矿井通风与安全课程设计本科毕设论文.docx
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矿井通风与安全课程设计本科毕设论文
矿井通风与安全
课
程
设
计
学院：
应用技术学院
班级：
采矿工程
学号：
21116504
姓名：
钱明星
指导老师：
任万兴
1矿井设计概况…………………………………………………………
1.1矿井概述…………………………………………………………
1.2矿井开拓…………………………………………………………
1.3采煤方法……………………………………………………………
2矿井通风系统………………………………………
2.1矿井通风方式……………………………………………
2.2采区通风……………………………………………
2.3回采工作面通风方式…………………………………
2.4掘进工作面通风方式………………………………………………
3矿井通风系统风量计算……………………………………………………………
3.1矿井风量计算原则和规定………………………………………………………
3.2矿井风量计算方法………………………………………………………………
3.3矿井风量分配………………………………………………………………
4矿井通风阻力计算………………………………………………………………
4.1井巷通风阻力计算…………………………………………………………
4.2矿井通风系统的其它计算………………………………………………………
5矿井主要通风机和电机的选定………………………………………………
5.1自然风压的计算…………………………………………………………
5.2通风机的个体特性曲线…………………………………………………
5.3通风机工况点及合理工作范围……………………………………………
5.4主要通风机的选择…………………………………………………………
5.5电动机的选择……………………………………………………………………
6矿井通风费用计算…………………………………………………………
6.1吨煤通风费用计算………………………………………………………
6.2矿井安全生产技术措施………………………………………………………
7矿井灾害防治措施…………………………………………………………
8总结与致谢……………………………………………………………………………
参考文献……………………………………………………………………………………
1矿井设计概况
1.1矿井概述
该矿地处平原，地面标高＋150m，井田走向长度5km，倾斜方向长度3.3km。
井田上界以标高-165m为界，下界以标高-1020m为界，两边以断层为界，井田内煤层赋存稳定，井田可采储量约1.08亿吨。
根据开采条件，确定此矿为年产150万吨的大型矿井，服务年限为72年。
井田内有两个开采煤层，为k1、k2，在井田范围内，煤层赋存稳定，煤层15°，各煤层厚度、间距及顶底板岩性参见综合柱状图。
矿井相对瓦斯涌出量为6.6m3/T，煤层有自然发火危险，发火期为16-18个月，煤尘有爆炸性，爆炸指数为36％。
1.2矿井开拓
根据开拓开采设计，采用立井多水平上下山开拓，为使井田两翼储量分布比较均衡，主、副井布置在储量分布的中央，井田两翼各布置一个采区，走向长度为5km（＞4km），井型较大，瓦斯与自然发火比较严重，通风方式易选用两翼对角式，这样井下风流路线短，阻力小，安全出口多，抗灾能力强，便于风量调节，矿井风压比较稳定。
工业广场不受回风污染和通风机噪音的危害。
故将风井布置在边界。
本设计矿井为立井开拓，煤炭由立井箕斗提运到地面，副井通过主石门与一水平运输大巷相连，采区轨道上山、运输上山均布置在k2煤层的底板稳定细砂石中，区段回风平巷与运输上山，区段运输平巷与轨道上山采用石门连接.
