局部通风：巷道里的风管

某矿业大学采矿工程系硕士学位论文答辩记录
答辩人：周远航
论文题目：《某矿-400水平掘进面局部通风系统优化设计》
答辩时间：2026年6月23日
答辩委员会：赵教授（主席）、钱教授、孙教授、李总工程师（某矿通风科）、吴副教授
赵教授： 周远航同学，请开始你的论文陈述，时间30分钟。
周远航： 各位老师好。我的论文研究对象是某矿-400水平12号煤层3号掘进面的局部通风系统优化。目前该掘进面存在两个问题——风量不足和工作面温差偏高。我的研究目标是通过重新计算风量需求和优化风管布置，解决这两个问题。
先说背景。某矿12号煤层是低瓦斯煤层，绝对瓦斯涌出量3.2m³/min。3号掘进巷道设计长度280米，断面9.8m²，采用压入式局部通风。
周远航（继续陈述）：
第一步：计算掘进面所需风量。
掘进面风量计算需要同时满足四个条件——按瓦斯稀释、按人员呼吸、按最低风速、按炸药排烟。
① 按瓦斯稀释计算：
Q₁ = Q瓦斯 / (C允许 - C进风) × K瓦斯
Q瓦斯 = 掘进面绝对瓦斯涌出量 = 3.2 m³/min
C允许 = 瓦斯允许浓度 = 1% = 0.01
C进风 = 进风风流中瓦斯浓度 = 0.05% = 0.0005
K瓦斯 = 瓦斯涌出不均匀系数 = 1.8
Q₁ = 3.2 / (0.01 - 0.0005) × 1.8 = 3.2 / 0.0095 × 1.8 ≈ 606 m³/min
② 按人员呼吸计算：
Q₂ = N × q人
N = 掘进面同时工作最多人数 = 8人
q人 = 每人供风标准 = 4 m³/min
Q₂ = 8 × 4 = 32 m³/min
③ 按最低风速计算：
Q₃ = S × v最低
S = 巷道断面 = 9.8 m²
v最低 = 掘进面最低允许风速 = 0.25 m/s = 15 m/min
Q₃ = 9.8 × 15 = 147 m³/min
④ 按炸药排烟计算：
一次爆破炸药用量18kg。
Q₄ = 25 × A
A = 一次爆破炸药量 = 18 kg
Q₄ = 25 × 18 = 450 m³/min
四个风量取最大值：Q需 = max(Q₁, Q₂, Q₃, Q₄) = 606 m³/min
瓦斯稀释需求远大于其他三项。这是低瓦斯矿的典型情况——即使绝对涌出量不高，掘进面独头通风的稀释条件严苛。
钱教授： 等一下。你说C进风取0.05%，这个值是你实测的还是假设的？
周远航： 实测的。我在某矿-400水平进风巷道做了5天连续监测，取了120个数据点的平均值0.047%，取0.05%是偏保守的取值。
钱教授： 偏保守是对的。但K瓦斯取1.8偏高了吧？低瓦斯矿井一般取1.5到1.6。
周远航： 钱老师，我实测了掘进面瓦斯浓度的波动幅度。5天监测中，最大值是最小值的2.1倍。1.8是我根据实测波动系数取的，比规范推荐的1.5更贴近实际。
钱教授： 好，数据支撑充分，接受你的取值。
周远航（继续陈述）：
第二步：计算风管的风压损失。
现有系统使用直径600mm的柔性风筒，长度280米。问题出在风压损失太大，末端风量衰减严重。
风管的压力损失包括两部分——摩擦阻力和局部阻力。
① 摩擦阻力：
h摩 = α × L × U × Q² / S³
α = 风筒摩擦阻力系数。柔性风筒α值约0.0035 kg/m³（百米漏风后取值）
L = 风筒长度 = 280 m
U = 风筒断面的周长。圆形风筒U = π × d = π × 0.6 ≈ 1.885 m
S = 风筒断面面积 = π × d² / 4 = π × 0.36 / 4 ≈ 0.283 m²
Q = 风筒内风量。按入口风量660 m³/min计算（考虑百米漏风率后需增大），Q = 660 / 60 ≈ 11 m³/s
h摩 = 0.0035 × 280 × 1.885 × 11² / 0.283³
= 0.0035 × 280 × 1.885 × 121 / 0.0227
= 0.0035 × 280 × 1.885 × 5,329
≈ 3,496 Pa
② 局部阻力：
280米风筒有4个转弯（90°弯头），1个风口出口。
h局 = Σ(ξ × ρ × v² / 2)
ξ90°弯头 = 0.3（柔性风筒弯头阻力系数）
ξ出口 = 1.0
v = 风筒内风速 = Q / S = 11 / 0.283 ≈ 38.9 m/s
ρ = 空气密度 ≈ 1.2 kg/m³
h局 = (4 × 0.3 + 1.0) × 1.2 × 38.9² / 2
= 2.2 × 1.2 × 1,513 / 2
≈ 1,997 Pa
总压力损失：
h总 = h摩 + h局 ≈ 3,496 + 1,997 ≈ 5,493 Pa
