礦井通風的主要目的是為地下礦井中的所有工作場所和行進通道提供足夠數量的空氣，以將那些無法通過任何其他方式控制的污染物稀釋到可接受的水平。 在深度和岩石溫度高到空氣溫度過高的地方，可以使用機械製冷系統來補充通風的有益效果。

礦山氣氛

環繞地球的氣層成分因地而異不到 0.01%，“乾燥”空氣的成分通常為 78.09% 的氮氣、20.95% 的氧氣、0.93% 的氬氣和 0.03% 的二氧化碳。 水蒸氣也以不同的量存在，這取決於空氣溫度和壓力以及自由水面的可用性。 當通風空氣流過礦井時，水蒸氣的濃度可能會發生顯著變化，這種變化是濕度測量法單獨研究的主題。 要定義特定點的水蒸氣和乾空氣混合物的狀態，需要大氣壓力、幹球溫度和濕球溫度這三個可測量的獨立屬性。

通風要求

稀釋通風要控制的污染物主要是氣體和灰塵，儘管與天然存在的氡相關的電離輻射可能會帶來問題，尤其是在鈾礦和主體或鄰近岩石的背景鈾濃度升高的地方。 稀釋控制所需的空氣量將取決於污染源的強度和其他控制措施的有效性，例如水抑塵或煤礦瓦斯排放系統。 最小稀釋空氣流量由需要最大稀釋量的污染物決定，並適當認識到混合物可能的疊加效應和協同作用，其中一種污染物可以增加另一種污染物的影響。 覆蓋此值的可能是最低風速要求，通常為 0.25 m/s，並隨著氣溫的升高而增加。

柴油動力設備通風

在使用柴油動力移動設備且沒有連續氣體監測的機械化礦山中，廢氣稀釋用於確定其作業地點的最低通風空氣要求。 所需的空氣量通常在 0.03 和 0.06 m 之間³/s 每 kW 額定功率在運行點取決於發動機的類型以及是否使用任何廢氣調節。 燃料和發動機技術的持續發展正在提供更低的發動機排放，而催化轉化器、濕式洗滌器和陶瓷過濾器可以分別進一步降低一氧化碳/醛、氮氧化物和柴油微粒的殘留濃度。 這有助於在不顯著增加廢氣稀釋率的情況下滿足日益嚴格的污染物限制。 最小可能稀釋限度為 0.02 m³/s/kW 由與發動機功率成正比且不受廢氣調節影響的二氧化碳排放量決定。

柴油發動機將燃料中的可用能量轉化為有用功率的效率約為三分之一，然後大部分用於克服摩擦，從而產生的熱量輸出約為功率輸出的三倍。 即使用卡車將岩石拖上斜坡，所做的有用功也僅為燃料中可用能量的 10% 左右。 更大的移動設備使用更高的柴油發動機功率，這些設備需要更大的挖掘才能安全運行。 考慮到正常的車輛間隙和典型的柴油機廢氣稀釋率
0.04米³/s per kW，柴油機運行時的最小風速平均約為 0.5 m/s。

不同採礦方式的通風

雖然一般空氣量要求的設置在詳細的礦山和通風規劃信息可用或可能的情況下是不合適的，但它們支持用於設計的標準。 與正常值的偏差通常可以得到解釋和證明，例如，在存在高溫或氡氣問題的礦井中。 一般關係是：

礦山數量= α +β

其中 t 是以百萬噸/年 (Mtpa) 為單位的年生產率，α 是與生產率直接相關的可變空氣量係數，β 是礦石處理系統等礦山基礎設施通風所需的恆定空氣量。 表 1 給出了 α 的典型值。

表 1 設計風量係數

恆定空氣量 β 主要取決於礦石處理系統，並在一定程度上取決於整個礦山的生產率。 對於使用柴油動力卡車運輸通過斜坡運輸岩石或開采的岩石沒有破碎的礦山，β 的合適值為 50 m³/秒。 這通常增加到 100 m³/s 當使用地下破碎機和帶地下維護區的吊車時。 隨著礦石處理系統變得更加廣泛（即使用輸送機或其他礦石傳輸系統），β 可進一步增加高達 50%。 在使用多豎井系統的大型礦井中，恆定空氣量 β 也是所需豎井系統數量的倍數。

