采矿工程专业《矿井通风与安全》课程设计例题和习题.doc

明理工大学国土资源工程学院采矿工程本科专业讲义

矿井通风系统设计例题和习题
（适用：《矿井通风与安全》课程设计）

谢贤平 编

昆明理工大学国土资源工程学院
2010年11月

目录
例题1
某矿矿体走向长600m，厚30m，倾角25～30°；采用竖井石门开拓，阶段高60m，单翼对角抽出式通风系统。进风井（罐笼井）井口标高220m，边界风井井口标高245m。同时开采一个阶段，分成三个小分段，采用有底柱崩落法开采。矿井年产矿石25.6万t，每年工作320d，日产800t，每日三班作业。一个电耙道日出矿量200t，电耙道断面4.8m2，长50m；二次破碎最大装药量3kg，通风时间5min。作业面凿岩巷道断面7.0m2。采准、探矿的掘进作业面采用局部通风，巷道断面4.5 m2；一次爆破火药量20kg，通风时间25min；独头巷道长度不超过150m。开拓掘进作业面采用局扇通风，最大通风距离600m，巷道断面7.4 m2；一次爆破火药量30kg，通风时间20min，采用混合式通风。井下火药库在井底车场，有独立的通风系统。矿井通风系统及作业面分布见图1。各段巷道的规格、尺寸及摩擦阻力系数值列于表1中。夏季自然风压与主扇作业方向相反，其自然风压为96Pa。
设计要求：
1、 计算全矿所需风量，进行风量分配；
2、 计算全矿总阻力（第一阶段的最大阻力）；
3、 选择扇风机，计算电动机功率。

解：1、计算全矿总风量及分配风量
（1） 电耙道所需风量
① 二次破碎爆破通风所需风量
火药量；电耙道长度，断面，通风时间，则风量

② 按排尘风速计算风量
电耙道风速，则排尘风量

取风量大者，作为电耙道风量。
（2） 采场作业面凿岩所需风量
按排尘风速计算，取风速，巷道断面，

（3） 采准、探矿巷道掘进所需风量
① 按爆破后通风所需风量（压入式通风）
火药量，巷道长度，巷道断面，通风时间，则风量为：

贯穿风流巷道的风量应大于独头巷道风量的1.43倍，则风量应为
1.43×1.47=2.1。
② 按排尘风速计算风量

取风量大者，。
（4） 放矿巷道所需风量
按排尘风速计算，。
（5） 火药库风量取2。
（6） 二阶段开拓巷道掘进所需风量
采用混合式通风，压入风量为

抽出式的风量为

贯穿风流的风量为

（7） 矿井总风量

式中 ——各类作业面所需风量，；
——各类作业面的数量；
——风量备用系数，此例中。
则
矿井漏风按总回风道集中漏风考虑，各巷道按需分配的风量如图1所示。
2、计算全矿总阻力
首先选择最大阻力路线。根据通过风量的大小和路线的长短，选择1、2、3……13、14为最大阻力路线（图1）。分段计算各巷道的摩擦阻力，按下式计算

