掘进工作风量计算

掘进工作风量计算（3篇）

1.掘进工作风量计算 篇一

某某矿务集团有限公司矿井风量计算细则(试行)

一、矿井供风原则

1、矿井供风总的原则是，既要能确保矿井安全生产的需要，又要符合经济要求。

2、矿井所需风量的确定，必须符合安监总煤矿字〔～〕42 号“ 关于印发《煤矿通风能力核定办法(试行)》的通知”及《煤矿安全规程》中有关条文的规定，即：

(1)氧气含量的规定;

(2)沼气、二氧化碳、氢气等有害气体安全浓度的规定;

(3)井巷风流速度的规定;

(4)空气中悬浮粉尘允许浓度的规定;

(5)空气温度的规定；

(6)每人每分钟供风量不少于4m3 的规定。

二、矿井需要总进风量计算

矿井需要总进风量按各采煤工作面、掘进工作面、硐室、备用工作面及其它巷道等用风地点实际需要风量分别进行计算。

q 矿=（∑q 采+∑q 掘全+∑q 硐+∑q 备＋∑q 其它）×k 矿通（m3/min）（1－1）式中：q 矿——矿井需要总进风量，m3/min；

∑q 采——矿井独立通风采煤工作面需要风量之和，m3/min；

∑q 掘全——矿井独立通风掘进工作面局部通风机安装处全风压需要风量之和，m3/min；

∑q 硐——矿井独立通风硐室需要风量之和，m3/min；

∑q 备——矿井独立通风备用工作面需要风量之和，m3/min；

∑q 其它——矿井除了采、掘、硐室和备用工作面以外的其它用风巷道需要风量之和，m3/min；

k 矿通——矿井通风系数，包括矿井内部漏风和配风不均衡等因素，一般可取k 矿通=1.15～1.2,低瓦斯矿井(有高瓦斯地区的矿井除外)独立供风采掘工作面数量少于12 个且最大通风流程小于10000m 时，取k 矿通=1.15，否则，取k 矿通=1.2。

1、采煤工作面需要风量计算

每个采煤工作面需要风量，应按瓦斯、二氧化碳绝对涌出量和爆破后有害气体产生量以及工作面气温、风速和人数等规定分别进行计算，然后取q 采1～q 采5的最大值作为该采煤工作面需要风量。

(1)采煤工作面按气象条件确定需要风量，其计算公式为：

q 采1=q 基本×k 采高×k 采面长×k 温（m3/min）（2－1）

式中: q 采1——采煤工作面需要风量，m3/min；

q 基本——不同采煤方式工作面所需的基本风量，m3/min。

k 采高——采煤工作面采高调整系数（见表1）；

k 采面长——采煤工作面倾斜长度调整系数（见表2）；

k 温——采煤工作面温度与对应风速调整系数（见表3）。

q 基本=60×v 采1×s 采max×70%（m3/min）（2－2）

式中：v 采1——采煤工作面适宜风速，取v 采1≥1m/s；

s 采max——采煤工作面最大控顶距时净断面积，m2。

s 采max=采煤工作面最大控顶距×工作面实际采高－输送机、支架(支柱)、梁子等所占的面积(m2)（2－3）

表1 k 采高——采煤工作面采高调整系数采高(m)<2.0 2.0～2.5 ≥2.5 及放顶煤工作面系数(k 采高)1.0 1.1 1.5表2 k 采面长——采煤工作面倾斜长度调整系数采煤工作面倾斜长度(m)＜150 150～200 ＞200

调整系数(k 长)1.0 1.0～1.3 1.3～1.5表3 k 温——采煤工作面温度与对应风速调整系数采煤工作面空气温度（℃）采煤工作面风速（m/s）配风调整系数k 温

<18 0.3～0.8 0.90

18～20 0.8～1.0 1.00

20～23 1.0～1.5 1.00～1.10

23～26 1.5～1.8 1.10～1.2

526～28 1.8～2.5 1.25～1.428～30 2.5～3.0 1.4～1.6

(2)按照瓦斯绝对涌出量计算需要风量

根据《煤矿安全规程》规定，按采煤工作面回风流中瓦斯浓度不超过1％的要求计算：

q 采2=100×q 采ch4×k 采ch4（m3/min）（2－4）

式中：q 采2——采煤工作面实际需要风量，m3/min；

q 采ch4——采煤工作面回风巷风流中日平均瓦斯绝对涌出量（正常生产条件下，连续观测1 个月，取月平均日瓦斯绝对涌出量），m3/min；k 采ch4——采煤工作面瓦斯涌出不均衡系数。（正常生产条件下，连续观测1个月，日最大瓦斯绝对涌出量与月平均日瓦斯绝对涌出量的比值）。

100——采煤工作面回风流中瓦斯浓度不超过1%所换算的常数。按二氧化碳或其它有害气体的绝对涌出量计算需要风量，根据《煤矿安全规程》规定，按采煤工作面回风流中不同有害气体的允许浓度并参照按瓦斯绝对涌出量的计算方法执行。

