第3章矿井通风阻力

1、1安全工程学院安全工程学院 Mine Ventilation and Safety中国矿业大学多媒体教学课件2第第3章章 矿井通风阻力矿井通风阻力中国矿业大学多媒体教学课件3上一章内容上一章内容 第第2章章 矿内空气动力学基础矿内空气动力学基础 2.1 流体的概念流体的概念 2.2 风流能量与能量方程风流能量与能量方程 2.3 风流压力及压力坡度风流压力及压力坡度 4上一章内容上一章内容5第第3章章 矿井通风阻力矿井通风阻力 风流必须具有一定的能量，用以克服井巷对风风流必须具有一定的能量，用以克服井巷对风流所呈现的通风阻力。通常矿井通风阻力分为流所呈现的通风阻力。通常矿井通风阻力分为摩擦阻力与

2、局部阻力两类，它们与风流的流动摩擦阻力与局部阻力两类，它们与风流的流动状态有关。一般情况下，摩擦阻力是矿井通风状态有关。一般情况下，摩擦阻力是矿井通风总阻力的主要组成部分。总阻力的主要组成部分。6第第3章章 矿井通风阻力矿井通风阻力 第第3章章 矿井通风阻力矿井通风阻力 3.1 风流的流动状态风流的流动状态 3.2 摩擦阻力摩擦阻力 3.3 局部阻力局部阻力 3.4 通风阻力定律和特性通风阻力定律和特性 3.5 通风阻力测量通风阻力测量 7学习目标、重点与难点学习目标、重点与难点83.1 流体的概念流体的概念 风流的流动状态分为层流与紊流。风流的流动状态分为层流与紊流。层流层流是指流体各是指流

3、体各层的质点互不混合，质点流动的轨迹为直线或有规则层的质点互不混合，质点流动的轨迹为直线或有规则的平滑曲线，并与管道轴线方向基本平行。的平滑曲线，并与管道轴线方向基本平行。 紊流紊流是指流体的质点强烈互相混合，质点的流动轨迹是指流体的质点强烈互相混合，质点的流动轨迹极不规则，除了沿流动总方向发生位移外，还有垂直极不规则，除了沿流动总方向发生位移外，还有垂直于流动总方向的位移，且在流体内部存在着时而产生、于流动总方向的位移，且在流体内部存在着时而产生、时而消失的旋涡。时而消失的旋涡。 流体的流动状态受流体的速度、粘性和管道尺寸等影流体的流动状态受流体的速度、粘性和管道尺寸等影响。流体的速度越大，

4、粘性越小，管道的尺寸越大，响。流体的速度越大，粘性越小，管道的尺寸越大，则流体越易成为紊流，反之，越易成为层流。则流体越易成为紊流，反之，越易成为层流。9 可用一个无因次参数可用一个无因次参数Re（雷诺数）来表示上述三因素的综合（雷诺数）来表示上述三因素的综合作用，对于圆形管道作用，对于圆形管道 （3-1-1） 式中式中 V为管道中流体的平均速度，为管道中流体的平均速度，m/s；d为圆形管道的直径，为圆形管道的直径，m；v为流体的运动粘性系数，与流体的温度、压力有关。为流体的运动粘性系数，与流体的温度、压力有关。 设设r为流体的水力半径，指流体的断面为流体的水力半径，指流体的断面S（m2）与流

5、体的周界）与流体的周界U（m）之比，即）之比，即r S/U，m。因风流充满管道，故在直径为。因风流充满管道，故在直径为d的圆形管道中，风流的水力半径为：的圆形管道中，风流的水力半径为： ，或，或 ，m （3-1-2） 代入（代入（3-1-1）式，得出用于非圆形巷道风流雷诺数的计算式）式，得出用于非圆形巷道风流雷诺数的计算式为：为： （3-1-3） 式中式中 S为巷道的断面，为巷道的断面，m2；U为巷道的周界，为巷道的周界，m。ReVd44drS U244drddRe4VSU10 据前人的实验，水流在各种粗糙壁面、平直的圆管内流动，据前人的实验，水流在各种粗糙壁面、平直的圆管内流动，当时，水流呈