计算结果列于表1中。由各段巷道摩擦阻力的总和可求得矿井摩擦阻力。矿井的局部阻力按摩擦阻力的计算。矿井的总阻力应为

3、选择扇风机，计算电动机功率
⑴扇风机风量

式中，——扇风机装置风量备用系数，。
⑵扇风机的全压

式中，——扇风机装置阻力，=100；
——扩散塔出口动压损失，=10；
——矿井反向自然风压，=96。
则

查扇风机特性曲线，选用K40（B）型№19轴流式扇风机，转速，叶片安装角，实际风量可达60，风压可达1290，效率。扇风机的功率

电动机的功率

式中 ——电机备用系数，取1.1；
——电机效率，取0.95。

图1 矿井通风系统及作业面分布图

19

表1
巷道
编号
巷道名称
支架种类
摩阻系数α，
巷道长度L，m
巷道断面S，m2
巷道周界P，m
风阻R

风量Q

阻力h

1-2
竖井
双罐、梯子间
0.036
240
17
18
0.0317
36.28
41.7
2-3
石门
混凝土
0.004
120
6.4
10.6
0.0194
31.28
19.0
3-4
运输平巷
无支架
0.010
60
5.24
9.4
0.0392
11.96
5.6
4-5
运输平巷
无支架
0.010
180
5.24
9.4
0.1180
9.96
11.7
5-6
人行天井
木框、梯子间
0.050
40
7.0
11.2
0.0653
8.65
4.9
6-7
电耙联络道
无支架
0.010
40
4.5
8.6
0.0378
2.10
0.2
7-8
电耙道
″
0.020
50
4.8
8.8
0.0796
2.10
0.4
8-9
回风联络道
″
0.010
40
4.5
8.6
0.0378
9.10
3.1
9-10
回风联络道
″
0.010
40
4.5
8.6
0.0378
10.85
4.5
10-11
回风联络道
″
0.010
40
4.5
8.6
0.0378
13.25
6.6
11-12
分段回风道
″
0.010
380
4.5
8.6
0.3587
15.65
87.9
12-13
总回风道
″
0.010
120
6.4
10.6
0.0485
54.42
143.6
13-14
回风斜井
木棚子
0.016
400
7.4
11.6
0.1832
54.42
542.0
合计

871.2

例题2
某矿矿体走向长1400m，厚7～15m，采用下盘竖井阶段石门开拓，阶段高40m。上部已有露天开采，井下部分开采深度400m。主井为箕斗井，不进风也不出风。副井为罐笼井做为进风井。通风系统为两翼对角抽出式。
采矿方法为有底柱的中深孔留矿法。作业面长50m，电耙道沿走向布置，矿体薄时，布置单耙道，矿体厚时，布置双耙道。回采顺序由上而下，同一水平为后退式。三个阶段同时作业，包括矿柱回采、矿房回采和开拓采准，通风系统见图2。
矿井年产矿石80万t，一个电耙道日出矿量270t。作业面一次爆破最大火药量300kg，通风时间40min。矿柱回采时集中通风，每两个月进行一次大爆破，通风时间8h。掘进作业面按排尘计算风量。采场和电耙道二次爆破火药量3kg，通风时间5min。工作面分布，东西两翼相同，合计工作面数（包括备用作业面）如表2，井巷规格见表3。夏季反向自然风压126Pa。
设计要求：
1、 计算全矿所需总风量，分配风量；
2、 计算全矿总阻力；
3、 选择扇风机，计算电动机功率。
解
1、计算全矿总风量及分配风量
（1） 采场风量
① 按爆破火药量计算

式中 ——火药量，；
——通风时间，；
——采场体积，；
——紊流扩散系数，当时，由《矿井通风与防尘》一书中的附录可查得=0.81。

② 按排尘计算风量

式中，——硐室采场入口巷道断面面积，；
——风流受限系数。。

取风量大者，采场风量为4.22。
（2） 电耙道风量按二次破碎爆破后通风计算

按排尘风速计算，。取大者，电耙道风量为2.70。
（3） 出矿平巷的风量

（4） 掘进、采准作业面的风量，按排尘风速计算并考虑贯穿风流的风量大于独头巷道风量1.43倍，则

（5） 井下火药库的风量取2。
（6） 矿井总风量

（7） 风量分配。矿井备用风量按总回风道集中漏风考虑；各作业面分配的风量见图2；西翼风量分配情况与东翼相同，从略。
2、计算全矿总阻力
选择最大阻力路线1~18（图2），各段巷道的摩擦阻力按下式计算

