矿井通风阻力

矿井通风阻力第1页，课件共59页，创作于2023年2月2第3章矿井通风阻力中国矿业大学多媒体教学课件第2页，课件共59页，创作于2023年2月3上一章内容第2章矿内空气动力学基础2.1流体的概念2.2风流能量与能量方程2.3风流压力及压力坡度

第3页，课件共59页，创作于2023年2月4上一章内容学习目标1、流体的概念2、风流能量与能量方程3、风流压力及压力坡度重点与难点1、点压力之间的关系2、能量方程及其在矿井中的应用第4页，课件共59页，创作于2023年2月5第3章矿井通风阻力风流必须具有一定的能量，用以克服井巷对风流所呈现的通风阻力。通常矿井通风阻力分为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总阻力的主要组成部分。第5页，课件共59页，创作于2023年2月6第3章矿井通风阻力第3章矿井通风阻力3.1风流的流动状态

3.2摩擦阻力

3.3局部阻力

3.4通风阻力定律和特性

3.5通风阻力测量

第6页，课件共59页，创作于2023年2月7学习目标、重点与难点学习目标1、风流的流动状态2、摩擦阻力3、局部阻力4、通风阻力定律和特性、通风阻力测量重点与难点1、摩擦阻力产生的原因和测算2、局部阻力产生的原因和测算第7页，课件共59页，创作于2023年2月83.1流体的概念风流的流动状态分为层流与紊流。层流是指流体各层的质点互不混合，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。紊流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。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，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。□第8页，课件共59页，创作于2023年2月9可用一个无因次参数Re（雷诺数）来表示上述三因素的综合作用，对于圆形管道（3-1-1）式中V为管道中流体的平均速度，m/s；d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。设r为流体的水力半径，指流体的断面S（m2）与流体的周界U（m）之比，即r＝S/U，m。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：，或，m（3-2-2）代入（3-1-1）式，得出用于非圆形巷道风流雷诺数的计算式为：（3-1-3）式中S为巷道的断面，m2；U为巷道的周界，m。第9页，课件共59页，创作于2023年2月10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，水流呈层流状态；约在时，水流开始向紊流过渡，故称2000为临界雷诺数；当时，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各种流态下的平均风速。例如某巷道的断面S＝2.5m2，周界U＝6.58m，风流的＝14.410－6m2/s。则用（3-1-3）式估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0.15～0.25m/s以上，且大多数井巷的断面都大于2.5m2，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，Re＝100000时，该巷道内风流呈现完全紊流的平均风速约为：V＝100000×6.58×14.4×10-6/（4×2.5）＝0.95m/s.第10页，课件共59页，创作于2023年2月113.2摩擦阻力3.2.1摩擦阻力的意义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，引起内外摩擦而产生的阻力称作摩擦阻力。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相同。流态不同的风流，摩擦阻力hfr的产生情况和大小也不同。前人实验得出水流在圆管中的沿程阻力公式是：式中λ为实验比例系数，无因次；ρ为水流的密度，kg/m3；L为圆管的长度，m；d为圆管的直径，m；V为圆管内水流的平均速度，m/s。上式是矿井风流摩擦阻力计算式的基础，它对于不同流态的风流都能应用，只是流态不同时，式中λ的实验表达式不同。□第11页，课件共59页，创作于2023年2月12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，λ系数和管壁的粗糙度、Re的关系。实验是用管壁平均突起的高度（即砂粒的平均直径）k（m）和管道的直径d（m）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3-2-1所示，图中表明以下几种情况：（1）在lgRe≤3.3（即Re≤2000）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都分布于其上，λ随Re的增加而减少，且与管道的相对光滑度无关，此时，λ与Re的关系式为：λ=64/Re（3-2-2）（2）在3.3<lgRe<5.0（即2000<Re<100000）的范围内，即当流体由层流到紊流再到完全紊流的中间过渡状态时，λ系数既和Re有关，又和管壁的相对光滑度有关。第12页，课件共59页，创作于2023年2月13（3）在lgRe≥5.0（即Re≥100000）以上，即当流体作完全紊流状态流动时，λ系数和Re无关，只和管壁的相对光滑度有关，管壁的相对光滑度越大，λ值越小。其实验式为

