【正文】 第四章 通風(fēng)動(dòng)力本章重點(diǎn)與難點(diǎn)自然風(fēng)壓的產(chǎn)生、計(jì)算、利用與控制軸流式和離心式主要通風(fēng)機(jī)特性主要通風(fēng)機(jī)的聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)主要通風(fēng)機(jī)的合理工作范圍 欲使空氣在礦井中源源不斷地流動(dòng)，就必須克服空氣沿井巷流動(dòng)時(shí)所受到的阻力。這種克服通風(fēng)阻力的能量或壓力叫通風(fēng)動(dòng)力。由第二章可知，通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和自然風(fēng)壓均是礦井通風(fēng)的動(dòng)力。本章將就。對(duì)這兩種壓力對(duì)礦井通風(fēng)的作用、影響因素、特性進(jìn)行分析研究，以便合理地使用通風(fēng)動(dòng)力，從而使礦井通風(fēng)達(dá)到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理，安全可靠。第一節(jié) 自然風(fēng)壓 一、 自然風(fēng)壓及其形成和計(jì)算圖411 簡(jiǎn)化礦井通風(fēng)系統(tǒng) 自然風(fēng)壓與自然通風(fēng) 圖411為一個(gè)簡(jiǎn)化的礦井通風(fēng)系統(tǒng)，23為水平巷道，05為通過系統(tǒng)最高點(diǎn)的水平線。如果把地表大氣視為斷面無限大，風(fēng)阻為零的假想風(fēng)路，則通風(fēng)系統(tǒng)可視為一個(gè)閉合的回路。在冬季，由于空氣柱012比543的平均溫度較低，平均空氣密度較大，導(dǎo)致兩空氣柱作用在23水平面上的重力不等。其重力之差就是該系統(tǒng)的自然風(fēng)壓。它使空氣源源不斷地從井口1流入，從井口5流出。在夏季時(shí)，若空氣柱543比012溫度低，平均密度大，則系統(tǒng)產(chǎn)生的自然風(fēng)壓方向與冬季相反。地面空氣從井口5流入，從井口1流出。這種由自然因素作用而形成的通風(fēng)叫自然通風(fēng)。 由上述例子可見，在一個(gè)有高差的閉合回路中，只要兩側(cè)有高差巷道中空氣的溫度或密度不等，則該回路就會(huì)產(chǎn)生自然風(fēng)壓。根據(jù)自然風(fēng)壓定義，圖411所示系統(tǒng)的自然風(fēng)壓HN可用下式計(jì)算： 411式中 Z—礦井最高點(diǎn)至最低水平間的距離，m； g—重力加速度，m/s2； ρρ2—分別為012和543井巷中dz段空氣密度，kg/m3。 由于空氣密度受多種因素影響，與高度Z成復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系。因此利用式421計(jì)算自然風(fēng)壓較為困難。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，一般采用測(cè)算出012和543井巷中空氣密度的平均值ρm1和ρm2，用其分別代替式4—1—1中的ρ1和ρ2，則(411)可寫為： 412 二、 自然風(fēng)壓的影響因素及變化規(guī)律 自然風(fēng)壓影響因素 由式411可見，自然風(fēng)壓的影響因素可用下式表示： HN=f(ρZ）=f[ρ(T,P,R，φ)Z] 413 影響自然風(fēng)壓的決定性因素是兩側(cè)空氣柱的密度差，而影響空氣密度又由溫度T、大氣壓力P、氣體常數(shù)R和相對(duì)濕度φ等因素影響。圖412 礦井某一回路中兩側(cè)空氣柱的溫差是影響HN的主要因素。影響氣溫差的主要因素是地面入風(fēng)氣溫和風(fēng)流與圍巖的熱交換。其影響程度隨礦井的開拓方式、采深、地形和地理位置的不同而有所不同。大陸性氣候的山區(qū)淺井，自然風(fēng)壓大小和方向受地面氣溫影響較為明顯；一年四季，甚至?xí)円怪g都有明顯變化。