××煤矿西采区通风系统改造设计

煤矿西采区通风系统改造设计公司矿生产技术部2009年10月28日矿井通风系统改造设计人员名单设计人设计负责人通风负责人技术负责人机电负责人生产技术部总工程师矿长通风系统改造设计依据： 煤矿安全规程，版煤炭工业出版社，2007年 矿井通风与空气调节，中国矿业大学出版社，1990年 煤矿安全工程设计煤炭工业出版社，1994年 采矿工程设计手册煤炭工业出版社，2003年 通风安全学，中国矿业大学出版社，2000年通风系统改造设计原则： 按“以风定产”原则，使改造后的通风系统能力与矿井生产能力 相匹配 改造设计技术上合理可靠，风量充足，风流稳定、风速合理 以最少的投资，较少的工程量与材料消耗，获得最好的经济效益 根据本公司的实际情况，尽可能选用先进技术和装备 改造后的系统安全可靠，防灾、抗灾能力强目 录第一节、矿井概况5第二节、矿井通风系统现状和存在问题6一、通风系统现状6二、存在问题6第三节、矿井通风系统改造方案的选择7一、方案选择7二、方案设计的计算基础7第四节、矿井需风量计算和风速验算9一、需风量计算9二、风量分配和风速验算15第五节、矿井通风阻力计算16一、通风阻力计算16二、通风阻力分析18第六节、通风设备选择19一、工况点计算19二、电机功率计算19三、风硐改造20第七节、通风系统改造21一、生产巷道现状21二、巷道改造方案21第一节、矿井概况煤矿位于贵州省黔西南布依族、苗族自治州普安县楼下镇。地理坐标为：东经10454001045534，北纬252247252440。 矿井形状为不规则形，面积4.7993km。主井口标高为1405.48m,副井标高为1404.60m,风井标高为1446.54m，主平硐标高为1309.79m。本井田可采煤层4层，即17#、18#、19#、20#煤层。矿井采用平硐、斜井开拓方式，原设计生产能力30万吨年，2009年实际产煤36万吨。目前共有两个采区，西采区地质构造简单，煤量大，2009年产出煤量21万吨。2010年，西风井将担负年产25万吨以上产量的通风任务，需供风量4000 m3/min左右。煤矿煤层开采顺序先上后下，近距离煤层群分组联合布置，上山开采，采区式区段后退式，区段内后退式回采。采煤工作面采用走向长壁后退式采煤法，采煤工艺为炮采、支护形式为2.5m单体液压支柱配合绞接顶梁、四对八梁全断面支护；全部垮落法管理顶板。第二节、矿井通风系统现状和存在问题一、通风系统现状煤矿矿井通风方式为中央并列式，通风方法为抽出式，主、副，主平硐井进风，东西采区风井回风。地面通风机房安设两台同型号离心式扇风机，一台运转，一台备用。西采区主扇型号为BD-11NO14型，功率为255kw，数量2台（一台工作，一台备用），额定风量1200-2880m3/min、风压10003100Pa。采区实际总进风量2024m3/min，负压980Pa。东采区主扇型号为FBCDZ防爆对旋轴流式风机，数量2台（一台工作，一台备用），配套电机YBF225-4主扇功率为275kw，额定风量1510-3100m3/min、风压13003300Pa。采区实际总进风量2283m3/min，负压1100Pa。掘进工作面使用FBDNo6/215kw型，全矿共有局部扇风机八台（四台工作，四台备用），电机功率为215kw、风量为330m3/min-500m3/min，风筒为600mm的矿用抗静电阻燃风筒,采用压入通风本矿井采用抽出式通风，二、存在问题煤矿原设计能力为45万吨年，但是实际生产能力难以达到设计生产能力，今年矿井对各个生产系统进行了一系列改造，矿井生产能力达90万吨年。矿井通风系统虽进行了系列改造，但仍不能完全与矿井实际生产能力相匹配，给通风安全管理带来隐患。主要存在以下几方面的问题：1、按目前的采掘布局布置，西采区主要通风机的供风量已达到极限。