矿井通风第二章

矿井通风第二章2023/9/21第1页，课件共55页，创作于2023年2月第二章风流的能量与能量方程矿井空气空气的主要物理参数是掌握空气在流动过程中能量与压力变化规律的前提，矿井通风中应用的能量方程是矿井通风的基本理论。本章重点介绍空气的主要物理参数、矿井空气压力及其测量、风流流动的基本规律、矿井风流的能量方程及其应用等。2023/9/22第2页，课件共55页，创作于2023年2月第一节空气的主要物理参数一、空气的密度单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用ρ来表示。即：

ρ=m/v（2-1）式中ρ——空气的密度，kg/m3；

M——空气的质量，m；

V——空气的体积，m3。空气的密度与温度、压力和湿度有关，在标准大气状况下（P＝101325Pa，t＝O℃，＝O%），干空气的密度为1.293kg/m3。当空气的相对湿度不为0时，湿空气密度的计算公式为：

ρ湿＝0.003484（1－0.378）(2-2)式中

P——空气的压力，Pa；

T——热力学温度（T＝273+t），K；

t——空气的温度，℃；

——相对湿度，%；

P饱——温度为t（℃）时的饱和水蒸气压力(见表1-9)，pa。由上式可见，当压力和温度一定时，湿空气的密度总是小于干空气的密度。一般将空气压力为101325Pa，温度为20℃，相对湿度为60%的矿井空气称为标准矿井空气，其密度为1.2kg/m3。2023/9/23第3页，课件共55页，创作于2023年2月第一节空气的主要物理参数二、空气的比容单位质量空气所占有的体积叫空气的比容，用υ（m3/kg）表示，比容和密度互为倒数，它们是一个状态参数的两种表达方式。即：（2-3）三、空气的压力（压强）矿井通风中，习惯将压强称为空气的压力。根据物理学的分子运动理论可导出理想气体作用于容器壁的空气压力关系式为：

P＝（2-4）式中n——单位体积内的空气分子数；

——分子平移运动的平均动能。标准大气压(atm)是在北纬450海平面上、温度为15℃时测定的大气压数值。1标准大气压(atm)=760mmHg=1.013×105Pa各种压力单位的换算关系见表2-12023/9/24第4页，课件共55页，创作于2023年2月第一节空气的主要物理参数表2-1压力单位换算表标准大气压帕(Pa)巴(bar)米水柱毫米水柱工程大气压atmN/m2105N/m2mH2OmmHgKgf/cm11013251.0132510.3327601.03320.9869100000110.197750.061.01970.967998066.50.980710735.5812023/9/25第5页，课件共55页，创作于2023年2月第一节空气的主要物理参数四、空气的粘性牛顿于1686年提出了确定流体作层状运动(层流)时发现:任何流体都有粘性。当流体以任一流速在管道中流动时，相邻两流动速度不同的流层之间的接触面上速度大的流层带动速度小的流层；速度小的流层阻碍速度大的流层，这便产生粘性阻力（内摩擦力），以阻止其相对运动。流体具有的这一性质，称为流体的粘性。根据牛顿内摩擦力定律，流体分层间的内摩擦力为：

F=μS

（2-5）式中

F——内摩擦力，N；

μ——动力粘性系数，Pa·s；

S——流层之间的接触面积，m2；

dv/dy——垂直于流动方向上的速度梯度，s-1。2023/9/26第6页，课件共55页，创作于2023年2月第一节空气的主要物理参数

不论流体是否流动，流体具有粘性的性质是不变的。但两流层速度相同时，流体分层间的内摩擦力为零。度量粘性大小的物理量有两个：动力粘度和运动粘度。在矿井通风中，除了用动力粘性系数μ表示空气粘性大小外，还常用运动粘性系数ν（m2/s）来表示，与动力粘性系数的关系为：（2-6）式中ρ——空气的密度，kg/m3。温度和压力对空气动力粘性均有影响。但压力影响较小可忽略，温度对空气影响较大，粘性系数随温度的升高而增大。2023/9/27第7页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法一、空气的压力和能量

压力和能量是矿井通风中两个重要的参数，风流在井巷某断面上所具有的总机械能（包括静压能、动能和位能）及内能之和叫做风流的能量。风流之所以能够流动，其根本原因是系统中存在着能量差，所以风流的能量是风流流动的动力。单位体积空气所具有的能够对外做功的机械能就是压力。能量与压力即有区别又有联系，除了内能是以热的形式存在于风流中外，其它三种能量一般通过压力来体现，也就是说井巷任一通风断面上存在的静压能、动能和位能可用静压、动压、位压来呈现。

