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矿井通风系统设计

论文题目：

王村煤矿五采区通风系统设计

专业：

安全工程

毕业生：

指导老师：

摘要

本设计为王村煤矿五采区通风设计，设计采区主采5#煤层，采区可采储量1027.5万吨，设计产量100万t/a，服务年限7.3a。

采区共16个工作面，采用单一走向长壁后退式采煤法，一次采全高，采煤工艺为综合机械化放顶煤工艺，全部垮落法管理顶板。

采区通风系统为轨道下山进风，运输下山回风，工作面采用U型上行通风，掘进工作面采用压入式通风，矿井通风容易和困难时期的风量均为71.5m3/s，矿井通风难易程度为容易，主要通风机型号为2K56No-24,750r/min，并且对通风构筑物进行布置。

关键词：

通风设计通风系统风量通风阻力

研究类型：

应用型

Subject:

theventilationdesignforthefifthminingareaofWangcuncoalmine

Major:

SafetyEngineering

Name:

HePengcheng（Signature）

Supervisor:

XuMangui（Signature）

XuGang（Signature）

Abstract

ThedesignistheventilationdesignforthefifthminingareaofWangcuncoalmine,andthemainminingareaistheNo.5coalseamminingareaofrecoverablereservesof10.275milliontons,thedesignoutputof100tonsoneyear,theservicelifeis7.3years.Thereare16miningareafaces,usingasinglelongwallretreatminingmethod,miningfull-height,andprocessforthecomprehensivemechanizationofthecoalCavingTechnologyallManagementroofcavingmethod.

Miningventilationsystemforthetrackdownintothewind,transportdownthemountainbacktothewind,faceaU-shapedupsideventilation,headingfacepressedintotheventilationanddifficultperiodoftheairflowof71.5m3/s,mineventilationiseasyandmainventilatoris2K56No-24,750r/min,andalsohavingthelayoutandventilationstructures

Keywords：

ventilationdesignMiningventilationsystemairflow

Thesis：

Applied

1绪论

1.1选题的背景及意义

我国煤炭储量世界第一,高储量伴随着较高开采量,近几年来,我国的煤炭的生产量都达到20亿吨左右,生产量、消费量和供应量大体相当,说明了我国的煤炭的自主自给率十分高。

而其他资源,如石油、天然汽等很多都需要对外进口,对外依赖程度很高。

自20世纪90年代中后期以来,我国的工业化、城镇化明显加快,改造自然的规模不断扩大,特别是对煤炭索取的资源也越来越多,,其消费明显呈现出上升势头。

据统计,2005年我国能源消费量折合为5500万吨标准煤,其中每万元GDP能耗为0.81吨标准煤,大概是世界平均水平的2倍。

所以从经济意义上讲,煤炭和其他资源一样,对中国经济增长发挥着巨大的作用。

因此做好煤炭行业安全工作十分重要。

近年来，随着现代矿井开采深度不断增大，矿井设计生产能力的增大，煤层的开采条件日趋复杂化，相应的矿井沼气涌出量也增大，岩层温度也不断升高，矿井自然发火越来越严重，我国煤矿开采技术高速发展，原煤产量不断提升但矿井事故却未相应减少，尤其煤矿瓦斯重大事故屡有发生。

在矿井的建设和开采过程中会产生大量有害气体和粉尘，同时工人工作是也需要氧气进行呼吸，如果井下通风不足就可能导致瓦斯的积聚、工作面温度升高、缺氧等一系列问题，瓦斯的积聚可能导致爆炸或者火灾，工作面温度的升高和缺氧严重影响工人的正常工作，这些问题解决不好将严重威胁到工人的人身财产安全，风量过剩也会导致不良影响。