日常因供风量不足影响生产安全。2、主要通风机严重老化，故障较多，运行不稳定，供风量不连续不可靠。3、井下采场逐步向西采区转移，采区要布置2个采煤工作面和二个掘进工作面，所需风量增加，通风距离增大，通风阻力增大，现运行的主要通风机难以满足安全生产需要。4、矿井主要通风巷道都布置地煤层中，变形严重，通风断面小，阻力大，风速超限，供风量不足。第三节、矿井通风系统改造方案的选择一、方案选择煤矿原设计能力为30万吨，矿井初期主要开采首采区的17#煤，现西采区17#煤层已回采结束，矿井东西采区近两年内也将结束，矿井今后的生产主要集中在西采区开采。采区开始投产时采区主要进风巷道断面积为5.68.02m2,主要回风巷道断面积为6.9m2，并开采17#煤层，通风距离短，通风网络简单，测定通风阻力为1205Pa,等积孔为2.26m2，网络上属于通风容易矿井。目前矿井通风系统存在的问题主要为矿井总风量达到极限、主要通风机严重老化，故障较多，运行不稳定、通风系统将由生产系统的增加，所需的风量增加，通风距离增大，通风阻力增大，现运行风机难以满足安全生产需要。煤矿通风系统改造的目的在于提高矿井总风量，保证主要通风机安全运转，使通风能力与生产能力相匹配。鉴于以上对矿井通风网路、通风设备的分析， 通风系统改造的方案为：更换矿井主要通风机和巷道改造。二、方案设计的计算基础煤矿通风系统改造的方案为更换主要通风机和巷道改造，今后采掘头面个数和机电硐室数量基本稳定，但随采掘地点的变化，通风系统有较大变化。因此主要通风机选型，须从以下几方面作为选型计算的基础：（一）重新计算矿井需风量，合理配风，并以此来计算矿井通风阻力。（二）随采掘布局的变化，矿井生产逐步转移到西采区，形成西采区通风系统。生产系统增加，矿井配风量增加，通风路线延长、通风阻力增大，矿井通风进入困难时期。因此应以通风路线最长、阻力最大的困难时期作为风机选型的基础。（三）根据矿井采掘计划，矿井需风量计算1个回采工作面、1个备用工作面，4个掘进工作面、2个独立通风的硐室作为风量计算基础。1个回采工作面为：1903工作面。1个备用工作面：1904工作面。4个掘进工作面：17#煤层和19#煤层。（四）通风阻力计算通风容易时期：阻力计算以1903回采工作面为通风阻力计算路线。西采区1个回采工作面，2个掘进工作面，留有30m的煤柱。通风困难时期：阻力计算以1904回采工作面和1903回采工作面作为通风困难时期阻力计算路线。通风困难时期西采区1个回采工作面， 1个备用面，4个掘进工作面，2个硐室，按工作面的最长计算。第四节、矿井需风量计算和风速验算一、需风量计算采煤工作面的实际需要风量，应按稀释和冲淡抽放以后的工作面瓦斯涌出量要求，并考虑工作面气温、风速以和人数等因素分别进行计算后，取其中最大值，并经风速验算。经分析和计算认为，本矿井地温不高，炮采工作面人数少，一般不超过35人，因此，影响工作面风量确定的主要原因是瓦斯涌出量和风速。（一）采煤工作面需风量计算1、西1903工作面的配风量（1）按瓦斯（或二氧化碳）涌出量计算。 Q采1=100q采Kc 式中： Q采采煤工作面实际需要的风量，m3/s； q瓦采采煤工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min；取5.7m3 /min KC采煤工作面瓦斯涌出不均衡的备用风量系数，即该工作面瓦斯绝对涌出量的最大值与平均值之比；炮采工作面取1.42.0，本矿取1.8 Q采1=100q采Kc=1005.71.8=1026 m3/min（2）按工作面温度计算Q采VcScKi式中 Vc采煤工作面适宜风速，取1.0m3/s；Sc采煤工作面平均有效断面，取7.04m2；Ki工作面长度系数，取1.0。