2023/9/28第8页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法（一）静压1、静压的概念由空气分子热运动而使单位体积空气具有的对外做功的机械能量叫静压能，用E静表示（J/m3）。空气分子热运动不断地撞击器壁所呈现的压力（压强）称为静压力，简称静压，用P静表示（N/m2，即Pa）。静压和静压能在数值上大小相等，静压是静压能的等效表示值。

E静=P静2、静压的特点（1）无论静止的空气还是流动的空气都具有静压力；（2）风流中任一点的静压各向同值，且垂直于作用面；（3）风流静压的大小（可以用仪表测量）反映了单位体积风流所具有的能够对外作功的静压能的多少。如说风流的压力为1标准大气压时，则指风流1m3具有101325J的静压能。2023/9/29第9页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法(二)动压1、动压的概念空气做定向流动时具有动能，用E动表示（J/m3），其动能所呈现的压力称为动压（或速压），用h动（或h速）表示，单位Pa。2、动压的计算式设某点空气密度为ρ（kg/m3），定向流动的流速为v（m/s），则单位体积空气所具有的动能为E动：

E动＝，J/m3（2-7）E动对外所呈现的动压为：

h动＝，Pa（2-8）3、动压的特点（1）只有作定向流动的空气才具有动压，因此动压具有方向性。（2）动压总是大于零。垂直流动方向的作用面所承受的动压最大（即流动方向上的动压真值）；当作用面与流动方向有夹角时，其感受到的动压值将小于动压真值。（3）在同一流动断面上，由于风速分布的不均匀性，各点的风速不相等，所以其动压值不等。（4）某断面动压即为该断面平均风速计算值。2023/9/210第10页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法(三)位压1、位压的概念物体在地球引力作用下，由于位置高度不同而具有的一种能量叫位能，用E位（J/m3）表示。位能所呈现的压力叫位压，用P位（Pa）表示。位能和位压的大小，是相对于某一个参照基准面而言的，是相对于这个基准面所具有的能量或呈现的压力。2、位压的计算式位压的计算应有一个参照基准面。如果在地面上把质量为M（kg）的物体提高（m），就要对物体克服重力做功MgZ（J），它的参考面为地面。物体因而获得了相同数量的位能，即：

E位＝Mg

Z

（2-9）例如，在某一立井井筒中，井口位置对1—1断面和2—2断面的位压是不等的，如果求1—1断面相对于2—2断面的位压（或1—1断面与2—2断面的位压差），为了计算方便，可选择2—2断面作为基准面（2—2断面的位压为零），按下式计算：＝ρ12gZ12，Pa（2-10）式中ρ12——1、2断面之间空气柱的平均密度，kg/m3；

Z12——1、2断面之间的垂直高差，m。2023/9/211第11页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法图2-1立井井筒中位压计算图由于矿井空气密度与标高的关系比较复杂，很难线符合线性关系，这样空气柱的平均密度ρ12很难确定，所以应在实际测定时，在1—1和2—2断面之间布置多个测点，分别测出各点和各段的平均密度（垂距较小时可取算术平均值），再由下式计算1—1断面相对于2—2断面的位压。P位12＝ρ1agZ1a+ρabgZab+ρb2gZb2＝∑ρijgZij，Pa（2-11）测点布置的越多，测段垂距越小，计算的位压越精确。

2023/9/212第12页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法3、位压的特点（1）位能是相对某一基准面而具有的能量，它随所选基准面的变化而变化。但位能差为定值。（2）位能是一种潜在的能量，它在本处对外无力的效应，即不呈现压力，故不能象静压那样用仪表进行直接测量。（3）位能和静压可以相互转化，在进行能量转化时遵循能量守恒定律。

2023/9/213第13页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法(四)全压、势压和总压力矿井通风中，为了研究方便，常把风流中某点的静压与动压之和称为全压；将某点的静压与位压之和称为势压；把井巷风流中任一断面（点）的静压、动压、位压之和称为该断面（点）的总压力。井巷风流中两断面上存在的能量差即总压力差是风流之所以能够流动的根本原因，空气的流动方向总是从总压力大处流向总压力小处，而不是取决于单一的静压、动压或位压的大小。如果巷道水平，井巷风流中两断面上存在的能量差看全压差；如果巷道水平且断面相等，井巷风流中两断面上存在的能量差看静压差。

