地下矿通风防尘设计(ventilation and dust prevention design for underground mine)

向地下井巷连续送入新鲜空气，排除有害气体并综合治理粉尘的地下采矿工程设计。为保证地下矿作业人员安全与健康，创造良好的工作环境，须按国家现行的安全法规进行通风防尘设计工作。对高温、发火、涌出热水、含铀的矿山，要进行特殊条件下的通风设计；对硅尘危害严重的矿山，要制定综合防尘措施；寒冷地区的矿山，冬季须对进风风流进行预热，以保证进入井(巷)口的风流温度不低于+2℃ 。

20世纪50年代以来，中国锡矿山锑矿、江西钨矿采取以风、水为主的综合防尘措施，大幅度降低了矽肺病的发病率。70年代以来，中国云南锡业公司的锡矿采用排、抑结合的防氡措施，明显地减少了氡气析出对井下工作人员的危害。80年代初，中国铁矿吸收北欧国家的经验，采用了多级风机站的通风系统，具有效率高，能耗低、漏风少、有效风量高等优点。金川有色金属公司第二矿区是中国最大的采用无轨设备开采的地下矿山，设计了18台主扇风机串并联的通风系统，配备各种传感器，对风流参数连续遥测，使用计算机控制风量。

地下通风防尘设计主要内容包括：矿井通风系统选择、矿井风量计算、通风网路解算，通风阻力计算、矿井通风设备选择、通风构筑物和矿井防尘等。

矿井通风系统选择     矿井通风系统是通风网路、通风动力和通风控制设施的总称。它对全矿的安全状况有重大影响，与矿床开拓系统密切相关，在选择开拓系统时必须同时考虑。通风系统通常按集中或分区、进回风井布置和通风方式等划分。

按集中或分区划分可以分为集中通风和分区通风。(1)集中通风。全矿山采用一个通风系统进行通风(图1)。它具有进、排风较集中，使用通风设备少，管理方便等优点。(2)分区通风。矿井划分成若干个独立的分区，进行单独通风(图2)。它具有风路短、阻力小、漏风少、能耗低、风流易控制，可减少污风串联等优点。

按进、回风井的布置划分可分为中央式、对角式和中央对角混合式三种：(1)中央式。见图1。进、回风井均位于矿体走向的中央，新鲜风流由进风井进入工作面后折返回到回风井排出地表。它具有投资省、投产快、建筑集中、井简延伸容易、管理方便和易实现反风等优点。(2)对角式。见图2。进风井位于矿体的中央(或两翼)，回风井在两翼(或中央)；或进、回风井分别位于矿体的两翼。新鲜风流由进风井进入矿井工作面后，污风流向回风井排出地表。它具有风路短、风阻较小，电耗低和漏风少等优点。为金属矿普遍采用。(3)中央对角混合式。中央式和对角式的组合形式(图3)。

按通风方式或扇风机工作方式划分可分为压入式、抽出式和抽压混合式三种：(1)压入式。见图2。主扇安装在进风井口，向矿内压风，形成正压状态。由于风流集中，风量大，空气免受污染，风质好。但须在进风段设风门，影响运输，漏风较大，管理较难。(2)抽出式。见图1。主扇安装在回风井口，自矿井往外抽风，形成负压状态。由于排风集中，排风量大，污风集中迅速，烟尘不易扩散，排烟快，风流调节设施均安于回风道中，不妨碍运输，管理方便；但会把塌陷区积存的有害气体抽到井下，造成风流短路，减少矿井有效风量。中国金属矿多采用此种系统。(3)抽压混合式。见图3。进、回风井口都装有主扇，向矿内压风并往外抽风。

选择通风系统时，应划定通风区域，选择通风方式，确定进，回风井巷和风机位置，以及进、回风井巷断面等。要拟定出几个适应矿体赋存条件和开采特点的方案，进行详细技术经济比较，选择技术先进、安全可靠、经济合理的通风系统方案。

矿井风量计算     各国计算风量的方法不尽相同。中国冶金矿山确定矿井总风量的依据是：炸药使用量、排尘风速、内燃机械动力kw数并保证各作业地点排出有害气体，风速和气温必须符合安全规程的有关规定。

矿井风量Q，在可行性研究或方案设计阶段，可按矿井规模和年产万t矿石耗风量进行计算：

Q=Ay

式中Q为矿井风量，m³／s；A为矿井年产量，10⁴t／a；y为年产万t矿石耗风量，m³／s，受多种因素的综合影响，其数值规模小的矿井为2.0～3.0m³／s、中等规模矿井为1.5～2.5m³／s、规模大的矿井为1.0～2.0m³／s、特大规模矿井为0.7～1.5m³／s。

初步设计阶段的矿井风量可按下式计算：

Q=K₁K₂(∑q_h+∑q_g+∑q_d+∑q_t)