6、层流状态；约在当时，水流呈层流状态；约在re2000时，水流开始向紊流过时，水流开始向紊流过渡，故称渡，故称2000为临界雷诺数；当为临界雷诺数；当re100000时，水流呈完全时，水流呈完全紊流。把这些数值近似应用于风流，便可大致估计出风流在紊流。把这些数值近似应用于风流，便可大致估计出风流在各种流态下的平均风速。例如某巷道的断面各种流态下的平均风速。例如某巷道的断面S2.5 m2，周界，周界U6.58 m，风流的，风流的14.4106 m2/s。则用（。则用（3-1-3）式估）式估算出风流开始向紊流过渡的平均风速为：算出风流开始向紊流过渡的平均风速为： 井巷中最低风速都在井巷中最低风速都在

7、0.150.25 m/s以上，且大多数井巷的断以上，且大多数井巷的断面都大于面都大于2.5 m2，故大多数井巷中的风流不会出现层流，只有，故大多数井巷中的风流不会出现层流，只有风速很小的漏风风流，才可能出现层流。又如在上例中，风速很小的漏风风流，才可能出现层流。又如在上例中，Re100000时，该巷道内风流呈现完全紊流的平均风速约为：时，该巷道内风流呈现完全紊流的平均风速约为： V1000006.5814.410-6/（42.5）0.95 m/s.642000 6.58 14.4 104 2.50.019eVRUS113.2 摩擦阻力摩擦阻力 3.2.1 摩擦阻力的意义和理论基础摩擦阻力的意义

8、和理论基础 风流在井巷中作均匀流动时，沿程受到井巷固定壁面的限制，风流在井巷中作均匀流动时，沿程受到井巷固定壁面的限制，引起内外摩擦而产生的阻力称作引起内外摩擦而产生的阻力称作摩擦阻力摩擦阻力。所谓均匀流动是。所谓均匀流动是指风流沿程的速度和方向都不变，而且各断面上的速度分布指风流沿程的速度和方向都不变，而且各断面上的速度分布相同。流态不同的风流，摩擦阻力相同。流态不同的风流，摩擦阻力hf r的产生情况和大小也不的产生情况和大小也不同。同。 前人实验得出水流在圆管中的沿程阻力公式是：前人实验得出水流在圆管中的沿程阻力公式是： 式中式中为实验比例系数，无因次；为实验比例系数，无因次；为水流的密度

9、，为水流的密度，kg/m3；L为圆管的长度，为圆管的长度，m；d为圆管的直径，为圆管的直径，m；V为圆管内水流的为圆管内水流的平均速度，平均速度，m/s。 上式是矿井风流摩擦阻力计算式的基础，它对于不同流态的上式是矿井风流摩擦阻力计算式的基础，它对于不同流态的风流都能应用，只是流态不同时，式中风流都能应用，只是流态不同时，式中的实验表达式不同。的实验表达式不同。2f r2LVhd12 又据前人在壁面能分别胶结各种粗细砂粒的圆管中，实验得又据前人在壁面能分别胶结各种粗细砂粒的圆管中，实验得出流态不同的水流，出流态不同的水流，系数和管壁的粗糙度、系数和管壁的粗糙度、Re的关系。实验的关系。实验是用

10、管壁平均突起的高度（即砂粒的平均直径）是用管壁平均突起的高度（即砂粒的平均直径）k（m）和管）和管道的直径道的直径d（m）之比来表示管壁的相对光滑度。并用阀门不）之比来表示管壁的相对光滑度。并用阀门不断改变管内水流的速度，实验结果如图断改变管内水流的速度，实验结果如图3-2-1所示，图中表明所示，图中表明以下几种情况：以下几种情况： （1）在）在lg Re 3.3 （即（即Re 2000）以下，即当流体作层流运）以下，即当流体作层流运动时，由左边斜线可以看出，相对光滑度不同的所有试验点动时，由左边斜线可以看出，相对光滑度不同的所有试验点都分布于其上，都分布于其上，随随Re的增加而减少，且与管道