2023/9/214第14页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法二、空气压力的测量基准及其相互关系根据压力的测算基准不同，压力可分为：绝对压力和相对压力。（1）绝对压力：以真空为测算零点（比较基准）而测得的压力称之为绝对压力，用P表示。绝对压力总是正值。（2）相对压力：以当地当时同标高的大气压力为测算基准(零点)测得的压力称之为相对压力，即通常所说的表压力，用h表示。相对压力h、绝对压力P与大气压力P0的关系为：

h＝P－P0（2-12）2023/9/215第15页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法在压入式通风矿井中，井下空气的绝对压力都高于当地当时同标高的大气压力，相对压力是正值，称为正压通风；在抽出式通风矿井中，井下空气的绝对压力都低于当地当时同标高的大气压力，相对压力是负值，又称为负压通风。绝对压力、相对压力和大气压力三者的关系见图2-2所示。图2-2绝对压力、相对压力和大气压力之间的关系由此，可看出绝对压力、相对压力的差别：①绝对压力总是为正，而相对压力有正负之分；②同一断面上各点风流的绝对压力随高度的变化而变化，而相对压力与高度无关。③绝对压力可能大于、等于或小于与该点同标高的大气压(P0)。

2023/9/216第16页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法三、测压仪器（一）绝对压力的测量：工作原理:空盒气压计是以弹性金属做成的簿膜空盒作为感应元件，它将大气压转换成空盒的弹性位移，通过杠杆和传动机构带动指针。当顺时针方向偏转时，指针就指示出气压升高的变化量，反之，当逆时针方向偏转时，指针就指示出气压降低的变化量。当空盒的弹性应力与大气压力平衡时，指针就停止不动，这时指针所指示气压值就是当时的大气压力值。技术性能：1、测量范围：800～1064hPa2、温度范围：-10～+40℃3、误差范围：2.0hPa使用方法：1、使用时请将空盒气压表水平放置。

2、读数前用手指轻轻扣敲仪器外客或表面玻璃，以消除传动机构的摩擦。

3、观察时指针与镜面指针相重叠，此时指针所指数值即为气压表示值，读数精确到小数一位。

2023/9/217第17页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法图2-3空盒气压计内部结构1、2、3、4传动机构；5、拉杆4；6、波纹真空膜盒；7、指针；8、弹簧2023/9/218第18页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法（二）相对压力的测量：1、皮托管皮托管是承受和传递压力的工具。它由两个同心圆管相套组成，其结构如图2-4所示。内管前端有中心孔，与标有“+”号的接头相通；外管前端侧壁上分布有一组小孔，与标有“-”号的接头相通，内外管互不相通。图2-4皮托管使用时，将皮托管的前端中心孔正对风流，此时，中心孔接受的是风流的静压和动压（即全压），侧孔接受的是风流的静压。通过皮托管的“+”接头和“-”接头，分别将全压和静压传递到压差计上。2023/9/219第19页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法2、U形压差计U形压差计测量井巷中（或管道内）某点的相对压力或两点的压力差时的仪器，一般需要用皮托管配合压差计来进行。有U形垂直压差计和U形倾斜压差计两种，构造如图2-5所示。图2-5U形压差计a—垂直形b—倾斜形1—U形玻璃管；2—标尺2023/9/220第20页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法U形垂直压差计由垂直放置的U形玻璃管和标尺组成，U形玻璃管中装入蒸馏水或酒精，当玻璃管两端分别接入不等的空气压力时，通过两端液面的高差，在标尺上读出两点之间的空气压力差。U形垂直压差计精度低，但量程大，适用于精度要求不高，压差较大的地方，如矿井主通风机房内测量风硐内外的压差。为了减小读数误差，可使用U形倾斜压差计，其测得的读数按下式计算压差：h＝ρgLsinα（2-13）式中h——两液面的垂直高差，即压差，Pa；