式中Q为矿井总风量，m³／s；q_h为回采工作面(包括备用采场)所需风量，m³／s；q_g为掘进工作面所需风量，m³／s；q_d为独立通风的硐室所需风量，m³／s；q_t为其他工作面所需风量，如装卸矿点，喷锚工作面和排氡要求等，m³／s；K₁为外部漏风系数，取1.1～1.3；K₂为内部漏风系数，取1.05～1.25。

对于含铀、深热、有自燃发火可能性和使用柴油设备的矿井，还要用有关公式进行校验。

通风网路解算        矿井风流经过平面与空间井巷所形成的通风风路计算。设计中用串联、并联和角联三种基本形式，联接成复杂的通风网路。(1)串联。数条风路首尾相联，无分支的风路。(2)并联。数条风路有共同的分、合点，中间无交叉风路。(3)角联。并联风路中间有若干联络风路，即对角风路。由于并联网路风阻小，各分支风路独立，风量容易调节，通风效果好采用较多。

通风网路解算设计一般包括风路中风流调整、风流分配和主扇风机选择等。设计常采用近似计算法，首先拟定各分支风路的风量，然后按下式求解风量校正值，以校正拟定风量，经反复迭代求得真实风量。

式中△q为闭合回路的风量校正值，m³／s；为闭合风路的风压降代数和，风流顺时针流动的风压降为正，逆时针流动的为负，Pa；为闭合回路风阻与风量绝对值乘积的代数和，Ns／m⁵；H_i为闭合回路中的风机风压，Pa，无风机时，H_i=0；a为闭合回路中风机工况点的斜率，无风机时，a=0法已在计算机程序中广泛应用。

通风阻力计算     要是对来自风流沿井巷流动时的摩擦阻力的计算。风流方向、井巷断面的变化和各种障碍物造成的局部阻力，约占摩擦阻力的10％～20％。通风总阻力按下式计算。

压入式通风：

抽出式通风：

式中∑R_j(Kq_j)²及∑R_iq_i²为进风段摩擦阻力之和，Pa；为需风段摩擦阻力之和，Pa；为回风段摩擦阻力之和，Pa；K为矿井漏风系数，K_j为局部阻力系数，一般取1.1～1.2；摩擦阻力R_i或R_n、R_j按下式计算：

R=αLP/S³

式中R为矿井总风阻，Ns²／m⁸；α为井巷摩擦阻力系数，Ns／m⁴；L为通风井巷长度，m；P为通风井巷周边长，m；s为通风井巷的有效横断面积，m²。设计时通常分别计算通风容易时期和困难时期，生产前期和后期的矿井通风阻力。对进、出风口的标高相差较大或气温变化较大的矿井，要考虑自然风压对矿井总阻力的影响。

常用矿井等积孔A比喻矿井阻力的大小。在标准条件下：

式中A为等积孔值，m²；Q_i为某台风机所负担的矿井风量，m³／s；H。为某台风机的风压，Pa；R为矿井总风阻，Ns²／m⁸。依矿井等积孔或风阻大小，矿井通风的难易程度分为三级(见表)。

矿井通风设备选择      包括主要扇风机(简称主扇)和电动机的选择。

主要扇风机       分离心式和轴流式两类。(1)离心式扇风机。见图4。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。该机结构简单，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。(2)轴流式扇风机。见图5。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。叶片以一定安装角度安设在动轮上，调整安装角度可改变风机性能。该机结构较紧凑，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。

电动机       当扇风机功率不大时，可选用异步电动机；若功率在400～500kw以上，宜选用同步电动机。

通风构筑物     引导、遮断和调节风流的设施。可分为两类：一类是通过风流的，包括风桥、风障和风窗；另一类是遮断风流的，包括风门和风墙。(1)风桥。进风道和回风道交叉处，用于隔开新风流和回风流的桥式构筑物。主要风桥用砖、石、混凝土等构筑，或专门开凿绕道。(2)风障。在独头巷道中引导风流的设施。是用砖、木板、帆布或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。(3)风窗。在需要调节风量的风道中安设一窗，借以改变其面积，作调节风量用。(4)风门。在行人、通车比较频繁的主要运输道上，应设置自动风门。常用的自动风门有撞开式、电动式、压气式或水压式等。(5)风墙。在不允许风流通过，也不许行人和通车的巷道中设置的墙体。用以遮断风流。永久性挡风墙需采用砖石、混凝土等构筑。

矿井防尘     采取以风、水为主的综合防尘措施，以降低空气中矿尘浓度，防止矿尘危害。在矿井中，除了正常的通风之外，一般经常采用湿式凿岩、喷雾、洒水、洗壁、水幕净化、静电除尘和泡沫除尘等措施。对矿尘量大且集中的溜井装卸点以及井下破碎硐室等处的粉尘宜采用密闭排尘、抑尘、收尘等措施，将工作面粉尘浓度降低至2mg／m³以下。坑内应有良好的供水系统，水中固体悬浮物不应大于150mg／L，pH值为6.5～8.5，不得含有放射性等有害物质。一般矿井需建立测风、测尘等专业队伍，定期测量通风参数和粉尘量。