由于風(fēng)流與圍巖的熱交換作用使機(jī)械通風(fēng)的回風(fēng)井中一年四季中氣溫變化不大，而地面進(jìn)風(fēng)井中氣溫則隨季節(jié)變化，兩者綜合作用的結(jié)果，導(dǎo)致一年中自然風(fēng)壓發(fā)生周期性的變化。圖412曲線1所示為某機(jī)械通風(fēng)淺井自然風(fēng)壓變化規(guī)律示意圖。對(duì)于深井，其自然風(fēng)壓受圍巖熱交換影響比淺井顯著，一處四季的變化較小，有的可能不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的自然風(fēng)壓，如圖412曲線2所示。 空氣成分和濕度影響空氣的密度，因而對(duì)自然風(fēng)壓也有一定影響，但影響較小。 井深。由式412可見，當(dāng)兩側(cè)空氣柱溫差一定時(shí)，自然風(fēng)壓與礦井或回路最高與最低點(diǎn)（水平）間的高差Z成正比。 主要通風(fēng)機(jī)工作對(duì)自然風(fēng)壓的大小和方向也有一定影響。因?yàn)榈V井主要通風(fēng)機(jī)工作決定了主風(fēng)流的方向，加之風(fēng)流與圍巖的熱交換，使冬季回風(fēng)井氣溫高于進(jìn)風(fēng)井，在進(jìn)風(fēng)井周圍形成了冷卻帶以后，即使風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)或通風(fēng)系統(tǒng)改變，這兩個(gè)井筒之間在一定時(shí)期內(nèi)仍有一定的氣溫差，從而仍有一定的自然風(fēng)壓起作用。有時(shí)甚至?xí)蓴_通風(fēng)系統(tǒng)改變后的正常通風(fēng)工作，這在建井時(shí)期表現(xiàn)尤其明顯。如淮南潘一礦及浙江長(zhǎng)廣一號(hào)井在建井期間改變通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)都曾遇到這個(gè)問題。 三、自然風(fēng)壓的控制和利用 自然風(fēng)壓既是礦井通風(fēng)的動(dòng)力，也可能是事故的肇因。因此，研究自然風(fēng)壓的控制和利用具有重要意義。 新設(shè)計(jì)礦井在選擇開拓方案、擬定通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮利用地形和當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，使在全年大部分時(shí)間內(nèi)自然風(fēng)壓作用的方向與機(jī)械通風(fēng)風(fēng)壓的方向一致，以便利用自然風(fēng)壓。例如，在山區(qū)要盡量增大進(jìn)、回風(fēng)井井口的高差；進(jìn)風(fēng)井井口布置在背陽(yáng)處等。 根據(jù)自然風(fēng)壓的變化規(guī)律，應(yīng)適時(shí)調(diào)整主要通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)，使其既能滿足礦井通風(fēng)需要，又可節(jié)約電能。例如在冬季自然風(fēng)壓幫助機(jī)械通風(fēng)時(shí)，可采用減小葉片角度或轉(zhuǎn)速方法降低機(jī)械風(fēng)壓。 在多井口通風(fēng)的山區(qū)，尤其在高瓦斯礦井，要掌握自然風(fēng)壓的變化規(guī)律，防止因自然風(fēng)壓作用造成某些巷道無風(fēng)或反向而發(fā)生事故。 圖413a是四川某礦因自然風(fēng)壓使風(fēng)流反向示意圖。該礦為抽出式通風(fēng)，風(fēng)機(jī)型號(hào)為BY2№28，冬季AB平硐和BD立井進(jìn)風(fēng)，QAB=2000m3/min，夏季平硐自然風(fēng)壓作用方向與主要通風(fēng)機(jī)相反，平硐風(fēng)流反向，出風(fēng)量Q‘=300m3/min，反向風(fēng)流把平硐某處涌出的瓦斯帶至硐口的給煤機(jī)附近，因電火花引起瓦斯爆炸。下面就此例分析平硐AB風(fēng)流反向的條件及其預(yù)防措施。