ρ——玻璃管内液体的密度，kg/m3；

L——两端液面倾斜长度差，mm；α——U形管倾斜的角度（可调整），对于U形垂直压差计α＝90º。2023/9/221第21页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法3、倾斜压差计我国煤矿上常用的是Y-61型单管倾斜压差计如图2-6所示，在其底座上装设容器和带刻度的玻璃管，并用胶皮管将其连接，容器的顶盖上有注液孔螺钉、三通螺塞及零位调整螺钉，仪器的底座上有水准泡和调平螺丝。玻璃管的倾角可借助弧形板与销钉来调节。1）工作原理单管压差计工作原理如图2-6所示。图2-6单管压差计工作原理图2023/9/222第22页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法它是由一个具有大断面的容器A（面积为F1）与一个小断面的倾斜管B（面积为F2）互相连通，并在其中装有适量酒精的仪器。若在P1与P2压差作用下，具有倾斜度α的管子B内的液体在垂直方向升高了一个高度Z1，而A容器内的液面下降了Z2，这时仪器内液面的高差为：Z=Z1+Z2（2-14）由于A容器液体下降的体积与B管液体上升的体积相等，即：Z2F1=LF2（2-15）则Z2=LF2/F1并且Z1=Lsinα把Z1与Z2代入上式，得：Z=Z1+Z2=L（sinα+F2/F1）（2-16）故用此压差计测得P1与P2之压差h为：h=Zδ=Lδ(sinα+F2/F1)（2-17）式中：δ——酒精的比重；令：K=δ(sinα+F2/F1)则：h=KLmmC2H5OH（2-18）式中：K——仪器的校正系数；L——倾斜管上的读数，mm。2023/9/223第23页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法2）结构原理：图2-7是Y-61型倾斜微压计的结构图，在底座上装设大容器与带刻度的倾斜测压管，并用胶皮管将其连通。大容器的顶盖上有加液盖，三通阀门柄及零位调整螺旋，仪器的底座上有水准泡和调平螺钉。倾斜测压管的倾角可借弧形支架与销钉来调节。为了读数准确，倾斜测压管上装有活动游标。零位调整螺旋下部是一个浸入液体的圆柱体，若转动零位调整螺旋就可改变圆柱体浸入液体的深度。图2-7Y-61型单管倾斜压差计结构1、底座；2、水准指示器；3、弧形支架；4、加液盖；5、零位调整螺旋；6、三通阀门柄；7、游标；8、倾斜测压管；9、调平螺钉；10、大容器；11、多向阀门2023/9/224第24页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法三通阀门柄如图2-8所示，当反时针方向转动其旋钮至极限位置时倾斜测压管借胶皮管与大容器连通，并经三通旋塞孔与大气相通，而标有“+”、“-”两管接头则被隔断，此时为调整零位位置，当顺时针方向转动其旋钮至极限位置时，管接头“+”端与大容器相通，标有“-”管接头借胶皮管通向玻璃管液面，此时三通旋塞孔与大气的通路则被隔断，此即为测压位置。（a）（b）

图2-8三通阀门柄位置图2023/9/225第25页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法3）仪器操作：⑴注入酒精:将零位调整螺旋置于中间位置，拧开加液盖，把配置好的酒精（比重0.81）漫漫注入容器10内，直到玻璃内酒精液面在“0”附近为止。⑵调平仪器:将玻璃管按所测压力大小固定到合适位置，用零位调整螺旋将仪器调平，转动三通阀门柄至“调零”位置，玻璃管液面如不在“0”刻度上，则调整零位调整螺旋使液面恰好位于“0”刻度上。⑶测压:实测中，转动三通阀门柄旋转到“测压”位置。如被测压力高于大气压力时，将被测管接在“+”压管接头上；待液面稳定后，即可读数，记作L，将其乘以玻璃管所在位置的校正系数K，即为测得的正压。2023/9/226第26页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法4、补偿式微压计补偿式微压计主要用于非腐蚀性气体微小压力量值的传递、校准和测试，它可测量微小气体的正压和压差。它的测量范围是-1500～2500Pa，基本误差在-1.5～2.5Pa之间图2-9补偿式微压计2023/9/227第27页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法1)测量时的准备工作把微压计放在工作台上,调整水平调节螺钉,使基座上的水平气泡内的气泡在黑圈中间,转动微调盘与示值滑块均调到“0”位,旋下动压管顶端密封螺钉,逐渐往内灌入蒸馏水,同时从反光镜上观察水准尖头与液面基本相接近时,暂停加水,然后旋紧加液密封螺钉,缓慢转动微调盘,使蓄水筒上下几次排尽空气,数分钟后再转动螺母,使得观察筒内的液面与水准尖头相切。2）测压与连接①当测正压时，将被测气体的正压接嘴与微压计动压接嘴用橡胶管连接好，转动微调盘，当观察筒反光镜面上反射的水准尖头的倒影且（两个影尖）相切时，在垂直标尺上和指针所对的微调盘上分别读取数值，二者之和即为被测仪器示值读数（mm），被测压力值由下式确定：P=ρgh（1-ρ/ρ/）10-3(2-19)P——被测压力值（Pa）H——仪器示值读数（mm）ρ——检定温度下水的密度（kg/cm3）ρ/——使用环境温度下的空气密度（kg/cm3）②当测负压时，用橡胶软管把被测压力接嘴与微压计静压接嘴连接起来，按以上相同方法读取微压计的示值读数（mm）并进行计算。③当测压差时，用二根橡胶软管把被测的正压、负压接嘴分别与微压计的动压、静压接嘴相连接，按以上相同方法读取示值并进行计算。