布置有专用排放瓦斯巷（俗称尾巷,且符合《煤矿安全规程》第一百三十七条的规定）的采煤工作面需要风量计算:

q 采2=q 采回+q 采尾（m3/min）（2－5）

q 采回=100×q 采ch4×k 采ch4（m3/min）（2－6）

q 采尾= qch4 尾×k 采ch4÷2.5%（m3/min）（2－7）

式中：qch4 尾——采煤工作面尾巷的风排瓦斯量，m3/min；

其他符号的含义同上。

(3)按采煤工作面温度选择适宜的风速计算需要风量:

q 采3 =60×v 采3×s 采平均（m3/min）（2－8）

式中：v 采3——采煤工作面风速，可按本细则第四项第2 小项有关要求选取（见表3），m/s；

s 采平均——采煤工作面最大和最小控顶距净断面积的平均值，m2。

(4)按采煤工作面同时作业人数和炸药量计算需要风量：

每人供风量≮4m3/min：

q 采4>4n（m3/min）（2－9）

每千克炸药供风量≮25m3/min：

q 采5>25a 药（m3/min）（2－10）

式中：n——工作面最多人数；

a 药——一次爆破炸药最大用量，kg。

(5)按采煤工作面风速进行验算：

15s 采平均

式中：s 采平均——采煤工作面最大和最小控顶净断面积的平均值，m2。

采煤工作面采空区顶板悬顶时，必须采取加大风量及控制风流防止向采空区扩散的措施，确保采煤工作面控顶区域内最低风速不得小于0.5 m/s，有害气体浓度符合《煤矿安全规程》规定。

2、备用采煤工作面需要风量计算

备用工作面亦应满足按瓦斯、二氧化碳、气温等规定计算的风量，且最少不得低于同一采煤方式相同的采煤工作面实际需要风量的50%。

q 备≥0.5×q 采（2－12）

3、掘进工作面局部通风机处的需要风量

（1）掘进工作面的需要风量

每个掘进工作面需要风量，应按瓦斯、二氧化碳绝对涌出量和爆破后有害气体产生量以及工作面气温、风速和人数等规定分别进行计算，然后取q 掘1～q 掘4的最大值作为该掘进工作面需要风量。

①按照瓦斯绝对涌出量计算：

q 掘1＝

100×q 掘×k 掘（m3/min）（3－1）

式中:q 掘——单个掘进工作面需要风量，m3/min；

q 掘——掘进工作面回风流中瓦斯绝对涌出量（正常生产条件下，连续观测1个月，取月平均日瓦斯绝对涌出量），m3/min；

k 掘——掘进工作面瓦斯涌出不均衡系数。（正常生产条件下，连续观测1 个月，日最大瓦斯绝对涌出量与月平均日瓦斯绝对涌出量的比值）；100——掘进工作面回风流中瓦斯浓度不超过1%所换算的常数。按二氧化碳绝对涌出量计算需要风量时，可参照瓦斯绝对涌出量计算方法进行。

②按照风速、温度计算掘进工作面需要风量

q 掘2＝60×v 掘×s 掘max×k 温m3/min（3－2）

式中：v 掘——局部通风机供风巷道内最低允许风速，m/s；

岩巷v 掘≥0.15m/s，煤巷和半煤岩巷v 掘≥0.25m/s；

s 掘max——局部通风机供风巷道的最大净断面积(掘进工作面因出现断层、高冒、地质构造造成巷道断面积增大的除外)，m2；

k 温——局部通风机供风巷道空气温度调整系数，可按本细则第四项第2 小项有关要求选取（见表4）；

表4 k 温——掘进工作面空气温度调整系数

掘进工作面空气温度（℃）配风调整系数k 温

18～20 1.00

20～23 1.00～1.10

23～26 1.10～1.2

526～28 1.25～1.428～30 1.4～1.6

③按掘进工作面同时作业人数和炸药量计算需要风量:

每人供风量≮4m3/min：

q 掘3>4n（m3/min）（3－3）

每千克炸药供风量≮25m3/min：

q 掘4>25a 药（m3/min）（3－4）

式中：n——掘进工作面最多人数；

a 药——一次爆破炸药最大用量，kg。

④按风速进行验算:

岩巷掘进最低风量，q 岩掘>9s 掘max（m3/min）

煤巷掘进最低风量，q 煤掘>15s 掘max（m3/min）

岩煤巷道最高风量，q 掘<240s 掘min（m3/min）

式中：s 掘max——局部通风机供风巷道的最大净断面积，m2；

s 掘min——局部通风机供风巷道的最小净断面积，m2。

（2）局部通风机选型

①局部通风机工作风量计算

q 扇= q 掘×p m3/min（3－5）

式中：q 扇——局部通风机工作风量，m3/min；如有实测百米漏风率p100，可按公式（3－6）计算，当无实测资料时，应按公式（3－5）计算。q 扇= q 掘/（1-l× p100/100）（3－6）

l——风筒长度，m；

p——局部通风机供风巷道风筒漏风系数，柔性风筒应按下式计算：

p=1/（1-nl 接），（3－7）

n——风筒接头数；

l 接——一个接头漏风率，反压边连接时，l 接=0.002。

②局部通风机工作风压计算

根据掘进工作面设计长度、局部通风机需要工作风量、掘进工作面需要风量、风筒风阻，计算掘进工作面局部通风机工作风压值：

hft =rpxq 扇xq 掘pa（3－8）

式中：rp——压入式风筒的总风阻，n.s2/m8 ；风筒风阻是由摩擦风阻、局部风阻组成，其大小取决于风筒的直径、接头方式、风筒总长度、风压、单节风筒长度、风筒的材质等，如有实测百米风阻值r100，可按公式（3－9）计算，当无实测资料时，应按公式（3－10）计算。

