礦井通風(fēng)與安全中國礦業(yè)大學(xué)課件第三章井巷通風(fēng)阻力PPT課件

1、1,2,風(fēng)流流動(dòng)時(shí)，必須具有一定的能量(通風(fēng)壓力)，用以克服井巷及空氣分子之間的摩擦對風(fēng)流所產(chǎn)生的阻力。通風(fēng)壓力克服通風(fēng)阻力，兩者因次相同，數(shù)值相等，方向相反。知道通風(fēng)阻力的大小就能確定所需通風(fēng)壓力的大小。在礦井通風(fēng)中，存在著摩擦阻力和局部阻力，必須分析研究它們的特性、測定方法以及降低措施等，從而作為選擇通風(fēng)設(shè)備，進(jìn)行通風(fēng)管理與設(shè)計(jì)的依據(jù)。這在通風(fēng)設(shè)計(jì)中尤其重要,第三章 井巷通風(fēng)阻力,3,第一節(jié) 風(fēng)流的流態(tài) 流體產(chǎn)生的阻力與流體流動(dòng)過程中的狀態(tài)有關(guān)。流體流動(dòng)時(shí)有兩種狀態(tài)；一種是流體呈層狀流動(dòng)，各層間流體互不混合，流體質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)的軌跡為直線或有規(guī)則的,平滑曲線，這一狀態(tài)稱為層流。在流速很小，管徑很

2、小，或粘性較大的流體流動(dòng)時(shí)會發(fā)生層流,4,另一種是流體流動(dòng)時(shí)，各部分流體強(qiáng)烈地互相混合，流體質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)軌跡是極不規(guī)則的。除了有沿流體總方向的位移外，還有垂直于液流總方向的位移，流體內(nèi)部存在著時(shí)而產(chǎn)生時(shí)而消滅的漩渦，這種狀態(tài)稱為紊流。研究層流與紊流的主要意義在于兩種流態(tài)有著不同的阻力定律,5,試驗(yàn)證明，層流與紊流彼此間的轉(zhuǎn)變關(guān)系決定于液體的密度、絕對粘性系數(shù)，流體的平均速度V與管道水力直徑d，這些因素的綜合影響可以用雷諾數(shù)來表示為： 式中 運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，m2/s,雷諾數(shù),6,當(dāng)Re2000時(shí)，流體呈層流流動(dòng)；當(dāng)Re2000時(shí)，液流開始向紊流流動(dòng)過渡，當(dāng)Re10000時(shí)，流體完全呈現(xiàn)為紊流。 礦井

3、巷道很少為圓形，對于非圓形通風(fēng)巷道，以4S/U(水力直徑)代替上式中的d，即： 式中 U巷道周界長度，m。 c斷面形狀系數(shù)，梯形斷面c=4.16；三心拱c=3.85；半圓拱c=3.90；圓斷面，c=3.54,7,例：某巷道的斷面S2.5m2，周界U6.58m，風(fēng)流的14.4106m2/s，試計(jì)算出風(fēng)流開始出現(xiàn)紊流時(shí)的平均風(fēng)速？ 解：當(dāng)風(fēng)流開始出現(xiàn)紊流時(shí)，則其Re2000，當(dāng)完全紊流時(shí)， Re10000，因此,由于煤礦中大部分巷道的斷面均大于2.5m2，井下巷道中的最低風(fēng)速均在0.25米/秒以上，所以說井巷中的風(fēng)流大部為紊流，很少為層流,8,第二節(jié) 摩 擦 阻 力 一、摩擦阻力及影響因素 風(fēng)流在

4、井巷中作均勻流動(dòng)時(shí)，沿程受到井巷固定壁面的限制，引起內(nèi)外摩擦，因而產(chǎn)生阻力，這種阻力，叫做摩擦阻力。所謂均勻流動(dòng)是指風(fēng)流沿程的速度和方向都不變，而且各斷面上的速度分布相同。流態(tài)不同的風(fēng)流，摩擦阻力hfr的產(chǎn)生情況和大小也不同。一般情況下，摩擦阻力要占能量方程中通風(fēng)阻力的8090，它是礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)，選擇扇風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)，也是生產(chǎn)中分析與改善礦井通風(fēng)工作的主要對象,9,前人實(shí)驗(yàn)得出水流在圓管中的沿程阻力公式（達(dá)西公式）是： 式中 實(shí)驗(yàn)比例系數(shù)，無因次； 水流的密度，kg/m3 ；L圓管的長度，m； d圓管的直徑，m；V管內(nèi)水流的平均速度，m/s； 上式是礦井風(fēng)流摩擦阻力計(jì)算式的基礎(chǔ)，它對于不同流態(tài)