1.3采煤方法
1.3.1采区巷道布置及生产系统
k1、k2煤层赋存稳定，倾角为15°，属缓倾斜煤层，k1煤层平均煤厚为2.4m，k2煤层平均煤厚为2.8m，均属中厚煤层。
首采区为西翼一采区，采用走向长壁采煤法，采区走向长度为2500m，倾斜长为1650m,采区上山部分和下山部分各分为五个区段回采，生产期间，每采区各布置一个综采工作面和一个高档普采工作面，工作面长度150m，为了保证生产正常接替，前期东西两翼各安排两个独立通风的煤层平巷掘进头，后期东西两翼各安排两个独立通风的煤层平巷掘进头和一个岩石下山掘进头。
1.3.2采煤方法
本矿采用综合机械化开采和高档普采，综采工作面日进6刀，截深0.6m，高档普采工作面日进4刀，截深0.6m，综采工作面采用先移架后推溜子的及时支护方式。
1.3.3回采巷道布置
由于矿井相对瓦斯涌出量为6.6m3/T，属于低瓦斯矿井，该采区采用后退式双巷布置，工作面间留设小煤柱，掘进通风简单，上下区段工作面接替容易，运料、行人也方便。
2矿井通风系统
2.1矿井通风方式
2.1.1主扇工作方法选定
矿井主要通风机的工作方法有抽出式、压入式和压抽混合式三种，其抽出式工作方法和压入式工作方法的优缺点对比如下：
（1）抽出式主要通风机使井下风流处于负压状态，一旦主要通风机因故障停止运转时，井下风流的压力会升高，有可能使采空区瓦斯涌出量减少，安全性好。
（2）压入式主要通风机使井下风流处于正压状态，当主要通风机停止运转时，风流压力降低，有可能使采空区瓦斯涌出量增加，安全性差。
（3）采用压入式通风时，须在矿井总进风路线上设置若干构筑物，使通风管理工作比较困难，漏风较大。
（4）在地面小窑塌陷区分布较广，并和采区相沟通条件下，用抽出式通风，会把小窑积存的有害气体抽到井下，同时使通过主要通风机的一部分风流短路，总进风量和工作面有效风量都会减少，用压入式通风，则能用一部分回风风流把小窑塌陷区的有害气体带到地面。
（5）如果能够严防总进风路线上的漏风，则压入式主要通风机的规格尺寸和通风机电费都比抽出式小。
根据上述特点，结合该矿地质构造简单，与压入式比，不存在过
渡时到下水平时期通风系统和风量变化困难，选用抽出式通风方式更合理。
2.1.2选择通风方案考虑因素
选择任何通风方式都需要符合投产快，出煤较多，安全可靠和技术经济合理等原则。
选择矿井通风方式时，应该考虑以下两种因素：
（1）自然因素：
煤层赋存条件、埋藏深度、地质构造、矿井瓦斯等级。
（2）经济因素：
井巷工程量、通风运行费、设备装备费。
2.1.3通风方式比较
通风方式
优点
缺点
适用条件
方式一
中央并列式
初期投资少，工业场地布置集中，管理方便，工业场地保护煤柱较少，构成矿井通风系统的时间短。
风流路线较长，风阻较大，井底车场漏风较大。
煤层倾角大，埋藏深，但走向长度并不大，而且瓦斯、自燃发火都不严重。
方式二
中央边界式
内部漏风小，保护井筒的煤柱较少，工业广场不受主要通风机噪声的影响。
风流路线长，风阻大。
煤层倾角较小，埋藏较浅，走向长度不长，而且瓦斯、自燃发火比较严重。
方式三
两翼对角式
风路短，阻力小，内部漏风小，安全出口多，抗灾能力强，便于风量调节。
安全煤柱较多，初期投资大，投产较晚。
煤层走向较大（超过4km），井型较大，煤层上部距地表较浅，瓦斯和自燃发火j较严重矿井。
方式四
分区对角式
每个采区独立的通风系统，便于风量调节，安全出口多，抗灾能力强。
设备多，管理分散，整个矿井反风困难。
煤层距地表浅，地表起伏较大，无法开掘浅部总回风道矿井。
方式五
分区式
风流路线短，阻力小，网络简单，风流容易控制。
设备多，管理分散。
井田面积大，瓦斯含量大的大型矿井
2.1.4矿井通风系统方案技术与经济比较
（1）技术比较
该矿井为低瓦斯矿井，且煤层有自然发火危险，煤尘有爆炸性。
有通风方式比较，方式二和方式三比方案一、方案四、方案五有更好适应性。
（2）经济比较
方式二和方式三通风方案的经济比较主要从巷道的开拓工程量掘进费用、巷道维护费、通风设施购置费用和通风电费等方面考虑，通过粗略比较，由于方案二需要掘进回风大巷，走向太长，掘进费用和维护费用投资太多，方案三相当较少，因此本矿井通风方式为两翼对角式通风方式。
2.2采区通风
2.2.1采区通风系统的基本要求