故 Q采17.041=422.4m3/min （3）按炸药使用量计算Q采25Ac/60=0.417Ac式中 Ac：采煤工作面采煤工作面一次使用最大炸药量，取18kg；故 Q采0.41718=450m3/min（4）按工作面工作人员数量计算Q采=4n=435=140m3/min=2.3 m3/s 式中：n采煤工作面同时工作的最多人数，35人；以上计算最大值Q采=maxQ采1,Q采取Q采=787.2m3/min=13.12m3/s（5）按风速验算0.25ScQ采4Sc，则 0.25Sc0.257.041.76 (m3/s)Q采4Sc47.0428.16m3/sQ采故 Q采1026 m3/min =17.1m3/s满足要求。西采区1903工作面所需风量为1026 m3/min，2、西1904工作面的配风量（1）按瓦斯（或二氧化碳）涌出量计算。 Q采1=100q采Kc 式中： Q采采煤工作面实际需要的风量，m3/s； q瓦采采煤工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min；取4.6m3 /min KC采煤工作面瓦斯涌出不均衡的备用风量系数，即该工作面瓦斯绝对涌出量的最大值与平均值之比；炮采工作面取1.42.0，本矿取1.8 Q采1=100q采Kc=1004.61.8=828 m3/min（2）按工作面温度计算Q采VcScKi式中 Vc采煤工作面适宜风速，取1.0m3/s；Sc采煤工作面平均有效断面，取7.04m2；Ki工作面长度系数，取1.0。故 Q采17.041=422.4m3/min 表1 采煤工作面温度与风速对照表根据煤矿地温梯度和季节变化情况，井下工作面温度一般在1722之间，对照上表，取工作面风速V采i=1.0m/s； S采i第i个采煤工作面的平均断面积 m2； K采面调整系数；（3）按炸药使用量计算Q采25Ac/60=0.417Ac式中 Ac：采煤工作面采煤工作面一次使用最大炸药量，取18kg；故 Q采0.41711.25=281m3/min（4）按工作面工作人员数量计算Q采=4n=435=140m3/min=2.3 m3/s 式中：n采煤工作面同时工作的最多人数，35人；以上计算最大值Q采=maxQ采1,Q采取Q采=787.2m3/min=13.12m3/s（5）按风速验算0.25ScQ采4Sc，则 0.25Sc0.257.041.76 (m3/s)Q采4Sc47.0428.16m3/sQ采故 Q采13.8m3/s满足要求。西采区1904工作面所需风量为828 m3/min，各个独立通风的掘进工作面实际需风量,应按瓦斯或二氧化碳涌出量、炸药用量、局部通风机实际吸风量、 风速和人数等规定要求分别进行计算,并取其中最大值。（二）采区掘进工作面需风量计算1、西1905运输巷配风量计算（1）按每班掘进工作面人数计算: Q掘=4nj=412=64m3/min=1.06 m3/s 式中：nj掘进工作面同时工作的最多人数，1人；经计算，掘进工作面风量为1.06m3/s。（2）按瓦斯（或二氧化碳）涌出量计算Q掘1=100q瓦掘K掘通式中： T-昼夜产量, 6.096m1.5t/m3=54.8tq绝瓦斯相对涌出量，1.26m3/t； K掘通掘进工作面瓦斯涌出不均衡的备用风量系数，该数值应经过观察实测后取得；一般取1.42.0；取1.4则：Q掘1=100q掘Kd=1000.9454.8/(2460)1.4=343m3/min （3）按炸药使用量计算：Q掘=Ajb（tc） 式中：Aj掘进工作面一次爆破所用的最大炸药量，4.5kg；b每公斤炸药爆破后生成的当量CO的量，根据炸药有毒气体国家标准，取b=0.1m3/kg；t通风时间，一般不少于20min；c爆破经通风后，允许工人进入工作面工作的CO浓度，一般取c=0.0024%；Q掘=25Aj=254.5=112.5m3/min（4）按局部通风机吸风量计算：Q掘3= Q局I9S=3751+96.08=382 m3/minQ掘局部通风机实际吸风量，该对旋式局部通风机215K额定风量为456295 m3/min，取375 m3/min进行计算，S安装局部通风机巷道断面9为防止局部通风机吸循环风的风速I局部通风机的台数经计算，以上计算最大值Q掘=maxQ掘1,Q掘1,Q掘3，则普通钻爆法掘进工作面风量为382m3/min。