11、的相对光滑度的增加而减少，且与管道的相对光滑度无关，此时，无关，此时，与与Re的关系式为：的关系式为： =64/Re （3-2-2） （2）在）在3.3 lgRe 5.0（即（即2000Re2，容易；，容易；A=12，中等；，中等；A1,困难。困难。 上述判断标准已不适合于现代煤矿。上述判断标准已不适合于现代煤矿。 必须指出，必须指出，除此而外该指标还缺陷。除此而外该指标还缺陷。如当矿井外部漏风如当矿井外部漏风增大时，可使等积孔增大，但井下用风地点风量将减少，它增大时，可使等积孔增大，但井下用风地点风量将减少，它将将造成假象造成假象，掩盖了矿井通风困难的状况。，掩盖了矿井通风困难的状况。 因此

12、，该指标只能作为参考指标，而不是唯一指标。因此，该指标只能作为参考指标，而不是唯一指标。 AQ1028-2006标准（煤矿井工开采通风技术条件）标准（煤矿井工开采通风技术条件）隐含了对矿井等积孔的要求：隐含了对矿井等积孔的要求：风量风量(m(m3 3/min)/min)20000通风阻力通风阻力(Pa)(Pa)15002000250029403920风阻风阻（kg/mkg/m7 7）0.60.80.2880.360.090.105840.026460.03528等积孔（等积孔（m m2 2）1.54 1.33 2.22 1.98 3.97 3.66 7.32 6.34 41 用矿井等积孔用矿井

13、等积孔A 和矿井风阻和矿井风阻R表示矿井通风的难易程度实质上表示矿井通风的难易程度实质上一样，只是矿井等积孔比矿井风阻更形象化。一样，只是矿井等积孔比矿井风阻更形象化。 值得指出的是，矿井等积孔仅仅是评定矿井通风难易程度的值得指出的是，矿井等积孔仅仅是评定矿井通风难易程度的一个指标，它并不能全面地反映矿井通风难易程度。矿井通一个指标，它并不能全面地反映矿井通风难易程度。矿井通风难易程度的评判应当从矿井通风的根本目的（供给井下充风难易程度的评判应当从矿井通风的根本目的（供给井下充足的新鲜空气，冲淡有毒有害气体，创造良好的生产环境）足的新鲜空气，冲淡有毒有害气体，创造良好的生产环境）入手，具体应考

14、虑：入手，具体应考虑： (1) 矿井总风量是否满足需要；矿井总风量是否满足需要； (2) 井下各用风区域间的风量调配是否容易；井下各用风区域间的风量调配是否容易； (3) 矿井瓦斯涌出量的大小；矿井瓦斯涌出量的大小； (4) 矿井开采强度；矿井开采强度； (5) 采煤方法等方面内容。采煤方法等方面内容。42 例例 已知矿井总阻力为已知矿井总阻力为1440Pa，风量为，风量为60m3/s，试，试求该矿井的风阻与等积孔求该矿井的风阻与等积孔?如生产上要求将风量提如生产上要求将风量提高到高到70m3/s ，问风阻与等积孔之值是否改变，问风阻与等积孔之值是否改变?阻力阻力增加到多少增加到多少?解：解：

15、2884. 11440601917. 11917. 1mhQA82224 . 0601440msNQhR当井巷的规格尺寸与连接形式没有改变及采掘工当井巷的规格尺寸与连接形式没有改变及采掘工作面没有移动时，则风量的增加并不改变等积孔作面没有移动时，则风量的增加并不改变等积孔与风阻之值。由于风量增加到与风阻之值。由于风量增加到70m3/s，故阻力增加，故阻力增加到：到： hRQ20.47021960 Pa43 3.4.3 风流的功率与电耗风流的功率与电耗 物体在单位时间内所做的功叫做功率，其计物体在单位时间内所做的功叫做功率，其计量单位是量单位是Nm/s。风流的风压。风流的风压h乘风量乘风量Q的计

16、量单的计量单位就是位就是N/m2m3/s Nm/s 。故风流功率。故风流功率N的计的计算式为，算式为， N=hQ/1000，kW 矿井一天的通风电费是：矿井一天的通风电费是：式中式中 e每度电的单价，每度电的单价，y/(kWh)；风机、风机、输电、变电、传动等总效率。直接传动时，取输电、变电、传动等总效率。直接传动时，取0.6；间接传动时，取间接传动时，取0.5。dyeQhCff,10002444 例：如图所示的矿井，左右两翼的通风阻力分别例：如图所示的矿井，左右两翼的通风阻力分别是；是； hr11274Pa；hr21960Pa通过两翼主扇的风量分别是通过两翼主扇的风量分别是Qf160m3/s

