矿井通风

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[外文]：mineventilation向井下连续输送新鲜空气，稀释并排出有毒、有害气体和粉尘，调节矿内小气候，创造良好的工作环境，保证矿工安全与健康，提高劳动生产率。中国矿山安全条例与安全规程规定：向井下供给新鲜风量一般每人不得少于4m3/min，在采掘工作面进风风流中，按体积计算，O2不得低于20％，CO2不得超过0.5％；此外对井下各处的空气成分、风速和气温，也都有相应规定（见矿井热害，矿内空气，矿尘，瓦斯）。矿井通风系统矿井通风方法，主要扇风机工作方式，进、回风井的布置形式和通风网路的总称。它对全矿的通风安全状况具有全局性的影响，在拟定开拓系统时要一并考虑。中国已应用电子计算机优选通风系统。矿井通风方法有机械通风和自然通风。中国于17世纪就有利用自然通风和处理瓦斯的记载(见《天工开物》)。产生矿井自然通风的原因是矿井最低水平进、回风两侧静止空气柱单位面积上的压力不同，其压差即矿井自然风压，它主要由气温差引起。通常自然风压值较小，且不稳定。机械通风是目前中国矿井的主要通风方法。日采1吨煤的煤矿供风量达1m3/min以上；年产万吨矿石的金属矿供风量达1～2m3/s以上。矿井扇风机按工作范围分三种：用于全矿井或矿井某翼（区）的，叫主要扇风机，简称主扇；用于矿井某些分支风路中调节风量，帮助主扇工作的，叫辅助扇风机，简称辅扇；用于矿井局部地区（主要是独头掘进井巷）通风的，叫局部扇风机，简称局扇。主扇分离心式和轴流式两类：（1）离心式扇风机，由动轮，螺形机壳，吸风管和扩散器等组成，动轮又由固定在轮轴上的轮毂和其上的叶片组成（图1）。叶片分前倾式、径向式和后倾式三种，矿用离心式主扇多用后倾式。当动轮旋转时，空气由吸风管进入动轮的中心部分，折转90·后，沿叶道甩入螺形机壳，再经扩散器流出。（2）轴流式扇风机，由装有叶片的动轮、圆筒形机壳、集风器、整流器、流线体和扩散器等组成。为提高风压，有的可安置两段动轮。当动轮旋转时，翼形叶片带动空气沿轴向流动，经扩散器排出。轴流式扇风机叶片，以一定的安装角安设在动轮上，调整安装角可改变风机性能。离心式扇风机结构简单，噪声小，稳定工作范围大，但风量调节不便，必须用反风道反风。轴流式扇风机结构较紧凑，性能调节方便，调节范围较大，可反转反风；但噪声大，稳定工作范围小。局扇也有轴流式和离心式两类。前者体积小，使用安装方便，便于串联，应用广泛，但噪声大。对旋式轴流局扇是由叶片扭曲方向相反的两个动轮构成，分别由两个电动机带动，旋转方向相反，无整流叶片。这种局扇效率较高，噪声较低。挖掘大断面长巷和开凿立井时，常用离心式局扇通风。主扇工作方式有抽出式、压入式和压抽混合式三种。（1）抽出式通风。主扇安装在回风井口，自矿井向外抽风，使整个通风系统处于比当地同标高大气压低的负压状态，各作业地点的污风向回风道集中排出；缺点是当地面塌陷区分布较广，并和采空区相沟通时，会把塌陷区积存的有害气体抽到井下，同时造成风流短路，减少矿井有效风量。（2）压入式通风。主扇安装在进风井口，向矿井内压风，使整个通风系统处于比当地同标高大气压高的正压状态，一部分回风能从塌陷区把有害气体排到地面；缺点是须在进风段设置风门，影响运输，漏风较大，管理较难。（3）混合式通风。进、回风井口都装有主扇，向矿内压风并向外抽风。中国规定煤矿主扇必须安装在地面；金属矿的主扇可以安装在地面，也可安装在井下。局部通风借主扇、局扇或引射器的风压，用风筒、风墙、风障等引导风流设备，将新鲜风流导入作业地点，稀释和排出污风。主要用于井巷掘进。