5、的風(fēng)流都能應(yīng)用，只是流態(tài)不同時(shí)，式中的實(shí)驗(yàn)式不同,10,尼古拉茲在壁面分別膠結(jié)各種粗細(xì)砂粒的圓管中，實(shí)驗(yàn)得出了流態(tài)不同的水流系數(shù)同管壁的粗糙程度、雷諾數(shù)的關(guān)系。管壁的粗糙程度用管道的直徑 d (m)和管壁平均突起的高度(即砂粒的平均直徑) k (m)之比來表示。并用閥門不斷改變管內(nèi)水流的速度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示,11,試驗(yàn)結(jié)果可分以下幾種情況： 1) 在lgRe3.3(Re2320)時(shí)，即當(dāng)液體作層流流動(dòng)，由左邊斜線可以看出，所有試驗(yàn)點(diǎn)都分布于其上，隨Re的增加而減小，且與管道的相對粗糙度無關(guān)，這時(shí)與Re的關(guān)系式為： 64/Re 2) 在3.31gRe5.0(2320Re100000)的范圍內(nèi)，

6、流體由層流向紊流過渡，系數(shù)既和Re有關(guān)，也和管壁的粗糙度有關(guān),12,3) 當(dāng)Re100000時(shí)，流體成為紊流流動(dòng)。與Re無關(guān)，只和管壁的粗糙度有關(guān)。管壁的粗糙度越大， 系數(shù)就越大。其試驗(yàn)式為,礦井巷道中的風(fēng)流，其性質(zhì)與上面完全一樣，所不同的是礦井巷道的粗糙度較大，在較小的Re時(shí)，便開始由層流變?yōu)槲闪鳎淮送?，由于大多?shù)礦井巷道風(fēng)流的Re均大于100000，故值僅決定于井巷壁的相對粗糙度，而與Re無關(guān)。在一定時(shí)期內(nèi)，各井巷壁的相對粗糙度可認(rèn)為不變，因之值即為常量,13,二、井巷摩擦阻力計(jì)算公式 由于礦井巷道極少為圓形，可用當(dāng)量直徑d4S/U代入沿程阻力公式得,令： 是巷道的摩擦阻力系數(shù)，與巷道幫壁

7、的粗糙程度有關(guān)。則,14,由于礦井中巷道的長度，周界及摩擦阻力系數(shù)在巷道形成后一般變化較小，可看作常數(shù)。再令,Rfr為巷道的摩擦風(fēng)阻。 這時(shí)： 這就是完全紊流情況下的摩擦阻力定律。當(dāng)巷道風(fēng)阻一定時(shí)，摩擦阻力與風(fēng)量的平方成正比,15,三、井巷摩擦阻力的計(jì)算 例1 某梯形木支架煤巷，長200米，斷面積為4m2，沿?cái)嗝娴闹荛L為8.3m，巷道摩擦阻力系數(shù)通過查表得到的標(biāo)準(zhǔn)值為0.018Ns2/m4，若通過巷通的風(fēng)量為960m3/min，試求其摩擦阻力? 解： 答：該巷道的摩擦阻力為119.5Pa。 應(yīng)當(dāng)注意，巷道的值隨的改變而改變，在高原地區(qū)，空氣稀薄，當(dāng)?shù)氐闹敌柽M(jìn)行校正。校正式如下,16,四、降低井

8、巷摩擦阻力的措施 井巷通風(fēng)阻力是引起風(fēng)壓損失的主要根源，因此降低井巷通風(fēng)阻力，特別是降低摩擦阻力就能用較少的風(fēng)壓消耗而通過較多的風(fēng)量。許多原來是阻力大，通風(fēng)困難的礦井，經(jīng)降低阻力后即變?yōu)樽枇π?、通風(fēng)容易的礦井。 根據(jù)hfr(LU/S3)Q2的關(guān)系式可以看出，保證一定風(fēng)量，降低摩擦阻力的方法就是降低摩擦風(fēng)阻，根據(jù)影響Rfr的各因素，降低摩擦阻力的主要措施有,17,1降低 Rfr與成正比，而主要決定于巷道粗糙度，因此降低，就應(yīng)盡量使巷道光滑。當(dāng)采用棚子支護(hù)巷道時(shí)，要很好地剎幫背頂，在無支護(hù)的巷道，要注意盡可能把頂?shù)装寮皟蓭托拚茫粚τ诰碌闹饕锏?，在采用料石或混凝土砌璇，特別是采用錨桿支護(hù)技術(shù)時(shí)

9、，更能有效地使系數(shù)減小。 2擴(kuò)大巷道斷面S 因Rfr與S3成反比，所以擴(kuò)大巷道斷面有時(shí)成為降低摩擦阻力的主要措施。由于摩擦阻力又與風(fēng)量的平方成正比，因此在采用這種措施時(shí)，應(yīng)抓主要矛盾，即首先應(yīng)考慮風(fēng)量大、斷面小的總回風(fēng)道的擴(kuò)大，其次再考慮其它巷道的擴(kuò)大,18,3減少周界長U Rfr與U成正比，在斷面積相等的條件下，選用周長較小的拱形斷面比周長較大的梯形斷面好。 4. 減少巷道長L Rfr與L成正比，進(jìn)行開拓設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)在滿足開采需要的條件下，盡可能縮短風(fēng)路的長度。例如，當(dāng)采用中央并列式通風(fēng)系統(tǒng)，如阻力過大時(shí)，即可將其改為兩翼式通風(fēng)系統(tǒng)以縮短回風(fēng)路線。 降低摩擦阻力，還應(yīng)同時(shí)結(jié)合井巷的其它用途與

