1 矿井通风基础理论问题

力学、热力学、流体力学等基础理论的发展为矿井通风动力学奠定了基础^[1-5]，但从事矿井通风安全领域的技术人员往往难以将矿井通风动力学与力学、热力学、流体力学联系起来，特别是容易混淆其应用条件、假设、公式的适用范围，出现公式推导和应用错误.流体流动基础理论与矿井通风理论脱节，将会影响相关基础理论在矿井通风动力学中的进一步应用.针对矿井通风安全技术人员和科研工作者在对矿井风流流动规律进行理论分析时理解上容易出现的难点，进行了详细的分析，力图加强矿井通风理论与流体流动基础理论的联系.

1.1 矿井通风基础理论中的几个概念问题

在相关理论技术开发和实践应用中常出现下列理解的困难：

(1) 理想气体究竟属于完全气体还是理想流体？在物理化学、热力学、流体力学与矿井通风等著作中对完全气体、理想气体、理想流体的定义存在差异.

(2) 能量方程与动量方程在一定条件下的共性是什么？积分型动量方程与微分型运动方程称谓不同的原因.

(3) 热力学第一定律与流体力学的能量方程描述流体流动特性的共性是什么？

(4) 描述不同流体流动规律的各类方程组的封闭性(有确定解)分析.既然必需用质量、动量、能量守恒定律及其对应的定理和公式来描述流体(包括矿井风流)流动规律，为什么矿井通风动力学中描述矿井风流流动规律只用伯努利方程(能量方程)和连续性方程(质量守恒)就已经足够？

(5) 流体力学中质量、动量、能量方程的积分、微分型式，拉格朗日型、欧拉型相关公式的特性，应用范围、假设条件、相关关系及其与矿井通风动力学的联系.

1.2 热力学第一定律与能量方程的关系

流体流动过程中，将出现机械能与热能的相互转换，并因流体温度变化引起流体密度、流体阻力等参数的变化.流体流动规律可以应用热力学第一定律或流体力学中能量方程来分析.它们具有相同的理论基础，即能量守恒定律：单位时间内传给控制体内的热量，外界对控制体内流体所作的功，以及通过控制面流入的流体总能量之和，等于控制体内流体总能量对时间的变化率.因此，热力学第一定律和能量方程均为能量守恒定律在涉及热现象的流体宏观流动过程中的具体表述，两者是相同的.

如图 1所示，为了分析风流在巷道中流动的过程，取一微小区段巷道，分析风流在该区段的流动特性.

根据热力学第一定律

(1)

式(1)中，Q为风流流动过程吸收的热能；W为作用于风流的机械功；υ₁为风流在断面1处的流速；z₁为断面1处的标高；h₁为风流在断面1处的比焓.

式(1)即

(2)

热源由两部分组成，一是外热源dQ，二是转换为摩擦力的热损失dh_L，根据可压缩风流的热力学关系，所以

(3)

式(5)中，p_F为巷道微元1，2间通风机压力；p_L为单位体积风流在1，2断面间阻力损失；p₁，p₂为巷道1，2断面的静压；g为重力加速度.

式(4)是单位质量风流流动的能量方程，其流动过程的状态变化反映在项，单位为J/kg；式(5)为单位体积风流流动的能量方程，其流动过程的状态变化反映在项.由于流动过程状态变化应用积分形式来表示，反映流动过程状态变化特性的参数密度ρ及其倒数比容v’位于两种形式能量方程式(4)，式(5)的不同项.

式(5)中是风流流动过程中的位压变化项，对一回路积分，式(5)变为

(6)

式(6)反映风流在整个回路流动过程中的状态变化项，其中h_n为风流在该回路的自然风压(单位体积风流在该回路的自然通风能量).同理，由式(4)可知，，其中p_n为该回路自然风压的另一种形式(单位质量风流在该回路的自然通风能量).自然风压与通风机风压共同作用克服风流流动阻力.

我们知道，不可压缩流体能量方程(伯努利方程)为

(7)

式(7)中，e₁，e₂分别为单位质量流体在断面1，2的内能.

