第5章矿井通风网络中风量分配与调节(1)

1、通通 风风 安安 全全 学学第五章第五章 矿井通风网络中风量分配与调节矿井通风网络中风量分配与调节河南理工大学河南理工大学杜锋杜锋1803702675818037026758本章主要内容 一、风量分配基本定律 二、网络图及网络特性 三、通风网络动态特性分析 四、矿井风量调节五、应用计算机解算复杂通风网络一、风量分配基本定律1.矿井通风网络与网络图(1）矿井通风网络矿井通风系统：由纵横交错的井巷构成的一个复杂系统。用图论的方法对通风系统进行抽象描述，把通风系统变成一个由线、点及其属性组成的系统，称为通风网络。通风网络图：用直观的几何图形来表示通风网络。1）分支（边、弧）：表示一段通风井巷的有向线

2、段，线段的方向代表井巷中的风流方向。每条分支可有一个编号，称为分支号。一、风量分配基本定律2）节点（结点、顶点）：是两条或两条以上分支的交点。 342151234567一、风量分配基本定律3）路（通路、道路）：是由若干条方向相同的分支首尾相连而成的线路。如图中125、1246和136等均是通路。4）回路：由两条或两条以上分支首尾相连形成的闭合线路称为回路。如图中243、2563和1367342151234567 5）树：是指任意两节点间至少存在一条通路但不含回路的一类特殊图。由于这类图的几何形状与树相似，故得名。树中的分支称为树枝。包含通风网络的全部节点的树称为其生成树，简称树。一、风量分配基

3、本定律(2）矿井通风网络图特点：）通风网络图只反映风流方向及节点与分支间的相互关系，节点位置与分支线的形状可以任意改变。）能清楚地反映风流的方向和分合关系，并且是进行各种通风计算的基础，因此是矿井通风管理的一种重要图件。 矿井通风系统图的绘制矿井通风系统图的绘制 矿井通风系统图是煤矿安全生产必备的图件。它是根据矿井开拓、采区巷道布置及矿井的通风系统绘制而成的。 矿井通风系统图包括矿井通风系统的风流路线与方向，通风设施和安装位置。 总体来说，矿井通风系统图包括通风系统平面图、通风系统网络图和通风系统立体图，下面分别对这三类图形的绘制方法进行说明。 一、矿井通风系统平面图一、矿井通风系统平面图 矿

4、井通风系统平面图是表示矿井通风系统的风流路线与方向、流速、风量及阻力、通风装备和通风设施等情况的总图，由各巷道在水平面上投影绘制而成。根据线型的不同，矿井通风系统平面图可以分为单线图和双线图。 二、矿井通风系统网络图二、矿井通风系统网络图 矿井通风系统往往是十分复杂的立体结构，巷道数目多、纵横交错、上下重叠，相互关系不易一目了然，直接用实际的通风系统图分析通风问题有很多不便。 为克服这些缺点，需要对通风系统网络化，即用反映巷道空间关联的单线条来表示通风系统中各风流(道)的分合关系，将通风系统图抽象成点与线集合的网状线路示意图。 此图即是通风系统网络图，简称通风网络图或风网。平面图 网络图 在该

5、图中点可以位移、边可以伸缩、曲直、翻转，必要时，还可以对点或边进行简化，但必须反映风流的分合关系。图的几何形状也不是唯一的，可画成长方形（图中分支用直线表示），也可画成椭圆形（图中分支多用弧线），也有画成圆形的。15 采用计算机自动生成通风网络图总的要求是：需要人工输入的数据尽可能少，生成以后的人工编辑也要尽可能少，生成的网络图美观，符合一般的使用习惯，通风网络图的具体绘制原则一般为： 用一个进风节点代替所有进风节点，布置在网络图的最下边； 用一个出风节点代替所有出风节点，布置在网络图的最上边； 分支方向基本都应由下向上； 分支间的交叉尽可能少； 节点与节点之间应有一定的间距； 分支与其他分支

6、之间应有一定的间距；16分支曲率优化-样条曲线-第一次尝试 17复杂通风系统网络图自动生成尝试复杂通风系统网络图自动生成尝试-样条曲线样条曲线18使用圆弧、添加相关规则-圆弧19进一步修改完善网络图自动生成规则-圆弧20分支曲率和交叉点优化-圆弧21 2）通风网络图的绘制步骤 通风网络图是点和线的组合图，仅表示风网中分支中各分支的风流方向联接形式，不按比例，不表示空间关系的单线绘制，绘制通风网络图的步骤和要点归纳如下几点： (1) 节点编号。在矿井通风系统图上确定风流分合点的位置，并从进风井口开始，沿风流流动方向直到出风井口为止，对各节点进行编号。编号顺序通常是沿风流方向从小到大，也可以按进回