完备的采区通风系统应能满足以下要求：
有效地控制采区内的风流方向、风量和风质；漏风少；风流的稳定性高，不易遭受破坏；有利于合理排放瓦斯，防止煤炭自燃，形成较好的矿内气候条件；抗灾变能力强，有利于控制、处理事故，并能使通风系统符合安全可靠、经济合理和技术可行的原则，其基本要求如下：
（1）每一生产水平、采区和采掘工作面都必须实行分区通风（独立通风），既井下各个水平、采区和采掘工作面以及其他用风地点都有自己的进、回风巷道，其回风都各自直接排入采区的回风巷或总回风巷而不进入其他用风地点。
（2）准备采区，必须在采区内构成通风系统后，方可掘其他巷道。
采煤工作面必须在采区构成完整的通风、排水系统后，方可回采。
采区进、回风道必须必须贯穿整个采区，严禁一段为进风巷，一段为回风巷。
（3）高瓦斯矿井、有煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出危险的矿井的每个采区和开采容易自燃煤层的采区，必须设置至少一条专用回风巷；低瓦斯矿井开采煤层群和分层开采采用联合布置的采区，必须设置一条专用回风巷。
（4）同一采区内，同一煤层上下相连的两个同一风路中的采煤工作面、相连的采煤和掘进工作面、相邻的两个掘进工作面，布置独立通风有困难时，在制定措施后，可采用串联通风，但不可超过一次。
布置独立通风确有困难时，其回风可以串入采煤工作面，但必须制定安全措施，且串联通风的次数不得超过一次；构成完整通风系统后，必须立即改为独立通风。
（5）采掘工作面的进风和回风，都不得经过采空区和冒落区。
（6）井下机电硐室必须设在进风流中。
如果机电硐室深度不超过6m，入口宽度不小于1.5m，可以采用扩散通风。
（7）空区必须及时封闭。
从巷道通至采空区的联络巷，必须随着采煤工作面的推进逐个封闭。
采区结束后45天内，必须在所有与已采区相连的巷道中设置防火墙，全部封闭采区。
2.2.2采区上山通风系统
将采区布置两条上山，采用一进一回的通风方式。
一条是运煤上山，另一条是轨道上山。
采用输送机上山进风，轨道上山回风，由于风流方向与运煤方向相反，容易引起煤尘飞扬，使进风流的煤尘浓度增大，煤炭在运输过程中所涌出的瓦斯，可使进风流的瓦斯浓度增高，输送机设备所散发的热量，可使进风流温度升高，此外，需在轨道上山的下部车场内安设风门，此处运输矿车来往频繁，需要加强管理，防止风流短路。
采用轨道上山进风，输送机上山回风的通风系统，输送机设备处于回风流中，轨道上山的上部和中部甩车场都要安装风门，风门数目较多。
结合矿井煤层赋存、瓦斯含量、采煤方法等实际条件，确定采用轨道上山进风、输送机上山回风的采区通风系统较为合理。
2.3回采工作面通风方式
2.3.1回采工作面通风系统
工作面通风方式的选择与回风的顺序、通风能力和巷道布置有关，其中普遍应用的有“U”，“Y”，，“W”“Z”形，由于工作面采用后退式开采，各通风形式只有考虑后退式，各通风系统示意图优缺点和使用条件见表2.1
表2.1回风工作面通风系统比较
通风系统
示意图
优缺点
U形
这种通风方式对了解煤层赋存情况，掌握瓦斯、火灾的发生发展规律较为有利，但工作面上隅角易积聚瓦斯，煤炭自燃威胁较大。
Y形
较好解决工作面上隅角瓦斯超限，改善作业环境，
Z形
较好解决工作面上隅角瓦斯超限，但当采空区涌出的瓦斯量及漏风量较大时，回风巷常出现瓦斯超限现象。
W形
相邻工作面共用回风或进风通道，节省开掘和维护费，采用并联网络，风阻小，漏风小，中间平巷设输送机时，创造良好环境，
2.3.2回采工作面上下行通风
在走向长壁工作面上，按工作面风流方向与煤层倾向的关系，可分为上行风和下行风，通风方式优缺点比较如下表2.2
表2.2回采工作面上、下通风适用条件及优缺点
通风系统
示意图
适用条件及优缺点
上行通风
适用条件：
在煤层倾角大于12°的回采工作面，应采用上行通风。
优点：
瓦斯自然流动方向和风流方向一致，降低工作面瓦斯浓度，运输设备在新鲜风流中，安全性好。
缺点：
风流方向与运煤方向相反，增加工作面煤尘浓度、瓦斯浓度和运输设备产热使工作面气温升高。
下行通风
使用条件：
在煤层倾角小于12°的回采工作面，应采用下行通风。
优点：
降低工作面瓦斯浓度和温度，不易出现瓦斯分层流动和瓦斯积聚.