2023/9/228第28页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法（三）矿井通风参数检测仪JFY-2型矿井通风参数检测仪是一种能同时测量井下空气的绝对压力、相对压力、风速、温度、湿度精密手持式便携本质安全型仪器，为井下均压防灭火，科学管理矿井和测定矿井通风阻力提供有效的测量手段。其主要技术参数如表2-2所示。表2-2JFY型矿井通风参数检测仪技术参数表技术参数测量范围测量分辨率测量精度绝对压力（hPa）600～120010±100压差（mmH2O）-300～3000.1±1温度（℃）-30～+400.1±0.5相对湿度（%）50～981.0±4.0风速（m/s）0.4～150.1±0.32023/9/229第29页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法该仪器由压力传感器、风速传感器、温度传感器、湿度传感器以及智能微机组成。其中的压力传感器采用高精度振动筒压力传感器，其结构如图2-10所示，主要由保护筒、激振元件、振动弹性体、温度传感器、真空腔和拾振元件等组成。振动弹性体3为一个薄壁圆筒（壁厚0.08mm），是感受压力的敏感元件，与保护筒1焊接在一起，共同构成真空腔，此腔是测压基准参考腔。激振元件2、拾振元件6与放大器构成测压振荡器，在常压下产生一个固有的振动频率f，当压力P变化时，振荡器的固有频率也发生变化，即压力P与频率f一一对应，并且单值连续。通过测量频率f（或周期T）即可测出外界的绝对压力P。图2-10振动筒压力传感器1—保护筒；2—激振元件；3—振动弹性体；4—温度传感器；5—真空腔；6—拾振元件；7—底座支架2023/9/230第30页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法仪器的操作方法参见仪器面板布置图2-11。测量前先将电源开关打到“通”的位置，电源电压指示灯亮，若指示灯发暗，说明电源电压不足，应先充电。图2-11JFY型矿井通风参数检测仪面板图1—气孔；2—电源开关；3—电源电压指示灯；4—压力记忆开关；5—充电插座；6—绝对压力键；7—压差键；8—温度键；9—相对湿度键；10—风速键；11—记风速键；12—读平均风速键；13—总清键；14—备用键；15—风速传感器；16—温度传感器；17—湿度传感器；18—液晶显示；19—单位显示；20—电子表2023/9/231第31页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法（1）测量绝对压力。仪器通电后，整机进入自检状态，显示传感器的周期数，按“总清”键，则显示测点的绝对压力，单位为hPa。（2）测量相对压力。仪器通电后，只要按下“差压”键，并将记忆开关拨向“记忆”位置，则进入相对压力测定状态，此时，仪器将按键时测点的绝对压力P0值记入内存中，并将此值作为后面的测压基准，当仪器发生位移或测点的绝对压力变化后，面板上液晶窗口显示的总是压差值（⊿P=P-P0），单位为mmH2O。只要不断电和记忆开关处于“记忆”位置不变，后面的测压基准P0也不变。要想了解其它参数值，只要按下相应的键即可。（3）测量温度和相对湿度。仪器通电后，不论处于何种状态，只要按下“温度”键，就显示当时测点的温度值；按下“湿度”键，就显示当时测点的相对湿度值。因温度和湿度传感器都有滞后现象，因此，从前一测点转到另一测点时，应等待2～5min后再读数。（4）测量风速。可以测量点风速，也可以测量断面的平均风速。