7、风段系统、按翼分采区进行编号，节点编号不能重复。22 (2)绘制草图。沿风流方向从进风井口出发至出风井口逐个节点、逐个分支地进行绘制，将有风流连通的节点用单线条联接。在绘制的过程中先连主干风路，后连支流，遇到风流流入或流出时，在节点处应留有分叉，并在分叉上标明流入或流向节点的号码。为了便于区分，正常风路用实线表示，漏风风路和准备开掘的分支用虚线表示，大气节点之间用点划线表示。23 (3)图形整理。绘制复杂通风系统的网络图，需先画草图和框架，再经过整理变形，才能完成整形的目的，一是把图形画美观，更主要的是设法将通风系统各独立单元和结构特点突出出来，便于运用。 三、通风系统立体图三、通风系统立体图

8、 矿井通风系统立体图是根据投影原理把矿井巷道的立体图投影到平面上而形成的图形。它能较好地表达巷道之间的立体关系，是进行通风系统设计和现场施工管理必不可少的资料。 一般采用轴侧投影法绘制矿井通风系统立体图。轴侧投影的实质就是把空间物体连同空间坐标轴投影于投影面上，利用三个坐标轴确定物体的三个尺度。其特点是：平行于某一坐标轴的所有线段，其变形系数相等。 一、风量分配基本定律2.风量平衡定律 风量平衡定律是指在稳态通风条件下，单位时间流入某节点的空气质量等于流出该节点的空气质量；或者说，流入与流出某节点的各分支的质量流量的代数和等于零，即 0iM一、风量分配基本定律 若不考虑风流密度的变化，则流入与

9、流出某节点的各分支的体积流量（风量）的代数和等于零，即： 如图a，节点4处的风量平衡方程为： 上述节点扩展为无源回路，则风量平衡定律依然成立。 0iQ16523图a06454434241QQQQQ一、风量分配基本定律 如图b所示，回路2-4-5-7-2的各邻接分支的风量满足如下关系：2178356图b087654321QQQQ一、风量分配基本定律3.能量平衡定律 假设：一般地，回路中分支风流方向为顺时针时，其阻力取“”，逆时针时，其阻力取“”。 （1）无动力源（Hn Hf） 通风网路图的任一回路中，无动力源时，各分支阻力的代数和为零，即： 如图，对回路6中有：0Rih02436RRRRhhhh

10、23456一、风量分配基本定律 （2）有动力源 设风机风压Hf，自然风压HN。如图，对回路234 5 1中有：一般表达式为： 即：能量平衡定律是指在任一闭合回路中，各分支的通风阻力代数和等于该回路中自然风压与通风机风压的代数和。54321RRRRRNfhhhhhHHRiNfhHH23456一、风量分配基本定律4.阻力定律2RQh 二、网络图及网络特性1.串联风路 由两条或两条以上分支彼此首尾相连，中间没有风流分汇点的线路称为串联风路。如图所示，由1，2，3，4，5五条分支组成串联风路。 （1）串联风路特性 1)总风量等于各分支的风量，即 MS = M1 = M2 = Mn 当各分支的空气密度相

11、等时， QS = Q1 = Q2 = Qn458123679123456789二、网络图及网络特性 2)总风压（阻力）等于各分支风压（阻力）之和，即: 3)总风阻等于各分支风阻之和，即： niinshhhhh121 niinsnsssRRRRQhhhQhR1212212.二、网络图及网络特性 4)串联风路等积孔与各分支等积孔间的关系222211111nsAAAA 219.1iRiA 2219.1iAiR2222119.119.119.1119.1iiisAARRsA二、网络图及网络特性（2）串联风路等效阻力特性曲线的绘制 根据以上串联风路的特性，可以绘制串联风路等效阻力特性曲线。 1R1R2R

12、1R2R1+R2QH二、网络图及网络特性 绘制方法： )首先在h-Q坐标图上分别作出串联风路1、2的阻力特性曲线R1、R2； )根据串联风路“风量相等，阻力叠加”的原则，作平行于h轴的若干条等风量线，在等风量线上将1、2分支阻力h1、h2叠加，得到串联风路的等效阻力特性曲线上的点； )将所有等风量线上的点联成曲线R3，即为串联风路的等效阻力特性曲线。二、网络图及网络特性2.并联风网 由两条或两条以上具有相同始节点和末节点的分支所组成的通风网络，称为并联风网。如图所示并联风网由5条分支并联 （1）并联风路特性： 1)总风量等于各分支的风量之和，即 当各分支的空气密度相等时, niinsMMMMM