缺点：
运输设备在回风巷道中运转，安全性差，起火时引起瓦斯爆炸可能性大。
该矿井煤层倾角为15°，确定回采工作面为上行通风。
2.3.3采区通风设施
为保证井下各个用风地点得到所需风量，一方面不得不在通风系统中设置一些通风设施（如风桥、风门、密闭、调节风窗等），以控制风流的方向和数量，另一方面要防止它们造成大量漏风或风流短路，破坏通风的稳定性。
因此，必须正确设计通风设施，合理选择位置，保证施工质量，严格管理制度。
（1）风门
在人员和车辆可以通行，风流不能通过的巷道中，至少要建立2道风门，其间距要大于运输工具长度，以便一道风门开启时，另一道风门是关闭的。
风门分为普通风门和自动风门。
（2）风桥
在进风和回风平面相遇的地点设置风桥，构成立体交叉风路，使进风与回风分开，互不想混，一般污浊风流从桥上通过，新鲜风流从桥下通过。
（3）调节风窗
调节风窗是在风门或密闭上方，开设一个面积可调节的矩形小窗口，移动窗板的位置可调节窗口的面积大小，从而改变巷道通过的风量，达到调节风量的目的。
（4）密闭
密闭是指既不允许风流通过，也不准许行人和通车的巷道中所设置的一种控制风流的设施。
按服务年限长短，密闭可分为永久性密闭和临时性密闭两种。
2.4掘进工作面通风方式
掘进巷道时，为了稀释和排除煤岩体内涌出的有害气体，爆破产生的炮烟和矿尘，保持掘进头的良好气候条件，必须对掘进头进行独立通风。
这种针对局部地点的通风方式称为局部通风。
2.4.1局部通风机通风方式
局部通风机的常用通风方式有压入式、抽出式和混合式。
其适用条件和优缺点见表2.3
表2.3局部通风机通风方式比较
通风方式
适用条件及优缺点
抽出式
适用条件：
以排除粉尘为主的掘进井巷中
优点：
新鲜风流沿巷道进入工作面，整个井巷空气清新，劳动环境好。
缺点：
污风通过局部通风机，安全性差，有效吸程小，排污风时间长，风筒承受负压作用，必须使用刚性和带刚性骨架的可伸缩风筒，成本高，重量大，运输不便。
压入式
适用条件：
以排除瓦斯为主的煤巷、半煤岩巷掘进中
优点：
局部通风机及附属电气设备均布置在新鲜风流中，安全性好，通风风筒出口风速和有效射程较大，可防止瓦斯层状积聚，掘进巷道时涌出的瓦斯向远离工作面方向排走，可采用柔性风筒。
缺点：
当掘进巷道越长，排污速度越慢，污风排除时间越久，受污染时间长。
混合式
适用条件：
大断面长距离煤岩巷掘进
优点：
巷道作业环境好，通风效果好，
缺点：
降低了压入式和抽出式两列风筒重叠段巷道内的风量，当掘进巷道断面大时，风速就更小，在此段巷道顶板易形成瓦斯层状积聚。
由于混合式通风适用大断面长距离的煤岩掘进巷道，可能形成循环风，而该矿掘进断面为普通断面，只考虑压入式和抽出式两种方式。
再从表2.3中比较可以得出，两种通风方式均有利弊，结合实际情况，压入式通风安全可靠性较好。
2.4.2风机、风筒的选型
井下局部地点通风所用的通风机称为局部通风机，按结构可分为轴流式、对旋轴流式和离心式三种，其中以压入式对旋轴流局部通风机最为常用。
本矿采用FBDY-NO6.3/2*30风机，该机具有结构紧凑、噪声低、效率高、可采用单级运转或多级运转、风压高、在小流量区域运行稳定、高效应用范围宽等特点，适用于中长距离巷道掘进的局部通风。
风筒采用塑料涂帆布制成的柔性风筒，风筒直径为800mm，风筒节长为10m，壁厚1.2mm，该风筒具有阻燃、抗静电、防腐蚀、易修补等特点，适用于压入式局部通风。
3矿井通风系统风量计算
3.1矿井风量计算原则和规定
3.1.1《煤矿安全规程》中的规定