以式(4)与不可压缩流体能量方程(伯努利方程)式(7)比较，可以看出两式基本相同，只是式(4)描述流体密度变化，其压力项反映流动过程状态变化，为积分形式.式(7)压力项为1，2断面压力变化，即；另一不同之处为，式(4)考虑通风机对风流所作的机械功，而式(7)未计入该项.

上述分析说明了以热力学第一定律、能量守恒定律和运动微分方程描述定常、无旋、质量力有势且仅为重力条件下流体流动能量转换规律的一致性.

2 矿井通风系统设计问题 2.1 必要性和重要性

今后二三十年，我国处于工业化中期阶段，对矿产资源的需求强度将进入高峰期，矿产资源的供求矛盾将更为突出.由于矿产资源的稀缺性、耗竭性，矿山外部建设条件好、赋存条件简单的易采矿床(体)已基本采完或即将采完，今后矿山建设面对的将是矿井温度高、海拔高、露天转地下、水文条件复杂等复杂难采矿体.通风系统、通风方式、主扇安装位置及通风网络结构等方面的设计将更加复杂和困难.因此，在拟定矿井通风系统时，应严格遵循安全可靠，通风基建费、经营费最低和便于管理的原则，提高有效风量率及设备效率，使通风系统的布置更加合理，做到技术可靠，经济合理.

金属矿山矿体赋存条件复杂，采掘工作面对风量要求不一样，设计和生产必须根据各种类型矿山的实际情况采用行之有效的通风系统和通风方式，以适应开采条件的变化，确保主扇在整个生产过程中都能高效运转，对坑道内实现最有效的供风，使工作面获得足够的、合乎国家卫生标准的新鲜风流，实现贯穿风流通风.

2.2 统一与分区通风

通风系统按全矿独立的通风系统的个数划分为集中通风系统与分区通风系统^[6-9].集中通风系统即全矿一个通风系统，它适合矿体埋藏较深、走向不太长、分布较集中且连通地面的老硐、采空区、崩落区等漏风通道较少的矿山，或矿体走向较长、分布较为分散但矿体各采区或矿段便于分别开掘回风井、安装扇风机而构成全矿并联回风系统的矿山.分区通风系统即一个矿山含有多个区域，每个区域分别有独立的进出风通道，它适合集中通风系统不能适应的复杂矿山或矿区.它能因地制宜地将所服务的对象划分成若干小型、独立、多种形式的分区通风系统，对所在区内的采掘作业面进行有效的通风.

通风系统主要分为中央对角式、单翼对角式、分区通风式3种类型，而中央对角式、单翼对角式通风系统均属于集中通风系统，分区通风系统应是多个中央对角式或单翼对角式的组合.

2.2.1 统一通风

该通风系统是充分利用中央开拓的井巷工程进风，两翼增设风井出风；少数矿山采用端部开拓时，则利用两端井巷进风，中央增设风井出风.它适合于规模大、走向长的矿床，当将矿床分成两翼或多翼开采时，能比较容易地对各翼进行按需分配，满足生产对通风的要求.在同一条件下，与单翼对角式通风系统相比，该系统网络结构相对简化，风流路程相对缩短，使主扇风机的容量和通风费用相对降低，管理工作也较简便.

中央对角式通风系统具有风流线路短、通风阻力小、漏风少、风流易于调节、灵活性大等优点，但存在开拓工程量大和反风较复杂等缺点.为保持风流稳定，必须注意并联两支路的风阻不宜相差太大，风压也需保持相对平衡，否则影响两端进风量.为保持系统中各并联分区的稳定性，并联共同段的阻力以不超过并联系统中最小主扇总风压的30%为宜.

单翼对角式通风系统是从矿床(或矿田)的一翼进风，另一翼出风.一般用于矿体走向不太长或规模较少、矿体分布集中，同时作业中段数少的矿山，它具有独立性强、易于分风、易于控制等优点.