13、121 niinsQQQQQ121二、网络图及网络特性 2)总风压等于各分支风压，即 注意：当各分支的位能差不相等，或分支中存在风机等通风动力时，并联分支的阻力并不相等。nshhhh 211234612345二、网络图及网络特性 3)并联风网总风阻与各分支风阻的关系 又 即：2SssQRhsssRhQnSQQQQ.21nnssRhRhRhRh.2211nsRRRR1111.2122121111 nsssRRRQhR二、网络图及网络特性 4)并联风网等积孔等于各分支等积孔之和，即 nsAAAA 21).(19. 111119. 121nsRRRRsA二、网络图及网络特性 5) 并联风网的风量分配

14、 若已知并联风网的总风量，在不考虑其它通风动力及风流密度变化时，可由下式计算出分支i的风量。 即 sihh22ssiiQRQRSRRiQQis).(12111nRRRiSsisRQRRQiQR1R2.RiRnQS二、网络图及网络特性 （2）并联风路等效阻力特性曲线的绘制 根据以上并联风路的特性，可以绘制并联风路等效阻力特性曲线。方法： ）首先在h-Q坐标图上分别作出并联风路1、2的阻力特性曲线R1、R2； ）根据并联风路“风压（阻力）相等，风量叠加”的原则，作平行于Q轴的若干条等风压线，在等风压线上将1、2分支阻力h1、h2叠加，得到并联风路的等效阻力特性曲线上的点； 二、网络图及网络特性 ）

15、将所有等风压线上的点联成曲线R3，即为并联风路的等效阻力特性曲线。2112R1R2R1R2R1+R2QH二、网络图及网络特性.串联风路与并联风网的比较 在任何一个矿井通风网络中，都同时存在串联与并联风网。在矿井的进、回风风路多为串联风路，而采区内部多为并联风网。并联风网的优点： (1)从提高工作地点的空气质量及安全性出发，采用并联风网具有明显的优点。 (2)在同样的分支风阻条件下，分支并联时的总风阻小于串联时的总风阻。二、网络图及网络特性 例如：若R1=R2=0.04 kg/m7， 串联：Rs= R1+ R2= 0.08 kg/m7 并联： Rs：Rs2:在相同风量下，串联的能耗为并联的8倍。

16、704.0104.01112/01.0)(1)(121mkgRRRS1R1R22112R1R2二、网络图及网络特性.角联风网（1）几个概念 角联风网：是指内部存在角联分支的网络。 角联分支（对角分支）：是指位于风网的任意两条有向通路之间、且不与两通路的公共节点相连的分支，如图。 二、网络图及网络特性 简单角联风网：仅有一条角联分支的风网。 复杂角联风网：含有两条或两条以上角联分支的风网。213456复杂角联风网复杂角联风网简单角联风网简单角联风网1复杂联结通风网络复杂联结通风网络 由串联、并联、角联和更复杂的联结方式由串联、并联、角联和更复杂的联结方式所组成的通风网路，统称为复杂通风网路。所组

17、成的通风网路，统称为复杂通风网路。二、网络图及网络特性 （2）角联分支风向判别 原则：分支的风向取决于其始、末节点间的压能值。风流由能位高的节点流向能位低的节点；当两点能位相同时，风流停滞；当始节点能位低于末节点时，风流反向。 判别式（以简单角联为例）： 1)分支5中无风 Q5 = 0 Q1 = Q3 , Q2 = Q4 由风压平衡定律： h1 = h2 , h3 = h411二、网络图及网络特性 由阻力定律： 两式相比得： 即 或写为：222211QRQR244233QRQR244222233211QRQRQRQR4231RRRR13241RRRRK二、网络图及网络特性 )当分支5中风向由2

18、3 节点的压能高于节点，则 hR2 hR1 即： 即同理， hR3 hR4 211222QRQR22253222112)(QQQQQRR244233QRQR22523242334)(QQQQQRR11二、网络图及网络特性 又 即： 或写为：253523)(QQQQQQ12222532252334)()(RRQQQQQQRR13241RRRRK4231RRRR风流二、网络图及网络特性 ) 分支5中的风向由32 同理可得： 或写为：114231RRRR13241RRRRK风流二、网络图及网络特性 改变角联分支两侧的边缘分支的风阻就可以改变角联分支的风向。对图示简单角联风网，可推导出如下角联分支风流