17、；Qf270m3/s。两翼的外部漏风。两翼的外部漏风Qm1(1Le1)Qf1(14%)6057.6m3/s Qm2(1Le2)Qf2(15%)7066.5m3/s率分别是率分别是Le14%；Le25%。则两翼不。则两翼不包括漏风的风量分别包括漏风的风量分别是：是：45 两翼不包括外部漏风的风阻分别是：两翼不包括外部漏风的风阻分别是： R1hr1/Qm121274/(57.6)20.38399N.s2/m8 R2hr2/Qm221960/(66.5)20.44321N.s2/m8两翼不包括外部漏风的等积孔分别是：两翼不包括外部漏风的等积孔分别是：2111923. 112746 .571917.

18、11917. 1mhQArm222279. 119605 .661917. 11917. 1mhQArm46 为了计算全矿的总风阻和总等积孔，须先求为了计算全矿的总风阻和总等积孔，须先求出全矿的总阻力出全矿的总阻力hr，因全矿的风流总功率等于左，因全矿的风流总功率等于左右两翼风流的功率之和，即右两翼风流的功率之和，即 hr(Qm1Qm2)hr1Qm1hr2Qm2，W 故故 则全矿不包括外部漏风的总风阻是：则全矿不包括外部漏风的总风阻是：PaQQQhQhhmmmrmrr6 .16415 .666 .575 .6619606 .5712742122118222110659. 0)5 .666 .5

19、7(6 .1641msNQQhRmmr47 全矿不包括外部漏风的总等积孔是：全矿不包括外部漏风的总等积孔是： 22165. 36 .16415 .666 .571917. 1)(1917. 1mhQQArmm 对于用多台主要通风机通风的矿井，都要用对于用多台主要通风机通风的矿井，都要用这种方法计算全矿的总风阻和总等积孔。只有这种方法计算全矿的总风阻和总等积孔。只有hr1hr2时，才能用时，才能用AA1A2计算。设两翼主计算。设两翼主扇的风压分别等于其通风阻力。则两翼的通风电扇的风压分别等于其通风阻力。则两翼的通风电费分别为：费分别为：dyeQhCff1 .16516 . 0100045 . 0

20、24601274100024111dyeQhCff52.29636 . 0100045 . 024701960100024222全矿一天的通风电费是全矿一天的通风电费是 （元（元/天）天） 121651.102963.524614.62CCC483.5 通风阻力测量通风阻力测量 （一）阻力测定方法与原理（一）阻力测定方法与原理 测定方法：测定方法： 压差计法压差计法 气压计法气压计法 测定原理：测定原理：)22()Z()P22221121212121fVVZgPh（493.5 通风阻力测量通风阻力测量 （二）通风阻力测量的内容包括：（二）通风阻力测量的内容包括： 1.测算风阻。测算风阻。 井巷

21、的风阻是反映井巷通风特性的重要参数，分析任何通风井巷的风阻是反映井巷通风特性的重要参数，分析任何通风问题都和这个参数有关。问题都和这个参数有关。 故通风阻力测量的主要内容，是通过测量各巷道的通风阻力故通风阻力测量的主要内容，是通过测量各巷道的通风阻力和风量以标定它们的标准风阻值和风量以标定它们的标准风阻值(指井下平均空气密度的风阻指井下平均空气密度的风阻值值)，并编辑成表，作为基本资料。这种测量内容不受风压和，并编辑成表，作为基本资料。这种测量内容不受风压和风量变化的影响，但精度要求较高，故可用一个小组风量变化的影响，但精度要求较高，故可用一个小组(45人人)逐段进行，不赶时间，力求测准。逐段

22、进行，不赶时间，力求测准。 2.测算摩擦阻力系数。测算摩擦阻力系数。 支护方式和断面不同的井巷，其摩擦阻力系数不同。为了适支护方式和断面不同的井巷，其摩擦阻力系数不同。为了适应矿井通风设计工作的需要，须通过测量通风阻力和风量以应矿井通风设计工作的需要，须通过测量通风阻力和风量以标定各种类型的井巷的摩擦阻力系数，编集成表。这也是一标定各种类型的井巷的摩擦阻力系数，编集成表。这也是一项精度要求较高，以小组人力进行的细致工作。各种风筒的项精度要求较高，以小组人力进行的细致工作。各种风筒的摩擦阻力系数也要进行标定。摩擦阻力系数也要进行标定。50 3.测量通风阻力的分配情况。测量通风阻力的分配情况。 为