冷卻要求

設計熱條件

提供合適的熱條件以盡量減少熱應激的危險和不利影響，除了控制污染物所需的通風之外，可能還需要機械冷卻。 儘管施加的熱應力是氣候變量和對它們的生理反應的複雜函數，但在實際採礦術語中，影響最大的是空氣速度和濕球溫度。 這通過衣服校正的空氣冷卻功率 (W/m²) 在表 2 中給出。地下的輻射溫度取等於乾球溫度並比濕球溫度高 10 °C。 大氣壓力和服裝製度是地下工作的典型標準（即 110 kPa 和 0.52 服裝單位）。

表 2. 服裝校正空氣冷卻功率 (W/m²)

0.1 m/s 的氣流速度反映了自然對流的影響（即根本感覺不到氣流）。 0.25 m/s 的風速是採礦中通常允許的最低風速，如果濕球溫度超過 0.5 °C，則需要 25 m/s。 就實現熱平衡而言，典型工作率產生的代謝熱為：休息時，50 W/m²; 輕度工作，115 至 125 W/m², 中等工作, 150 至 175 W/m²; 努力工作，200 至 300 W/m². 特定礦山應用的設計條件將通過詳細的優化研究來確定。 一般來說，最佳濕球溫度在 27.5 °C 和 28.5 °C 之間，較低的溫度適用於機械化程度較低的操作。 當濕球溫度超過 30.0 °C 時，工作性能下降，熱相關疾病的風險顯著增加，當濕球溫度大於 32.5 °C 時，通常不應繼續工作。

礦山熱負荷

礦井製冷負荷是礦井熱負荷減去通風空氣的冷量。 礦井熱負荷包括進氣道中空氣的自動壓縮效應（當空氣向下流入礦井時勢能轉化為熱函）、從圍岩流入礦井的熱量、從礦井帶走的熱量岩石破碎或任何裂隙水在從礦井的進水口或工作部分中移除之前，以及在礦石破碎和運輸過程中使用的任何設備運行產生的熱量。 通風空氣的冷卻能力取決於工作場所的設計熱環境條件和地面的實際氣候條件。

雖然每個熱源對總量的相對貢獻因地點而異，但自動壓縮通常是主要貢獻者，佔總量的 35% 至 50%。 隨著開採深度的增加，自動壓縮會導致空氣的製冷量變為負值，而供給更多空氣的作用是增加礦井製冷負荷。 在這種情況下，提供的通風量應該是滿足污染物控制的最低要求，並且需要增加製冷量以提供生產和安全的工作條件。 需要製冷的採礦深度主要取決於地表氣候條件、空氣在使用前通過進氣道的距離以及大型設備（柴油或電動）的使用程度。

主通風系統

網絡應用

主通風系統或網絡與確保空氣通過相互連接的礦洞流動有關。 整個通風網絡具有三個或更多氣道相交的交匯點、交匯點之間的氣道分支和穿過網絡的封閉路徑的網狀結構。 雖然大多數礦井通風網絡由數百甚至數千個分支組成，但主進氣道（地表和礦井之間的分支）和回風或排氣（礦井和地表之間的分支）通風道的數量通常限制在不到 XNUMX 個。

由於管網中有大量支路，確定流型和確定總體壓力損失並不簡單。 雖然許多是簡單的串聯或併聯排列，可以用代數和精確的方式求解，但會有一些複合部分需要迭代方法收斂到可接受的公差。 模擬計算機已成功用於網絡分析； 然而，這些方法已被耗時較少的數字方法所取代，這些方法基於為求解水流網絡而開發的 Hardy Cross 近似技術。