（5）按风速验算：根据煤矿安全规程规定煤巷、半煤岩巷掘进工作面的风量应满足：15SjQ掘240Sj式中：Sj掘进工作面巷道过风断面，7.04m2；所以：Q掘156.08=91.2m3/min=1.52m3/s Q掘2406.08=1459.2m3/min=24.32m3/s式中： SJ掘进工作面巷道过风断面为6.08m2，经计算每个掘进工作面所需风量为343 m3/min。按风速验算满足要求。2、西1905回风巷配风量计算（1）按每班掘进工作面人数计算: Q掘=4nj=412=64m3/min=1.06 m3/s 式中：nj掘进工作面同时工作的最多人数，1人；经计算，掘进工作面风量为1.06m3/s。（2）按瓦斯（或二氧化碳）涌出量计算Q掘1=100q瓦掘K掘通式中： T昼夜产量, 6.096m1.5t/m3=54.8tq绝瓦斯相对涌出量，0.78m3/t； K掘通掘进工作面瓦斯涌出不均衡的备用风量系数，该数值应经过观察实测后取得；一般取1.42.0；取1.6则：Q掘1=100q掘Kd=1000.7854.8/(2460)1.6=285m3/min （3）按炸药使用量计算：Q掘=Ajb（tc） 式中：Aj掘进工作面一次爆破所用的最大炸药量，4.5kg；b每公斤炸药爆破后生成的当量CO的量，根据炸药有毒气体国家标准，取b=0.1m3/kg；t通风时间，一般不少于20min；c爆破经通风后，允许工人进入工作面工作的CO浓度，一般取c=0.0024%；Q掘=25Aj=254.5=112.5m3/min（4）按局部通风机吸风量计算：Q掘3= Q局I9S=3751+96.08=382 m3/minQ掘局部通风机实际吸风量，该对旋式局部通风机215K额定风量为456295 m3/min，取375 m3/min进行计算，S安装局部通风机巷道断面9为防止局部通风机吸循环风的风速I局部通风机的台数经计算，以上计算最大值Q掘=maxQ掘1,Q掘1,Q掘3，则普通钻爆法掘进工作面风量为382m3/min。（5）按风速验算：根据煤矿安全规程规定煤巷、半煤岩巷掘进工作面的风量应满足：15SjQ掘240Sj式中：Sj掘进工作面巷道过风断面，7.04m2；所以：Q掘156.08=91.2m3/min=1.52m3/s Q掘2406.08=1459.2m3/min=24.32m3/s式中： SJ掘进工作面巷道过风断面为6.08m2，经计算每个掘进工作面所需风量为382 m3/min。按风速验算满足要求。 （三）硐室需要风量计算 各个独立通风的硐室实际需要风量，按照经验值风量： Q变电所=60-80, 取70 m3/minQ其他 =40-60，取50 m3/min Q硐Q变电所Q其他 702502 240 m3/min4、其它巷道的需要风量(无)5、矿井总需风量计算 矿井总需进风量的计算按下列要求分别进行计算,并必须采取其中的最大值。(1)按井下同时工作的最多人数计算:Q矿需=4NK矿通式中 N井下同时工作的最多人数,根据统计我矿同时入井最多人数为421人。 K矿通矿井通风系数,一般可取1.21.25,我矿取1.20。 