矿井需风量应按下列要求分别计算并取其中的最大值：
（1）按井下同时工作的最多人数进行计算：
每人每分钟供风量不得少于4m3;
（2）生产矿井的需风量应按采煤、掘进、硐室及其他地点实际需风量的总合进行计算：
即各地点的实际需风量应使风流中的瓦斯、CO2和其他有害气体的浓度、风速、温度等都必须符合《规程》的有关规定。
3.1.2矿井需风量的计算原则
矿井需风量应按照“由里往外”的原则，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。
3.2矿井总风量的计算方法
生产矿井总进风量按下列要求分别计算，并取其中最大值。
1.按井下同时工作的最多人数计算
Q=4*N*K
式中：
Q—矿井总风量，m³/s
4—每人每分钟供风标准，m³/min·人
N—井下同时工作的最多人数，700人
K—矿井通风系数，包括矿井内部漏风和配风不均匀等因素，一般可取1.2~1.25，这里取1.25
则Q=4*700*1.25=3500m³/min=58.3m³/s
2.按采煤、掘进、硐室及其他地点实际需要风量的总合计算
Q=（∑Q采+∑Q掘+∑Q硐+∑Q其他）*K
式中：
Q—矿井总风量，m³/min
∑Q采—各采煤工作面和备用工作面所需要的风量之和，m³/min
∑Q掘—各掘进工作面所需要的风量之和，m³/min
∑Q硐—各硐室所需风量之和，m³/min
∑Q其他—除上述各用风点外，其他巷道风量之和，m³/min
（1）采煤工作面实际需风量
采煤工作面需风量应按照稀释和排放瓦斯、二氧化碳、炮烟及其他有害气体、粉尘，并使工作面有适宜的气温和风速，分别进行计算，然后取其中的最大值。
由题目条件：
相对瓦斯涌出量6.6m³/T，矿井生产能力为1.5Mt/a，矿井有两个采区同时生产，共5个采煤工作面，其中四个生产，东翼一个备用高档普采工作面。
计算出工作面的瓦斯绝对涌出量。
①按瓦斯浓度涌出量计算工作面风量
Q采i=100*q采i*K
式中：
q采i—第i个采煤工作面的瓦斯绝对涌出量，m³/min
k采i—第i个采煤工作面瓦斯涌出不均匀备用风量系数，它是各
个采煤工作面瓦斯绝对涌出量的最大值与其平均值之
比，须在各个工作面正常生产条件下，至少进行5昼夜
的观测，测出5个比值，取其最大值，通常机采工作面
可取1.3~1.45。
综采工作面按照瓦斯浓度涌出量的计算为：
Q采i=100*（1620*6.6/24/60）*1.4=1039.5m³/min=17.325m³/s
②按工作面温度计算：
Q采=60*Vc*Sc*Kc
式中:
Vc—采煤工作面风速，当工作面温度在24°~26°，取1.7m³/s
Sc—采煤工作面的平均有效断面积，7.8㎡
Kc—采煤工作面长度风量系数，工作面长150米，取Kc=1.1
Q采风=60*1.7*7.8*1.1=875.16m³/min=14.586m³/s
③按人数计算
Q采=4*N
式中：
4—每人每分钟供风标准，m³/min
N—工作面同时工作的最多人数
Q普采=4*60=240m³/min
Q综采=4*40=160m³/min
④按低瓦斯矿井综采工作面所需风量计算
Q采=200K1K2K3K4
式中：
K1—采高系数，当h≥2m时，K1=1.85
K2—采长系数，以L表示工作面长度，则K2=1.22
K3—温度系数，K3=1.4
K4—支架后方控顶系数，K4=1
200—综采工作面基本风量。
Q采=200*1.85*1.22*1.4*1=444m³/min