计算结果列于表3中，累计1~18各段巷道摩擦阻力值可得东翼总摩擦阻力。
矿井局部通风阻力按摩擦阻力的20%计算，则矿井总阻力

东翼与西翼阻力相同。
3、选择扇风机，计算电动机功率
取扇风机装置风量备用系数，则扇风机的风量为

扇风机的全压按下式计算

取

查扇风机特性曲线，选用DK40型№19轴流式扇风机，转速为，叶片安装角，风量，全压，效率，可以满足通风要求。扇风机的功率为

电动机的功率为

图2 矿井通风系统及作业面布置（东翼）

表2 作业面分配表
作业面
一阶段
二阶段
三阶段
合计
采场

8

8
电耙道
2
8

10
出矿平巷
2
6

8
掘进、采准

2
4
6
火药库
1

1

表3
巷道编号
巷道名称
支架种类
摩阻系数α，
巷道长度L，m
巷道断面S，m2
巷道周界P，m
风阻R

风量Q

阻力h

1-2
石门
混凝土
0.004
120
10.4
13.6
0.0058
61.32
21.8
2-3
竖井
喷浆
0.012
280
14.6
17.3
0.0187
82.32
125.7
3-4
竖井
″
0.012
40
14.6
17.3
0.0027
73.30
14.4
4-5
石门
混凝土
0.004
80
10.4
13.6
0.0039
64.58
16.3
5-6
运输平巷
无支架
0.008
124
6.1
10.1
0.0440
32.29
45.9
6-7
运输平巷
″
0.008
124
6.1
10.1
0.0440
30.11
39.9
7-8
运输平巷
″
0.008
124
6.1
10.1
0.0440
22.38
22.0
8-9
穿脉平巷
″
0.010
10
4.0
8.0
0.0125
14.65
2.7
9-10
人行天井
台板、梯子
0.050
8
3.6
5.8
0.0497
13.84
9.5
10-11
″
台板、梯子
0.050
20
3.6
5.8
0.1240
8.44
8.8
11-12
采场
无支架
0.010
62
37.5
35.0
0.0004
4.22
--
12-13
回风天井
″
0.010
12
4.0
8.0
0.0150
13.84
2.9
13-14
回风穿脉
″
0.010
15
4.0
8.0
0.0188
13.84
3.6
14-15
回风平巷
″
0.010
124
5.4
9.7
0.0764
21.38
34.9
15-16
″
″
0.010
124
5.4
9.7
0.0764
55.80
237.9
16-17
″
″
0.010
350
5.4
9.7
0.2160
59.31
759.8
17-18
排风井
″
0.008
320
7.04
10.8
0.0790
61.74
301.1
合计

1647.2

第四小组题目
某矿矿体走向长600m，厚30m，倾角25～30°；采用竖井石门开拓，阶段高60m，单翼对角抽出式通风系统。进风井（罐笼井）井口标高220m，边界风井井口标高245m。同时开采一个阶段，分成三个小分段，采用有底柱崩落法开采。矿井年产矿石25.6万t，每年工作320d，日产800t，每日三班作业。一个电耙道日出矿量200t，电耙道断面4.8m2，长50m；二次破碎最大装药量3kg，通风时间5min。作业面凿岩巷道断面7.0m2。采准、探矿的掘进作业面采用局部通风，巷道断面4.5 m2；一次爆破火药量20kg，通风时间25min；独头巷道长度不超过150m。开拓掘进作业面采用局扇通风，最大通风距离600m，巷道断面7.4 m2；一次爆破火药量30kg，通风时间20min，采用混合式通风。井下火药库在井底车场，有独立的通风系统。矿井通风系统及作业面分布见图4。各段巷道的规格、尺寸及摩擦阻力系数值列于表7中。夏季自然风压与主扇作业方向相反，其自然风压为96Pa。
试按上述条件作矿井通风设计。
题目要求：
1、采用单翼对角抽出式通风方法设计，并要求进行局部通风设计。
承担者： （2人）
2、采用多风机多级机站（二级抽出）通风方法设计。
承担者： （2人）
3、采用多风机多级机站（一级压入、二级抽出）通风方法设计。
承担者： （2人）
图4 矿井通风系统及作业面分布图

表7
巷道编号
巷道名称
支架种类
摩阻系数α，
巷道长度L，m
巷道断面S，m2
巷道周界P，m
1-2
竖井
双罐、梯子间
0.036
240
17
18
2-3
石门
混凝土
0.004
120
6.4
10.6
3-4
运输平巷
无支架
0.010
60
5.24
9.4
4-5
运输平巷
无支架
0.010
180
5.24
9.4
5-6
人行天井
木框、梯子间
0.050
40
7.0
11.2
6-7
电耙联络道
无支架
0.010
40
4.5
8.6
7-8
电耙道
无支架
0.020
50
4.8
8.8
8-9
回风联络道
无支架
0.010
40
4.5
8.6
9-10
回风联络道
无支架
0.010
40
4.5
8.6
10-11
回风联络道
无支架
0.010
40
4.5
8.6
11-12
分段回风道
无支架
0.010
380
4.5
8.6
12-13
总回风道
无支架
0.010
120
6.4
10.6
13-14
回风斜井
木棚子
0.016
400
7.4
11.6
下告铁矿通风系统设计
1、概述
下告铁矿在广东省河源市境内，属紫金县义容镇管辖。矿区位于河源市的东南部、紫金县城的西南部。矿区属亚热带季风气候区。矿山设计规模80×104t/a。
根据矿床地质勘探情况和工业矿体分布特征，结合矿山目前简易生产现状（+60m以上），为降低初期投资和加快建设速度，初步拟定分两期开采。第一期开采范围为下告矿段1～8号勘探线+60~-180m标高。该范围保有地质矿量1659.04×104t，平均品位TFe28.84%，占全部开采范围地质总矿量的57.4%。第二期开采范围为1～8线-180m标高以下，保有地质矿量1233.46×104t，平均品位TFe30.55%，占全部开采范围地质总矿量的42.6%。
根据矿床埋藏较深、储量较大、走向不长的特点，结合采矿方法和生产规模要求，设计确定采用分期开拓和主、副竖井（箕斗主井、罐笼副井）集中布置和辅助斜坡道的开拓方式。根据矿体赋存特点，设计推荐采用矿房矿柱两步骤回采的高分段空场采矿法（主要对-120m以上的矿体）和大直径深孔阶段矿房采矿法（主要对-120m以下的矿体）作为该矿的主要采矿方法（开采矿量占总矿量的85%）。对厚度（或叠加厚度）小于20~30m的部分零星缓倾斜矿体拟采用中深孔切顶房柱法回采（占总矿量的15%）。