Q矿需=4NK矿通 =44211.20 =2021m3/min(2)按采煤、掘进、硐室和其它用风地点设计需风量的总和计算:Q需=(Q采+Q掘+Q硐+Q其它)K矿通,m3/min K矿通矿井通风系数，取 K矿通1.20 Q需=(Q采+Q掘+Q峒+Q其它)K矿通, Q需=(Q采+Q掘+Q峒+Q其它)K矿通, （18547252400）1.20 3382m3/min矿井总需风量为Q需3382m3/min，矿井通风方式为中央并列式，取外部漏风系数k通1.10，则主要通风机通风量为Q通 k通Q需1.1033823721m3/min二、风量分配和风速验算矿井风量分配按采煤工作面、掘进工作面、硐室等用风地点的需风量逐点分配，内部漏风按漏风系数均匀分配到各用风地点。通风容易时期的阻力计算路线为：皮带井、材料井190皮带巷190上山1903运输巷1904工作面1903回风巷190回风上山272回风巷西回风井引风硐。此路线的风量分配和风速验算如表3通风困难时期的阻力计算路线为：皮带井、材料井190皮带巷190上山1903运输巷1904工作面1903回风巷190回风上山272回风巷西回风井引风硐。通过对矿井的采面和掘进面风量计算，为满足各工作点所需要的风量，完善通风系统，必须要对各工作地点进行风量分配，即分配如下：表 2 矿井作业地点所需分量分配表第五节、矿井通风阻力计算一、通风阻力计算风机选型应分别以矿井通风容易时期和通风困难时期的工况点为选择依据。矿井通风容易时期和通风困难时期的通风阻力计算如表5、表6，并据此计算出矿井通风最小阻力H最小和最大阻H最大，通风阻力计算公式如下：（一）矿井通风阻力计摩擦阻力的计算：hf=RfQ2 pa 式中：hf井巷的摩擦阻力，pa； Rf井巷的摩擦风阻，K； Q井巷风量，m3/s其中：Rf=LU/S3 式中：井巷的摩擦阻力系数； L井巷的长度；m U井巷周边长度，m S井巷的断面积，m2h=RQ2R=LU/S31、现煤矿为通风容易时期阻力的计算，如图3所示。表3 矿井通风容易时期阻力计算2、局部阻力的计算根据煤炭工业设计规范的规定，局部阻力不单独计算，取摩擦阻力的15%作为局部阻力，即：he=hf15% =1081.3 =162.2（式中：her井巷的局部阻力,pa）通风阻力的计算h=he+hf 式中：hf井巷的通风阻力，pa =1081.3162.2 =1243.5pa3、等积孔的计算A=1.1896Qh1/2 式中：A通风等积孔，m2 Q主扇风量 h井巷的通风阻力，pa故A=1.1896621851/2=2.01所以容易时期的等级孔为2.01。2、现煤矿为通风困难时期阻力的计算，如图4所示。表4 西采区通风困难时期阻力计算2、局部阻力的计算根据煤炭工业设计规范的规定，局部阻力不单独计算，取摩擦阻力的15%作为局部阻力，即：he=hf15% =1610.315% =241.5（式中：her井巷的局部阻力,pa）通风阻力的计算h=he+hf 式中：hf井巷的通风阻力，pa =1610.3241.5 =1851.9pa3、等积孔的计算A=1.1896Qh1/2 式中：A通风等积孔，m2 Q主扇风量 h井巷的通风阻力，pa故A=1.1896511851/2=1.41所以容易时期的等级孔为1.41二、通风阻力分析根据以上计算，可知：（一）在矿井采掘头面和硐室数量相对稳定的情况下，随采掘布局的变化，矿井通风阻力变化较大。风机选型既要保持经济运行，又要满足矿井通风困难时期的供风需要。（二）在满足矿井需风量的前提下，无论是通风容易时期，还是通风困难时期，风硐中的风速均超过允许风速。因此，在更换主要通风机的同时，应考虑扩大风硐断面，进行巷道改造。