（3-2-3）第13页，课件共59页，创作于2023年2月14图3-2-1尼古拉茨实验图第14页，课件共59页，创作于2023年2月15在紊流状态下，流体的能量损失大大超过层流状态。在层流状态下，能量只损失在速度不同的流体层间的内摩擦力方面，而在紊流状态下，除这种损失外还有消耗在因流体质点相互混杂、能量交换而引起的附加损失，当雷诺数增加到一定程度时，这种附加损失将急剧增大到主导地位。如图3-2-2所示，紊流的结构可分为层流边层、过渡层和紊流区三个组成部分。紊流区又称紊流核，是紊流的主体，层流区流速很小或接近于零。随着雷诺数增大，层流边层的厚度减薄，以至不能遮盖管壁的突起高度，管壁粗糙度即对流动阻力发生影响。当，流体呈完全紊流和层流边层厚度趋于零时，则如（3-2-3）式所示，λ值只决定于管壁的相对粗糙度，而与Re无关。第15页，课件共59页，创作于2023年2月16

例：某巷道的断面S＝2.5m2，周界U＝6.58m，风流的ν＝14.4×10－6m2/s，试计算出风流开始出现紊流时的平均风速？解：当风流开始出现紊流时，则其Re＝2000，当完全紊流时，Re＝100000，因此：由于煤矿中大部分巷道的断面均大于2.5m2，井下巷道中的最低风速均在0.25米/秒以上，所以说井巷中的风流大部为紊流，很少为层流。第16页，课件共59页，创作于2023年2月173.2摩擦阻力3.2.2完全紊流状态下的摩擦阻力定律前面谈到，井下多数风流属于完全紊流状态，故下面重点讨论完全紊流状态下的摩擦阻力。把上面(3-2-2)式代入(3-2-1)式，得，Pa（3-2-4）因矿井空气密度变化不大，而且对于尺度和支护已定型的井巷，其壁面的相对光滑度是定值，则在完全紊流状态下，值是常数。把上式中的用一个系数来表示，即（3-2-5）此系数称为摩擦阻力系数。在完全紊流状态下，井巷的值只受、或的影响。对于尺寸和支护已定型的井巷，值只与或成正比。将（3-2-5）代入（3-2-4）式，得，Pa（3-2-6若通过井巷的风量为Q（），则V=Q/S，代入上式，得第17页，课件共59页，创作于2023年2月18由于矿井中巷道的长度，周界及摩擦阻力系数在巷道形成后一般变化较小，可看作常数。再令：Rfr——为巷道的摩擦风阻。这时：这就是完全紊流情况下的摩擦阻力定律。当巷道风阻一定时，摩擦阻力与风量的平方成正比。第18页，课件共59页，创作于2023年2月19

井巷摩擦阻力的计算[例1]某梯形木支架煤巷，长200米，断面积为4m2，沿断面的周长为8.3m，巷道摩擦阻力系数α通过查表得到的标准值为0.018N·s2/m4，若通过巷通的风量为960m3/min，试求其摩擦阻力?解：答：该巷道的摩擦阻力为119.5Pa。应当注意，巷道的α值随ρ的改变而改变，在高原地区，空气稀薄，当地的α值需进行校正。校正式如下：第19页，课件共59页，创作于2023年2月203.2.3层流状态下的摩擦阻力定律第20页，课件共59页，创作于2023年2月213.2.4摩擦阻力的计算方法完全紊流状态下井巷的摩擦阻力的计算是新矿井通风设计的重要依据。即按照所设计的井巷长度、周界、净断面积、支护方式和要求通过的风量，以及其中有无提升运输设备等，用查表法选定该井巷的摩擦阻力系数值，然后用(3-2-8)或(3-2-10)式计算该井巷的摩擦阻力。确定值的查表法是从前人实验或实测所归纳出来的表3-2-1～表3-2-15中查出适合该井巷的标准值(指空气密度为1.2kg／m3的值，N·s2／m4)。对于平原地区的新矿井通风设计，可用此标准值进行计算。第21页，课件共59页，创作于2023年2月223.2.5降低摩擦阻力的措施井巷通风阻力是引起风压损失的主要根源，因此降低井巷通风阻力，特别是降低摩擦阻力就能用较少的风压消耗而通过较多的风量。许多原来是阻力大，通风困难的矿井，经降低阻力后即变为阻力小、通风容易的矿井。根据hfr＝(αLU/S3)Q2的关系式可以看出，保证一定风量，降低摩擦阻力的方法就是降低摩擦风阻，根据影响Rfr的各因素，降低摩擦阻力的主要措施有：□第22页，课件共59页，创作于2023年2月231．降低αRfr与α成正比，而α主要决定于巷道粗糙度，因此降低α，就应尽量使巷道光滑。当采用棚子支护巷道时，要很好地刹帮背顶，在无支护的巷道，要注意尽可能把顶底板及两帮修整好；对于井下的主要巷道，在采用料石或混凝土砌璇，特别是采用锚杆支护技术时，更能有效地使α系数减小。2．扩大巷道断面S因Rfr与S3成反比，所以扩大巷道断面有时成为降低摩擦阻力的主要措施。由于摩擦阻力又与风量的平方成正比，因此在采用这种措施时，应抓主要矛盾，即首先应考虑风量大、断面小的总回风道的扩大，其次再考虑其它巷道的扩大。第23页，课件共59页，创作于2023年2月243．减少周界长URfr与U成正比，在断面积相等的条件下，选用周长较小的拱形断面比周长较大的梯形断面好。4.减少巷道长LRfr与L成正比，进行开拓设计时，就应在满足开采需要的条件下，尽可能缩短风路的长度。例如，当采用中央并列式通风系统，如阻力过大时，即可将其改为两翼式通风系统以缩短回风路线。5．避免巷道内风量过大。摩擦阻力与风量的平方成正比。巷道内的风量如果过大，摩擦阻力就会大大增加。因此，要尽可能使矿井的总进风早分开，总回风晚汇合，即风流“早分晚合”。

