自然风压

根据能量方程，可以写出自进风井口到出风 井口通风总阻力hr的测算式为: hr＝P0-P0'+(Z2-3γ 2-3－Z4-5 γ4-5)，Pa
该矿井用来克服 hr 的唯一动力是该矿井的自然 风压hn，以P0＝P0'＋(z1-2γ1-2)代入上式得： hr＝hn＝(z1-2γ1-2＋z2-3γ2-3)—(z4-5γ4-5)，Pa
二、轴流式扇风机
轴流式扇风机主要由动轮 l，圆筒形机壳3、集 风器4、整流器5、流线体6和环形扩散器7所组成。 集风器是外壳呈曲线形且断面收缩的风筒。流线体 是一个遮盖动轮轮毂部分的曲面圆锥形罩，它与集 风器构成环形入风口，以减少入口对风流的阻力。 动轮是由固定在 轮轴上的轮毂和 等间距安装的叶 片2组成。
第四章 矿井通风动力
空气能在井巷中流动，是由于风流的始末 两点间存在着能量差。这种能量差的产生， 若是由扇风机造成的，则为 机械风压 ，若是 矿井自然条件产生的，则为 自然风压 。机械 风压和自然风压均是矿井通风的动力，用以 克服矿井的通风阻力，促使空气流动。
一.自然风压及其变化规律
如图4-1所示的通风系统中，平峒口与出风井 口的标高差为Z米，当井外空气柱4-1和 井内空气 柱2-3的平均温度有差异时，两空气柱中空气的重 率也不相同。所以，在两空气 柱各自的底面积1、 2上所承受的重量也不一样，造成了1、2两点间的 能量差，从而促使空气流动 ，l和2两点以上空气柱的重 量差完全决定于两井口的标 高差、两空气柱的温度差以 及能影响空气重率变化的其 它自然因素。因此，称为自 然风压，一般用hn表示。
5．消音装置
扇风机在运转时产生噪音，特别是大直径轴 流式扇风机的噪音更大，以致影响工业场地和居 民区的工作和休息，为了保护环境，需要采取有 效措施，把噪音降低到人们感觉正常的程度。我 国规定扇风机的噪音不得超过90dB。 速度较大的风流在扇风机内和高速旋转的动 轮叶片迅猛冲击，产生空气动力噪音，同时机件 振动产生机械噪音。当扇风机的圆周速度大于 20m/s时，空气动力噪音占主要地位。正对扇风机 出口方向的噪音最大，侧向逐渐减少。
3．风峒 风峒是主扇和出风井之间的一段联络巷道。通 过风峒的风量很大，内外的压力差较大。要求： 1)风峒的断面不宜太小，其风速以10m／s为宜， 最大不应超过15m/s; 2) 风峒的阻力不大于 100 ～ 200Pa 。因此，风峒 不宜过长，与井筒的夹角为60～90°之间，转弯部 分要呈圆弧形，内壁光滑，并保持无堆积物。
当电动机经过传动机构带动动轮旋转时，叶道 内的空气质点受到叶片的作用，沿叶道动轮外缘运 动，并汇集于螺旋状的机壳中，而后由出口5排入 扩散器。与此同时，由于动轮中气体外流，因而在 它的入口处形成负压，吸风筒吸引外界空气进入动 轮，这样就形成了连续风流。空气受到惯性力作用 离开动轮时获得能量，即动轮把电动机的机械能传 递给空气，使空气的压力提高。空气经过动轮以后， 总压就不再提高，内部各项压力则不断发生转化。 作抽出式通风时，因螺旋壳和扩散器的断面逐渐增 大，空气的速压不断减少，静压逐渐增大，直至扩 散器出口以较小速压流进大气中。(构造图)
3) 风峒及闸门等装置，结构要严密，以防止漏风。
4) 风峒内应安设测量风速及风流压力的装置。 风峒长度应不小于 10 ～ 12D(D 为主扇动轮的直径 ) 。

4.扩散器
在扇风机出风口外，联接一段断面逐渐扩大的 风道称为扩散器。以减少出风口的速压损失，提高 扇风机的静压。轴流式扇风机本身带有环状扩散器， 其出口还要与混凝土外接扩散器相连。离心式扇风 机的扩散器是长方形，其敞角取8～10°，出风口 断面(S3)与入风口断面(S2)之比约为3～4。
对于任一矿井，还可用另一种方法测算矿 井的自然风压。如在矿井中任一地点制做临时 密闭，堵截风流，主扇停止运转后，用压差计 测出密闭两侧的压差，即为该矿的hn。要求是 密闭不漏风，否则测值不准。
三、自然风压的特性