hft——压入式局部通风机全风压，pa；

rp＝r100×（l/100），（3－9）

rp＝6.5α×l/（d5）+（n×ζj0+∑ζbei＋ζin）×［ρ/（2s2）］（3－10）

α——风筒摩擦阻力系数（无实测资料时可参用表5），n.s2/m4；

l——风筒长度，m；

d——风筒直径，m；

ρ——空气密度，kg/m3；

s——风筒断面积，m2；

n——风筒接头个数；

ζj0——风筒接头局部阻力系数（无实测资料时可参用表5）；

ζbei——风筒拐弯局部阻力系数（无实测资料时可参用表6）；

ζin——风筒入口局部阻力系数，当入口处完全修圆时，取ζin ＝0.1；

不加修圆的直角入口时，取ζin＝0.5～0.6。表5 胶质风筒α、ζj0 选用范围参考表风筒直径（mm）

摩擦阻力系数α

（n.s2/m4）接头局部阻力系数ζj0 备注

300 0.00

53400 0.0049

0.15

500 0.0045

600 0.00

410.15～0.13

700 0.0038

800 0.003

21000 0.0029

0.13～0.09

接头为插接、反边接头

表6 胶质风筒拐弯局部阻力系数参考表拐弯角度20° 40° 60° 80° 90° 100°ζbei 0.18 0.4 0.62 1.0 1.25 1.5

5③选择合适局部通风机

根据工作风压、风量和局部通风机的性能曲线，选择合适的局部通风机。

④根据所选用局部通风机型号，确定局部通风机的工作风量。

局部通风机的工作风量范围应以该局部通风机出厂说明书中提供的有效风量范围为准，各矿必须保存好局部通风机出厂说明书，以此为矿井配风计算和局部通风机选型的凭证，无此资料时，可参考表7 选取。

表7 部分局部通风机选型表

型号功率（kw）级数建议q 扇（m3/min）风压pa 备注

jbt-51 5.5 1 225-145 245-1177

jbt-52 11 2 225-145 490-2350

jbt-61 14 1 390-250 343-1569

jbt-62 28 2 390-250 686-3139

dsfa-5 2×5.5 2 230-150 350-2800

dsfa-5.6 2×15 2 395-230 450-4850

fbd5/2×5.5 2×5.5 2 200-140 500-2800

fbd5/2×7.5 2×7.5 2 240-180 700-3200

fbd5.6/2×11 2×11 2 350-240 800-3700

fbd6/2×15 2×15 2 400-300 1500-4400

fbd6/2×22 2×22 2 500-380 1600-5000

fbd6/2×30 2×30 2 600-430 XX-5800

fbd6/2×55 2×55 2 1100-800 3000-5800

（3）局部通风机安装处巷道全风压供风量的计算:

q 掘全=∑q 扇实+60×v 安×s 安（m3/min）（3－11）

式中：q 掘全——局部通风机安装处巷道的全风压供风量，m3/min；

∑q 扇实——安装在同一地点并联通风的各局部通风机实际工作风量之和，m3/min。可现场实测或参考表7 选取，供风长度小时取大值，反之取小值。

v 安——局部通风机吸入口至局部通风机供风井巷回风口之间的风速，m/s。安装局部通风机的巷道中的风量，除了满足局部通风机的吸风量而外，还应保证局部通风机吸入口至局部通风机供风井巷回风口之间的风速，以防止局部通风机吸入循环风和这段距离内风流停滞，造成瓦斯积聚。风速岩巷取≥0.15m/s、煤巷和半煤巷取≥0.25m/s；s 安——局部通风机吸入口至局部通风机供风巷道回风口之间的巷道断面，m2。

4、井下硐室需要风量计

算

按矿井各个独立通风硐室需要风量的总和确定：

∑q 硐=q 硐1+q 硐2+q 硐3+...+q 硐n（m3/min）（4－1）

式中：∑q 硐——所有独立通风硐室需要风量总和，m3/min；

q 硐

1、q 硐

2、q 硐

3、⋯、q 硐n——不同独立通风硐室需要风量，按硐室配风原则计算，并与徐矿集团实际配风情况相比，取其最大值，m3/min。

（1）井下不同硐室配风原则：

井下爆炸材料库配风必须保证每小时4 次换气量：

q 库=4v/60=0.07v（m3/min）（4－2）

式中：q 库——井下爆炸材料库需要风量，m3/min；

v——井下爆炸材料库的体积（包括联络巷在内的爆炸材料库的空间总体积），m3。

井下充电室，应按其回风流中氢气浓度小于0.5%计算风量。

机电硐室需要风量应根据不同硐室内设备的降温要求进行配风。

选取硐室风量，须保证机电硐室温度不超过30℃，其它硐室温度不超过26℃。

（2）根据经验和集团公司实际配风情况，井下硐室供风量应为：

①排水泵房

主排水泵房：q≮150 m3/min；

采区排水泵房：q≮80 m3/min。

②空气压缩机房

装机总容量＞80m3 的：q≮150 m3/min；

装机总容量在60～80m3 的：q≮120 m3/min；

装机总容量40～60m3 的：q≮100 m3/min；

装机总容量≤40 m3 的：q≮80 m3/min。

③充电硐室

充电硐室配风量q＝100～150 m3/min。

④绞车房

直径2.0m 及以上绞车房的：q≮80 m3/min；

直径1.6m 以上绞车房的：q≮60 m3/min；

直径1.2m 以上绞车房的：q≮50 m3/min；

直径1.2m 以下绞车房的：q≮30 m3/min；

⑤变电所

中央变电所：q≮70 m3/min；

采区变电所：q≮50 m3/min；

⑥其它机电硐室q≮30 m3/min。

⑦爆破材料库

大型爆破材料库：q≮120 m3/min；

中型爆破材料库：q≮100 m3/min；

小型爆破材料库：q≮80 m3/min；

爆破材料发放站：q≮60 m3/min。

5、其它巷道需要风量计算

按矿井各个其它巷道需要风量的总和确定：

∑q 其它=q 其1+q 其2+q 其3+...+q 其n（m3/min）（5－1）

式中：q 其

1、q 其

2、q 其

3、...、q 其n——各其它巷道需要风量，m3/min。

按瓦斯涌出量计算：

q 其i=100×qch4×k 其通（m3/min）（5－2）

式中：q 其i——第i 个其它巷道需要风量，m3/min；

qch4——第i 个其它巷道最大瓦斯绝对涌出量，m3/min；

k 其通——其它巷道瓦斯涌出不均衡系数，取k 其通＝1.2～1.3；

100——其它巷道中风流瓦斯浓度不超过1%所换算的常数。

按其风速验算:

