第6章 矿井风量调节.doc

第六章 矿井风量调节 在矿井生产中，矿井风网的供风量会因巷道的延伸、工作面的推进等因素不断的发生变化，另外，瓦斯涌出量等发生变化也要引起风网内需风量的变化。这些变化都会导致井下各用风地点的实际供风量与需求风量产生较大差异，甚至引起矿井总风量的供需变化。为了保证井下风流按所需的风量和预定的路线流动，就需要对矿井风量进行调节。这是矿井通风管理的重要内容。 通常，在采区内、采区之间和生产水平之间的风量调节称为局部风量调节；对全矿总风量进行增减的调节称为矿井总风量调节。 第一节 局部风量调节 局部风量调节有三种方法增加风阻调节法、降低风阻调节法和辅助通风机调节法。 一、增加风阻调节法 1、增阻法调节原理 如图6-1所示为某采区两个采煤工作面的通风网路图。已知两风路的风阻值R10.8NS2/m8，R21.0NS2/m8，若总风量Q12m3/s，则该并联网路中自然分配的风量分别为 图6-1 并联通风网路 Q16.3 m3/s Q2Q-Q112－6.35.7 m3/s 如按生产要求，1分支的风量应为QⅠ4.0 m3/s，2分支的风量应为QⅡ8.0 m3/s，显然自然分配的风量不符合生产要求。按满足生产要求的风量，两分支的阻力分别为 h1R1QⅠ20.84212.8Pa h2R2QⅡ21.08264.0 Pa 2风路的阻力大于1风路的阻力，这与并联网路两分支分压平衡的规律不符。因此，必须进行调节。采用增阻调节法，即以h2的数值为并联风网的总阻力，在1风路上增加一项局部阻力hc，使两风路的阻力相等，这时进入两风路的风量即为需要的风量。 h1 h窗 h2 或 h窗 h2- h1 即 h窗64-12.851.2 Pa 以上说明，增阻调节法的实质就是以并联风网中阻力较大的分支阻力值为依据，在阻力较小的分支中增加一项局部阻力，使并联各分支的阻力达到平衡，以保证风量按需供应。 增阻调节法的主要措施，是在调节支路回风侧设置调节风窗（如图6-2所示）、临时风帘、风幕（如图6-3所示）等调节装置。其中调节风窗由于其调节风量范围大，制造和安装都较简单，在生产中使用的最多。 图6-2 调节风窗 图6-3 风幕 调节风窗的开口断面积计算 当/≦0.5时， 6-1 或 6-2 当/﹥0.5时， （6-3） 或 6-4 式中 S窗------调节风窗的断面积，m2； S------巷道的断面积，m2； Q------通过的风量，m3/s； H窗------调节阻力，Pa； R窗------调节风窗的风阻，Ns2/m8，R窗 h窗/Q2。 上例中，若1分支回风侧设置调节风窗处的巷道断面S14.5m2，则调节风窗的开口断面积为 /0.14＜0.5 则 ≈0.61 m2 2、增阻法调节的分析 1）增阻调节法使风网总风阻增加，如果主要通风机特性曲线不变，总风量会减少，在一定条件下，可能达不到调节风量的预期效果。 如图6-4所示，已知主要通风机特性曲线Ⅰ和两分支风阻R1、R2。在图上按照“风压相等，风量相加”的原则，绘制并联风网的总风阻曲线R。R与Ⅰ的交点a即为主要通风机的工作点，a点的横坐标则为矿井的总风量Q。从a作水平线和R1、R2交于b、c两点，则b、c两点的横坐标Q1、Q 2为两风路自然分配的风量。如果在1风路中采取增阻法调节，增加的风阻值为R窗，1风路中的风阻则上升为R1ˊ（R1ˊ R1 R窗），在图上绘出R1ˊ的曲线,并绘出R1ˊ和R2并联的风阻曲线Rˊ,由Rˊ与Ⅰ的交点aˊ解出调节后的矿井总风量Qˊ。由aˊ作水平线交R1ˊ和R2于bˊ、cˊ,则调节后分配在两分支中的风量分别为Q1ˊ、Q 2ˊ 。可以看出，风量调节后由于矿井总风阻值的增加，使总风量减少，其减少值为△QQ－ Qˊ；增阻的1分支中风量也减少,其减少值为△Q1 Q1－ Q1ˊ；另一支风量增加，其增加值为△Q 2 Q 2ˊ－ Q 2 。