第三章矿井通风阻力

1、第三章第三章 矿井通风阻力矿井通风阻力 本章重点和难点： 摩擦阻力和局部阻力产生的原因和测算 当空气沿井巷运动时，由于风流的粘滞性和惯性以及井巷壁面等对风流的阻滞、扰动作用而形成通风阻力，它是造成风流能量损失的原因。井巷通风阻力可分为两类：摩擦阻力(也称为沿程阻力)和局部阻力。 第一节第一节 井巷断面上风速分布井巷断面上风速分布 一、风流流态一、风流流态 1、管道流、管道流 同一流体在同一管道中流动时，不同的流速，会形成不同的流动状态。当流速较低时，流体质点互不混杂，沿着与管轴平行的方向作层状运动，称为层流层流(或滞流)。当流速较大时，流体质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化，成为互相混

2、杂的紊乱流动，称为紊流紊流(或湍流或湍流)。 （）雷诺数（）雷诺数Re 式中：平均流速v、管道直径d和流体的运动粘性系数。 在实际工程计算中，为简便起见，通常以Re=2300作为管道流动流态管道流动流态的判定准数，即： Re2300 层流， Re2300 紊流dveR （）当量直径（）当量直径 对于非圆形断面的井巷，Re数中的管道直径d应以井巷断面的当量直径de来表示： 因此，非圆形断面井巷的雷诺数可用下式表示： 对于不同形状的井巷断面，其周长U与断面积S的关系，可用下式表示： 式中：C断面形状系数：梯形C=4.16；三心拱C=3.85；半圆拱C=3.90。 USde4UvSRe4SCU 2、

3、孔隙介质流、孔隙介质流 在采空区和煤层等多孔介质中风流的流态判别准数为： 式中：K冒落带渗流系数，m2； l滤流带粗糙度系数，m。 层流，Re0.25； 紊流，Re2.5； 过渡流 0.25Re，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心中，故Re对值的影响极小，略去不计，相对糙度成为的唯一影响因素。故在该区段，与Re无关，而只与相对糙度有关。 2层流摩擦阻力层流摩擦阻力 当流体在圆形管道中作层流流动时，从理论上可以导出摩擦阻力计算式： 可得圆管层流时的沿程阻力系数： 古拉兹实验所得到的层流时与Re的关系，与理论分析得到的关系完全相同，理论与实验的正确性得到相互的验证。 层流摩擦阻力和平均流速的一次方成

4、正比。 2 642vdLRehfRe64 3、紊流摩擦阻力、紊流摩擦阻力 对于紊流运动，=f (Re，/r)，关系比较复杂。用当量直径de=4S/U代替d，代入阻力通式，则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式：23288QSLUvSLUhf 二、摩擦阻力系数与摩擦风阻二、摩擦阻力系数与摩擦风阻 1摩擦阻力系数摩擦阻力系数 矿井中大多数通风井巷风流的Re值已进入阻力平方区，值只与相对糙度有关，对于几何尺寸和支护已定型的井巷，相对糙度一定，则可视为定值；在标准状态下空气密度=1.2kg/m3。 对上式， 令： 称为摩擦阻力系数，单位为 kg/m3 或或 N.s2/m4。 则得到紊流状态下井巷的摩擦阻

5、力计算式写为： 823QSLUhf 标准摩擦阻力系数：标准摩擦阻力系数： 通过大量实验和实测所得的、在标准状态（0=1.2kg/m3）条件下的井巷的摩擦阻力系数，即所谓标准值0值，当井巷中空气密度1.2kg/m3时，其值应按下式修正：2 . 10 2摩擦风阻摩擦风阻Rf 对于已给定的井巷，L、U、S都为已知数，故可把上式中的、L、U、S 归结为一个参数Rf： Rf 称为巷道的摩擦风阻，其单位为：kg/m7 或 N.s2/m8。 工程单位：kgf .s2/m8 ，或写成：k。 1 N.s2/m8= 9.8 k Rff ( ,S,U,L) 。在正常条件下当某一段井巷中。在正常条件下当某一段井巷中的