图1 开拓、通风系统纵投影示意图
2、风量计算
矿井总风量为各采掘工作面、需独立通风的硐室与其他需风量以及矿井漏风量之总和。因下告铁矿井下设备多为柴油设备，首先按柴油设备单位功率指标计算所需风量，井下各柴油设备功率见表1。
按柴油设备单位功率指标4.08m3/（kW·min），以总功率为依据，折算总风量为：Q=576 kW×4.08m3/（kW·min）=2350.08m3/min，即39.16m3/s。
因此，单按柴油设备计算总风量显然偏小。故本设计结合柴油设备和工作面需风量计算风量（表2）。
表1 柴油设备功率计算表
设备名称
工作台数，台
单台功率，
总功率，
利用系数
使用功率，
SimbaH1354中深孔凿岩台车
1
55
55
0.75
41.25
TORO-400铲运机
2
187
374
0.75
280.50
Boomer281掘进台车
1
42
42
0.60
25.20
JZC-10t坑内自卸卡车
1
63
63
0.75
47.25
JFC井下服务车
1
42
42
0.65
27.30
合计

576

421.50
表2 风量计算表
风量
用风点
用风点数目，个
单耗，
需风量，
采矿工作面
凿岩采场（少量柴油设备）
出矿采场（主要为柴油设备）
备用采场
3
3
2
6
12
4
18
36
8
掘进工作面
凿岩（少量柴油设备）
出渣（少量柴油设备）
2
2
5
9
10
18
有关硐室
坑内破碎硐室
溜井装卸矿点
炸药库
-120m泵站及变电所
1
4
2
1
5
3.5
3.5
4
5
14
7
4
风量合计
小计
内外漏风系数
总风量

120
1.25
150
3、通风负压计算
空气由于具有粘性，当其沿井巷流动时，就受到井巷对其所呈现的阻力作用．该阻力统称为井巷通风阻力。按照风流边界状况的不同，通常将井巷的通风阻力分为3类：摩擦阻力、局部阻力、正面阻力。全矿通风阻力中，一般摩擦阻力所占的比例较大，局部阻力和正面阻力所占的比例较小。
根据通风系统及风量分配要求，计算一、二期工程（分别为-180m和-300m以上）回风出口的总负压。
巷道通风负压由下式计算：
（1）
式中，hi为巷道通风摩擦阻力，即抽出式通风负压，Pa；S为巷道通风断面，m2；α为巷道通风摩擦阻力系数，Ns2/m4；P为巷道通风断面的周边长度，m；L为巷道长度（指通过同一风量的相同断面和支护类型相同的巷道长度），m；qi为巷道的通过风量，m3/s。
按照公式（1）计算出各巷道的负压（表3），在需风网中选出负压最大的分支风路，将其加上进风网和回风网的阻力即为矿井通风摩擦阻力，再加上通风局部阻力和正面阻力后即为矿井通风总阻力。局部阻力和正面阻力累加值按通风摩擦阻力的24%选取。最终计算得下告铁矿一期矿井总负压为1800Pa，二期矿井总负压为2200Pa。
因进风段的部分风量会从斜坡道进入，按上述计算得出的矿井负压偏大。设计时考虑到今后生产留有余地．所以忽略了对此部分的计算。
4、通风设备
下告铁矿通风网路不长，且采矿工艺能使用贯穿风流通风，在回风段调节阻力和风量，既可满足生产通风要求又可充分保障行人和运输畅通。矿区采用单翼对角和地表单一主扇集中抽出式通风方式。该方式能适应本矿开采范围内矿体走向不长、采区需风段大断面并联巷道较多和风阻相对较小等特点。
表3 井巷通风阻力计算表
期号
井巷名称
支护型式
阻力系数
井巷长度
井巷周长
断面
风量
负压
风速
一期