降低摩擦阻力，还应同时结合井巷的其它用途与经济等因素进行综合考虑。如断面过大，不但不经济，而且也不好维护，反而不如选用双巷。第24页，课件共59页，创作于2023年2月253.3局部阻力3.3.1局部阻力的概念风流在井巷的局部地点，由于速度或方向突然发生变化，导致风流本身产生剧烈的冲击，形成极为紊乱的涡流，因而在该局部地带产生一种附加的阻力，称为局部阻力。井下产生局部阻力的地点较多，例如巷道拐弯、分叉和汇合处，巷道断面变化处，进风井口和回风井口等。□第25页，课件共59页，创作于2023年2月263.3.2局部阻力定律前人实验证明，在完全紊流状态下，不论井巷局部地点的断面、形状和拐弯如何变化，所产生的局部阻力都和局部地点的前面或后面断面上的速压成正比。例如图3-3-1所示突然扩大的巷道，该局部地点的局部阻力为式中v1、v2分别是局部地点前后断面上的平均风速，m/s；、－局部阻力系数，无因次，分别对应于hv1、hv2。对于形状和尺寸已定型的局部地点，这两个系数都是常数，但它们彼此不相等。可以任用其中的一个系数和相应的速压计算局部阻力；—局部地点的空气密度,kg/m3。第26页，课件共59页，创作于2023年2月27若通过局部地点的风量为Q，前后两个断面积是S1和S2，则两个断面上的平均风速为：v1=Q/S1，m/s；v2=Q/S2，m/s代入（3-3-1）式，得，Pa（3-3-2）令，Ns2/m8（3-3-3）式中Rer称为局部风阻。当局部地点的规格尺寸和空气密度都不变时，Rer是一个常数。将（3-3-3）代入（3-3-2），得，Pa（3-3-4）上式表示完全紊流状态下的局部阻力定律，和完全紊流状态的摩擦阻力定律一样，当Rer一定时，her和Q平方成正比。第27页，课件共59页，创作于2023年2月283.3.3局部阻力的计算方法在一般情况下，由于矿井内风流的速压较小，所产生的局部风阻也较小，井下各处的局部阻力之和只占矿井总阻力的10～20%左右。故在通风设计工作中，不逐一计算井下各处的局部阻力，只在这个百分数范围内估计一个总数。但对掘进通风用的风筒和风量较大的井巷，由于其中风流的速压较大，就要逐一计算局部阻力。计算局部阻力时，用（3-3-1）式比较简便。先要根据井巷局部地点的特征，对照前人实验所得表3-3-1和表3-3-2，查出局部阻力系数的近似值，然后用图表中所指定的相应风速进行计算。（3-3-1）第28页，课件共59页，创作于2023年2月29几种局部阻力的ζ值第29页，课件共59页，创作于2023年2月30表3-3-1表示巷道局部地点小断面S1和大断面S2的比值相同时，突然缩小比突然扩大的局部阻力系数要小；表3-3-2第一项所示的进风口比最后一项所示的出风口的局部阻力系数也要小。这是因为风流突然缩小时，所产生的冲击现象没有风流突然扩大时那样急剧的缘故。第30页，课件共59页，创作于2023年2月31例如，某进风井内的风速＝8m／s，井口空气密度是1.2kg／m3，井口的净断面S＝12.6m2，查表3-3-2知该井口风流突然收缩的局部阻力系数是0.6，则该井口的局部阻力和局部风阻为（Pa）