按照以上四种计算方法，选择最大风量作为综采工作面的风量为：
1039.5m³/min
⑤按工作面风速验算：
60*0.25*S采≤Q采≤60*4*S采
式中：
S采—采煤工作面断面积，7.8㎡
采煤工作面：
117m³/min≤Q采≤1872m³/min
经验算，综采工作面的风量为1039.5m³/min满足风速要求。
考虑到工作面漏风问题，取漏风备用系数为1.15，所以经计算在综采工作面上下顺槽内需要通过的风量为：
1195.425m³/min
按照同样的方法计算出高档普采工作面的风量为：
693m³/min，同样取漏风备用系数为1.15，计算出高档普查工作面上下顺槽通过的风量为：
796.95m³/min。
⑥按备用采煤工作面需风量计算
备用采煤工作面的需风量通常取为产量相同的生产采煤工作面的需风量一半。
即：
备用高档普查工作面Q备风=Q采风/2=398.475m³/min
对于东翼采区：
Q=1195.425+796.95+398.475=2390.85m³/min
对于西翼采区：
Q=1195.425+796.95=1992.375m³/min
（2）掘进工作面所需风量
①按瓦斯浓度涌出量计算工作面风量
Q掘i=100*q掘i*k掘i
式中：
q掘i—第i个掘进工作面回风流中的瓦斯绝对涌出量，m³/min；
k掘i—该掘进工作面瓦斯涌出不均匀备用风量系数，一般可取
1.5~2.0，这里取2.0。
掘进工作面瓦斯绝对涌出量按综采工作面瓦斯绝对涌出量10%计算，所以
Q掘i=100*q掘i*k掘i=100*0.7425*2.0=148.5m³/min
掘进工作面所需风量，应按矿井各个需要独立通风的掘进工作面实际需要风量的总和计算，即：
前期：
∑Q掘=Q东掘+Q西掘=（nQ煤掘+nQ煤掘）K掘备
式中：
Q煤掘—每个煤巷掘进工作面所需要的风量，Q煤掘=Q掘i;
n—需独立通风的煤巷数；每翼2个
K掘备—掘进工作面备用系数，取1.20
前期：
∑Q掘=（2*148.5+2*148.5）*1.20=712.8m³/min=11.88m³/s
后期：
∑Q掘=（nQ煤掘+nQ煤掘+nQ岩掘）K掘备
式中：
Q岩掘—岩巷掘进工作面所需要的风量，按同时工作的最多人数
所需供氧量计算，工作人数取30人，供氧量为120m³/min.
后期：
∑Q掘=（2*148.5+2*148.5+2*120）*1.20=1200.96m³/min
（3）硐室所需风量计算
采区变电所Qvc=75m³/min；火药库Qfc=100m³/min；采区绞车房Qwo=75m³/min。
∑Q硐=75+100+75=250m³/min
（4）矿井总用风量
前期：
Q=东翼采区+西翼采区
东翼采区：
Q=（1195.425+796.95+398.475+297+250）*1.15=3378.53m³/min
西翼采区：
Q=（1195.425+796.95+297+250）*1.15=2920.33m³/min
后期：
Q=东翼采区+西翼采区
东翼采区：
Q=（1195.425+796.95+398.475+120+297+250）*1.15=3516..53m³/min
西翼采区：
Q=（1195.425+796.95+120+297+250）*1.15=3058.33m³/min
根据上述方法计算取较大者，得出矿井总风量为6574.86m³/min
3.3矿井
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