如漏风过大，动力消耗过度，风流发生过度的冷却，巷道内矿尘飞扬导致煤尘爆炸或自燃都将给生产安全带来隐患。

同时一些不合理的设置会增加矿井的通风费用。

王村矿五采区主要煤层为5号煤层，通过合理的设计，降低矿井瓦斯粉尘浓度，为工作面提供新鲜风流，保证风流的稳定性，竭尽全力确保煤层开采顺利进行，保证人员财产的安全。

1.2国内外发展及现状

煤炭是世界工业发展的主要能源之一，在很早以前就有煤矿开采历史，大约在1640年，人们开始把进回风分开，利用自然通风为矿井进行通风，为了增加通风压力，1650年在回风路线上设置火筐，1787年开始又在回风路上增加火炉，加热回风风流，促进通风。

1745年俄国科学家发表了空气在矿井中流动的理论，1764年法国科学家发表了矿井自然通风的理论，这是矿井通风历史上奠基的两篇论文。

随着科技的发展矿井通风进入了机械通风阶段，1849制造出了转速约为95转每分钟，分量约为500立方米每分钟的蒸汽铁质离心式扇风机；1898年实现了电力型轴流式扇风机的使用，矿井通风进入了一个新的时代，到现在矿井通风机的功率在不断的加大，目前国内的通风机主要分为两种：

轴流式通风机和离心式通风机。

离心式通风机与轴流式通风机的比较：

（1）结构：

轴流式通风机结构紧凑，体积小，重量轻，可直接高转速电动机拖动，传动方式简单，但结构复杂维修较困难；离心式通风机结构简单，维修方便，但结构体积大，安装占地大，转速低，传动方式复杂毛病较多，现有机翼形叶片可提高转速。

（2）性能：

轴流式风压低，流量大，反风方法多；离心式则相反。

在联机运行时，轴流式的联合工作较差，而离心式较好。

轴流不容易过载，而离心式容易过载。

（3）适用范围：

离心式通风机适用流量小，风压大，转速低的情况；轴流式通风机则相反。

轴流式适宜阻力变化大而风量变化不大的矿井；离心式则相反。

一般大、中型矿井的通风都采用轴流式，小型多采用离心式，特大型矿井也有采用叶片后弯式叶轮离心风机，因为它效率较高。

采区通风系统是矿井通风系统的中心，采区通风包括采区进风。

采区回风、及工作面推进、回风道的布置方式，采区通风路线的连接形式，采区内的通风设备和设施等基本内容。

我国的工作面的通风系统的基本类型有以下几种：

（1）U型与Z型通风系统

U型通风是一进一回，在我国使用比较普遍，有点是结构简单，巷道维修施工量小，工作面漏风量小，风流稳定容易管理。

缺点是上隅角瓦斯容易超限，工作面进回风巷要提前掘进，维护工作量大。

Z型通风是一进一回，采用Z型后退式通风系统采空区瓦斯不会涌入工作面，而是涌入回风顺槽，采用Z型前进式通风系统的工作面入风侧沿采空区能抽放瓦斯，采空区瓦斯涌入工作面，特别是上隅角，回风侧不能抽放瓦斯。

（2）Y型、W型、双Z型通风系统

这3种通风系统都是两回一进或者两进一回的通风系统。

Y型通风系统实际应用中多是在回风侧加入附加的新鲜风流，与工作面回风汇合从采空区侧流出，这样会使回风道风量加大，但上隅角的瓦斯不易超限还可以在上部进风道抽采瓦斯。

W型后退式通风系统进回风平巷都布置在煤体中，当由中间及下部平巷进风，上部平巷回风时上下段工作面都是上行通风，，但上段工作面风速高不利于防尘，上隅角瓦斯易超限，所以瓦斯涌出量大的矿井采用上下平巷进风中间平巷回风，W型前进式通风系统的航道维护在采空区内，漏风大，采空区瓦斯涌出量大。