氣道阻力和衝擊損失

隧道或礦洞的氣流阻力是其尺寸和表面粗糙度的函數，由此產生的壓力損失取決於該阻力和空氣速度的平方。 通過向系統添加能量，可以產生壓力，然後克服壓力損失。 這可能會自然發生，其中能量由岩石和其他來源（自然通風）的熱量提供。 雖然這曾經是提供通風的主要方法，但只有 2% 到 3% 的能量被轉換，而且在炎熱的夏季，岩石實際上可能會冷卻吸入的空氣，從而導致氣流反轉。 在現代礦井中，通常使用風扇為氣流提供能量，然後克服壓力損失，儘管自然通風的影響可以根據一年中的時間來幫助或延遲它。

當空氣流過表面時，緊鄰表面的空氣分子處於靜止狀態，而相鄰的空氣分子會以取決於空氣粘度的阻力滑過靜止的空氣分子。 形成速度梯度，其中速度隨著距表面的距離增加而增加。 由於這種現象而產生的邊界層以及隨著邊界層的發展而形成的層流子層對促進流動所需的能量具有深遠的影響。 通常，礦井氣道表面的粗糙度足以使“凸起”延伸穿過邊界亞層。 於是氣道是液壓粗糙的並且阻力是相對粗糙度的函數，即粗糙度高度與氣道直徑的比率。

大多數通過傳統鑽孔和爆破技術開采的氣道的粗糙度高度在 100 到 200 毫米之間，即使在非常“塊狀”的地面上，平均粗糙度高度也不會超過 300 毫米。 在使用鑽孔機驅動氣道的地方，粗糙度高度在 5 到 10 毫米之間，仍然被認為是液壓粗糙度。 氣道的粗糙度可以通過襯裡來降低，儘管理由通常是地面支持而不是減少循環通風空氣所需的功率。 例如，粗糙度為 1 毫米的大型混凝土襯砌豎井過渡粗糙，雷諾數（慣性力與粘性力之比）也會影響氣流阻力。

在實踐中，在下沉這樣一個大豎井時，從上到下光滑混凝土襯砌的困難導致粗糙度和阻力增加，比光滑值高約 50%。

由於工作區和地表之間的進風和回風通道數量有限，礦井總壓力損失的很大一部分（70% 至 90%）發生在這些通道中。 氣道壓力損失還取決於是否存在任何導致衝擊損失的不連續性，如彎曲、收縮、擴張或氣道中的任何阻塞。 這些不連續性（例如進入和離開氣道的彎道）造成的損失，如果以等效長度的直航道中產生的損失來表示，可能佔總數的很大一部分，需要仔細評估，特別是在考慮主要進氣口和排氣口時。 不連續性的損失取決於邊界層分離的量； 通過避免區域的突然變化可以將這種情況降到最低。

阻塞的氣道阻力

阻塞物對壓力損失的影響取決於其阻力係數和填充係數，填充係數是物體阻塞面積與氣道橫截面積之比。 障礙物造成的損失可以通過流線化物體來最小化邊界層分離和任何湍流尾流的範圍來減少。 阻力係數受其在軸中的形狀和佈置的影響； 比較值將是：I beam，2.7； 正方形，2.0； 氣缸，1.2； 細長六邊形，0.6； 完全流線型，0.4。

即使具有小填充係數和低阻力係數，如果障礙物有規律地重複出現，例如豎井中的橫梁分隔提升隔間，對壓力損失的累積影響是顯著的。 例如，配備半流線型細長六角梁且填充係數為 0.08 的豎井的阻力大約是單獨的混凝土襯砌豎井的四倍。 雖然更容易獲得的矩形空心結構鋼型材的材料成本高於工字梁，但阻力係數約為三分之一，很容易證明它們的應用。

主風扇和增壓風扇

軸流式和離心式風機均用於在礦井通風系統中提供空氣循環，風機效率可達到 80% 以上。 主要礦用風機的軸流式或離心式選擇取決於成本、尺寸、壓力、穩健性、效率和任何性能變化。 在風扇故障可能導致危險的甲烷積聚的礦井中，安裝額外的風扇容量以確保通風的連續性。 在這不是很重要的情況下，如果安裝了雙風扇，如果一個風扇停止，大約三分之二的礦井氣流將繼續。 安裝在風道上方的垂直軸流風扇成本低，但限制在 300 m 左右³/秒。 對於更大的空氣量，需要多個風扇，它們通過管道和彎頭連接到排氣口。