在同一条件下与其它系统相比，该系统的主要优点是系统简单、开拓工程量较少、基建投资较省，主要缺点是风流线路长、风阻大、网路中风流稳定性差、对作业区或工作面按需分风较难、不适宜于两翼或多翼开采.因此，这种系统一般只适用于中小型矿山.而对大型以上的矿山来说，除了矿体分布集中、走向短或矿体走向虽长但需分区开采和分区开拓时才使用外，一般都不采用.

2.2.2 分区通风

分区通风系统一般用于以下条件：

(1) 矿山开采多年，老窿或通地表的出口多，采空区范围大，崩落面积广，密闭不易，漏风严重，工作面有效风量率低，污风难以排出.

(2) 矿床走向较短、矿床两翼未探明又急于投产或两翼不便设置风井及主扇和平硐开拓的山区中小型矿井.

(3) 矿床走向较长、分布范围较广、矿床勘探程度不够又需加快矿山建设的大中型矿井.

(4) 矿床赋存于高山地区，上部矿体接近地表或出露地表，浸蚀基准面以上采用平硐溜井或平硐辅助竖井开拓，地表进出口多；或者矿体虽然厚大，但在浸蚀基准面上地形复杂，矿体被沟谷所割裂，难以形成集中整体式通风系统.

(5) 矿床规模和生产规模都很大，因大断面的进风巷和回风巷受工程地质条件的限制，难以满足风量和风速的要求.

(6) 矿体分散，或呈群、组出现，且彼此有相当的距离，难以形成集中整体式通风系统.

(7) 开采围岩或矿石有自燃发火危险的规模较大的矿井.

总之，当矿体较集中，规模较大，走向较长时，宜采用中央对角式通风系统；矿体走向不太长(在1000m以下)且较集中，埋藏较深，同时作业中段不多时，可采用单翼对角式通风系统；矿体不集中、开采作业区分散、地表采空区多、漏风大以及因矿山规模大并受巷道断面及通风设备限制而无法集中通风或容易自燃发火的矿山，应尽量采用分区通风.

2.3 进回风井布置与主扇工作方式

矿井通风方式是指主扇对井下风流的工作方式，分为抽出式、压入式、混合式3种.

2.3.1 抽出式通风

抽出式通风是将主扇风机安装于回风井巷的出口地段或地表出口处，通过风机运转使井下形成负压，新鲜风流则可充分利用提升运输人行井巷进入井下，污风则经过回风井巷由主扇风机抽出地表.除特殊条件(如箕斗井和箕斗罐笼混合井不作进风井)外，一般不需设置专用进风井巷，既可减少开拓工程量，节省基建投资，还可避免安装主要进风井巷的密闭设施，方便管理.因此，它在大中小型矿山的各种通风系统中均获得了广泛的应用.这种通风方式的主要缺点是：

(1) 一般将本通风方式与后退回采顺序相配合，因而采空区与回风巷毗连，如对采空区密闭不及时或密闭不严，则易造成风流短路，使作业区的新风量减少；

(2) 对于高硫矿山，污风易腐蚀风机；

(3) 对于高寒地区的矿山，为避免进风井口冻结，需增设暖风防冻措施.

2.3.2 压入式通风

压入式通风是将主扇风机安装于进风井巷的入口处，新鲜风流通过主扇压入坑内，污风则经过上部各中段的出口或通地表的采空区排出地表，井下空气始终处于正压状态.本通风方式的进风井巷也可以利用提升运输人行井巷，以减少基建开拓工程量和投资，但必须对这些井巷进行必要的密闭，以避免或减少新鲜风流漏损.然而，这些井巷往往是运输和行人的主要通道，很难做到有效密闭，因此，新风的漏损是必然的，甚至有时是严重的.因此，压入式通风往往不得不采用专用入风井巷，使同一条件下压入式通风比抽出式通风可能要增加部分工程量.此外，由于压入式风路的回风段处于低压区，对工作面的污风排出不利.所以，一般认为压入式通风不如抽出式优越，这是目前矿山采用压入式通风较少的主要原因.

