第3章井巷通風(fēng)阻力

1、礦井通風(fēng)與安全第三章 井巷通風(fēng)阻力本章重點(diǎn)和難點(diǎn)：摩擦阻力和局部阻力產(chǎn)生的原因和測(cè)算當(dāng)空氣沿井巷運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于風(fēng)流的粘滯性和慣性以及井巷壁面等對(duì)風(fēng)流的阻滯、擾動(dòng)作用而形成通風(fēng)阻力，它是造成風(fēng)流能量損失的原因。井巷通風(fēng)阻力可分為兩類：摩擦阻力(也稱為沿程阻力)和局部阻力。第一節(jié) 井巷斷面上風(fēng)速分布 一、風(fēng)流流態(tài) 1、管道流 同一流體在同一管道中流動(dòng)時(shí)，不同的流速，會(huì)形成不同的流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)流速較低時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)互不混雜，沿著與管軸平行的方向作層狀運(yùn)動(dòng)，稱為層流(或滯流)。當(dāng)流速較大時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度在大小和方向上都隨時(shí)發(fā)生變化，成為互相混雜的紊亂流動(dòng)，稱為紊流(或湍流)。 （）雷諾數(shù)Re式中：平均

2、流速v、管道直徑d和流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。 在實(shí)際工程計(jì)算中，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，通常以Re=2300作為管道流動(dòng)流態(tài)的判定準(zhǔn)數(shù)，即： Re2300 層流， Re2300 紊流 （）當(dāng)量直徑 對(duì)于非圓形斷面的井巷，Re數(shù)中的管道直徑d應(yīng)以井巷斷面的當(dāng)量直徑de來(lái)表示： 因此，非圓形斷面井巷的雷諾數(shù)可用下式表示： 對(duì)于不同形狀的井巷斷面，其周長(zhǎng)U與斷面積S的關(guān)系，可用下式表示： 式中：C斷面形狀系數(shù)：梯形C=4.16；三心拱C=3.85；半圓拱C=3.90。（舉例見(jiàn)P38） 2、孔隙介質(zhì)流在采空區(qū)和煤層等多孔介質(zhì)中風(fēng)流的流態(tài)判別準(zhǔn)數(shù)為： 式中：K冒落帶滲流系數(shù)，m2； l濾流帶粗糙度系數(shù)，m。 層流，Re

3、0.25； 紊流，Re2.5； 過(guò)渡流 0.25Re，砂粒凸起高度幾乎全暴露在紊流核心中，故Re對(duì)值的影響極小，略去不計(jì)，相對(duì)糙度成為的唯一影響因素。故在該區(qū)段，與Re無(wú)關(guān)，而只與相對(duì)糙度有關(guān)。摩擦阻力與流速平方成正比，故稱為阻力平方區(qū)，尼古拉茲公式： 2層流摩擦阻力 當(dāng)流體在圓形管道中作層流流動(dòng)時(shí)，從理論上可以導(dǎo)出摩擦阻力計(jì)算式：, = 可得圓管層流時(shí)的沿程阻力系數(shù)： 古拉茲實(shí)驗(yàn)所得到的層流時(shí)與Re的關(guān)系，與理論分析得到的關(guān)系完全相同，理論與實(shí)驗(yàn)的正確性得到相互的驗(yàn)證。 層流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。 3、紊流摩擦阻力 對(duì)于紊流運(yùn)動(dòng)，=f (Re，/r)，關(guān)系比較復(fù)雜。用當(dāng)量直徑de

4、=4S/U代替d，代入阻力通式，則得到紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計(jì)算式： 二、摩擦阻力系數(shù)與摩擦風(fēng)阻 1摩擦阻力系數(shù) 礦井中大多數(shù)通風(fēng)井巷風(fēng)流的Re值已進(jìn)入阻力平方區(qū)，值只與相對(duì)糙度有關(guān)，對(duì)于幾何尺寸和支護(hù)已定型的井巷，相對(duì)糙度一定，則可視為定值；在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度=1.2kg/m3。 對(duì)上式， 令： 稱為摩擦阻力系數(shù)，單位為 kg/m3 或 N.s2/m4。 則得到紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計(jì)算式寫為： 標(biāo)準(zhǔn)摩擦阻力系數(shù)： 通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)所得的、在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0=1.2kg/m3）條件下的井巷的摩擦阻力系數(shù)，即所謂標(biāo)準(zhǔn)值0值，當(dāng)井巷中空氣密度1.2kg/m3時(shí)，其值應(yīng)按下式修正： 2摩擦風(fēng)阻