23、了寻求和分析问题，有时需要沿着通风阻力大的路线，在为了寻求和分析问题，有时需要沿着通风阻力大的路线，在尽可能短的时间内，连续测量各个区段的通风阻力，以得出尽可能短的时间内，连续测量各个区段的通风阻力，以得出整个路线上通风阻力的分配情况。由于各区段的通风阻力难整个路线上通风阻力的分配情况。由于各区段的通风阻力难免有波动，故要根据测量路线的长短，分成若干小组，分段免有波动，故要根据测量路线的长短，分成若干小组，分段同时进行。同时进行。 总之，通风阻力测量是矿井通风技术管理工作的基础，也是总之，通风阻力测量是矿井通风技术管理工作的基础，也是掌握生产矿井通风情况的重要手段。掌握生产矿井通风情况的重要手

24、段。 上述内容的测量方法基本有两种：上述内容的测量方法基本有两种： 一为用胶皮管和压差计把两测点联起来的测法；一为用胶皮管和压差计把两测点联起来的测法； 二为用气压计不用连接两测点的测法。两类方法各有优缺点二为用气压计不用连接两测点的测法。两类方法各有优缺点和适用条件，可互相补充。和适用条件，可互相补充。51 通风阻力测量仪器、仪表和用品通风阻力测量仪器、仪表和用品序号序号名名 称称型型 号号数数 量量用用 途途1精密气压计精密气压计1测气压测气压2干湿温度计干湿温度计1测干湿温度测干湿温度3高、中、低速风表高、中、低速风表3测风速测风速4秒表秒表1测风计时测风计时5皮尺皮尺5 m1测断面尺寸

25、测断面尺寸6手表手表机械表机械表1记录测量时间记录测量时间7竹竿竹竿2 m1辅助测量辅助测量8记录表格记录表格自制自制若干若干测风和测压记录测风和测压记录52测风点巷道断面及风速测量记录表测风点巷道断面及风速测量记录表测点风表读数风表号全高(m)净宽(m)巷道形状支护方式测点附近巷道素描12高中 微ABCDE 53误差计算误差计算%100rrrhhh式中：式中：hr系统实测通风阻力，系统实测通风阻力，Pa； 由通风机房水柱计读数计算出由通风机房水柱计读数计算出的系统理论通风阻力，的系统理论通风阻力，Pa。r hr hrh54（三）测算矿井的通风总阻力和总风阻（三）测算矿井的通风总阻力和总风阻

26、1. 1. 对于抽出式通风的矿井对于抽出式通风的矿井 如图所示，风流自静止的地表大气如图所示，风流自静止的地表大气(其绝对静压是其绝对静压是P0，速压等，速压等于零于零)开始，经过进风口开始，经过进风口1沿井巷到主通风机进风口沿井巷到主通风机进风口2，沿途所，沿途所遇到的摩擦阻力与局部阻力的总和就是抽出式通风的矿井通遇到的摩擦阻力与局部阻力的总和就是抽出式通风的矿井通风总阻力风总阻力hr。据能量方程可知：。据能量方程可知：02212()(0)()rshPPhZgZg552断面的相对静压是： 22soshPP该矿井的自然风压是：12nhZgZg22rsnhhhh因2断面的相对全压是： 因此，222tshhh2rtnhhh56所示的方法测量所示的方法测量hs2，即靠近，即靠近2断面的周壁固定一圈外径断面的周壁固定一圈外径46mm的铜管，等距离钻的铜管，等距离钻8个垂直于风流方向的小眼个垂直于风流方向的小眼(直径直径12mm)，再用一根铜管和这一圈铜管连通，并穿出风硐，再用一根铜管和这一圈铜管连通，并穿出风硐壁和胶皮管相联，胶皮管另一端和主通风机房内的压差计相壁和胶皮管相联，胶皮管另一端和主通风机房内的压差计相联。联。22rsnhhhh572