同时劳工组织和管理复杂。

双Z型通风系统中间巷与进回风平巷分别在工作面两侧，前进式通风系统的上下入风平巷维护在采空区内，漏风携带的瓦斯会使工作面的瓦斯超限。

后退式时上下入风平巷在煤体中，漏风携带的瓦斯不进入工作面。

双Z型通风系统有一段是下型通风，并且需要设置边界上山，维护在采空区的巷道的支护上还要防止漏风。

（3）H型通风系统

H型通风系统是两进两回的通风系统或者三进一回的通风系统，特点是工作面风量大采空区瓦斯不会涌向工作面，气象条件好，增加了工作面的安全出口，工作面机电设备在新鲜风流巷道中，同风阻力小，易于控制上隅角瓦斯，但沿空护巷困难，由于有附加巷道，可能影响风的稳定性，管理复杂。

1.3主要的研究内容

（1）熟悉王村矿的矿井通风系统，对整个矿井通风系统进行分析，从整体布局出发设计五采区通风系统。

（2）五采区的通风系统的选择，从地质因素和采矿计划两方面考虑，设计满足条件的通风系统。

（3）采区风量的计算与分配，根据工作面和掘进的需要设计风量。

（4）计算矿井总阻力，选择通风机。

（5）通风构筑物的设置，在必要的位置设置通风构筑物，确保风流和风量的稳定性。

1.4技术路线图

技术路线如图1.1。

图1.1技术路线图

2矿井及采区概况

2.1矿井概况

王村煤矿井田东西长约9km，南北长约3km，井田面积27km2，核定生产能力150万t/a，矿井开拓方式为一对立井单水平上下开拓。

排水系统：

矿井在+390水平井底车场设置中央泵房和水仓，水仓容量2400m3，泵房内备3台250D-50×6型多级离心泵，扬程368m，功率680kW，流量400m3/h在井筒内共敷设两条螺旋缝电焊钢管，水通过排水管道直接排至地面。

通风系统：

矿井通风方式采用两翼对角式通风，通风方法为抽出式。

东风井安装两台FBCDZ№24/54（功率2×250kW）轴流对旋风机，配套电机型号为YBFe450S-8型同步电机，额定功率为2×250kW，电压380/660V，转数744转/分，直接传动，叶片安装角度：

520/440。

风量5520m3/min，负压1866Pa；西风井安装两台BDK（Ⅲ）-6-№18（功率2×110kW）轴流对旋风机，配套电机型号为YBF315L1-6型同步电机，额定功率为2×110kW，电压380/660V，转数989转/分，直接传动，叶片安装角度：

520/440。

风量1600m3/min，负压490Pa｡东西风井采用目前世界先进的基于PCL的集中变频控制技术。

副立井为材料提人井并进风，东西斜井回风，通风网络为分区并联式。

压风系统；王村煤矿使用的压风机为北京第一通用机械厂生产的L型双缸二级复动水冷空气压缩机，型号为L5.5-40/8，建矿时共安装4台。

同步电动机拖动，电动机型号为TDK99/27-10，功率250kW，电压6000V。

压风系统地面供销售科装火车，及供锅炉房、主绞、销售科清仓动力；井下供掘进队生产用风。

防尘供水系统：

由地面800m3水池，通过两趟φ254mm供水管路由副立井供给井下，井下主要大巷、采掘工作面、溜煤眼、转载点等地点均敷设了防尘管路，管路长度合计41.8km，φ100mm管路7.8km，φ50mm管路27km，其他为φ25.4mm管路。

2.2采区概况

2.2.1采区位置及范围

五采区位于王村煤矿井田东部，其范围东至F9大断层，南为5#煤层露头线，西以第四勘探线为界，北以+360m等高线为界，形似一弯曲的近东西条带状。

上限标高460m，下限标高360m，地面标高625～755m，走向长4300m倾向长1200m，面积4821333m2。

2.2.2采区地形、地势

采区地面地貌主要为台塬和沟壑，地势总体北高南低；金水沟、苇子沟两侧为陡坎、梯田，除村庄之外其余地表均为耕地。

采区中西部有金水沟通过，河水流量受季节影响，采区东部的苇子沟本来为一条干沟，现为合阳县城区排污沟，雨季时期除耕地吸收一部分雨水外，其余雨水顺地势排出，汇入河谷，流入黄河。