但是，下列条件的矿山，采用压入式通风仍是可行的：

(1) 矿床位于高山地区，矿区气压低，地形切割、陡峻，难以选择适合于抽出式通风的回风井巷；

(2) 高寒地区的矿山，利用主扇将预热新风压入提升运输井巷，以解决井硐口冻结引起的安全问题；

(3) 矿床上部露采已经结束，下部转入坑采，又是采用空场法或崩落法回采的矿区；

(4) 矿床埋藏浅，覆盖岩层薄，或上部老硐多，空区冒通地表范围广，密闭困难；

(5) 矿岩中含有放射性元素，为防止废旧坑道和采空区内的放射性物质大量逸出.

2.3.3 混合式通风

混合式通风是上述两种通风方式的组合.多数矿山进风与回风都采用专用井巷，分别在进回风巷各装一台主扇风机，一抽一压串联运转.它的主要优点：

(1) 主扇风机串联运转，风压接力或部分叠加，可以缓解或解决矿床埋藏深、走向长、通风阻力大、开拓工程又受到了生产规模或其它条件的限制不宜增多井巷的数量和扩大井巷断面而造成的通风困难；

(2) 专用进风井巷的使用，避免了提升运输井巷的密闭不良干扰而导致的新鲜风流漏损，提高了有效风量率；

(3) 部分难以密闭的采空区处于正负压接力点或附近时，能避免或减少采空区的漏风，有利于满足作业区的按需分风要求；

(4) 对高寒地区的矿山，亦具有利于压入式风机解决井硐口的冻结问题.

它的主要缺点：不能充分利用提升运输井巷进风，两套主扇同时运转，造成基建工程量和设备数量较多，投资也相应增大.因此，采用这种通风方式的矿山不多.一些严寒地区的矿山，增设1台压入式风机在冰冻期预热新鲜风流，以防止井口冻结，其它季节仍采用抽出式通风.

2.4 多风机多级机站通风方法

自20世纪70年代起，国外开始研制一种多风机多级机站的通风方法.它既可以提高矿井有效风量率，使风量分配均衡，风压分布合理，又可减少电能消耗.国内自1985年以来，先后有一些大中型金属矿山使用此种方法，改造了原有的通风系统，都取得了明显的通风效果和经济效益.

2.4.1 通风方式

多级风站采用各段机站分别克服沿程阻力来达到通风目的.在用崩落法采矿以及有氡危害的非铀矿山，采用多级机站通风时，多采用压抽混合式或抽压混合式.使得崩落区处于正压区，以有效的控制渗流方向，防止入风污染.

2.4.2 机站级数和个数

机站级数和个数及机站的布置取决于矿区的范围，生产规模、所选风机容量以及对通风的要求.以泗顶铅锌矿通风系统技术改造为例说明.

泗顶铅锌矿通风系统的现有进风口是300m主平窿和竖井，新风清洗工作面后经南风井排出地表.竖井作为兼用的进风井，一方面风速不能过大，另一方面又不便安装风机，故通过负压的控制保证其进风，主要的进风则由300m主平窿进入，因为主平窿为运输道及人行道，故在平窿口要安装风机就不太现实，决定于斜井石门的250m中段和斜井底230m中段安装风机引风，并加强沿途的风流管理，使新鲜风流从主平硐进入后，沿人行道及运输道至斜井，然后由斜井送入250m及230m中段.进入250m的新风，主要负责250m以上260m及270m中段的用风，废风由280m回风道汇入南风井；由斜井分入230m中段和竖井的进风，通过各人行井上到240、250及260m中段，废风由250m中段回风道送入南风井，南风井的废风由地表的风机排出地表.因此泗顶铅锌矿通风系统的改造采用三级机站，即250m中段和230m中段的风机为一级机站，250m中段和280m中段的回风道风机为二级机站，南风井井口的抽出式风机为三级机站.

根据上述机站级数的确定，一、二级机站各2个，三级机站1个，共需建立5个机站，即共有5个装机地点.