第六节、通风设备选择一、工况点计算根据以上计算，风机工况点为：工作风量Q3721m3/minH静Hf+hdHf-工作风压hd-风机和附属装置阻力,一般取150200Pa，我矿取150Pa通风容易时期的风机工况点为： Q3721m3/min62 m3/sH静小Hf+hd=1243.5+150=1393.5Pa通风困难时期的风机工况点为： Q3721m3/min62 m3/sH静小Hf+hd=1851+150=2001Pa二、电机功率计算 西采区通风困难时期的风量为3721 m3/min。主扇的工作风压根据我矿实际情况，自然风压对矿井风压影响较小，故不考虑自然通风的影响。 困难时期西主扇风压hfmax=2001Pa主扇的工作风量 Qfmax=1.05Q难= 1.0551=53m3/s式中：Q难为困难时期采区的实际需风量，单位m3/s。H为困难时期采区主扇工作风压，单位pa。1.05为外部漏风系数主扇的电机功率计算：Nc= （1.2Qh）（0.71000）1.2电机储备系数Nc扇风机的功率，KWH通风机的负压， PaQ通风机的风量，m3/s0.7风机实际效率 Nc= （1.2Qh）（0.71000） =（1.2531851）（0.71000） =171.4KW经过以上计算，我矿作业地点所需要的风量，西采区为3721 m3/min。选择的主通风机型号：FBCDZ18A型主扇2台(一台备用)。配备电机功率290Kw,静压7022650pa，风量37681698=m3/min，满足设计风量要求。三、风硐改造煤矿原引风硐断面积为4.0m2,主要通风机更换后，矿井排风量增加。风硐风速为v=15.5m/s，考虑到引风硐主体结构和对生产的影响，可进行地表引风硐改造来解决风硐风速超限的问题，扩大风硐断面为5.4m2。改造后引风硐风速为：v=11.5m3/s。 第七节、通风系统改造一、生产巷道现状煤矿生产系统的主要巷道均布置在煤层中，受矿山压力的影响巷道几乎变形，巷道断面小于设计断面，通风阻力大，影响矿井的通风系统，制约矿井的安全生产。现西采区17#煤层已经开采完，工作面布置转移到了19#煤层，通风路线和阻力较大，矿井总风量小，再也不能满足现阶段的生产布局，影响生产。二、巷道改造方案存在以上问题，并按照煤矿安全规程规定和现各巷道的风量，确定每条巷道的允许风速，如下表所示。1、西总回砌墙拱处高为1.75m，高2.25m，断面为3m2，改造后巷道断面不小于6m2。架棚段巷道高为2.0m，宽为1.8m，断面为3.6m，改造后巷道断面不小于6.05m2；（扩帮、拉底、架棚）工程量为20m2、总回交叉处巷道需扩帮，直角修成圆角，巷道弯道大的需改造成直巷道，现272回风上山巷道断面不足4m2，巷道后必须达到6.05m2。工程量为78m。3、190回风上山段现断面为4.3，必须进行巷修，断面不小于6.05m2。工程量为90m。4、1903与1904交叉处需进行扩帮，直角修圆角。5、1903运输巷、回风巷断面不足5 m2，必须拉底扩帮不小于5.6 m2。工程量为380m。6、1904运输巷、回风巷断面不足5 m2，必须拉底扩帮不小于5.6 m2。工程量为390m。7、材料上山与1904运输巷交叉段，现高度为1.3m，断面为2.99 m2，必须巷道达到6 m2。8、190运输运输上山部分巷道断面只有3.6m2，巷修断面达到6 m2，工程量为250m。第八节、通风系统优化改造结果一、效果分析1、改造前后主要参数对比项目改造前改造后增加备注风机名称最大通风能力(m3/min)最大工作负压(pa)电机名称电机功率矿井年生产能力(万t/年)二、效果分析西采区从2004年3月投入运行至今，通风能力达到2600m3/min，工作负压为3000pa，与预期效果相符，风机性能与性能测定曲线基本一致，矿井通风能力满足30万t/年生产的要求，获得了预期效果。通过改造，西采区，各采掘工作面风量增加，风速加大，特别是工作面风量由 m3/min 增加到 m3/min，改善了作业环境，提高了生产率。