自然风压特性是指自然风压与风量之间的相互 关系。在冬季，若用主扇加大矿井风量，则风量增 加越大，进、出风侧空气柱的温差越大，即hn随着 风量的增加而增加，其特性可用图中的 1线来表示。 由于增加的量不大，实际可 用水平线 2 表示。在夏季， hn可能是负值，若用主扇增 加矿井风量，大量热空气进 入井下，hn随着风量的增加 而增加，其特性可用 4 线表 示，亦因增加量小，实际可 用水平线3表示。
图4-2 、 4-3 所示分别为浅井和位于我国北方 地区的深井自然风压随季节变化的情形。由图可 以看出，对于浅井，夏季的自然风压出现负值， 而对于我国北部地区的一些深井，全年的自然风 压都为正值。
二.自然风压的测算
在图 4-4 所示的矿井中，进风井口和出风井口 的标高差为 Z1-2(m)。 此高差内的空气重率平均值 为 γ1-2(N ／ m3) 。图中 3-4 段为井下最低标高的水平 巷道；2-3段和4-5 段的高差分别为 Z2-3(m)和Z4-5(m)， 空气重率平均值分别为γ2-3和γ4-5(N／m3)。 地面空气进入地下后必 与各种热源进行热交换，致 使井下各段的空气重率不断 发生变化，同样会造成进风 与回风两侧空气柱的重力不 平衡，产生能量差，推动风 流沿井巷流动。
上式就是该矿井 hn 的具体测算式。此式表示： 任何矿井的自然风压就是在井下最低标高的巷道 以上，进风段与回风段两侧垂直空气柱的重力压 强之差，写成普通式为：
hn＝Pi—Pr，Pa
对于任一矿井，其自然风压的测算式可直接写出： hn＝(z1-2γ1-2＋z2-3γ2-3 ＋z4-5γ4-5)—(z6-7γ6-7 — z8-9γ8-9 — z10-11γ10-11)
叶片的安装角 θ 可以根据需要来调整，使用时 可以每隔2.5°调一次。 叶片等间距地安装在动轮上，当动轮的机翼形 叶片在空气中快速扫过时，由于叶片的凹面与空气 冲击，给空气以能量，产生正压，将空气从叶道压 出，叶片的凸面牵动空气，产生负压，将空气吸入 叶道。如此一压一吸便造成空气流动。
一个动轮和它后面一个有固定叶片的整 流器组成一段。整流器用来整理动轮流出的 旋转气流，以减少涡流损失。为了提高扇风 机的风压，有些轴流式扇风机安装两段动轮。 环形扩散器是轴流式扇风机特有的部件， 其作用是使环状气流过渡到柱状气流时，速 压逐渐减少，以减少冲击损失，同时使静压 逐渐增加。(构造图)
2.防爆门
《规程》规定：装有主要扇风机的出风井口， 应安装防爆门。防爆门不得小于出风井口的断面积， 并正对出风口的风流方向。当井下发生瓦斯爆炸时， 爆炸气浪将防爆门掀起，从而起到保护主扇的作用。 出风立井井口的钟形防爆门， 门 l 用钢板焊接而成，一般在四 周用四条钢丝绳绕过滑轮 3 ，以 平衡锤 4 牵住防爆门，其下端放 入井口圈 2 的凹糟中，槽中盛水， 以防止漏风，凹槽的深度必须 大于防爆门内外的压力差。斜 井时，需要设置斜井防爆门。
测算矿井的hn时，由于各段标高是定值，各段 空气重率的平均值不会瞬息变化，可根据上式，用 两组人力 ( 各 2—3 人 ) 分别在进风和回风两侧分段逐 点、尽快(1～2h)地把各处的空气重率 (须测出各处 的空气温度，绝对静压和相对湿度)测算出来(两井 口高差间的空气重率可沿山坡逐点测算 ) 。同时一 人在地面每隔 5min 观测一次大气压力值供校正用， 然后算出各段空气重率的平均值，连同各段的高差 代入上式算出hn。实践证明，这种测算法比较简单 可靠，但同时使用的仪表较多。
四、自然风压的利用
矿井自然风压的影响因素是进风与回风井空气 柱的深度和平均重率。在前一因素中作用较大的是 进风口与回风口的高差。因此，为了充分利用帮助 通风的自然风压，应尽可能把回风井口安置在高处， 把进风井口或平峒口安置在低处。采用自然通风的 小煤矿，还可在回风井口修建风塔、有条件时还可 多掘和高地表相通的回风井。在后一因素中。起主 要作用的是进风与回风的温度差。因此，对于采用 自然通风的小煤矿，有条件时，可在回风井和风塔 内安装暖气管道，以增加回风流的温度。