6、空气密度的空气密度一般变化不大时，可将一般变化不大时，可将R f 看作是反映看作是反映井巷几何特征的参数。井巷几何特征的参数。 3SLURf 则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为： 此式就是完全紊流(进入阻力平方区)下的摩擦阻力定律。 2QRhff 三、井巷摩擦阻力计算方法井巷摩擦阻力计算方法 新建矿井： 查表得0 Rf hf 生产矿井： hf Rf 0 第三节第三节 局部风阻与阻力局部风阻与阻力 由于井巷断面、方向变化以及分岔或汇合等原因，使均匀流动在局部地区受到影响而破坏，从而引起风流速度场分布变化和产生涡流等，造成风流的能量损失，这种阻力称为局部阻力。 由于局部阻力所产生风流速度场分

7、布的变化比较复杂性，对局部阻力的计算一般采用经验公式。 一、局部阻力及其计算一、局部阻力及其计算 和摩擦阻力类似，局部阻力hl一般也用动压的倍数来表示： 式中：局部阻力系数，无因次。 22vhl几种常见的局部阻力产生的类型：几种常见的局部阻力产生的类型： 、突变、突变 紊流通过突变部分时，由于惯性作用，出现主流与边壁脱离脱离的现象，在主流与边壁之间形成涡漩区涡漩区，从而增加能量损失。 、渐变、渐变 主要是由于沿流动方向出现减速增压现象，在边壁附近产生涡漩。因为 V hv p ，压差的作用方向与流动方向相反，使边壁附近，流速本来就小，趋于0, 在这些地方主流与边壁面脱离脱离，出现与主流相反的流动

8、，面涡漩涡漩。 、转弯处、转弯处 流体质点在转弯处受到离心力作用，在外侧出现减速增压，出现涡漩。 、分岔与会合、分岔与会合 上述的综合。 局部阻力的产生主要是与涡漩区有关，涡局部阻力的产生主要是与涡漩区有关，涡漩区愈大，能量损失愈多，局部阻力愈大。漩区愈大，能量损失愈多，局部阻力愈大。 二、局部阻力系数和局部风阻二、局部阻力系数和局部风阻 (一一) 局部阻力系数局部阻力系数 紊流局部阻力系数一般主要取决于局部阻力物的形状，而边壁的粗糙程度为次要因素。 (二二) 局部风阻局部风阻 在局部阻力计算式中，令 则有： 式中Rl称为局部风阻，其单位为N.s2/m8或kg/m7。 此式表明，在紊流条件下局

9、部阻力也与风量的平方成正比lRS222QRhll第四节第四节 矿井总风阻与矿井等积孔矿井总风阻与矿井等积孔 一、井巷阻力特性一、井巷阻力特性 在紊流条件下，摩擦阻力和局部阻力均与风量的平方成正比。故可写成一般形式： hRQ2 Pa 。 对于特定井巷，R为定值。用纵坐标表示通风阻力(或压力)，横坐标表示通过风量，当风阻为R时，则每一风量Qi值，便有一阻力hi值与之对应，根据坐标点（Qi,hi）即可画出一条抛物线。这条曲线就叫该井巷的阻力特性曲线。风阻R越大，曲线越陡。 QhR 二、矿井总风阻二、矿井总风阻 从入风井口到主要通风机入口，把顺序连接的各段井巷的通风阻力累加起来，就得到矿井通风总阻力h

10、Rm，这就是井巷通风阻力的叠加原则。 已知矿井通风总阻力hRm和矿井总风量Q，即可求得矿井总风阻： N.s2/m8 Rm是反映矿井通风难易程度的一个指标。Rm越大，矿井通风越困难 2QhRRmm 三、矿井等积孔三、矿井等积孔 我国常用矿井等积孔作为衡量矿井通风难易程度的指标。 假定在无限空间有一薄壁， 在薄壁上开一面积为A(m2)的孔口。 当孔口通过的风量等于矿井风量，而且孔口两侧的风压差等于矿井通风阻力时，则孔口面积A称为该矿井的等积孔。 mRA19. 1 由此可见，A是Rm的函数，故可以表示矿井通风的难易程度。 当A，容易；A 2，中等；A困难。 第五节第五节 降低矿井通风阻力措施降低矿井通风阻力措施 降低矿井通风阻力，对保证矿井安全生产和提高经济效益都具有重要意义。 一、降低井巷摩擦阻力措施一、降低井巷摩擦阻力措施 1减小摩擦阻力系数。 2保证有足够大的井巷断面。在其它参数不变时，井巷断面扩大33%，Rf值可减少50%。 3选用周长较小的井巷。在井巷断面相同的条件下，圆形断面的周长最小，拱形断面次之，矩形、梯形断面的周长较大。 4减少巷道长度。 5避免巷道内风量过于集中