（Ns2/m8）如果上列是条件相同的回风井口，查表3-3-2知该井口风流突然扩大的局部阻力系数是l，则该井口的局部阻力和局部风阻分别为（Pa），Ns2/m8以上计算结果是：；第31页，课件共59页，创作于2023年2月323.3.4降低局部阻力的措施由于局部阻力与风速的平方或风量的平方成正比。故对于风速高、风量大的井巷，更要注意降低局部阻力，即在这些井巷内，要尽可能避免断面的突然扩大或突然缩小；尽可能避免拐的弯，在拐弯处的内侧和外侧要做成斜面或圆弧形，拐弯的弯曲半径尽可能加大，还可设置导风板；尽可能避免突然分叉和突然汇合，在分叉和汇合处的内侧要做成斜面或圆弧形。对于风速大的风筒，要悬挂平直，拐弯的弯曲半径要尽可能加大。此外，在主要巷道内不得随意停放车辆、堆积木材或器材；必要时，宜把正对风流的固定物体(例如罐道梁)做成流线形。第32页，课件共59页，创作于2023年2月333.4通风阻力定律和特性3.4.1通风阻力定律所谓通风阻力定律，就是前面所述的摩擦阻力定律和局部阻力定律的结合，也就是通风阻力、风阻和风量三个参数相互依存的规律。在完全紊流状态下，通风阻力定律是：h＝RQ2，Pa，（3-4-1）即h和R(Ns2/m8)的一次方成正比，和Q（m3/s）的平方成正比。若某一井巷通过一定风量，同时产生摩擦阻力和局部阻力，则h和R分别是该井巷的通风阻力和总风阻。对于一个矿井来说，h、R和Q分别代表该矿井的通风阻力、总风阻和总风量。□第33页，课件共59页，创作于2023年2月34在层流状态下，通风阻力定律是：h=RQ（3-4-2）即h和R(Ns2/m8)的一次方成正比，和Q（m3/s）的一次方成正比。在中间过渡状态下，通风阻力定律是：h=RQx（3-4-3）即h和R(Nsx/m2+3x)的一次方成正比，和Q（m3/s）的x方成正比。指数x大于1而小于2。上述通风阻力定律是矿井通风学科中最基本的定律。只有井下个别风速较小的地方才可能用到层流或中间过渡态下的通风阻力定律。第34页，课件共59页，创作于2023年2月353.4.2井巷的通风特性某一井巷或矿井的通风特性就是该矿井或井巷所特有的反映通风难易程度或通风能力大小的性能。这种特性可用该井巷或矿井的风阻值的大小来表示。通风阻力相同时，风阻大的井巷或矿井，风量必小，表示通风困难通风能力小；反之，风阻小的井巷或矿井，风量必大，表示通风容易，通风能力大。所以，井巷或矿井的通风特性又名风阻特性。□第35页，课件共59页，创作于2023年2月36为了形象化，习惯引用一个和风阻的数值相当、意义相同的假想的面积值（m2）来表示井巷或矿井的通风难易程度。这个假想的孔口称作井巷或矿井的等积孔（又称当量孔）。

等积孔就是用一个与井巷风阻值相当的理想孔的面积值来衡量井巷通风的难易程度。由于等积孔不是实物，宜用一种假想的模型(图3-4-1)来说明（3-4-4）式的来源：假设压气缸内的静压P，速压等于零；孔口外气流收缩最小处的静压为Pˊ，速压为ρV2/2，式中V为收缩最小处的速度，ρ为空气的密度。当孔口的面积A值一定时，P与Pˊ之差值越大，孔口流出的风量Q就越大。这种关系好比某一井巷或矿井的风阻值一定时，通风阻力h越大，通过该井巷或矿井的风量就越大，因此，需要找出hs、A和Q的关系式来模拟井巷或矿井的通风阻力定律。第36页，课件共59页，创作于2023年2月37