显然减少的多，增加的少，其差值就等于总风量的减少值，即 △ Q Q1＋Q 2－ Q1ˊ＋Q 2ˊ Q1－Q1ˊ－ Q 2ˊ－ Q 2 △Q1－△Q 2 m3/s 图6-4 增阻法调节分析 图6-5 通风机风压曲线陡缓对调风的影响 2） 总风量的减少值与主要通风机性能曲线的缓、陡有关。如图6-5所示，Ⅰ为轴流式通风机风压特性曲线，Ⅱ为离心式通风机风压特性曲线。R、 Rˊ分别为调节前后的风阻曲线。可以看出，△Q＜△Qˊ，表明通风机风压特性曲线越陡，总风量减少值越小，反之则越大。 3、增阻调节法的使用 1）调节风窗一般安设在回风侧，以免影响运输。当必须安设在运输巷道时，可采取多段调节，即用若干个大面积调节风窗代替一个面积较小的调节风窗，且满足小面积风窗的阻力等于这些大面积风窗的阻力之和。 2）在复杂风网中采用增阻法调节时，应按先内后外的顺序逐渐调节。使每个网孔的阻力达到平衡。要合理确定风窗的位置，防止重复设置。例如图6-6所示的复杂网路，若每条风路所需的风压值已确定（图中括号内数值、单位Pa），合理的调节顺序应该按A→B→C→D→E网孔，依次调节，并分别在ab10 Pa支路、cd50 Pa支路、ef支路设置调节风窗，增加的风压值分别为10 Pa、20 Pa、30 Pa。 图6-6 复杂风网中风窗调节的顺序 3）风窗一般安设在风桥之后（图6-7b）。如果将风窗安设在风桥之前（图6-7a），由于风流经风窗后压降很大，造成风桥上、下风流的压差增大，可能导致风桥漏风增大。 图6-7风桥前后风窗的位置 增阻调节法具有简单、易行的优点，是采区内巷道间的主要调节措施。但这种方法会使矿井的总风阻增加，若主要通风机风压特性曲线不变，会导致矿井总风量下降；否则，就得改变主要通风机风压特性曲线，以弥补增阻后总风量的减少。 二、降低风阻调节法 1、 降阻法调节原理 如图6-8所示的并联风网，两分支风路的风阻分别为R1和R2（Ns2/m8），所需风量分别为Q1和Q2（m3/s），则两条风路产生的阻力分别为 图6-8 并联风网 h1 R1 Q12 h2 R2 Q22 如果h2＞h1，采用降阻调节法调节时，则以h1的数值为依据，使h2减少到h2ˊ h1。为此，需把R2降到R2ˊ，即 h2ˊ R2ˊQ22 h1 （6-5） 以上表明，降阻调节法与增阻调节法相反。为了保证风量的按需分配，当两并联巷道的阻力不相等时，以小阻力分支为依据，设法降低大阻力巷道的风阻，使风网达到阻力平衡。 2、 降阻调节法及计算 降低风阻值的方法可根据所需降阻数值的大小和矿井通风状况而定。当所需降阻值不大时，首先应考虑减小局部阻力，还可以在阻力大的巷道旁侧开掘并联巷道（可利用废旧巷），也可以改变巷道壁面平滑程度或支架型式，通过减少摩擦阻力系数降低风阻；当所需降阻值较大时，可采用扩大巷道断面的方法，条件允许时，也可缩短通风路线总长度降低风阻。 如果将图6-8中2支路巷道全长L2（m）的断面扩大到S2ˊ（m2），则 （6-6） 式中 -----扩大后断面的摩擦阻力系数，Ns2/m4； -----2分支巷道扩大后的断面周长，m。 （ 6-7） 式中 K----巷道断面形状系数 梯形巷道K4.03～4.28，一般取4.16 三心拱巷道K3.8～4.06，一般取3.85 半圆拱巷道K3.78～4.11，一般取3.90 将（6-7）式代入（6-6）式，得出巷道2扩大后的断面积公式为 （6-8） 如果采用改变摩擦阻力系数降阻时，减小后的摩擦阻力系数公式为 （6-9） 降阻调节法可使矿井总风阻减少，若主要通风机风压特性曲线不变，矿井总风量会增加。但这种方法工程量大、投资多、施工时间较长，所以降阻调节法多在矿井增产、老矿挖潜改造或某些主要巷道年久失修的情况下，用来降低主要风路中某一段巷道的通风阻力。 三、辅助通风机调节法 1、辅助通风机调节法原理 如图6-9所示，如果按需要风量Q1、Q2计算出两风路的阻力h2＞h1时，可在风路2中安装一台辅助通风机，用辅助通风机的风压来克服该风网的阻力差，使其符合风压平衡，即 图6-9 辅助通风机调节法原理 （6-10） 式中 h辅辅助通风机风压，Pa； h1 1风路按需风量（Q1）计算的阻力，Pa； h2 2风路按需风量（Q2）计算的阻力，Pa。 