q 其它i>9×s 其i（m3/min）（5－3）

架线机车巷中的风速验算:

q 其它架线机车＞60×s 其i（5－4）式中： s其i——第i 个其它巷道断面，m2。

三、矿井有关通风参数的计算方法

1、矿井有效风量是指风流通过井下各用风地点实测风量之和（包括独立通风采煤

工作面、掘进工作面、备用工作面、硐室及其它用风巷道）。

矿井有效风量计算：

q 有效=∑q 采i+∑q 掘全i+∑q 硐i+∑q 备i＋∑q 其它i（m3/min）（6－1）

式中：q 有效——矿井有效风量，m3/min；

∑q 采i——矿井独立通风采煤工作面实测风量之和，m3/min；

∑q 掘全i——矿井独立通风掘进工作面局部通风机安装处全风压实测风量之和，m3/min；

∑q 硐i——矿井独立通风硐室实测风量之和，m3/min；

∑q 备i——矿井独立通风备用工作面实测风量之和，m3/min；

∑q 其它i——矿井其它独立用风巷道实测风量之和，m3/min。

2、矿井有效风量率（e）是矿井有效风量与各台主要通风机工作风量总和之比。

矿井有效风量率计算：

e＝q 有效÷∑q 主通i×100（6－2）

式中：e——矿井有效风量率，%；

q 有效——矿井有效风量，m3/min；

∑q 主通i——各台主要通风机工作风量总和，m3/min。

3、矿井外部漏风量是指直接由主要通风机装置及其风井附近地表漏失的风量之和。

矿井外部漏风量计算：

∑q 外漏＝∑q 主通i－∑q 井i（m3/min）（6－3）

式中：∑q 外漏——矿井外部漏风量之和，m3/min；

∑q 主通i——各台主要通风机工作风量总和，m3/min;

∑q 井i——各回风井的实测风量之和，m3/min。

4、矿井外部漏风率是指矿井外部漏风量与各台主要通风机工作风量总和之比。

矿井外部漏风率计算：

l＝∑q 外漏÷∑q 主通i×100（6－4）

式中：l——矿井外部漏风率，%。

∑q 外漏——矿井外部漏风量之和，m3/min；

∑q 主通i——各台主要通风机工作风量总和，m3/min。

5、矿井内部漏风量是指矿井实际总进风量与矿井有效风量之差。

矿井内部漏风量计算：

q 内漏＝q 实进－q 有效（m3/min）（6－5）

式中：q 内漏——矿井内部漏风量，m3/min；

q 实进——矿井实际总进风量，m3/min；

q 有效——矿井有效风量，m3/min。

6、矿井主要通风机工作风量（排风量），应等于矿井的实际总回风量、外部漏风量之和。

7、矿井总进风量比（g）是反映矿井通风能力大小的指标，该值合理范围应在100%＜g＜110%。该值大于110%时，则反映主要通风机能力充裕，矿井实际进风量过大，经济不合理，主要通风机工况点应予下调；该值g≤100%时，则反映主要通风机目前工况点满足不了矿井安全生产，工况点应予上调。

矿井总进风量比计算：

g＝q 实进÷q 矿×100（6－6）

式中：g——矿井总进风量比，%；

q 实进——矿井实际总进风量，m3/min；

q 矿——矿井需要总进风量，m3/min。

8、矿井等积孔（a）是用以表示矿井通风难易程度的指标。

①单风井矿井等积孔计算：

h

q a 主通19.1 =（6－7）

式中：a——矿井等积孔，m2；

q 主通——主要通风机工作风量，m3/s；

h——主要通风机的静压，pa。

②多风井矿井等积孔计算：

∑ ∑

∑ =

主通

主通

q / h q

q.1i i

a（6－8）

式中：a——矿井等积孔，m2；

∑q 主通——各台主要通风机工作风量总和，m3/s；

∑qihi——各台主要通风机工作风量和对应的主要通风机静压乘积之和，pa.m3/s。∑qihi= q1h1＋q2h2＋⋯＋qnhn9、矿井内部漏风系数是指矿井实际总进风量与矿井总有效风量之比

。矿井内部漏风系数计算：

k＝q 实进÷q 有效（6－9）

式中：k——矿井内部漏风系数；

q 实进——矿井实际总进风量，m3/min；

q 有效——矿井有效风量，m3/min。

10、计算矿井有效风量、有效风量率、漏风量、漏风率、漏风系数及主要通风机工作风量时，风量均应换算成标准状态下的风量，可按下式计算：

q 标＝q 测×ρ测÷1.2（6－10）

式中：q 标——标准状态下的风量，m3/min；

q 测——测定地点的实际风量，m3/min；

ρ测——测定地点的空气密度，kg/m3；

1.2——标准状态下矿井空气密度，kg/m3。

四、矿井通风能力核算方法

矿井通风能力是指矿井主要通风机在实际工况点时对应的矿井实际总进风量可供生产煤炭量的能力。

矿井有两个及以上通风系统时，应按照每一个通风系统分别进行通风能力核定，矿井通风能力为每一通风系统通风能力之和。

1、矿井通风能力核定采用总体核算法或由里向外核算法计算。

方法一（总体核算法，产量在30 万吨/年以下的矿井可使用本法）

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2.掘进工作风量计算 篇二

隧道工程在公路铁路中的应用有着悠久的历史, 隧道通风的研究也有比较丰硕的经验成果, 在隧道通风设计中也得到了应用。但是从整个交通行业来看, 我们对隧道施工阶段的通风设计重视不够, 实际施工中采取的通风方式不妥, 很多隧道施工通风效果不是很理想或不经济。