设当空气自左向右流经此孔时，无阻力，无能量损失，并设当空气从此孔流出后，在其流线断面最小处(虚线位置)的流速为V(m/s)，则这个理想孔左、右两侧的静压差可全部变为速压(静压能全部转化为动能)，由此可得：

实验证明，在出口流线断面最小处的面积一般为0.65A(m2)，再当流量为Q(m3/s)时，V＝Q/0.65A，以此V值与ρ＝1.2kg/m3代入上式，即得：第37页，课件共59页，创作于2023年2月38

由此得到：上式表示A和R成反比。即井巷或矿井的R值大，相当的A值就小，表示该矿井或井巷通风困难；反之亦然。计算出矿井的风阻和等积孔后，就可以对该矿井的通风难易程度进行评价，评价的标准如下表：第38页，课件共59页，创作于2023年2月39用矿井等积孔A和矿井风阻R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。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）入手，具体应考虑：(1)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；(3)矿井瓦斯涌出量的大小；(4)矿井开采强度；(5)采煤方法等方面内容。第39页，课件共59页，创作于2023年2月40

[例]已知矿井总阻力为1440Pa，风量为60m3/s，试求该矿井的风阻与等积孔?如生产上要求将风量提高到70m3/s，问风阻与等积孔之值是否改变?阻力增加到多少?解：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与风阻之值。由于风量增加到70m3/s，故阻力增加到：h＝RQ2＝0.4×702＝1960Pa第40页，课件共59页，创作于2023年2月41

3.4.3风流的功率与电耗物体在单位时间内所做的功叫做功率，其计量单位是N·m/s。风流的风压h乘风量Q的计量单位就是N/m2×m3/s＝N·m/s。故风流功率N的计算式为，

N=h·Q/1000，kW

矿井一天的通风电费是：式中e——每度电的单价，y/(kW·h)；η——风机、输电、变电、传动等总效率。直接传动时，取0.6；间接传动时，取0.5。第41页，课件共59页，创作于2023年2月42

例：如图所示的矿井，左右两翼的通风阻力分别是；

hr1＝1274Pa；hr2＝1960Pa通过两翼主扇的风量分别是Qf1＝60m3/s；Qf2＝70m3/s。两翼的外部漏风

Qm1＝(1－Le1)Qf1＝(1－4%)×60＝57.6m3/sQm2＝(1－Le2)Qf2＝(1－5%)×70＝66.5m3/s率分别是Le1＝4%；Le2＝5%。则两翼不包括漏风的风量分别是：第42页，课件共59页，创作于2023年2月43

两翼不包括外部漏风的风阻分别是：

R1＝hr1/Qm12＝1274/(57.6)2＝0.38399N.s2/m8R2＝hr2/Qm22＝1960/(66.5)2＝0.44321N.s2/m8两翼不包括外部漏风的等积孔分别是：第43页，课件共59页，创作于2023年2月44

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hr，因全矿的风流总功率等于左右两翼风流的功率之和，即

hr(Qm1＋Qm2)＝hr1Qm1＋hr2Qm2，W

故则全矿不包括外部漏风的总风阻是：第44页，课件共59页，创作于2023年2月45

全矿不包括外部漏风的总等积孔是：

对于用多台主扇通风的矿井，都要用这种方法计算全矿的总风阻和总等积孔。只有hr1＝hr2时，才能用A＝A1＋A2计算。设两翼主扇的风压分别等于其通风阻力。则两翼的通风电费分别为：□全矿一天的通风电费是（元/天）第45页，课件共59页，创作于2023年2月463.5通风阻力测量（一）阻力测定方法与原理测定方法：压差计法气压计法测定原理：□第46页，课件共59页，创作于2023年2月473.5通风阻力测量（二）通风阻力测量的内容包括：1.测算风阻。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。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(指井下平均空气密度的风阻值)，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(4～5人)逐段进行，不赶时间，力求测准。2.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。□第47页，课件共59页，创作于2023年2月483.测量通风阻力的分配情况。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，也是掌握生产矿井通风情况的重要手段。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；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。第48页，课件共59页，创作于2023年2月49通风阻力测量仪器、仪表和用品序号名称型号数量用途1精密气压计1测气压2干湿温度计1测干湿温度3高、中、低速风表3测风速4秒表1测风计时5皮尺5m1测断面尺寸6手表机