5、Rf 對(duì)于已給定的井巷，L、U、S都為已知數(shù)，故可把上式中的、L、U、S 歸結(jié)為一個(gè)參數(shù)Rf： Rf 稱為巷道的摩擦風(fēng)阻，其單位為：kg/m7 或 N.s2/m8。 工程單位：kgf .s2/m8 ，或?qū)懗桑簁。1 N.s2/m8= 9.8 k Rff ( ,S,U,L) 。在正常條件下當(dāng)某一段井巷中的空氣密度一般變化不大時(shí)，可將R f 看作是反映井巷幾何特征的參數(shù)。 則得到紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計(jì)算式寫為： 此式就是完全紊流(進(jìn)入阻力平方區(qū))下的摩擦阻力定律。 三、井巷摩擦阻力計(jì)算方法 新建礦井：查表得0 Rf hf 生產(chǎn)礦井：hf Rf 0 四、生產(chǎn)礦井一段巷道阻力測(cè)定 1、壓差計(jì)法 用

6、壓差計(jì)法測(cè)定通風(fēng)阻力的實(shí)質(zhì)是測(cè)量風(fēng)流兩點(diǎn)間的勢(shì)能差和動(dòng)壓差，計(jì)算出兩測(cè)點(diǎn)間的通阻力。 其中：右側(cè)的第二項(xiàng)為動(dòng)壓差，通過(guò)測(cè)定1、2兩斷面的風(fēng)速、大氣壓、干濕球溫度，即可計(jì)算出它們的值。第一項(xiàng)和第三項(xiàng)之和稱為勢(shì)能差，需通過(guò)實(shí)際測(cè)定。1） 布置方式及連接方法 ）阻力計(jì)算 壓差計(jì)“”感受的壓力： 壓差計(jì)“”感受的壓力： 故壓差計(jì)所示測(cè)值： 設(shè) 且與1、2斷面間巷道中空氣平均密度相等，則： 式中：Z12為1、2斷面高差，h 值即為1、2兩斷面壓能與位能和的差值。根據(jù)能量方程，則1、2巷道段的通風(fēng)阻力hR12為： 把壓差計(jì)放在1、2斷面之間，測(cè)值是否變化？ 、氣壓計(jì)法（原理、方法）由能量方程：hR12=(

7、P1-P2)+(r1v12/2- r2v22/2)+ rm12gZ12用精密氣壓計(jì)分另測(cè)得1，2斷面的靜壓P1，P2用干濕球溫度計(jì)測(cè)得t1,t2,t1,t2,和j1， j2，進(jìn)而計(jì)算r1， r2用風(fēng)表測(cè)定1，2斷面的風(fēng)速v1,v2。rm12為1，2斷面的平均密度，若高差不大，就用算術(shù)平均值，若高差大，則有加權(quán)平均值；Z121，2斷面高差，從采掘工程平面圖查得?？捎弥瘘c(diǎn)測(cè)定法，一臺(tái)儀器在井底車場(chǎng)監(jiān)視大氣壓變化，然后對(duì)上式進(jìn)行修正。hR12=(P1-P2)+DP12（+(r1v12/2- r2v22/2)+ rm12gZ12例題3-3某設(shè)計(jì)巷道為梯形斷面，S=8m2，L=1000m，采用工字鋼棚支

8、護(hù)，支架截面高度d0=14cm，縱口徑=5，計(jì)劃通過(guò)風(fēng)量Q=1200m3/min，預(yù)計(jì)巷道中空氣密度=1.25kg/m3，求該段巷道的通風(fēng)阻力。解 根據(jù)所給的d0、S值，由附錄4附表4-4查得：0 =284.21040.88=0.025Ns2/m4則：巷道實(shí)際摩擦阻力系數(shù) Ns2m4巷道摩擦風(fēng)阻 0.598 Ns2m8巷道摩擦阻力第三節(jié) 局部風(fēng)阻與阻力 由于井巷斷面、方向變化以及分岔或匯合等原因，使均勻流動(dòng)在局部地區(qū)受到影響而破壞，從而引起風(fēng)流速度場(chǎng)分布變化和產(chǎn)生渦流等，造成風(fēng)流的能量損失，這種阻力稱為局部阻力。 由于局部阻力所產(chǎn)生風(fēng)流速度場(chǎng)分布的變化比較復(fù)雜性，對(duì)局部阻力的計(jì)算一般采用經(jīng)驗(yàn)公