二、隧道掘进通风方法

隧道掘进通风方法分为用自然风压通风和采取动力设备的通风方法。自然风压通风在短隧道中采用较多, 一般通风时间较长, 但不产生任何安装维护费用。在实际施工中, 要采取措施检测工作面的空气质量。如果没有足够的风压, 需要较长的通风时间时不得采用。采取动力设备通风, 按照工作方式分为压入式通风、抽出式通风和混合式通风。

1. 压入式通风

如图1 (A) 所示, 工作面爆破后, 烟尘充满迎头, 形成了一个炮烟抛掷区。风流由风筒射出后, 按紊动射流的特性, 使炮烟被卷吸到射出的风流中, 二者掺混共同向前移动, 风流从风筒出口到转向点的距离叫有效射程Lj。为了能有效排出炮烟, 风筒出口与工作面的距离应≤Lj, 否则会在工作附近出现烟流停滞区。根据理论分析和实践经验, 压入式通风风筒出口到工作面的距离Lp为:Lp≤Lj= (4~5) S, m。式中:S为掘进隧道断面积, m2。

2. 抽出式通风

如图1 (B) 所示, 新鲜风流由巷道流入, 污风通过铁风筒排出。这种通风方式在风筒吸口附近形成一股流入风筒的风流, 离风筒越远速度越小, 这个距离即为有效吸程Ls, 有效吸程外的炮烟处于停滞状态。抽出式通风风筒口到工作面的距离Lc须满足:Lc≤Ls=1.5S, m。

上述两种方式各有利弊。压入式通风由于风机处于隧道口外新鲜风流中, 在有瓦斯的隧道运转安全;风筒出口有效射程长, 排烟能力强, 工作面的通风时间短。但这种通风方式的污风都沿隧道排出, 污染范围广。抽出式通风的优缺点与压入式相反, 可以解决大面积污染问题。另外, 其在机械化程度不断提高和光面爆破技术的推广、粉尘越来越严重的情况下尤其重要。

3. 混合式通风

它是由压入式和抽出式联合工作, 兼有二者的优点。这种通风效果好, 适用于大断面、长距离的隧道掘进。

混合式通风方式见图2, (A) 为长压短抽式, 以压入式通风为主, 靠近工作面一段用抽出式通风, 配备有除尘装置, 风筒重叠段风速V>0.5 m/s (排瓦斯) 或V>0.15 m/s (除尘) 。其优点是主要采用柔性风筒, 成本低;缺点是除尘器常随风筒移动, 且增大通风阻力, 除尘效果较差时使隧道受到一定程度的污染。 (B) 为长抽短压式, 以抽出式通风为主, 不需要配备除尘装置, 能够解决

隧道通风的污染问题。但抽出段要用带刚性骨架的柔性风筒或硬质风筒, 成本较高。

三、隧道掘进工作面所需风量计算

对于隧道开挖工作面所需要的风量, 除了考虑炸药消耗量外, 还要考虑通风时烟流流动和稀释过程的关系, 而这种关系又和通风方式有关。

1. 压入式通风

工作面所需风量或风筒出口的风量应为:

式中:t为通风时间, min;

A为一次爆破的炸药消耗量, kg;

S为隧道掘进断面积, m2。

Ld从工作面至炮烟被稀释到安全浓度的距离, 可按下式计算:Ld=400 A/S, m。

当掘进隧道的长度小于Ld时, 用隧道长度置换Ld。

2. 抽出式通风

工作面所需的风量为:

式中:lt为炮烟抛掷长度, m。它取决于起爆方式和炸药消耗量, 即电雷管起爆时, lt=15+A/5, m;

火雷管起爆时, lt=15+A, m

3. 混合式通风

在长抽短压的通风方式中, 应满足抽出式风筒入口的风量Qbc大于压入式风筒出口的风量Qbp, 以防止循环风和维持风筒重叠段内的隧道中具有排尘或稀释污风的最低速度。因此, 应先用 (1) 式计算Qbp, 再用下式计算Qbc:

式中:V为排尘的最低风速0.15~0.25m/s;或稀释污风的最低风速0.5m/s;

S为风筒重叠段的隧道面积, m2。一般应使Qbc:Qbp=3:1~5:1为宜。

在长压短抽的混合布置方式中, 为防止产生循环风和满足重叠段具有最低风速, 要求Qbp>Qbc。所以, 先用 (2) 式计算Qbc, 再用下式计算Qbp:

4. 用以上各式计算的风量都要进行验算

(1) 除尘最低风速0.15 m/s, 最低风量≥9 Sm3/min, 最大风速4 m/s (对最大风速的规定各种规范不统一, 公路工程施工安全技术规程并未做出规定, 可采用矿山岩巷掘进标准) ;

(2) 粉尘浓度≤2 mg/m3, O2≥20%, CH4或CO2≤0.5%, CO≤30 mg/m3, 隧道施工应保证每人每分钟供给新鲜空气1.5~3 m3。

二、隧道掘进通风设备的选择

1. 风筒的选择

(1) 风筒的种类

掘进通风采用的风筒有金属风筒和帆布、胶布、人造革等柔性风筒。柔性风筒重量轻, 易于储存和搬运, 连接悬挂简便, 胶布和人造革风筒防水性能好, 但柔性风筒只适用于压入式通风。为了满足抽出式通风的要求, 可以采用以金属整体弹簧钢丝为骨架的塑料布风筒。