孙教授： 5,493帕。你现在用的局部风机全压是多少？
周远航： 现有风机是FBDNo5.0型，额定全压2,400Pa，风量200m³/min。
孙教授： 2,400帕对5,493帕——差了一倍多。风机压力根本不够。难怪风量不足。
周远航： 是的，孙老师。这就是问题的根源——风机选型时只看了额定风量，没有校核全压能否克服管路阻力。
周远航（继续陈述）：
第三步：优化方案。
我提出了三组优化方案，最终推荐方案三。
方案一：换大风机
选用FBDNo7.1型，额定全压5,800Pa，风量660m³/min。
投资：约4.8万元/台。
方案二：换大风管
风筒直径从600mm增大到800mm。
摩擦阻力降低：d增大→S增大→S³增大→h摩大幅降低。
800mm风筒：S = π × 0.64 / 4 ≈ 0.503 m²，比600mm的0.283 m²大了约1.78倍。
S³增大了1.78³ ≈ 5.65倍。
h摩降低约5.65倍：3,496 / 5.65 ≈ 619 Pa
投资：约2.2万元（风筒更换费用）。
方案三：换大风管+换风机（推荐）
800mm风筒 + FBDNo6.3型风机（全压4,200Pa，风量500m³/min）
800mm风筒的总压力损失重新计算：
h摩 = 0.0035 × 280 × 2.513 × 8.33² / 0.503³
（800mm风筒U = π×0.8≈2.513m，Q=500/60≈8.33m³/s）
= 0.0035 × 280 × 2.513 × 69.4 / 0.127
≈ 1,920 Pa
h局 = 2.2 × 1.2 × (8.33/0.503)² / 2 = 2.2 × 1.2 × 275.8 / 2 ≈ 732 Pa
h总 ≈ 1,920 + 732 ≈ 2,652 Pa
FBDNo6.3额定全压4,200Pa > 2,652Pa。余量充足。
投资：约4.5万元（风机2.3万+风筒2.2万）
方案三的优势：风机全压余量约58%，既能保证风量，又有足够的压力储备应对风筒老化后的阻力增长。
李总工程师： 方案三风机全压余量58%，是不是太多了？选个全压3,500Pa的风机就够了，还便宜。
周远航： 李总，柔性风筒使用半年后，百米漏风率会从2%上升到4%到5%。漏风增大意味着有效风量减少，需要增大入口风量来弥补。入口风量增大→管内风速增大→阻力增大。留58%余量是考虑了半年后的工况衰减。
李总工程师： 说得在理。我同意方案三。
周远航（继续陈述）：
最后一个问题——工作面温差。
实测3号掘进面入口风温22°C，出口风温29°C，温差7°C。工人反映闷热难受。
温差7°C的原因：280米风筒在巷道内被地热加热。某矿-400水平围岩温度约31°C，风筒内的空气持续被围岩传热加热。
围岩传热估算：
Q传热 = K × A × (T岩 - T风)
K = 传热系数，巷道取约3 W/(m²·K)
A = 280米风筒暴露面积。风筒外径0.8m，A = π × 0.8 × 280 ≈ 704 m²
T岩 = 31°C
T风 = 风筒内平均风温 ≈ 25.5°C
Q传热 = 3 × 704 × 5.5 ≈ 11,616 W ≈ 11.6 kW
风筒内空气质量流量 m = ρ × Q = 1.2 × 8.33 ≈ 10 kg/s
空气升温 ΔT = Q传热 / (m × Cp) = 11,600 / (10 × 1005) ≈ 1.15°C
实际升温7°C——传热计算只有1.15°C。差距来自哪里？
来自风筒漏风。百米漏风率4%意味着280米风筒末端有效风量只有入口的约72%。风量减少→风速降低→空气在风筒内停留时间更长→被加热更多。
解决温差问题：增大风量是最直接的办法。方案三将末端有效风量从目前的约110m³/min提升到约360m³/min——风量增大3.3倍，空气停留时间缩短，温差从7°C降至约2°C。
吴副教授： 你有没有考虑在风筒外加隔热层？
周远航： 考虑过。但隔热层的成本约1.5万元，而且柔性风筒经常需要移动和接长，隔热层容易损坏。增大风量是更经济、更可靠的方案。
吴副教授： 好。结论清晰。
赵教授： 答辩陈述结束。委员会讨论后给出评审意见。
（15分钟后）
赵教授： 经答辩委员会讨论，一致认为周远航同学的论文选题有实际工程意义，数据实测充分，计算严谨，优化方案可行。答辩表现良好。建议授予硕士学位。
答辩通过。
周远航： 谢谢各位老师。
赵教授： 祝你顺利。以后到矿上工作，记住——风管不是一根简单的管子。它是一整条巷道呼吸的气管。算错了，巷道就喘不上气。

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