可以看出 ，辅助通风机调节就是以阻力小的风路阻力为依据，在阻力较大的风路中安装一台辅助通风机，利用辅助通风机的风压克服一部分通风阻力，使并联风网阻力达到平衡定律，从而实现风量调节的目的。 2、 辅助通风机的选择 辅助通风机的选择方法有多种，这里只介绍一种简单方法。 1）辅助通风机的风压 辅助通风机的风压，就是并联风网的两分支的阻力差。由式（6-10）可知 （ 6-11） 式中 R1、R21、2两分支的风阻，Ns2/m8； Q1、Q 21、2两分支的需要风量，m3/s。 2辅助通风机的风量 辅助通风机的风量，就是该巷道的需风量，即 （6-12） 通过计算出的辅助通风机的风压和风量，就可选择合适的通风机。 3、 辅助通风机的安装和使用 1）为了保证新鲜风流通过辅助通风机而又不致防碍运输，一般把辅助通风机安设在进风流的绕道中，如图6-10所示，但在进风巷道中至少要安设两道自动风门，其间距必须满足运输的要求，风门必须向压力大的方向开启。如果把辅助通风机安设在回风流中，安设方法基本相同，但要设法引入一股新鲜风流给风机的电动机通风（如利用大钻孔等方法），使电动机在新鲜风流中运转。为此，安设电动机的硐室必须与回风流严密隔开。 图6-10 辅助通风机的安装 2）如果辅助通风机停止运转，必须立即打开进风巷道中的风门，以免发生相邻区域的风流逆转，甚至产生循环风。此时，应根据具体情况，采取相应安全措施。重新启动辅助通风机之前，应检查附近20m内的瓦斯浓度，只有在不超过规定时，才允许启动风机。 3）采空区附近的巷道中安设辅助通风机时，要选择合适的位置。否则，有可能产生通过采空区的循环风或漏风，甚至引起采空区的煤炭自燃。 4）严禁在煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出的矿井中安设辅助通风机。 四、各种调节方法的评价 增阻调节法的优点是简便、经济、易行。但由于它增加了矿井总风阻，矿井总风量要减少，因此这种方法只适于服务年限不长、调节区域的总风阻占矿井总风阻的比重不大的采区范围内。对于矿井主要风路，特别是在阻力搭配不均的矿井两翼调风，则尽量避免采用。否则，不但不能达到预期效果，还会使全矿通风恶化。 减阻调节法的优点是减少了矿井总风阻，增加了矿井总风量。但实施工程量较大、费用高。因此，这种方法多用于服务年限长、巷道年久失修造成风网风阻很大而又不能使用辅助通风机调节的区域。 辅助通风机法调节的优点是简便、易行，且提高了矿井总风量。但管理复杂，安全性较差。因此，这种方法可在并联风路阻力相差悬殊、矿井主要通风机能力不能满足较大阻力风路要求时使用。 总之，上述三种风量调节方法各有特点，在运用中要根据具体情况，因地制宜选用。当单独使用一种方法不能满足要求时，可考虑上述方法的综合运用。 第二节 矿井总风量调节 矿井总风量调节主要是调整主要通风机的工作点。其方法是改变主要通风机的特性曲线，或是改变主要通风机的工作风阻。 一、改变主要通风机工作风阻调节法 如图6-11所示的通风机工况，通风机特性曲线为n，当矿井风阻特性曲线R增大为R1时，通风机的工作点由a变到b，矿井总风量由Q减到Q1；反之，工作点由a变到b，矿井总风量由Q增至Q2。 图6-11 改变主通风机的工作风阻调节风量 因此，当矿井要求的通风能力超过主要通风机最大潜力又无法采用其它调节法时，就必须降低矿井总风阻，以满足矿井通风要求。 如果主要通风机的风量大于矿井实际需要，可以增加主要通风机的工作风阻，使总风量下降。由于离心式通风机的输入功率随风量的减少而降低，所以，对于离心式风机，当所需风量变小时，可利用风硐中的闸门增加风阻，减小风量；对于轴流式风机，通风机的输入功率随风量的减小而增加，故一般不用闸门调节而多采用改变通风机的叶片安装角度，或降低风机转速进行调节；对于有前导器的通风机，当需风量变小时，可用改变前导器叶片角度的方法来调节，但其调节幅度比较小。 