9、式。 一、局部阻力及其計(jì)算 和摩擦阻力類似，局部阻力hl一般也用動(dòng)壓的倍數(shù)來(lái)表示： 式中：局部阻力系數(shù)，無(wú)因次。層流 計(jì)算局部阻力，關(guān)鍵是局部阻力系數(shù)確定，因v=Q/S,當(dāng)確定后，便可用幾種常見(jiàn)的局部阻力產(chǎn)生的類型： 、突變 紊流通過(guò)突變部分時(shí)，由于慣性作用，出現(xiàn)主流與邊壁脫離的現(xiàn)象，在主流與邊壁之間形成渦漩區(qū)，從而增加能量損失。 、漸變 主要是由于沿流動(dòng)方向出現(xiàn)減速增壓現(xiàn)象，在邊壁附近產(chǎn)生渦漩。因?yàn)?V hv p ，壓差的作用方向與流動(dòng)方向相反，使邊壁附近，流速本來(lái)就小，趨于0, 在這些地方主流與邊壁面脫離，出現(xiàn)與主流相反的流動(dòng)，面渦漩。 、轉(zhuǎn)彎處 流體質(zhì)點(diǎn)在轉(zhuǎn)彎處受到離心力作用，在外側(cè)出現(xiàn)

10、減速增壓，出現(xiàn)渦漩。 、分岔與會(huì)合 上述的綜合。 局部阻力的產(chǎn)生主要是與渦漩區(qū)有關(guān)，渦漩區(qū)愈大，能量損失愈多，局部阻力愈大。 二、局部阻力系數(shù)和局部風(fēng)阻 (一) 局部阻力系數(shù) 紊流局部阻力系數(shù)一般主要取決于局部阻力物的形狀，而邊壁的粗糙程度為次要因素。 1突然擴(kuò)大 式中： v1、v2分別為小斷面和大斷面的平均流速，m/s； S1、S2分別為小斷面和大斷面的面積，m； m空氣平均密度，kg/m3。對(duì)于粗糙度較大的井巷，可進(jìn)行修正 2突然縮小對(duì)應(yīng)于小斷面的動(dòng)壓，值可按下式計(jì)算： 3逐漸擴(kuò)大 逐漸擴(kuò)大的局部阻力比突然擴(kuò)大小得多，其能量損失可認(rèn)為由摩擦損失和擴(kuò)張損失兩部分組成。 當(dāng)20時(shí)，漸擴(kuò)段的局部

11、阻力系數(shù)可用下式求算：式中 風(fēng)道的摩擦阻力系數(shù)，Ns2/m4； n風(fēng)道大、小斷面積之比，即21； 擴(kuò)張角。 4轉(zhuǎn)彎 巷道轉(zhuǎn)彎時(shí)的局部阻力系數(shù)(考慮巷道粗糙程度)可按下式計(jì)算： 當(dāng)巷高與巷寬之比H/b=0.21.0 時(shí)， 當(dāng) H/b=12.5 時(shí) 式中 0假定邊壁完全光滑時(shí)，90轉(zhuǎn)彎的局部阻力系數(shù)，其值見(jiàn)表3-3-1； 巷道的摩擦阻力系數(shù)，N.s2/m4； 巷道轉(zhuǎn)彎角度影響系數(shù)，見(jiàn)表3-3-2。 5風(fēng)流分叉與匯合 1) 風(fēng)流分叉 典型的分叉巷道如圖所示，12段的局部阻力hl2和13段的局部阻力hl3分別用下式計(jì)算： 2) 風(fēng)流匯合 如圖所示，13段和23段的局部阻力hl3、hl23分別按下式計(jì)算