2.2.3水系及积水范围

该采区台塬区黄土覆盖较厚，回采后地面发生的小幅沉降，对附近村民的生产生活不会造成较大影响；金水沟、苇子沟沟谷黄土覆盖较薄，且常年有水流经，回采后引起地表不同程度塌陷、裂缝，河水或污水可能会沿裂隙渗入地下，对施工或生产造成影响。

2.2.4邻区情况

相邻三下采区揭露的小型断裂构造及褶曲构造相对发育，层滑构造也相对发育，导致局部地段煤层变薄或增厚，水文地质条件相对简单，主要为顶板滴淋水、三下采区突水。

采掘情况：

相邻三下采区采掘情况正常

2.2.5地面建筑、设施等

该采区地面西北有樊庄村，西南有坊社村，东北有堡崖村，金水沟（河流）从采区中西部通过，苇子沟位于井田最东边（排污沟）。

2.3采区地质特征

2.3.1采区地层

从上到下依次为：

第四系全新统黄土层，二叠系上统和下统碎屑岩，石炭系太原群碎屑岩及奥陶系中统石灰岩；其中2-5、4-5、3-3孔缺失上石盒子组地层，2-6、3-2、4-3孔缺失上、下石盒子组地层，黄土层与下部地层不整合接触，太原群地层与下部地层假整合接触；本套地层在该采区地表未见出露。

2.3.2主要标志层

K1：

铝质泥岩，位于太原群底部与奥陶系石灰岩假整合接触，全区仅W48孔未见其层位。

K2：

石灰岩，普遍发育两层，其间夹粉砂岩或砂质泥岩及煤层。

K3：

石英砂岩，为5#煤层老底，不甚发育，最厚2.68m，相变明显，常常相变为粉砂岩或砂质泥岩。

K4：

山西组底部中细粒砂岩，层面上含大量白云母片。

K中：

中粗粒砂岩，位于下石盒子组底部。

K5：

中粗粒砂岩，位于上石盒子组底部。

2.3.3煤层

采区内含有三层煤，其中5#煤为主采煤层，4#、10#为零星可采煤层，煤层厚度由西向东逐渐增厚，南部为5#煤层露头风氧化带区，煤质较差，局部地段K4砂岩为5#煤层直接顶板。

本矿井主采5#煤层，5#煤层在该采区普遍发育，但发育不甚稳定，厚度变化大，最大厚度7.58m，最小厚度1.48m，平均厚度3.48m；一般情况下褶曲翼部和向斜轴部煤层较厚，背斜轴部煤层较薄。

采区内煤层结构较为简单，多数孔煤层中未见夹矸，少数孔煤层中含有夹矸，一般含夹矸1-3层，分布在煤层中上部，断续分布。

煤质特性见表2.1，煤层特性见表2.2。

表2.1煤质特性表

煤层特性

煤层

颜色

光泽

硬度

容重

煤岩类型

物理特征

4＃

黑色

弱油脂

较小

1.33

光亮型

5＃

黑色

弱油脂

较小

1.4

光亮及半暗型

工

业指标

煤层

工业牌号

4＃

15.6％

16.7％

1.59％

0.01％

7404

3.36

PSM

5＃

20.17％

15.18％

3.42％

0.03％

6740

5.45

PSM

表2.2煤层特性表

煤

层

特性

煤层名称

煤厚

倾角

结构

层间距

稳定性

5＃

平均

3.48

3°～11°

简单

3.87

1.0

46.8%

不甚稳定

最小－最大

1.48-7.58

7°

0～10.8

采区内变化情况：

5#煤层老顶K4砂岩在全区普遍发育，但岩性及厚度变化均较大，最小厚度1.44m，最大厚度14.15m，平均厚度5.67m，在煤层露头浅部的风氧化带边缘，K4砂岩直接与4#煤层接触，或与5#煤层直接顶板接触，呈NE向条带分布；另外在该采区东部的W27孔，K4砂岩直接与5#煤层接触成为其直接顶板，且为一孤立点。