测量点风速时，只要把风速传感器上的箭头方向朝向风流，按下“风速”键读数即可，单位为m/s。要测断面的平均风速时，可利用机械风表测风时的定点法（如图1-10），先测1点风速，按下“风速”键，显示1点风速值。再按下“记风”键，显示该点风速后，又显示一下“1”，表示1点的风速已存入内存中；将传感器移到2点，按下“记风”键，显示2点的风速值后又显示一下“2”，表示2点的风速已存入内存；……，如此进行，直到将所有测点测完，最后再按“读风”键，读出该巷道断面的平均风速值。矿井通风综合参数检测仪广泛应用于矿井通风阻力测定、通风压能图测定等工作中。除此之外，常用的数字式气压计还有BJ—1型、WFQ—2型等，既能测绝对压力又可测相对压力。2023/9/232第32页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法四、测压方法（一）风流点压力井巷风流断面上任一点的压力称为风流的点压力。相对于某基准面来说，点压力也有静压、动压和位压；就其形成的特征来说，点压力可分为静压、动压和全压；根据压力的两种测算基准，静压又分为绝对静压（P静）和相对静压（h静）；全压也分为绝对全压（P全）和相对全压（h全）；动压永远为正值，无绝对、相对压力之分，用h动表示。（二）绝对压力的测量1、绝对静压井巷风流中某点的绝对静压一般用空盒气压计、矿井通风综合参数测定仪测定。2、动压h动的测定2023/9/233第33页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法有两种方法：（1）在通风井巷中，一般用风表测出该点的风速，利用式（2-8）计算动压。（2）在通风管道中，可利用皮托管和压差计直接测出该点的动压。如图2-12所示。图2-12动压的测定3、绝对全压的测定测出某点的绝对静压P静和动压h动之后，用下式计算该点的绝对全压P全：P全＝P静＋h动（2-20）2023/9/234第34页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法（三）相对压力的测量风流中某点的相对压力常用皮托管、压差计和导压胶管测定某点的相对静压、速压和相对全压。其布置方法如图2-13a所示。左图为压入式通风，右图为抽出式通风。图2-13不同通风方式下风流中某点压力测量和压力之间的相互关系a—皮托管和压差计的布置方法b—风流中某点各种压力之间的关系2023/9/235第35页，课件共55页，创作于2023年2月第二节矿井空气压力及其测量方法（四）测量两点间静压差、全压差风流中两点间的静压差与全压差，可用皮托管和压差计按图2-14的布置方法测量。将两支皮托管的“—”号端用胶皮管连在压差计上，压差计上的读数即为两点之间的静压差；将两支皮托管的“+”号端用胶皮管连在压差计上，压差计上的读数即为两点之间的全压差。图2-14静压差与全压差的测量（a）静压差的测量（b）全压差的测量2023/9/236第36页，课件共55页，创作于2023年2月第三节矿井通风中的能量方程及其应用一、稳定流动的空气连续性方程根据稳定流的特点，流入某空间的流体质量必然等于流出其空间的流体质量。矿井通风中，由于巷道空间小，其密度没有明显变化，空气在井巷中的流动可以看作是稳定流，满足质量守恒定律。图2-15所示，矿井空气从1断面流向2断面时，在流动过程中既无漏风又无补给，符合稳定流的特点。则单位时间内流入1断面的空气质量M1与流出2断面的空气质量M2相等，即M1＝M2，kg/s或ρ1v1S1＝ρ2v2S2（2-21）式中ρ1、ρ2——1、2断面上空气的平均密度，kg/m3；