2．压力 扇风机工作时，叶轮给予每1米3空气的 全部能量，即每1米3空气通过扇风机后所增加的全 部能量，称为扇风机全压或通风压力，一般用hft表 示。其单位为Pa。 扇风机全压(hft )，是指扇风机出口断面上空气 的绝对全压 (P2+hv2)与扇风机入口断面上空气的绝 对全压 (P1+hv1)之差。 hft 一般在扇风机制造厂所提 供的特性曲线或性能表中给出。
离心式扇风 机的反风情况如 图4-12所示，正常 通风时，反风门 1 和 2 为实线位置， 反风时，反风门 1 提起，而将反风 门 2 放下，风流自 反风门 2 进入扇风 机，再从反风门 1 进入反风道 3 ，经 风井压入井下。
利用扇风机反转的反风方法，只适于轴 流式主扇，在反风时，调换电动机电源的两 相，可以改变扇风机动轮的旋转方向，使井 下风流反向。这种反风方法，不需要做反风 道，比较经济，但一般的轴流式主扇达不到 反风后的风量要求。现今有些新型轴流式主 扇能满足这个要求。因此，今后这种反风方 法将为新型轴流式主扇普遍采用。
自然风压的大小和方向，主要受地面空气温度 变化的影响。根据实测资料可知，出风风流的温度 全年几乎保持不变，而进风风流的气温则随季节不 同而变化。因此，自然风压亦随季节而变化。例如 在冬季，地面气温很低，空气柱4-1比空气柱3-2重， 风流由1流向2，经出风井2-3排至地面；夏季，地 面气温高于井筒2-3内的平均气温，使风流由平峒 按2-1的方向排出。而在春秋季节，地面气温与井 筒内空气柱的平均气温相差不大，自然风压很小， 因此，将造成井下风流的停滞现象。在一些山区， 由于地面气温在一昼夜之内也有较大变化，所以自 然风压也会随之发生变化，夜晚，平峒进风；午间， 平峒出风。
三、扇风机的附属装置
扇风机的附属装置包括反风装置、防爆门、风 峒和扩散器等。 1.反风装置
反风就是使正常风流反向。当进风井筒附近和 井底车场发生火灾或瓦斯煤尘爆炸时，会产生大量 的一氧化碳和二氧化碳等有害气体，如扇风机照常 运转，就会将这些有害气体带入采掘工作面，危及 井下工人的生命安全。为了救人，就得利用主扇的 反风装置迅速将风流方向反转过来。我国《规程》 规定：要求在10min内能把矿井风流方向反转过来， 而且要求反风后的风量不小于正常风量的60%。
利用反风道反风是一种常用的可靠方法，能满 足反风的时间和风量要求。图4-10为轴流式主扇抽 出式通风时的反风示意图，图A为正常通风时反风 门1和2的位置，扇风机由井下吸风，然后排至大气， 若将反风门1、2改变为图B中的位置，风流从大气 吸入扇风机内，再经反 风道压入井下，使井下 风流的方向改变。
图 4-11 为轴流式主扇压入式通风时的反风示 意图。其中图A是正常的通风情况，图B是两扇反 风门位置改变后的反风情况。
消音装置分为主动式与反射式，前者的作用 是吸收声音的能量，后者是把声能反射回声源。 扇风机多采用主动式消音装置，风流通过多孔性 材料装成的通道时，其噪音被吸收。对不同频率 的噪音消音器，消音效果不同。为了更有效地降 低高频率的噪音，消音板要有足够的厚度。也可 制成空心消音板，以节省材料。
第三节 扇风机的基本参数
扇风机的基本参数有流量，压力，功率和 效率。用这四个参数可以描述扇风机的整个特 性。 1．流量(风量) 单位时间内通过扇风机的空气 体积，称为扇风机的流量，一般用 Qf 表示。其 单位为m3/s、 m3/min或m3/h 。在矿井通风中， 通过扇风机的流量，也就是扇风机送入井下或 从井下排出的空气量。因此，扇风机的流量是 一个重要参数。
第二节 矿用扇风机的构造和附属装置
通风用的机械称为扇风机（或通风机）， 按服务范围分为主要扇风机（简称主扇）、 辅助扇风机（辅扇）与局部扇风机（局扇）。 主扇是矿井的“肺脏”，必须昼夜运转，它 对保证矿井安全生产有着重大意义，矿用扇 风机就其构造可分为离心式和轴流式两种类 型。
一、离心式扇风机 离心式扇风机主要是由动轮(又名叶轮）1、骡 旋形机壳5、吸风筒6和锥形扩散器7组成。动轮是 由固定在主轴3上的轮毂4和其上的叶片2所组成。