用主扇风压进行局部通风的方法，称全风压通风，安全可靠，管理较方便，但要有足够的风压。局扇通风是常用的掘进通风方法，有压入式、抽出式和混合式三种。引射器通风是在风筒内每隔适当距离装设若干喷嘴，引入压气或高压水，从喷嘴射出，推动风流。瓦斯矿井中，局扇一旦停转，巷道将聚集瓦斯。当再启动电气设备时，可能由于设备的防爆性能不好，产生火花，引起瓦斯爆炸。应将局扇开关和其他电气设备总开关闭锁，做到停风即停电；送风排瓦斯后，才给其他设备送电。辅扇通风在风量不足的分支风路中，安设辅扇，以提高风压。保证风量。辅扇调节法机动灵活，简单易行，金属矿中使用较多；但管理复杂。在瓦斯矿井中，必须慎重使用。辅扇通风方式有带风墙和不带风墙两种，后者适用于阻力较小的分支风路。进、回风井的布置形式主要有中央式、对角式和混合式。中央式又分并列式和边界式两种（图3）。前者进、回风井大致并列于井田走向的中央。后者进风井位于井田走向的中央，而回风井则位于井田浅部边界走向的中央。对角式的进风井位于井田的中央（或两翼），回风井在两翼(或中央)；或进、回风井分别位于井田两翼（图4）。混合式是中央式和对角式的组合形式。中央式一般基建费用少，投产快，地面建筑集中，便于管理，井筒延深方便，但风路长，漏风大，风阻大，电耗大。对角式风路短，风阻相对较小，电耗小，漏风少。通风网路矿井中常用串联、并联和角联三种基本联接形式，构成复杂的通风网路。（1）串联，数条风路首尾相联，无分支风路；（2）并联，数条风路，有共同的分、合节点，中间无交叉风路；（3）角联，并联风路中间有若干联络风路（对角风路）。并联网路的优点是总风阻小，各分支风路独立，风量易调节，通风效果好。角联网路的对角风路风流不稳定，不易控制。在实际工作中，应尽量采用并联网路。通风网路中各风路的风量，依风量、风压平衡定律和阻力定律而自然分配。这些风流运动基本定律是解算通风网路和调节风量的理论依据。矿井风量计算根据矿井类型和规模不同，总风量从每分钟几百至几万立方米不等，各国计算风量都有各自的依据。中国矿井确定总风量的根据是：人的额定风量，CH4或CO2的涌出量(煤矿)，炸药使用量，排尘风速，内燃机马力数(金属矿)，并要保证作业地点有害气体、风速和气温符合安全规程的规定。在含铀、钍的矿井，还应保证井下空气中氡及其子体的浓度符合规定。井巷通风阻力主要有摩擦阻力和局部阻力。摩擦阻力是井巷周壁和风流互相摩擦以及气流微团间的干扰和摩擦而产生的阻力。局部阻力是风流流经井巷某些局部地点，因断面扩大或缩小、转弯、分岔和堆积物堵塞等，改变风速、流向而产生的阻力。井巷的通风阻力h，无论是摩擦阻力、局部阻力或二者兼有，一般均可用通式h＝RQ2表示，R是井巷风阻(kgf.s2/m3)，Q是风量(m3/s)。一个矿井的总风阻有时还用通风等积孔来表示，即用一个和风阻值相当的假想孔的面积A(0.38/垨m2)，来衡量矿井通风的难易程度。矿井反风当进风井或井底车场及其附近发生火灾或瓦斯、煤尘爆炸时，大量有害气体随风流带到各作业地点，危及人员安全。如能使风流反向，即可避免这种危险，故主扇均应装有反风设施。方式有：（1）利用反风道和改变反风门位置反风；（2）轴流式扇风机还可用电动机换相的方法，使扇风机反转反风；（3）中国有的矿井用两台轴流式扇风机并列，一台备用，一台作抽出式运转；当改变反风门的位置后，即从大气吸入空气，再经另一台扇风机的机体送入井下。通风安全检测仪表气体的检测可在井下取气样，在化验室用气体分析仪测定，也可在现场用检定管直接测定。管内装有不同的化学指示剂，以检测各种有害气体。当气体通过检定管后，根据指示剂变色的深浅或长度，确定气体的浓度。检测CH4可用光学、热催化式或热导式检定器。