二、改变主要通风机特性调节法 1、离心式通风机 对于矿井使用中的一台离心式通风机，其实际工作特性曲线主要决定于风机的转数。如图6-12所示，一台离心式通风机在转数为n1时，其风压特性曲线为Ⅰ。如果实际产生的风量（Q1）不能满足矿井需风量（Q2）时，可用比例定律求出该风机所需新的转数n2，即 ， （6-13） 绘制出新转数n2时的全风压特性曲线Ⅱ，它和矿井总风阻曲线R的交点M即为通风机新的工作点。同时，根据新转数的效率特性曲线和功率特性曲线，检查新工作点是否在合理的工作范围内，并验算电动机的能力。 改变通风机转速是改变离心式通风机特性曲线的主要方法。其具体做法是如果通风机和电动机之间是间接传动，可以改变传动比或改变电动机的转数；如果通风机和电动机是直接传动，则可改变电动机的转数或更换电动机。 图6-12 改变通风机的转数调节风量 2、 轴流式通风机 轴流式通风机特性曲线的改变，主要决定于通风机动轮叶片安装角和通风机转数两个因素。在矿井生产中，常采用改变轴流式通风机叶片安装角的方法实施调节。如图6-13所示，正常运转时，叶片安装角为θ1（27.50），运转工况点为特性曲线Ⅰˊ上的a点；由于生产需要，矿井总阻力增加，为保证原有的风量，主通风机运转工况点移至b点，此时，则把叶片安装角调整到θ2（300），才能使风压特性曲线Ⅰ通过b点，从而保证矿井总风量的需要。 图6-13 改变轴流式通风机的叶片安装角 轴流式通风机的叶片，是用双螺帽固定于轮毂上，调整时只需将螺帽拧开，调整好角度后再拧紧即可。这种方法的调节范围比较大，一般每次可调5（每次最小可调2.5），而且可使通风机在最佳工作区域内工作。采用变频技术控制主要通风机的矿井，在一定范围内，也可通过调整电动机转数，方便地实现总风量的调节。 3、对旋式通风机 对旋式通风机是近年来开发应用的新型高效轴流式风机。其调节方法和一般轴流式通风机相似，可以调整风机两级动轮上的叶片安装角（可调整其中一级，也可同时调整两级），也可以改变电动机的转数。由于对旋式通风机的两级动轮分别由各自的电动机驱动，在矿井投产初期甚至可单级运行。 复习思考题 6-1 为什么风量调节是矿井通风管理的主要内容 6-2 什么是局部风量调节什么是矿井总风量调节二者有什么不同 6-3 增阻调节法的实质是什么 6-4 增阻调节法对矿井通风网路有什么影响 6-5 使用增阻调节法对应注意哪些问题 6-6 降阻调节法的实质是什么 6-7 使用降阻调节法时应注意哪些问题 6-8 辅助通风机调节法的实质是什么 6-9 使用辅助通风机调节法时应注意哪些问题 6-10 矿井总风量调节的方法主要有哪些 习 题 6-1 某采区通风系统如题图6-1所示，各段巷道的风阻为R0.08，R0.15，R0.18，R0.15，R0.10Ns/m,系统总风量Q40m/s,各分支需要的风量为Q15 m/s, Q 20 m/s,Q5 m/s。若采用风窗调节（风窗设置处巷道断面积为S4 m），应如何设置风窗，风窗的面积值为多少调节后系统的总风阻、总等积孔为多少（S1.87 m， S0.63 m，A2.67 m，R0.198 Ns/m） 6-2 如题图6-2所示的通风系统，已知R1.5，R0.9 Ns/m，L1500m，L1000m。因生产需要，两分支BCD、BDE的风量均为20m/s，若采用全长扩大断面的调节措施，问需要在哪个分支上扩大断面断面扩大到多少平方米（扩大后巷道断面形状为梯形，α0.02）（S7.19 m） 6-3某巷道通风系统如题图6-3所示，已知各分支风阻为R1.2，R0.4， R R3.2，R0.6，R 2.8，R0.3 Ns/m。各分支需要的风量为Q30 m/s ，Q10 m/s， Q20 m/s。若采用辅助通风机法调风量，试计算辅助通风机的风压及调节后系统的总阻力（h760P,h1630 P） 题图6-1 风窗调节 题图6-2 扩大断面调节 题图6-3辅助通风机调节 13