v1、v2——1、2断面上空气的平均流速，m/s；

S1、S2——1、2断面的断面积，m2。2023/9/237第37页，课件共55页，创作于2023年2月第三节矿井通风中的能量方程及其应用式（2-21）为空气流动的连续性方程，适用于可压缩和不可压缩流体。图2-15风流在巷道中稳定流动对于不可压缩流体，即ρ1＝ρ2，则有v1S1＝v2S2（2-22）2023/9/238第38页，课件共55页，创作于2023年2月第三节矿井通风中的能量方程及其应用例2-3风流在如图2-12所示的巷道中流动，已知ρ1＝ρ2＝1.15kg/m3，S1＝10m2，S2＝6m2，v1＝3m/s。求1、2两断面上通过的质量流量M1、M2；体积流量（风量）Q1、Q2；2断面的平均风速v2。解:

（1）M1＝M2＝ρ1v1S1＝1.15×3×10＝34.5kg/s（2）Q1＝Q2＝v1S1＝3×10＝30m3/s（3）v2＝Q2/S2＝30/6＝5.0m/s2023/9/239第39页，课件共55页，创作于2023年2月第三节矿井通风中的能量方程及其应用二、矿井通风中能量方程（Z1ρ1g－Z2ρ2g），J/m3或Pa

（2-23）

由于实际井下空气的密度值是有变化的，利用公式计算时，应特别注意动压中ρ1、ρ2与位压中ρ1、ρ2的选取方法。动压中的ρ1、ρ2分别取1、2断面风流的空气密度，位压中的ρ1、ρ2视基准面的选取情况按下述方法计算：2023/9/240第40页，课件共55页，创作于2023年2月第三节矿井通风中的能量方程及其应用（1）当1、2断面位于矿井最低水平的同一侧时，如图2-16a所示，2断面的位压为0（Z2＝0），1断面相对于2断面的位压计算式中ρ应为ρ12＝（ρ1＋ρ2）/2。（2）当1、2断面分别位于矿井最低水平的两侧时，如图2-16b所示，应将位压的基准面选在最低水平，空气密度则分别为两侧断面距基准面的平均密度ρ10与ρ20，应分别为ρ10＝（ρ1＋ρ0）/2，ρ20＝（ρ2＋ρ0）/2。图2-16能量方程中位压基准面的确定及ρ的取法（a）两断面位于井底同一侧（b）两断面分别位于井底两侧2023/9/241第41页，课件共55页，创作于2023年2月第三节矿井通风中的能量方程及其应用三、能量方程在矿井中的应用（一）计算巷道通风阻力并判别风流流向（二）、矿井通风阻力与空气压力的关系2023/9/242第42页，课件共55页，创作于2023年2月第三节矿井通风中的能量方程及其应用例2-4某倾斜巷道如图2-17所示，测得1、2两断面的绝对静压分别为98000Pa和97000Pa；平均风速分别为4m/s和3m/s；空气密度分别为1.14kg/m3和1.12kg/m3；两断面的标高差为50m。求1、2两断面间的通风阻力并判断风流方向。解:取标高较低的1断面为位压基准面，并假设风流方向为1→2，根据能量方程：（Z1ρ1g－Z2ρ2g）＝（98000－97000）＋（1.14×42/2－1.12×32/2）＋[0－50×(1.14＋1.12)/2×9.8]

＝46Pa因为求得的通风阻力为正值，说明1断面的总压力大于2断面的总压力，原假设风流方向正确，风流方向应为1→2，通风阻力为46Pa。2023/9/243第43页，课件共55页，创作于2023年2月第三节矿井通风中的能量方程及其应用图2-17倾斜巷道2023/9/244第44页，课件共55页，创作于2023年2月第三节矿井通风中的能量方程及其应用（二）、矿井通风阻力与空气压力的关系1．抽出式通风矿井中通风阻力与主通风机风硐断面相对压力之间的关系

图2-18抽出式通风矿井如图2-18所示，整个风流的流动路线所遇到的通风阻力为进风井口的局部阻力和井筒、巷道的通风阻力之和。

h阻＝h局1＋h阻14，Pa（2-24）2023/9/245第45页，课件共55页，创作于2023年2月第三节矿井通风中的能量方程及其应用根据能量方程式，进风井口的局部阻力h局1就是地面大气与进风进口断面1之间的总压力差（两个断面高差近似为零，地面大气为静止状态）；井筒及巷道的通风阻力h阻14为进风井口断面1与主通风机风硐断面4的总压力差。即：h局1＝P0－（P静1＋h动1）h阻14＝（P静1＋h动1＋Zρ12g）－（P静4＋h动4＋Zρ34g）将两式合并得：h阻＝（P0－P静4）－h动4＋（Zρ12g－Zρ34g）＝h静4－h动4＋（Zρ12g－Zρ34g）设H自=（Zρ12g－Zρ34g）为该矿井自然风压，则h阻＝h静4－h动4±H自＝h全4±H自，Pa当Zρ12g＞Zρ34g时，H自为正值，当Zρ12g＜Zρ34g时，H自为负值。

h阻＝h静4－h动4±H自＝h全4±H自，Pa（2-25）式（2-25）为抽出式通风矿井的通风总阻力测算式，反映了矿井的通风阻力与主通风机风硐断面相对压力之间的关系，在风机房将压差计与风硐内的皮托管相连，可随时掌握矿井通风阻力的变化情况。