光学甲烷检定器根据光干涉原理制成，当充入含CH4的空气时，光程差随其浓度变化，干涉条纹移动，位移量大小即表示CH4浓度。火焰安全灯是最早的CH4检测工具。根据火焰长度变化，判定CH4浓度，测定范围在4～5％以下。在玻璃灯罩上部有两层金属纱网，当CH4在灯内燃烧或爆炸时，火焰不会窜出灯外；当空气缺氧时，灯即熄灭，可兼作测氧工具。矿尘浓度和分散度的测定（1）矿尘浓度，中国用重量浓度(mg/m3)表示，用滤膜计重法测定。在抽气机作用下，使一定体积的含尘空气通过滤膜，矿尘被阻留于滤膜上，根据滤膜的增重和通过的空气量计算矿尘浓度。各国还研制了多种快速测尘仪，如光电式、静电式、光散射式、压电晶体式和β射线式等，有的已被采用。（2）矿尘分散度，即粒度组成，分为重量分散度与数量分散度两种。重量分散度多用沉降法测定；数量分散度可用显微镜观测，也可用光电粒子计数器或粒谱仪测定。金属矿山中普遍使用显微镜观测。将采样后的滤膜，放于瓷皿中，加少量醋酸丁酯溶剂，使滤膜溶解，尘粒均匀悬浮于溶液中，然后取一滴在载物玻璃片上制成样品，在显微镜下按不同粒径计算尘粒的数量。此外，中国最近已研制成长时间连续采样的采样器，可测定一个工班环境和个体接触粉尘的平均浓度。测定矿尘中游离二氧化硅的含量，可用焦磷酸化学分析法等。风速测量主要用风表测量。常用的有叶式风表(图5）和杯式风表。前者测低速(0.1～5.0m/s)或中速(0.5～10m/s)，后者测高速(1.0～20m/s)。当风流吹动风叶或风杯时，带动传动机构使指针转动。在一定时间内，风表指针前后指示数之差，经校正计算，即得风速。还可利用热效应元件在风流中的热损耗来测量风速，分热线式、热球式和热敏电阻式三种，分别用金属丝、热电偶和热敏电阻作热效应元件，可测微风速。压力测量风机房或硐室内用水银气压计测大气压。非固定地点的大气压用空盒气压计或精密气压计测量。测风流的相对压力或压差可用皮托管和压差计。根据测量范围和所需精度分别选用U型压差计、单管倾斜压差计或补偿式微压计，后者用于精密测量（图6），它有两个盛水容器，由胶管连通，其一可沿测微螺杆上下移动，另一有光反射观测装置，最小分度值为0.01mmH2O。空气温度和相对湿度测量可用普通温度计测气温，用手摇湿度计或通风湿度计测相对湿度。矿井通风构筑物引导、遮断风流和控制风量的设施，是矿井通风系统中的重要设备。有：风桥进风道和回风道交叉处的构筑物，隔开新风流和回风流。主要风桥用砖、石、混凝土等构筑，或专门开凿绕道。风门在既要隔断风流，又要行人或通车的地点，需设置风门。在行人通车比较频繁的主要运输道上，应设置自动连锁风门，利用各种动力，自动开启或关闭。中国的自动风门有撞杆式、电动式、压气式、水压式等。在需要调节风量的风道中，应安设调节风窗，可改变风窗面积，调节风量。风墙在不允许风流通过，也不需行人通车的巷道，应设置风墙（密闭墙），遮断风流。永久性挡风墙须用砖石、混凝土等构筑。风障在独头巷道中引导风流的设施，是用砖、木板或帆布、塑料布等做成的纵向隔墙，将巷道隔成两侧，一侧进风，一侧回风。发展趋势为加强通风安全的技术管理，在矿井空气成分、风速及气温等条件的遥测和通风设备、设施的遥控等方面的研究，取得很大进展。目前中国可从地面集中监视井下各作业点的CH4浓度和风速，当某处CH4超过规定浓度时，能自动报警，并切断电源。有的国家已研制成CH4、O2、CO、气温、风速、风压等多参数遥测系统，用电子计算机处理遥测数据，还对主扇等设备的运转，进行监控。参考书目《煤矿通风与安全》编写组:《煤矿通风与安全》，煤炭工业出版社，北京，1979。东北工学院王英敏主编：《矿井通风与安全》，冶金工业出版社，北京，1979。