(2) 风筒的风阻

风筒的风阻包括摩擦风阻Rf和局部风阻Rf, 金属风筒采用法兰盘连接可以不考虑接头风阻。实际施工当中, 风阻较难用公式进行精确计算, 一般都是根据实测百米风阻作为衡量风筒管理质量和设计的数据。我们在隧道施工通风选型时, 主要考虑的就是风筒的漏风。

(3) 风筒的漏风

一般情况, 金属风筒的漏风主要在接头处。胶布、帆布风筒不仅接头, 而且全长都存在漏风。所以, 漏风属于连续漏风。风筒漏风使风筒始端风量 (即风机工作风量Qf) 与风筒末端风量 (即工作面风量Q) 不等, 其差值即为风筒的漏风量Ql。风筒始末两端风量的几何平均值为风筒的平均风量, 即。

1) 风筒漏风率

La反映了风筒的漏风情况, 但不能作为比较的指标, 常采用百米漏风率La100;La100= (Qf-Q) / (Qf×L/100) , %。

式中:L为风筒的使用长度, m。

一般要求, 柔性风筒的百米漏风率应满足表1的数值。

2) 风筒的有效风量率Ef, 指工作面风量占风机工作风量的百分数, 即

3) 风筒漏风备用系数φ

φ也可以按以下方法计算。其中,

式中:K相当于直径1m的金属风筒每个接头的漏风系数, 须实测得出;

D为风筒的直径, m;

N为风筒接头数, 个;

R0为风筒延米风阻, N·s2/m8;

L为风筒全长, m。

柔性风筒φ=1/ (1-n Li)

式中:n为风筒接头数, 个;

Li是一个接头的漏风率, 插接时Li=0.01~0.02, 罗圈反边连接时Li=0.005。

在选择风筒直径时, 须考虑送风量、送风距离以及隧道断面的大小等因素, 经计算后综合考虑。

2. 风机选择

常用的风机有轴流式和离心式两种。轴流式风机体积小, 便于安装和串联运转, 效率较高, 但噪音较大。风机选型考虑的参数主要有风机工作风量Qf和风机工作风压hf。

(1) 根据掘进工作面所需的风量和风筒的漏风情况, 计算风机工作风量

Qf=φ×Q, m3/s。

(2) 风机工作风压hf

风机的工作风压用于克服风筒的通风阻力, 由于风筒漏风, 计算风筒通风阻力时应通过风筒的平均风量计算。压入式风机工作风压要用风机的全风压hft,

hft=Rp×Qa2=Rp×Qf×Q, Pa。

式中:Rp为压入式风筒的总风阻,

hfs=Rc×Qa2=Rc×Qf×Q, Pa。

式中:Rc为抽出式风筒的总风阻。

风机的选型可根据上面算得的Qf和hf值, 选择合适于相应隧道施工的风机。

参考文献

[1]黄元平.矿井通风[M].北京:中国矿业大学出版社, 1986.

[2]JTJ076-95, 公路工程施工安全技术规程[S].北京:人民交通出版社, 2002.

3.掘进工作风量计算 篇三

关键词：隧道施工,柴油车尾气,颗粒物,碳烟,施工通风

研究施工作业环境是隧道施工的基础性工作, 其直接影响隧道施工通风的布设、施工质量、施工安全、施工效率、工人健康、机械设备选型等。特别是在超过3 km独头通风隧道区段内, 施工最大的制约条件就是通风的供给程度, 其能力决定了隧道掘进最大区段的长度、辅助坑道的布设、掌子面的掘进速度等。

施工隧道的空气中, 因人工作业产生的有害物质包括炮烟、粉尘、机动车尾气颗粒物 (碳烟) 、机械运转对润滑剂加热产生的气体、运输产生的二次扬尘等, 此类属于间接有害气体;直接有害气体为岩体内涌出或挥发出来的气体, 如瓦斯、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等。这些气体形成了隧道施工环境中的空气环境。

目前隧道施工通风掌子面内的用风量是根据吹散各种有害气体、吹散粉尘等颗粒物、机械用风量或人员需风量中的最大值来确定的, 一般是把半小时之内吹散炮烟的需风量作为掌子面内的最大供风量。

但随着洞内施工机械化的提高, 以柴油机为动力的机械大量增加, 这种情况已比过去制定施工通风标准时的洞内柴油机总功率提高数倍。洞内同时运转的柴油机最大功率的合计已由原来的100 k W递增到300 k W左右, 因此, 柴油机尾气对隧道施工环境的影响已不可忽视。

目前, 业内对柴油机尾气颗粒物危害已有了广泛认识。国内外相关机构对城市空气环境、室内空气环境和施工作业空气环境进行研究后, 最终将危害物都指向了柴油机尾气中的颗粒物, 以及可吸入性颗粒物PM10、PM2.5。现有文献都只是对运营隧道进行车辆尾气分析, 近年来, 相关文献中没有对大量特长隧道施工中的气体污染状况进行过系统研究, 在隧道施工中出现烟气缭绕、能见度降低、施工人员呼吸困难等问题后, 仅能以更换通风方式或增设通风辅助坑道来对以上情况进行改善, 针对施工隧道这种半封闭的空间内以柴油机为动力机械的作业环境, 有必要对这类专项有害物质的分布和处理进行系统研究。

1 掌子面内间接有害气体及其颗粒物的分布状况

在隧道施工中, 人员主要集中在掘进掌子面至二衬浇筑工作面之间, 施工机械也主要集中在该范围内, 运输车辆则活动于成洞段。

在一个循环施工中, 会有多种施工作业工序, 依据目前国内施工状况, 施工产生的间接气体的排放状况如图1、表1所示。

由表1可知: (1) 粉尘伴随着整个施工工序; (2) 柴油车尾气颗粒物从放炮工序以后就一直伴随着之后的工序, 时间长达9~11 h; (3) 柴油车尾气颗粒物浓度最高的工序是装载和破碎岩石阶段; (4) 初支阶段以喷射混凝土中的粉尘为主, 柴油车参与的工作较少, 尾气排放量很少; (5) 工人在掌子面内长期吸入的有害颗粒物有3种, 即粉尘、碳烟和焊接烟尘。