如圖413b所示，對(duì)出風(fēng)井來說夏季存在兩個(gè)系統(tǒng)自然風(fēng)壓。圖413 自然風(fēng)壓使風(fēng)流反向示意圖 ABB’CEFA系統(tǒng)的自然風(fēng)壓為 DBB’CED系統(tǒng)的自然風(fēng)壓為 式中 rCB’、rAF和rBE分別為CB’、AF和BE空氣柱的平均密度，kg/m3. 自然風(fēng)壓與主要通風(fēng)機(jī)作用方向相反，相當(dāng)于在平硐口A和進(jìn)風(fēng)立井口D各安裝一臺(tái)抽風(fēng)機(jī)（向外）。設(shè)AB風(fēng)流停滯，對(duì)回路ABDEFA和ABB’CEFA可分別列出壓力平衡方程： 416式中 HS—風(fēng)機(jī)靜壓，Pa； Q—DBB’C風(fēng)路風(fēng)量，m3/S。 RD、RC—分別為DB和BB’C分支風(fēng)阻，NS2/m8。 方程組416中兩式相除，得 417 此即AB段風(fēng)流停滯條件式。 當(dāng)上式變?yōu)? 418 則AB段風(fēng)流反向。根據(jù)式418，可采用下列措施防止AB段風(fēng)流反向：（1）加大RD；（2）增大HS；（3）在A點(diǎn)安裝風(fēng)機(jī)向巷道壓風(fēng)。 為了防止風(fēng)流反向，必須做好調(diào)查研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工作，掌握礦井通風(fēng)系統(tǒng)和各回路的自然風(fēng)壓和風(fēng)阻，以便在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候采取相應(yīng)的措施。 在建井時(shí)期，要注意因地制宜和因時(shí)制宜利用自然風(fēng)壓通風(fēng)，如在表土施工階段可利用自然通風(fēng)；在主副井與風(fēng)井貫通之后，有時(shí)也可利用自然通風(fēng)；有條件時(shí)還可利用鉆孔構(gòu)成回路，形成自然風(fēng)壓，解決局部地區(qū)通風(fēng)問題。利用自然風(fēng)壓做好非常時(shí)期通風(fēng)。一旦主要通風(fēng)機(jī)因故遭受破壞時(shí)，便可利用自然風(fēng)壓進(jìn)行通風(fēng)。這在礦井制定事故預(yù)防和處理計(jì)劃時(shí)應(yīng)予以考慮。152346789101125300230四、自然風(fēng)壓測(cè)定平均密度測(cè)算法 密度變化大的地方—井口、井底、傾斜巷道上、下，風(fēng)溫變化較大，變坡布置測(cè)點(diǎn)。較短時(shí)間測(cè)定：P，t，t’，ρi若高差相等：若高差不等：圖414示意圖例 如圖414所示的通風(fēng)系統(tǒng)，在利用氣壓計(jì)法測(cè)定該系統(tǒng)通風(fēng)阻力的同時(shí)，測(cè)得了圖中各測(cè)點(diǎn)的空氣密度如表411，求此系統(tǒng)自然風(fēng)壓HN。表411測(cè)點(diǎn)1234567891011標(biāo)高256015022030030025020013013025密度解：直接測(cè)定 1)有閘門 2)井下密閉墻152346789101125300230HN密閉墻HN 停主要通風(fēng)機(jī)測(cè)定 測(cè)定總回風(fēng)量Q，HN=RQ2簡(jiǎn)略計(jì)算法新井或延深，估算 1)以該區(qū)域最冷或最熱月份平均氣溫作為最冷或最熱進(jìn)風(fēng)溫度； 2)井底溫度比原巖溫度低3~4℃， 3)回風(fēng)井按每上升100m降低1 ℃估算平均值，第二節(jié) 通風(fēng)機(jī)的類型及構(gòu)造 礦井通風(fēng)的主要?jiǎng)恿κ峭L(fēng)機(jī)。通風(fēng)機(jī)是礦井的“肺臟”。其日夜不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，加之其功率大，因此其能耗很大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)部屬煤礦主要通機(jī)平均電耗約占礦井電耗的16%。