19、方向判别式：。中风向由，分支中风流停滞；，分支；中风向由，分支32515123513241RRRRK 判别式的作用之一判别式的作用之一是用来预先判别不稳定风流的是用来预先判别不稳定风流的方向。例如在分支方向。例如在分支5尚未掘通之前，便可判定该风路尚未掘通之前，便可判定该风路掘通后的风流方向，即把四条非对角分支的风阻值掘通后的风流方向，即把四条非对角分支的风阻值代入判别式，如算得判据代入判别式，如算得判据K1，便可判定，便可判定Q5向上流，向上流，如得如得K1，而且，而且K值越大，值越大，Q5向上流就越稳定。故可根向上流就越稳定。故可根据据 实际情况，采取加大实际情况，采取加大R1或或R4，减

20、少，减少R2或或R3的技的技术措施，并不断进行调整，使术措施，并不断进行调整，使K始终保持最大的合理始终保持最大的合理值，以保证值，以保证Q5的方向和数量始终稳定。的方向和数量始终稳定。14231R RKR R13241RRRRK三、通风网络动态特性分析1.井巷风阻变化引起风流变化的规律 （1）变阻分支本身的风量与风压变化规律 当某分支风阻增大时，该分支的风量减小、风压增大；当风阻减小时，该分支的风量增大、风压降低。12356781049三、通风网络动态特性分析 （2）变阻分支对其它分支风量与风压的影响规律 1）当某分支风阻增大时，包含该分支的所有通路上的其它分支的风量减小，风压增大；与该分支

21、并联的通路上的分支的风量增大，风压亦增大；当风阻减小时与此相反。 2）对于一进一出的子网络，若外部分支调阻引起其流入（流出）风量变化，其内部各分支的风量变化趋势相同。 3）风网内，某分支风阻变化时，各分支风量、风压变化幅度，以本分支为最大，邻近分支次之，离该分支越远分支变化越小。三、通风网络动态特性分析 4）风网内，不同类型的分支风阻变化引起的风量变化幅度和影响范围是不同的。一般说，主干巷道变阻引起的风量变化幅度和影响范围大，末支巷道变阻引起的风量变化幅度和影响范围小。 5）风网内某分支增阻时，增阻分支风量减小值比其并联分支风量增加值大；某分支减阻时，减阻分支风量增加值比其并联分支风量减小值大

22、。12356781049三、通风网络动态特性分析 （3）巷道密闭与贯通对风流的影响 巷道密闭相当于该分支的风阻增大至，故本分支风量减少到趋近于0；对其它分支的影响规律与分支增阻相同。 巷道贯通时要修改网络图，即在网络图中增加贯通后的分支。风流方向取决于巷道两端点间压能差；对其它分支的影响规律与分支减阻相同。三、通风网络动态特性分析2.风流稳定性分析 （1）稳定性的基本概念 稳定性是指当系统受到外界瞬时干扰，系统状态偏离了平衡状态后，系统状态自动回复到该平衡状态的能力。 按照这种稳定性的概念，除非在主要通风机不稳定运行（工作在轴流式风机风压特性曲线的驼峰区）等特殊情况下，矿井通风系统一般都是稳定

23、的。 通风管理中所说的风流稳定性，一般是指井巷中风流方向发生变化或风量大小变化超过允许范围的现象；且多指风流方向发生变化的现象。三、通风网络动态特性分析 （2）影响风流稳定性的因素 1）风网结构对风流稳定性的影响 仅由串、并联组成的风网，其稳定性强；角联风网，其对角分支的风流易出现不稳定。 2）风阻变化对风流稳定性的影响 在角联风网中，边缘分支的风阻变化可能引起角联分支风流改变。 在实际生产矿井，大多数采掘工作面都是在角联分支中。应采取安装调节风门的措施，保证风流的稳定性。三、通风网络动态特性分析 3）通风风动力变化对风流稳定性的影响 矿井风网内主要通风机、辅助通风机数量和性能的变化，不仅会引

24、起风机所在巷道的风量变化，而且会使风网内其他分支风量也发生变化，并影响风网内其他风机的工况点。 （3）具体如下： 1）单主要通风机风网，当主要通风机性能发生变化时，风网内各分支风量按主要通风机风量变化的趋势和比率而变化。 三、通风网络动态特性分析 2）多主要通风机风网内，当某主要通风机性能发生变化时，整个风网内各分支风量不按比例变化。 3）多主要通风机风网内，即使风网结构和分支风阻不变，当某主要通风机性能发生变化时，由于风网总风量和各主要通风机风量配置发生了变化，因此，各主要通风机的工作风阻与风网总风阻也有所变化。三、通风网络动态特性分析 4）风网内，某巷道安设辅助通风机后，不仅该巷道本身风流