掌子面内可接触的污染物:粉尘、碳烟和电焊烟尘, 形成了混合性粉尘。在装砟、破碎岩石阶段, 碳烟的浓度要高于矿物质粉尘, 特别是在地下水发育的掌子面内, 基本被碳烟全部充斥。成洞段内则漂浮着炮烟、粉尘、柴油车尾气、焊烟、路面二次扬尘等混合型污染气体。

粉尘是指游离二氧化硅含量超过10%的无机性粉尘 (矽尘) [2], 掌子面内这类由矿物质组成的粉尘属于无机粉尘, 有时也包括煤尘, 直径大小集中在PM100左右, 亦属于工人触尘范围, 而长期漂浮在空间内的粉尘直径小于PM10。

注:参数取自Ⅳ级围岩, 开挖断面积为110 m3左右。

柴油车尾气颗粒物 (碳烟) 一般由高度凝聚的固态含碳物质、灰分、硫化物、挥发性有机物 (VOC) 等组成[1]。其中固态炭是由有机碳和元素碳 (OC/EC) 组成, 属于有机性粉尘, 粉尘的直径集中在PM100左右。

2 隧道内柴油车尾气颗粒物组成分析

随着隧道施工机械化程度的提高, 洞内大量使用柴油内燃机设备, 尤其是钻爆法掘进和无轨运输的施工隧道, 其内配备多辆大、中型自卸式柴油运输车、轮式装载机、履带式挖掘机、岩石破碎机、大口径钻孔机, 甚至还有钻爆开挖成套机组、钢架架设机、多臂钻孔机、柴油动力的空气压缩机等。这些机械以柴油为动力, 每台机械的功率基本与地面上的中型柴油车相当。

这类机械、车辆的尾气直接排放到半封闭状态下的隧道空间内, 形成柴油机尾气极端漂浮、充斥状态。在隧道整个施工工序中, 除了吹淡炮烟的0.5 h内没有柴油机排放尾气外, 其他阶段都可能排放。因此柴油机尾气颗粒物 (碳烟) 在隧道中的研究是很重要的。

2.1 柴油机尾气颗粒物 (碳烟) 排放程度

随着人们对大气环境的重视, 已经开始认识到机动车尾气中颗粒在环境污染中所占的比例。相较汽油车而言, 柴油车颗粒物排放因子高, 其颗粒物排放总量高[1]。重型柴油车尾气排放颗粒物的排放因子是轻型汽油车的20~40倍, 是中型和重型汽油车的5~7倍;重型柴油车尾气排放颗粒物的排放量占总机动车尾气颗粒排放量的36%~51%。1999年机动车尾气排放的PM10中50%以上来自于重型柴油车[3]。另据中科院地球环境研究所目前的研究统计, 重型柴油车尾气排放颗粒物的排放因子是轻型汽油车的100倍, 一辆重型柴油车尾气颗粒物每年的排放总量是该车重量的数倍。另外中国单车排放量高, 是美国同类型在用车排放因子的8~10倍[5]。机动车尾气排放颗粒物较大部分来自于柴油车尤其是重型柴油车。因运输活动造成的空气污染中, 柴油车是污染的重要来源。

国内隧道施工中绝大部分采用的是国内产的以柴油为动力的车辆, 大量带有颗粒物的尾气排放到掌子面附近, 洞内颗粒物污染是地面污染的集中表现, 污染程度相比其他工业活动, 是最极端表现之一。

2.2 国内外对碳烟和粉尘的规定值

隧道内粉尘及主要碳烟浓度允许值的规定如表2所示。

国际和国内标准对粉尘和碳烟的最大允许值作了不同的规定, 将这两类颗粒物视为两种不同的控制因子。粉尘是无机物, 碳烟由有机物组成;碳烟和焊接烟尘允许浓度是粉尘的数倍, 也就造成了人们对碳烟和焊烟的不重视。

2.3 柴油机尾气颗粒物的组成

国内外对柴油机尾气颗粒物的成分做过多次测试, 得出了不同的结果如表3所示。

关于柴油机尾气中的颗粒物的生成和排出, 各国已做了很多研究工作, 但由于柴油机的不均匀燃烧, 以及油质、功率状况和测试方式的不同, 至今结果尚无统一说法[6]。但测量结果都表明柴油机尾气中的颗粒物是以碳为主的颗粒物 (PM) 和氮氧化物NOX组成的碳烟, 约占总排放量的85%左右。另外, 隧道中的柴油车大多是在重载或瞬时加速用力状态中, 尾气颗粒物的排放量随即提高, 可判断国内隧道内的柴油车尾气颗粒物排放量约占93%以上。柴油机排出的颗粒物直径非常小, 通常颗粒直径范围在20~500 nm, 大部分集中在100 nm, 即PM100。

2.4 焊接烟尘颗粒物的组成[7]

焊接烟尘由2~0.5μm的球状颗粒集聚而成, 而且这些球状颗粒物一直在空气中浮游, 一般小于1μm的尘粒占50%以上 (重量百分比) 。

焊接烟尘是一种十分复杂的物质, 已在烟尘中发现的元素超过20种。其中, 氧化铁一般占烟尘总量的35%~56%。其次是SiO2, 其含量占10%~20%。Mn O占5%~20%左右。