5#煤层直接顶板为粉砂岩、砂质泥岩或泥岩（含4#煤层），全区普遍发育，厚度稳定。

5#煤层底板为粉砂岩，砂质泥岩或泥岩，全区普遍发育，厚度稳定；老底K3石英砂岩在该采区发育不稳定，相变明显，大部分地区相变为粉砂岩或砂质泥岩。

2.3.4煤层顶底板

煤层的顶底板特征见表2.3。

表2.3煤层顶底板特征表

煤层顶底板

煤层

类别

岩石名称

厚度

主要岩性特性（含水性）

5号煤

顶

板

伪顶

炭质泥岩

＜0.05

灰黑色，较软，随采动冒落。

直接顶

粉砂岩、砂质泥岩、含4＃煤

3.87

灰～灰黑色，含云母片，植物化石，黄铁矿结核。

老顶

K4中细粒砂岩

5.67

浅灰色，中厚层状，坚硬，裂隙发育，层面含大量的白云母片。

底

板

直接底

砂质泥岩或

粉砂岩

1.62

深灰色，团块状，含黄铁矿结核及植物化石碎片。

老底

K3石英砂岩

0.83

灰白色，致密坚硬。

2.3.5水文地质特征

王村矿井水文地质条件类型为二类，属中等富水矿井。

充水原因及威胁：

矿井水来源主要为第四系松散岩层孔隙水，石炭二叠系砂岩裂隙水，太原群K2灰岩及奥陶系石灰岩裂隙岩溶水。

对采掘有影响的是K4，K中，K5砂岩裂隙水及相邻采区老空水，该采区深部煤层最低底板高程为+355m，低于奥灰静水位+371m，预计开采至井田深部受奥灰承压水因素增加。

本采区为该矿第五采区，根据一、二、三上、三下采区前期施工及生产过程中揭露情况综合分析预测，预计最大涌水量360m3/h，正常涌水量120m3/h。

2.3.6地质构造

本采区总体为一宽缓的倾伏背斜构造，在平面上基本是亚铃状，中间收拢，向两边逐渐放开，西部放开程度大于东部，地层走向NW、NE，地层倾角3°～11°，构造相对简单；另外根据相邻采区实际揭露情况分析，预计该采区小型断层构造、层滑构造也相对发育。

2.3.7其他因素

（1）瓦斯：

根据勘探资料，5#煤层瓦斯含量为0.02-2.0ml/g，平均0.29ml/，属低瓦斯矿井。

（2）煤尘：

根据勘探资料，5#煤层有煤尘爆炸危险。

（3）煤层自燃：

勘探阶段通过自燃实验，结论为“煤的自燃为二至四级，均为不易自燃煤”。

（4）地温：

地温情况正常，属“无热害地区井田”。

（5）地压：

无冲击地压灾。

3采区储量及巷道布置

3.1采区边界

3.1.1采区边界

五采区位于王村煤矿井田东部，其范围东至F9大断层，南为5#煤层露头线，西以第四勘探线为界，北以+360m等高线为界，形似一弯曲的近东西条带状。

采区上限标高460m，下限标高360m，地面标高625～755m，采区走向长度4300m，倾向长度1200m，面积4821333m2。

3.1.2邻近采区

三下采区采掘情况正常，无自然灾害及其他。

3.2采区储量

3.2.1采区工业储量

勘探地质报告所提供的“能利用储量”中的A、B、C三级储量，A、B、C三级储量：

A+B+C级：

1277.03万t，A+B级：

349.33万t。

3.2.2采区设计可采储量

五采区总面积约482万m2，5号煤层储量2348万t，其中：

三下压煤：

樊庄、坊社、堡崖村庄煤柱压煤面积为1127166m2，储量为549.16万t（其中：

樊庄煤柱面积582583m2，储量283.83万t；坊社煤柱面积271250m2，储量132.15万t；堡崖村煤柱面积273333m2，储量133.17万t）；金水沟煤柱面积为455000m2，储量为221.68万t；苇子沟（排污沟）煤柱面积为259500m2，储量为126.43万t；采空区及边角煤面积为358500m2，储量为174.66万t。