2.4.3 各级机站的作用

由于是采用以抽为主，压抽结合的通风方式，因此，三级机站即抽出式机站在全系统内起主导作用，全部废风由其排至地表，是全矿性主机站，它的风量即为全矿总风量，它的风压大小和控制范围是非常重要的.直接影响到系统内的压力状况和工作面废风的排出状况，因此该三级机站不能随意停止运转，否则将会造成回风系统内的风流紊乱，从而使系统内的压力状态发生变化，造成通风失效.

二级机站为抽出式风机，在采场各中段的回风部分，只要生产仍在进行就不能停机，而且它的容量大小直接影响采场通风效果.

一级机站为压入式机站，起分段供风的作用，是保证各作业中段供风的主要风机，其任务是直接向采场压入新鲜风流，相对于三级机站它起辅助作用，其机站风机容量及安装位置的选择是十分重要的.如果风机风压和风量过小，将会造成风量不足，达不到要求的排尘风速，通风效果差；反之，风量和风压过大，会使300m主平硐人行道，运输道和竖井粒尘飞扬，造成运输人行不便，在冬季当自然风压是顺风流，应防止280m水平入风污染，在条件许可时，Ⅰ级机站风机可不开动，否则入风风质不能保证.

2.4.4 各级机站的风机选择

金属矿山矿井等积孔比较大，选用风机时，应选择等积孔大、风量大、风压低的风机.目前可供选用的风机型号有纺织用的FZ-35，FZ-40型风机，以及矿井专用风机K35、K40、K45和DK型以及FS系列、WZ系列等.其中K40系列、FS系列、WZ系列较好.这些低风压大风量风机在全国金属矿山得到了推广应用，其节能效益显著.这些节能风机的特点是：①能与金属矿山通风网络相匹配，而且规格系列齐全，基本可以做到各种类型的网络都能选到高效区域内的风机；②结构简单，易于维修，安装搬迁方便，井下安装时不需要施工基础；③体积小、噪音低，重量轻；④这些风机运行区的最高全压效率均在90%以上，节电效果显著.其中K40系列、WZ系列风机是按常规设计方法设计的，其性能曲线平缓，运行稳定性高，适于单机或多机并联作业，是多级机站通风较理想的通风设备.

2.5 设计中应注意的一些问题

(1) 选择合理的通风系统和通风方式必须结合地形地貌、矿体赋存状态、矿山开拓、运输、采矿方法和回采顺序等进行综合考虑，并且应与开采条件的变化相适应.

(2) 采区网路结构必须适合于回采工艺通风要求.对不同的采矿方法、采准布置、采区结构，采区网路结构应根据具体情况而选择.原则上应尽量减少或避免污风串联，要便于各需风点的风量分配与调节并保持风流在网路中流动的稳定性.实践证明，改善中段进风巷道和顶盘回风巷道的布置，增设脉外进风平巷和顶盘回风平巷对改善通风网路结构是行之有效的措施.

(3) 设计中应充分利用一切可用的通风井巷，使专用通风井巷工程量最小.

(4) 为便于维护管理，设计中要少用通风构筑物和风流调节设施、辅扇、局扇等.

3 结束语

本文重点剖析了矿井风流流动规律理论分析中遇到的难点，旨在加强矿井通风学与流体力学、热力学等基础理论的联系，以便充分利用相关基础理论的新成果完善和发展矿井通风学，为矿井通风新技术的开发和实践应用服务.

矿井通风系统布置是否合理对矿山安全生产影响很大.因此，在设计通风系统时，必须把通风系统与开拓运输系统统一起来进行考虑，做到新风有来路，污风有出路，避免污风串联，减少阻力和漏损，提高有效风量率及设备效率.

矿井通风系统和通风方式的合理设计，只是给矿山通风创造了良好的基础条件.但如不进行科学管理，也不能取得良好效果.因此，矿山企业应培养一批具有一定技术水平、责任心强、善于管理的技术人员.同时，应大力研究适用于井下通风需要、节约能源的通风设备和监测仪器，改善矿山通风的经济效果.