25、发生变化，其他巷道风流也变化。当某辅助通风机风量增大时，辅助通风机所在巷道风量增加，包含辅助通风机在内的闭合回路中，与辅助通风机风向一致的各巷风量增加，与其风向相反的各巷风量减小。 当辅助通风机风压过高或风量过大时，可引起其并联分支风量不足、停风、甚至反向。引起并联分支风流反向的条件是辅助通风机风量大于回路的总风量或辅助通风机风压大于回路内其同向分支的风压损失。 5）自然风压引起的风流变化，与辅助通风机相似。四、矿井风量调节 随着生产的发展和变化，工作面的推进和更替，巷道风阻、网络结构及所需的风量均在不断变化，要求及时进行风量调节。 按调节设施来看，有通风机、射流器、风窗、风幕和增加并联井巷或

26、扩大通风断面等。 按其调节的范围，可分为局部风量调节与矿井总风量调节。 从通风能量的角度看，可分为增能调节、耗能调节和节能调节。四、矿井风量调节1.局部风量调节 局部风量调节是指在采区内部各工作面间，采区之间或生产水平之间的风量调节。 调节方法：增阻法、减阻法及辅助通风机调节法。 （1）增阻调节法 增阻调节法是在通过在巷道中安设调节风窗等设施，增大巷道中的局部阻力，从而降低与该巷道处于同一通路中的风量，或增大与其关联的通路上的风量。增阻调节是一种耗能调节法四、矿井风量调节 主要措施： 1)调节风窗；2)临时风帘；3)空气幕调节装置等。使用最多的是调节风窗。 风窗调节法原理分析 如图，分支风阻分

27、别为 R1和R2，风量分别为Q1,Q2。则两分支的阻力为：h1=R1Q12，h2=R2Q22，且h1= h2 。若分支风量不足。可在分支中设置调节窗。设调节风窗产生的局部风阻为R。R1Q1R2Q2Q2R1+ RQ1R2Q2Q2四、矿井风量调节 (R1+ R)Q12= R2Q22 但增阻后，并联系统总风阻增大。使QQ，由于Q未知，实际计算过程中，假设QQ。已知, R后，可计算调节风窗面积。122 12 2RRRQQ四、矿井风量调节调节风窗开口面积计算：当 Sc/S0.5 时，当 Sc/S 0.5 时，Sc调节风窗的断面积，m2；S巷道的断面积，m2；Q通达风量，m3/s；hc调节风窗阻力，Pa；

28、Rc调节风窗的风阻，Ns2/m8；Rchc /Q2。cchSQQSS84. 065. 0ccRSSS84. 065. 0cchSQQSS759. 0ccRSSS759.01四、矿井风量调节 使用条件：增阻分支风量有富余。 特点：增阻调节法具有简单、方便、易行、见效快等优点；但增阻调节法会增加矿井总风阻，减少总风量。 （2）减阻调节法 减阻调节法是在通过巷道中采取降阻措施，降低巷道的通风阻力，从而增大与该巷道处于同一通路中的风量，或减小与其关联通路上的风量。四、矿井风量调节 主要措施： 1)扩大巷道断面；2)降低摩擦阻力系数；3)清除巷道中的局部阻力物；4)采用并联风路；5)缩短风流路线的总长度

29、等。 特点： 可以降低矿井总风阻，并增加矿井总风量；但降阻措施的工程量和投资一般都较大，施工工期较长，所以一般在对矿井通风系统进行较大的改造时采用。四、矿井风量调节 （3）增能调节法 增能调节法主要是采用辅助通风机等增加通风能量的方法，增加局部地点的风量。 主要措施：1)辅助通风机调节；2)利用自然风压调节。 特点：增能调节法的施工相对比较方便，不须降低矿井总风阻，增加矿井总风量，同时可以减少矿井主通风机能耗。但采用辅助通风机调节时设备投资较大，辅助通风机的能耗较大，且辅助通风机的安全管理工作比较复杂，安全性较差。四、矿井风量调节2.矿井总风量的调节 当矿井（或一翼）总风量不足或过剩时，需调节总风量，也就是调整主通风机的工况点。采取的措施