為了以合理的成本獲得最高效率，軸流風機用於低壓（小於 1.0 kPa）應用，離心風機用於高壓（大於 3.0 kPa）系統。 兩種選擇都適用於中間壓力。 在需要穩健性的情況下，例如風速高於臨界範圍的排氣，以及水滴被帶出系統，離心風機將提供更可靠的選擇。 臨界空氣速度範圍在 7.5 m/s 和 12.5 m/s 之間，水滴可能會根據其大小保持懸浮狀態。 在此範圍內，懸浮水量會增加並增加系統壓力，直到風扇停止運轉。 這是一些空氣在葉片周圍再循環並且風扇運行變得不穩定的區域。 儘管對於任何類型的風扇都不是理想的，但在該流量波動區域中，離心式風扇葉片發生故障的可能性明顯低於軸向葉片發生故障的可能性。

在礦山的整個生命週期中，很少需要主風機在同一工作點運行，因此需要改變風機性能的有效方法。 儘管變速使軸流式和離心式風扇的運行效率最高，但成本很高，尤其是大型風扇。 軸流風扇的性能可以通過調整葉片角度來改變，這可以在風扇停止時進行，也可以在風扇旋轉時進行，但成本要高得多。 通過使用可變入口葉片向進入風扇的空氣施加渦流，可以在離心風扇運行時改變其性能。

離心風機遠離其設計點的效率比軸流風機的效率下降更快，如果需要在較寬的運行點範圍內具有高性能並且壓力合適，則選擇軸流風機。

通風系統

主風機在整個系統中的位置通常在排風道的表面。 這樣做的主要原因是簡單，其中進氣口通常是提升軸，而排氣口是單獨的單一用途氣道，並且通過從進氣道中排除風扇來最大限度地減少熱負荷。 通過提供密封的井架，可以在強製或排氣模式下將風扇安裝在提升軸上。 然而，如果工人、材料或岩石也進入或離開豎井，則存在漏氣的可能性。

安裝了進氣和排氣風扇的推拉式系統用於通過共享來降低系統中的最大壓力，或者在工作區和表面之間提供非常小的壓力差。 這在使用崩落法的礦山中是相關的，在這種情況下，可能不希望通過崩落區域發生洩漏。 壓力差大時，雖然通過塌陷區的空氣洩漏通常很小，但它可能會給工作場所帶來熱量、輻射或氧化問題。

地下增壓風機，由於空間限制，幾乎都是軸流式，用於在礦井更深或更遠的地段增壓。 它們的主要缺點是增壓風扇排氣和進氣道之間存在再循環的可能性。 通過僅在需要它們的地方為較小的氣流提供增壓，它們可以降低整個礦井氣流的主風扇壓力，從而減少所需的總風扇功率。

二次通風

輔助系統

在不可能通過通風的地方，例如在開發標題中，需要二次通風系統。 有四種可能的安排，每種安排都有自己的優點和缺點。

強制系統 導致最冷和最新鮮的空氣到達面部，並允許使用更便宜的柔性管道。 從供應管道末端流出的高速空氣會產生一股射流，它會夾帶額外的空氣並幫助掃過污染物的表面並提供可接受的表面速度。 它的主要缺點是，其餘部分的通風空氣被工作面採礦作業產生的氣體和粉塵污染。 這在爆破之後尤其是一個問題，因為爆破後安全重返大氣層的時間會增加。

An 排氣系統 允許去除所有面部污染物，並在進氣中保持其余航向。 缺點是周圍岩石的熱流和水分蒸發會導致工作面送風溫度較高； 從工作面返回的作業，例如使用柴油動力設備移除岩石，會污染進氣； 沒有產生掃面的氣流； 並且需要能夠承受負壓的更昂貴的管道。

在 排氣重疊系統 通過安裝較小的風扇和管道（重疊部分），可以解決用空氣噴射器清理工作面的問題。 除了額外的成本外，缺點是需要與面部進行重疊。

在 倒車系統，除爆破期間和爆破後的再入期間，當氣流反向時，均採用強制通風方式。 它的主要應用是在豎井鑿井中，如果僅使用強制系統，深豎井的重新進入時間可能會令人望而卻步。 可以通過在風扇入口和出口處使用阻尼器或利用軸流風扇的特性來實現空氣反向，其中改變葉片旋轉方向會導致流動反向，其中大約 60% 的正常流量被發表。