12、： 式中：(二) 局部風(fēng)阻 在局部阻力計(jì)算式中，令 ， 則有：式中Rl稱為局部風(fēng)阻，其單位為N.s2/m8或kg/m7。此式表明，在紊流條件下局部阻力也與風(fēng)量的平方成正比第四節(jié) 礦井總風(fēng)阻與礦井等積孔 一、井巷阻力特性 在紊流條件下，摩擦阻力和局部阻力均與風(fēng)量的平方成正比。故可寫成一般形式：hRQ2 Pa 。 對(duì)于特定井巷，R為定值。用縱坐標(biāo)表示通風(fēng)阻力(或壓力)，橫坐標(biāo)表示通過(guò)風(fēng)量，當(dāng)風(fēng)阻為R時(shí)，則每一風(fēng)量Qi值，便有一阻力hi值與之對(duì)應(yīng)，根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)（Qi,hi）即可畫出一條拋物線。這條曲線就叫該井巷的阻力特性曲線。風(fēng)阻R越大，曲線越陡。 二、礦井總風(fēng)阻 從入風(fēng)井口到主要通風(fēng)機(jī)入口，把順序連

13、接的各段井巷的通風(fēng)阻力累加起來(lái)，就得到礦井通風(fēng)總阻力hRm，這就是井巷通風(fēng)阻力的疊加原則。 已知礦井通風(fēng)總阻力hRm和礦井總風(fēng)量Q，即可求得礦井總風(fēng)阻： N.s2/m8 Rm是反映礦井通風(fēng)難易程度的一個(gè)指標(biāo)。Rm越大，礦井通風(fēng)越困難； 三、礦井等積孔 我國(guó)常用礦井等積孔作為衡量礦井通風(fēng)難易程度的指標(biāo)。 假定在無(wú)限空間有一薄壁， 在薄壁上開一面積為A(m2)的孔口。 當(dāng)孔口通過(guò)的風(fēng)量等于礦井風(fēng)量， 而且孔口兩側(cè)的風(fēng)壓差等于礦井 通風(fēng)阻力時(shí)，則孔口面積A稱為該 礦井的等積孔。 設(shè)風(fēng)流從I II，且無(wú)能量損失， 則有： 得： 風(fēng)流收縮處斷面面積A2與孔口面積A之比稱為收縮系數(shù)，由水力學(xué)可知，一般=0

14、.65，故A2=0.65A。則v2Q/A2=Q/0.65A，代入上式后并整理得： 取=1.2kg/m3，則： 因Rm=hm2，故有 由此可見(jiàn)，A是Rm的函數(shù)，故可以表示礦井通風(fēng)的難易程度。 當(dāng)A，容易；A 2，中等；A困難。例題3-7某礦井為中央式通風(fēng)系統(tǒng)，測(cè)得礦井通風(fēng)總阻力hRm=2800Pa，礦井總風(fēng)量Q=70m3/s，求礦井總風(fēng)阻Rm和等積孔A，評(píng)價(jià)其通風(fēng)難易程度。解 對(duì)照表3-4-1可知，該礦通風(fēng)難易程度屬中等。1、對(duì)于多風(fēng)機(jī)工作的礦井，應(yīng)根據(jù)各主要通風(fēng)機(jī)工作系統(tǒng)的通風(fēng)阻力和風(fēng)量，分別計(jì)算各主要通風(fēng)機(jī)所擔(dān)負(fù)系統(tǒng)的等積孔，進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。2、必須指出，表3-4-1所列衡量礦井通風(fēng)難易程度的等積孔值，是1873年繆爾格(Murgue)根據(jù)當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)情況提出的3，一直沿用至今。由于現(xiàn)代的礦井規(guī)模、開采方法、機(jī)械化程度和通風(fēng)機(jī)能力等較以前已有很大的發(fā)展和提高，表中的數(shù)據(jù)對(duì)小型礦井還有一定的參考價(jià)值，對(duì)大型礦井或多風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的礦井，衡量通風(fēng)難易程度的指標(biāo)還有待研究。第五節(jié) 降低礦井通風(fēng)阻力措施 降低礦井通風(fēng)阻力，對(duì)保證礦井安全生產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益都具有重要意義。 一、降低井巷摩擦阻力措施 1減小摩擦阻力系數(shù)。 2保證有足夠大的井巷斷面。在其它參數(shù)不變時(shí)，井巷斷面擴(kuò)大33%，Rf值可減少50%。