副井车场及石门
进风联络井
-180中段巷道
回风联络井
回风石门

合计
砼
锚喷网
锚喷网
部分锚喷
锚喷网
部分喷支
砼
0.025
0.01
0.03
0.013
0.03
0.013
0.025
360
390
60
600
60
190
325
18.2
16.6
12.6
14.1
9.6
14.2
14.1
26.4
17
12.6
14.1
9.6
12.5
15.9
150
100
75
60
75
100
150
200
132
64
130
110
180
641
1457
7.1
5.9
6
4.1
7.8
8
9.4
二期
副井
副井车场及石门
进风联络井
-300中段巷道
回风联络井
回风石门
风井
合计
砼
锚喷网
锚喷网
部分锚喷
锚喷网
部分喷支
砼
0.025
0.01
0.03
0.013
0.03
0.013
0.025
480
390
60
600
60
190
445
18.2
16.6
12.6
14.1
9.6
14.2
14.1
26.4
17
12.6
14.1
9.6
12.5
15.9
150
100
75
60
75
100
150
267
132
64
130
110
180
878
1761
7.1
5.9
6
4.1
7.8
8
9.4
（1）扇风机风量
=KQ=1.1×150=165
式中，K为通风装置漏风系数，取1.1。
（2）计算负压
一期：Hj1=H+Δh+hc=2100Pa
二期：Hj1=H+Δh+hc=2500Pa
式中，Hj为风机的计算风压，Pa；H为矿井通风阻力，一期1800Pa，二期2200Pa；Δh为通风装置阻力，取100Pa；hc为消声装置阻力，取200Pa。
扇风机的工作风阻由下式计算：

式中，R1为矿井一期工作风阻；R2为矿井二期工作风阻。
为使扇风机安全、经济地运转，它在整个服务期内的工况点必须在合理的范围之内。从经济的角度出发，扇风机的运转效率不应低于60%；从安全方面考虑，其工况点必须位于驼峰点的右侧、单调下降的直线段上。
根据计算，选用FBCDZ-8-№28B风机1台。风机的性能曲线见图2。图中所示风阻曲线1为一期风机的风阻曲线：风阻曲线2为二期风机的风阻曲线。

图2 FBCDZ-8-№28B风机性能及风阻曲线
由图2可得，一、二期风机的一级叶片安装角均在40°～46°之间，二级叶片安装角均在35°～38°之间，风机的轴功率，即扇风机的输入功率约为830 kW。通过调整叶片安装角，一期风机效率可达66%；二期风机的效率可达80%。FBCDZ-8-№28B风机工况符合风机运行安全、经济的条件。
一期电动机的选择：

式中，H为一期通风最大阻力；Qf为一期通风阻力最大时期风机的实际工作风量; η为扇风机的全压工作效率；ηtr为传动效率，联轴器传动取0.98；Km为电机容量备用系数，取1.2。
由于电动机功率比较大，一期拟选用同步电动机，其功率为584kW。在低负荷运转时，可以利用它来改善矿井变电所母线上的功率因数。
5、通风网路
通风系统布置详见图1。
矿井采用单翼对角抽出式通风。即由副井进入新风，经井底车场和石门，进入阶段运输巷道，再经进风联络井、无轨出矿和无轨凿岩巷道进入各水平作业工作面；清洗工作面后，污风由局扇引入回风平巷和总回风井，并由主扇风机抽出地表。
对-120m以上高分段空场采矿法地段矿房的通风，设计采用阶梯上行式通风网络。其新风按上述途径进入并清洗各水平采掘工作面后，污风则分别经采空区或经回风联络井局部引入上部回风平巷，再由总回风井排出地表。
对-120m以下大直径深孔阶段矿房采矿法地段的通风，设计拟用分层平行式进、回风的网络结构。即新风进入并清洗各水平采掘工作面后，污风则直接由局扇引入与本水平无轨进风道大致平行的上盘回风巷道，再经回风联络井进入上部回风平巷和总回风井排出地表。
6、存在问题及建议
考虑作业面分风的需要，并为减少因负压不平衡而产生风量分配不合理，拟在各主要需风岔口和回风联络道中设测风站和活动式调节风门，根据实测差值调节风量。生产中，随采掘面转移应及时密闭空区通道和调整通风系统，以减少漏风，适应作业面转移时的通风需要。
参考资料
《金属矿井通风防尘设计参考资料》编写组.金属矿井通风防尘设计参考资料.北京:冶金工业出版社.1982