風扇和管道

用於二次通風的風機幾乎都是軸流式的。 為了獲得使空氣流過長管道所需的高壓，可以使用具有反向旋轉或同向旋轉葉輪佈置的多個風扇。 空氣洩漏是輔助風扇和管道系統中的最大問題，尤其是在長距離情況下。 由鍍鋅鋼或玻璃纖維製成的剛性管道在安裝墊圈時具有適當的低洩漏，可用於開髮長達數公里的航向。

柔性管道的購買成本要低得多，而且安裝起來也更容易； 然而，聯軸器處的洩漏以及它們因與移動設備接觸而容易撕裂會導致更高的空氣損失。 使用柔性管道的實際開發限制很少超過 1.0 公里，儘管可以通過使用更長的管道長度並確保管道與移動設備之間有足夠的間隙來擴展它們。

通風控制

通過通風和輔助風扇和管道系統都用於向人員可能工作的位置提供通風空氣。 通風控制用於將空氣引導至工作場所，並最大限度地減少進氣道和排氣道之間的短路或空氣損失。

隔板用於阻止空氣流過連接隧道。 建築材料將取決於壓力差以及是否會受到爆破衝擊波的影響。 附著在周圍岩石表面的柔性簾幕適用於低壓應用，例如在連續採礦機開采的房柱式面板中分隔進氣道和回氣道。 木材和混凝土艙壁適用於更高壓力的應用，並可能包含一個重型橡膠蓋板，該蓋板可以打開以最大限度地減少爆炸損壞。

需要行人或車輛通道的地方需要通風門。 結構材料、開啟機構和自動化程度受壓力差和開啟和關閉頻率的影響。 對於高壓應用，可以安裝兩個甚至三個門以形成氣鎖並減少洩漏和進氣損失。 為了幫助打開氣閘門，它們通常包含一個小的滑動部分，該部分首先打開，以平衡要打開的門兩側的壓力。

調節器用於需要減少而不是完全停止流過隧道的空氣量的地方，以及不需要進入的地方。 調節器是一個可變孔口，通過改變面積，也可以改變流過它的空氣量。 吊板是最簡單的類型之一，其中混凝土框架支撐可以放置（掉落）木板的通道，並且開放區域各不相同。 其他類型，例如蝴蝶百葉窗，可以實現自動化和遠程控制。 在一些開放式停止系統的上層，可能需要很少通過調節器進入，水平加固的柔性面板可以簡單地升高或降低以提供通道，同時最大限度地減少爆炸損壞。 在暫時沒有採礦活動的地段，甚至使用成堆的碎石來增加阻力。

製冷和冷卻系統

第一個礦山製冷系統於 1919 年安裝在巴西的 Morro Velho。從那時起，全球容量一直以每年約 3 兆瓦製冷 (MWR) 的速度線性增長，直到 1965 年總容量達到約 100 MWR . 自 1965 年以來，產能呈指數級增長，每六七年翻一番。 礦山製冷的發展受到空調行業和處理動態採礦系統困難的影響，其中熱交換器表面的污垢可能對提供的冷卻量產生深遠影響。

最初，製冷設備安裝在地面上，冷卻礦井吸入的空氣。 隨著地表設備在地下的距離增加，冷卻效果降低，製冷設備被移到地下，更靠近工作區。

地下排熱能力的限制和地表植物的簡單性導致搬回地表位置。 然而，除了進氣被冷卻之外，冷凍水現在也在地下供應。 這可用於工作區域附近的空氣冷卻裝置，或用作鑽孔和抑塵的工業用水。

冷凍廠設備

蒸汽壓縮製冷系統專用於礦山，地面設備的核心元件是壓縮機。 個別工廠的容量可能在 5 MWR 和超過 100 MWR 之間變化，並且通常需要多個壓縮機系統，這些系統要么是離心式的，要么是容積式螺桿設計的。 氨通常是地面工廠選擇的製冷劑，地下使用合適的滷化碳。