2023/9/246第46页，课件共55页，创作于2023年2月第三节矿井通风中的能量方程及其应用例2-5某抽出式通风矿井如图2-18所示，测得风硐断面的风量Q＝40m3/s，风硐净断面积S4＝5m2，空气密度ρ4＝1.15kg/m3，风硐外与其同标高的大气压力P0＝101320Pa，主通风机房内静压水柱计的读数h静4＝2200Pa，矿井的自然风压H自＝100Pa，自然风压的方向与主通风机工作方向相反。试求P静4、h动4、P全4、h全4和矿井的通风阻力h阻各为多大？解:P静4＝P0－h静4＝101320－2240＝99120Pa

h动4＝ρ4v42/2＝ρ4（Q/S）2/2＝1.15×（40/5）2/2＝36.8Pa

P全4＝P静4＋h动4＝99120＋36.8＝99156.8Pa

h全4＝h静4－h动4＝2200－36.8＝2163.2Pa

h阻＝h静4－h动4±H自＝2200－36.8－100＝2063.2Pa2、压入式通风矿井中通风阻力与主通风机风硐断面相对压力之间的关系图2-19为简化后的压入式通风矿井示意图。一般包括吸风段1→2和压风段3→6，实际上属于抽压混合式通风，主要风流路线包括吸风段1→2、进风井筒3→4、井下巷道4→5、回风井5→6排出地面。在风流流动的整个线路中，所遇到的通风阻力包括吸风段和压风段。即：

h阻＝h阻抽＋h阻压(2-26)其中压风段的阻力包括井筒、井下巷道的阻力与出风井口的局部阻力（空气由井筒断面突然扩散到地面大气的阻力）之和。即：

h阻压＝h阻36＋h局6，Pa（2-27）2023/9/247第47页，课件共55页，创作于2023年2月第三节矿井通风中的能量方程及其应用图2-19压入式通风矿井根据能量方程式，h阻36、h局6可分别用下两式表示：h阻36＝（P静3＋h动3＋Zρ34g）－（P静6＋h动6＋Zρ56g）h局6＝（P静6＋h动6）－P0将两式代入式（2-27）并整理得：h阻压＝（P静3－P0）＋h动3＋（Zρ34g－Zρ56g）＝h静3＋h动3＋（Zρ34g－Zρ56g）2023/9/248第48页，课件共55页，创作于2023年2月第三节矿井通风中的能量方程及其应用上式中h静3为风硐3断面的相对静压，h动3为风硐3断面的动压，（Zρ34g－Zρ56g）为矿井的自然风压H自，同样H自也有正有负，公式可写成下式：

h阻压＝h静3＋h动3±H自＝h全3±H自，Pa（2-28）考虑到吸风段的通风阻力（因标高差很小，吸风段的位压差可忽略不计），则：h阻＝（h静2－h动2）＋（h静3＋h动3±H自）＝h全2＋h全3±H自，Pa（2-29）上式为压入式通风矿井的通风总阻力测算式，也反映了压入式通风矿井通风阻力与主通风机风硐断面相对压力之间的关系。2023/9/249第49页，课件共55页，创作于2023年2月第三节矿井通风中的能量方程及其应用3、通风系统中风流能量（压力）坡线图1）水平巷道的风流能量（压力）坡线图通风系统中风流能量（压力）坡度线是对矿井通风能量方程的图形描述，可以清晰地表明矿井通风系统中各断面的静压、动压、位压和通风阻力之间的相互转化关系，从而加深对能量方程的理解，是矿井通风管理和均压防灭火工作的有力工具。图2-20水平巷道能量（压力）坡度图2023/9/250第50页，课件共55页，创作于2023年2月第三节矿井通风中的能量方程及其应用由于风道是水平的，故各断面间位能差为零，由能量方程可知，任意两断面间的通风阻力就等于两断面的全压差。即h阻ij＝（P静i