可动用储量1277万t。

采区回采率取80.5%，所以可采储量为1027.5万t。

3.3矿井年产量及服务年限

3.3.1矿井工作制度

矿井工作日按330天计算，每昼夜三班作业，每班工作时间8小时。

3.3.2采区生产能力

本采区为双翼采区，采区生产能力即1个采煤工作面生产能力加上4个掘进工作面出煤量总和。

采煤工作面年生产能力AC1（万t/a）：

（3—1）

=10-4×140×2.8×1.4×4.8×330×85%×95%×1

=70万t/a

日平均生产能力为：

70/330=2121t/a

式中：

AC1——东翼采煤工作面年生产能力，万t/a；

L——采煤工作面平均长度，m；

H——采煤工作面煤层平均采高，m；

R——原煤视密度，t/m3；

B——采煤工作面平均日推进度，m/d；

N1——年工作日数，d,取330d；

N2——正规循环作业系数，%；

C——工作面回采率，%；按矿井设计规范选取95%；

A——回采工作面平均个数，个。

五采区年平均生产能力：

=1.1×70=77。

式中：

k1——掘进出煤系数，取1.1

3.3.3采区服务年限

采区年生产能力确定为0.77Mt/a，储量备用系数取1.4，则矿井服务年限为：

（3－2）

=10.275/（0.77×1.4）

=9.5a

式中:

Z——设计可采储量，Mt；

T——矿井服务年限，a；

A——矿井设计生产能力，Mt/a；

K——储量备用系数，1.4。

所以五采区的服务年限为9.5a。

3.4采区准备方式

3.4.1采区巷道布置

矿车运煤；将+390大巷延伸作为五采集中运输巷用于进风、运煤、人员及材料；金水沟设五采进、回风井。

此方案共开拓三条系统巷道，即五采集中运输巷、五采回风井及五采进风井；其中五采进风井作为工作面主要的进风来源，风流经工作面后汇入到五采运输巷，最后污风由五采回风井抽出；人员及材料运输主要经+390运输大巷后至五采运输集中巷到达工作面；出煤方式主要是经五采煤仓后由矿车经五采运输集中巷、+390运输大巷运出。

五采集中运输巷:

全长3635m；开口位置位于+390运输大巷末端，从开口点沿23°方位角+390水平掘进121.612m后转弯至70°方位角后，一直沿+390水平掘进至五采轨道巷。

主要用途为：

出煤、进风、运送人员及材料。

五采进风井：

全长722m，坡度为20°下山；开口位置位于金水沟内+622水平；主要作用为进风，以减少矿井通风阻力。

五采回风井：

全长647m，坡度为20°下山；开口位置位于金水沟内+622水平；主要作用为回风，以减少矿井通风阻力。

3.4.2采区准备方式

根据本采区内5#煤层的赋存情况以及采区的走向长度（4300m），初步确定五采区的准备方式为下山式，双翼开采。

3.5采区参数

3.5.1采区参数

根据采区所处的位置，五采区的实际有效倾向长度为1200m，走向长度为4300m。

3.5.2采煤工作面

根据五采区的5#煤层厚度、煤层倾角、围岩性质、我国其他采区的开采经验，本采区的采煤工作面均为综采工作面，将综采工作面内沿倾斜长度确定为140m，区段煤柱为25m，则采区内沿倾斜可划分为1200/165=7个区段。

由于受采区构造的影响，实际的区段划分要在采煤工作面布置过程中根据实际情况进行适当的调整。

3.5.3采区煤柱尺寸

护巷煤柱：

运输下山、轨道下山两侧的护巷煤柱为50m。

工作面之间的煤柱：

相邻两个工作面顺槽之间的间距为25m。

3.6巷道工程量

五采区的巷道工程量见表3.1。

表3.1巷道工程量表

巷道名称

工程量（m）

单价（元/米）

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