d=4m

0.0039

70

12.56

12.56

1981.39

0.0017

42.3668

1794.95

3.11

3.37

17

单翼总风阻

1300

18

矿井总风阻

2600

（2）矿井通风困难时期通风总阻力

（五）选择矿井通风设备

一、选择矿井通风设备的基本要求

（1）、矿井每个装备主要通风机的风井，均要在地面装设两套同等能力的通风设备，其中一套工作，一套备用，交替工作。

（2）、选择的通风设备应能满足第一开采水平各个时期的工况变化，并使通风设备长期高效运行。

当工况变化较大时，应根据矿井分期时间及节牟情况，分期选择电动机动。

（3）、通风机能力应留有一定的余量。

轴流式、对旋式通风机在最大设计负压和风量时，叶轮叶片的运转角度应比允许范围小5°；离心式通风机的选型设计转速不宜大于允许最高转速的90%。

（4）、进、出井井口的高差在150m以上，或进、出风井口标高相同，但井深400米以上时，宜计算矿井的自然风压。

二、主要通风机的选择

1、计算通风机的风量Q通

=40.66m3/s

2、计算通风机的风压H通全（或H通静）

轴流式通风机；

容易时期

=1058+120

=1178Pa

困难时期

=1300+120

=1420Pa

3、选择通风机

根据计算的矿井通风容易时期通风机的Q通、H通静小和困难时期通风机的Q通、H通静大，在通风机的个体特性图表上选择合适的主要通风机。

根据Q通=40.66m3/sH通静小=1178PaH通静大=1420Pa

可选定通风机型号为2k60型轴流式通风机。

选定通风机后，可得出两个时期主要通风机的型号、动轮直径、动轮叶片安装角、转速、内压、风量、效率和输入功率等技术系数，并列表整理。

4、选择电动机

（1）、计算通风机输入功率。

按通风容易和困难时期，分别计算通风机输入功率P通小、P电大

（2）、选择电动机

当P电小≧0.6P通大时，两个时期可选一台电动机。

电动机功率在400KW~500KW以上时，宜选用同步电动机其优点是低负荷动转时，可用来改善电网功率因数，使矿井经济用电；其缺点是这种电动机的购置和安装费较高。