2.5 粉尘颗粒物的组成

隧道内因开挖、扬尘引起的悬浮微粒物是指硐室内粒径小于100μm的矿物质悬浮微粒。具体成分与开挖岩性有关, 属于无机粉尘, 如石英、氧化铝、滑石粉、煤粉、钙质、硅质化合物等, 这类粉尘由多种成分组成, 属于混合型粉尘。

3 掌子面内的粉尘危害性

上述3种粉尘颗粒物大小均集中在PM100或者更小, 处于对人体危险的粒径内。其危害如下: (1) PM10~PM50之间的颗粒物可造成矽肺病, PM10以下颗粒物可造成肺癌、心脑血管疾病、癌症等; (2) 碳黑对光的强吸收效应, 使得掌子面工作范围内能见度降低; (3) 施工人员吸入大量粉尘感到身体不适, 影响施工作业, 从而降低作业效率。

4 修订施工通风需风量确定原则的建议

施工通风设计中, 将各种需风因子计算后, 取最大需风量作为施工通风用风量的控制值。在施工机械较少的情况下, 一般都是以吹淡炮烟浓度这一指标作为控制施工通风的需风量。当未来大型施工机械参与隧道施工时, 吹散柴油车尾气会作为控制指标, 需风量会成倍增加, 施工通风增加的费用和隧道各辅助坑道位置及形式, 均会发生很大的变化。

另外, 炮烟高浓度存在状况相对时间较短, 并通过0.5 h通风降低炮烟浓度, 掌子面内处于无人触尘、触毒状态。随着洞内人员的作业和柴油机械的大量使用, 碳烟和粉尘成为洞内人员接触的主要污染物, 并且一直伴随作业人员全过程, 浓度远高于残存的炮烟有害物质。

所以说, 单纯依靠施工通风将粉尘和碳烟的浓度降低到规定的范围内并排出掌子面或隧道是不经济的。另外掌子面内及隧道内的风速是缓慢的, 特别是大断面内风速就更无显现。而粉尘、碳烟和焊烟又是脉冲式排放, 所以浓度总是超标, 碳烟就弥漫在掌子面附近。而漂浮至成洞段过程中沉降后的颗粒物被运输车辆二次扬起, 因此隧道会出现掌子面碳烟弥漫、成洞段粉尘漂浮的现象。在长大独头区段内, 将污染气体通过通风方式全部排出洞外是不经济的。

鉴于上述对隧道施工中掌子面内空气中有害物质的分布状况及其颗粒物大小的研究, 可将洞内施工排放气体分为可稀释排出的污染气体和洞内降尘的污染气体。

因此建议施工通风原则可修正为:确定洞内气体中的有害物质种类, 依据不可在洞内处理、降解、收集的污染气体来确定施工通风的需风量。

区分隧道掌子面内气体中的有害物质和颗粒物的时间差问题, 炮烟或者岩体内散发出的直接气体无法在洞内被收集, 只能稀释;碳烟被稀释不经济, 但可以被收集。

确定需风量的主要因素如下:炮烟、瓦斯 (油气等) 、温度 (热交换) 、湿度、粉尘、碳烟。其中炮烟和瓦斯必须靠通风来稀释。具体处理方式如表4所示。

5 洞内可降尘的污染气体的处理方法

施工隧道内污染空气分布状况研究的目的如下: (1) 改善隧道内的环境, 减少通风所需风量, 明确长管路压入式通风的使用范畴; (2) 减轻施工隧道排气对隧道洞外大气环境的污染; (3) 区分空气污染物的处理方法。

洞内降尘的处理方式很多, 有静电除尘、生化除尘等。最简单经济有效的除尘方法是喷雾, 其设备简单, 效果显著, 设备移动性强, 可多点布设。可在较短的时间内将空间内的漂浮颗粒物浓度降低95%。

喷雾除尘用于两个段落:一是成洞段, 二是掌子面内。

成洞段内为了压灰, 防止其变成二次扬尘 (飞灰) , 可选择实心锥形喷嘴, 在大多数情况下就可以压住大部分的灰尘, 同时又不过多增加水。水压力通常选用0.15~0.3 MPa即可。喷洒方式为流动性多次喷洒。

掌子面内的粉尘为飞灰, 需要将其从空气或烟气中淋湿、捕捉、分离。需要考虑的因素包括: (1) 粉尘颗粒与喷雾颗粒的比值; (2) 喷雾压力; (3) 喷嘴类型和流量; (4) 喷嘴的个数和安装位置。在喷雾除尘中, 掌子面内粉尘颗粒的大小通过上述分析, 集中在PM100左右, 要求的喷雾颗粒必须是粉尘颗粒约5~10倍;更大的粉尘颗粒要求的喷雾颗粒接近其大小。建议向水中加增湿剂, 可以提高其除尘效果。喷洒方式为低压力、慢雾状, 需要喷雾装置风力助推扬起, 使整个掌子面内充斥水汽。

在开挖面积120 m2的掌子面内可布设2台喷雾设备。

一般洒水可以压灰, 但当粉尘颗粒小于75μm时, 洒水的压灰效率很低, 只有1/3 000, 也就是洒水3 000份, 仅能压住1份灰。所以在隧道施工中不建议适用洒水工艺降尘、压尘。因此喷雾设备应成为隧道施工常备设备。

6 结语

本文研究表明柴油车尾气漂浮物和粉尘是隧道内最主要的接触污染物。钻爆法施工隧道时施工人员全程接触的柴油机尾气、粉尘和焊接碳烟颗粒物可通过洞内喷雾、洒水将其浓度降低到95%, 随着柴油机大量在洞内使用, 无需将以上3个污染气体作为需风量的控制因素。

参考文献

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[6]周忠淦柴油车可见污染物排放的特点及参数调整的影响[J].客车技术与研究, 2003, 25 (1) 23-25.