壓縮後冷凝製冷劑所需的熱量被排放到大氣中，並且為了最大限度地減少提供礦山冷卻所需的功率，該熱量保持在盡可能低的水平。 濕球溫度始終小於或等於乾球溫度，因此總是選擇濕熱抑制系統。 製冷劑可在殼管式或板框式熱交換器中使用水冷凝，並提取熱量，然後在冷卻塔中排放到大氣中。 或者，可以通過使用蒸發式冷凝器將這兩個過程結合起來，在蒸發式冷凝器中，製冷劑在管道中循環，在管道上抽取空氣並噴水。 如果製冷設備安裝在地下，除非將冷凝水抽到地表，否則礦井排出的空氣將用於散熱。 地下工廠的運行受到可用空氣量和相對於地表較高的地下濕球溫度的限制。

冷凝後的製冷劑通過膨脹閥後，低溫液體和氣體混合物的蒸發在另一個冷卻並提供冷凍水的換熱器中完成。 反過來，這既可用於冷卻進氣，也可用作供應給礦山的冷水。 水、通風空氣和礦井之間的接觸會降低水質並增加熱交換器的結垢。 這增加了對熱流的阻力。 在可能的情況下，通過選擇水側表面積大且易於清潔的設備，可以將這種影響降至最低。 在地表和地下，噴霧室和冷卻塔用於提供被冷卻空氣和冷凍水之間更有效的直接接觸熱交換。 分離氣流和水流的冷卻盤管被灰塵和柴油微粒堵塞，其效率迅速下降。

能量回收系統可用於抵消將水抽回礦井的成本，水鬥輪非常適合此應用。 使用冷水作為服務用水有助於確保在有採礦活動的任何地方都可以進行冷卻； 它的使用顯著提高了礦井冷卻系統的效率。

製冰系統和點冷卻器

地下供應的 1.0 l/s 冷凍水的冷卻能力為 100 至 120 kWR。 在深度大於 2,500 米的地下需要大量製冷的礦井中，循環冷卻水的成本可以證明用冰代替它是合理的。 當考慮到冰的熔化潛熱時，每 1.0 l/s 的冷卻能力增加了大約四倍，從而減少了需要從礦井抽回地表的水量。 由於使用冰來輸送冷量而導致的泵功率降低抵消了生產冰所需的製冷設備功率增加和能量回收的不切實際。

相對於可用於通風的空氣量而言，開發通常是熱負荷最高的採礦活動。 這通常會導致工地溫度明顯高於同一礦山中其他採礦活動所發現的溫度。 如果製冷的應用對礦山來說是一個邊界問題，專門針對開發通風的點式冷卻器可以推遲其一般應用。 點式冷卻器本質上是一個微型地下製冷設備，熱量被排放到開發的回風中，通常提供 250 至 500 kWR 的冷卻。

監測和緊急情況

定期進行包括氣流、污染物和溫度測量在內的通風調查，以滿足法定要求並持續衡量所用通風控制方法的有效性。 在可行的情況下，連續監測主風扇運行等重要參數。 在連續監測關鍵污染物的情況下，可以進行某種程度的自動控制，如果超過預設限值，則可以提示採取糾正措施。

對大氣壓力和溫度進行更詳細的調查的頻率較低，用於確認氣道阻力並協助規劃現有業務的擴展。 此信息可用於調整網絡模擬阻力並反映實際氣流分佈。 還可以對製冷系統進行建模並分析流量和溫度測量值，以確定實際設備性能並監控任何變化。

可能影響或受通風系統影響的突發事件有礦山火災、突發瓦斯突出和停電等。 火災和爆發在本章的其他地方處理，電力故障只是深井中的一個問題，那裡的氣溫可能會升高到危險水平。 通常會提供柴油動力備用風扇，以確保在這些條件下有少量氣流通過礦井。 一般情況下，當地下發生火災等緊急情況時，最好不要干擾通風，而熟悉正常流動模式的人員仍在地下。

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