所以合理地選擇和使用通風(fēng)機(jī)，不僅關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)和職工的身體健康，而且對(duì)礦井的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也有一定影響。 礦用通風(fēng)機(jī)按其服務(wù)范圍可分為三種： 主要通風(fēng)機(jī)，服務(wù)于全礦或礦井的某一翼（部分）； 輔助通風(fēng)機(jī)，服務(wù)于礦井網(wǎng)絡(luò)的某一分支（采區(qū)或工作面），幫助主要通風(fēng)機(jī)通風(fēng)，以保證該分支風(fēng)量； 局部通風(fēng)機(jī)，服務(wù)于獨(dú)頭掘進(jìn)井巷道等局部地區(qū)。 按通風(fēng)機(jī)的構(gòu)造和工作原理可分為離心式通風(fēng)機(jī)和軸流式通風(fēng)機(jī)兩種。 一、離心式通風(fēng)機(jī)的構(gòu)造和工作原理 風(fēng)機(jī)構(gòu)造。離心式通風(fēng)機(jī)一般由進(jìn)風(fēng)口、工作輪（葉輪）、螺形機(jī)殼和前導(dǎo)器等部分組成。圖421是G47311型離心式通風(fēng)機(jī)的構(gòu)造。工作輪是對(duì)空氣做功的部件，由呈雙曲線型的前盤、呈平板狀的后盤和夾在兩者之間的輪轂以及固定在輪轂上的葉片組成。風(fēng)流沿葉片間流道流動(dòng)，在流道出口處，風(fēng)流相對(duì)速度W2的方向與圓周速度u2的反方向夾角稱為葉片出口構(gòu)造角，以β2表示。根據(jù)出口構(gòu)造角β2的大小，離心式通風(fēng)機(jī)可分為前傾式（β290186。)、徑向式（β2=90186。)和后傾式（β290186。)三種，如圖422。β2不同，通風(fēng)機(jī)的性能也不同。礦用離心式通風(fēng)機(jī)多為后傾式。圖421 離心式通風(fēng)機(jī) 圖422 葉片出口構(gòu)造角與風(fēng)流速度圖 進(jìn)風(fēng)口有單吸和雙吸兩種。在相同的條件下雙吸風(fēng)機(jī)葉（動(dòng)）輪寬度是單吸風(fēng)機(jī)的兩倍。在進(jìn)風(fēng)口與葉（動(dòng)）輪之間裝有前導(dǎo)器（有些通風(fēng)機(jī)無前導(dǎo)器），使進(jìn)入葉（動(dòng)）輪的氣流發(fā)生預(yù)旋繞，以達(dá)到調(diào)節(jié)性能之目的。 工作原理。當(dāng)電機(jī)通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片流道間的空氣隨葉片旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，獲得離心力。經(jīng)葉端被拋出葉輪，進(jìn)入機(jī)殼。在機(jī)殼內(nèi)速度逐漸減小，壓力升高，然后經(jīng)擴(kuò)散器排出。與此同時(shí)，在葉片入口（葉根）形成較低的壓力（低于進(jìn)風(fēng)口壓力），于是，進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)流便在此壓差的作用下流入葉道，自葉根流入，在葉端流出，如此源源不斷，形成連續(xù)的流動(dòng)。常用型號(hào)。目前我國(guó)煤礦使用的離心式通風(fēng)機(jī)主要有G47473型和K473型等。這些品種通風(fēng)機(jī)具有規(guī)格齊全、效率高和噪聲低等特點(diǎn)。型號(hào)參數(shù)的含義舉例說明如下： G 4 — 73 — 1 1 № 25 D代表通風(fēng)機(jī)的用途，K表示 表示傳動(dòng)方式 礦用通風(fēng)機(jī)，G代表鼓風(fēng)機(jī) 通風(fēng)機(jī)葉輪直徑（25dm) 表示通風(fēng)機(jī)在最高效率點(diǎn)時(shí) 全壓系數(shù)10倍化