10、經(jīng)濟(jì)等因素進(jìn)行綜合考慮。如斷面過大，不但不經(jīng)濟(jì)，而且也不好維護(hù)，反而不如選用雙巷,19,第三節(jié) 局部阻力 一、局部阻力的產(chǎn)生 風(fēng)流流經(jīng)井巷的某些局部地點(diǎn)突然擴(kuò)大或縮小、轉(zhuǎn)彎、交岔以及堆積物或礦車等，由于速度或方向發(fā)生突然的變化，導(dǎo)致風(fēng)流本身產(chǎn)生劇烈的沖擊，形成極為紊亂的渦流，從而損失能量。造成這種沖擊與渦流的阻力即稱為局部阻力,20,二、局部阻力定律 實(shí)驗(yàn)證明，在完全紊流狀態(tài)下，不論井巷局部地點(diǎn)的斷面、形狀和拐彎如何變化，所產(chǎn)生的局部阻力her，都和局部地點(diǎn)的前面或后面斷面上的hv1或hv2成正比,1、2局部阻力系數(shù)，無因次，分別對應(yīng)于hv1、hv2?？蛇x用其中一個(gè)系數(shù)和相應(yīng)的速壓計(jì)算,21,

11、若通過局部地點(diǎn)的風(fēng)量是Q(m3/s)，前后兩個(gè)斷面積是S1和S2(m2)，則兩個(gè)斷面上的平均風(fēng)速為： VlQ/S1；V2Q/S2，m/s 代入上式： 令 式中Rer叫做局部風(fēng)阻。由此得到： herRerQ2，Pa 上式表示完全紊流狀態(tài)下的局部阻力定律，和完全紊流狀態(tài)下的摩擦阻力定律一樣，當(dāng)Rer一定時(shí)，her和Q的平方成正比,22,三、局部阻力的計(jì)算方法 計(jì)算局部阻力時(shí)，先要根據(jù)井巷局部地點(diǎn)的特征，對照前人實(shí)驗(yàn)查出局部阻力系數(shù)，然后用其指定的相應(yīng)風(fēng)速V進(jìn)行計(jì)算,23,24,三、降低局部阻力的措施 由于局部阻力是風(fēng)流在局部阻力地點(diǎn)發(fā)生劇烈的沖擊而產(chǎn)生的，故降低局部阻力的措施主要是： 1在容易發(fā)生

12、局部阻力的地點(diǎn)，應(yīng)盡量減少局部風(fēng)阻值值。如采用斜線形或圓弧形連接斷面不同的巷道。巷道轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)角愈小愈好。 2盡量減少產(chǎn)生局部阻力的條件，如不用或少用直徑很小的鐵筒風(fēng)橋，避免在主要巷道內(nèi)任意停放礦車、堆積木材、器材等； 3局部阻力與V2成正比，故應(yīng)特別注意降低總回風(fēng)道和風(fēng)峒的局部阻力，及時(shí)清掃風(fēng)峒內(nèi)的堆積物，在井筒與風(fēng)峒的轉(zhuǎn)彎處做成圓滑的壁面,25,第四節(jié) 井巷風(fēng)阻與等積孔 一、井巷風(fēng)阻及其阻力特性 在礦井巷道中，任何井巷的通風(fēng)阻力，不管它是摩擦阻力、局部阻力或系兩者同時(shí)具有的阻力，其阻力公式均可寫成通式： hRQ2,26,二、井巷等積孔 當(dāng)研究井巷通風(fēng)阻力時(shí)，為了在概念上更形象化，有時(shí)采用井

13、巷等積孔來代替井巷風(fēng)阻。等積孔就是用一個(gè)與井巷風(fēng)阻值相當(dāng)?shù)睦硐肟椎拿娣e值來衡量井巷通風(fēng)的難易程度。設(shè)想將一個(gè)礦井的入風(fēng)口到出風(fēng)口，沿著井下主要巷道進(jìn)行均勻壓縮，最后形成一個(gè)薄片，在這個(gè)薄片上將形,成一個(gè)孔口，這個(gè)孔口面積A使得薄片的兩端作用有礦井的風(fēng)壓差P時(shí)，通過孔口的風(fēng)量正好為該礦井的風(fēng)量Q，這時(shí)，該孔口面積即為礦井的等積孔,27,設(shè)當(dāng)空氣自左向右流經(jīng)此孔時(shí)，無阻力，無能量損失，并設(shè)當(dāng)空氣從此孔流出后，在其流線斷面最小處(虛線位置)的流速為V(m/s)，則這個(gè)理想孔左、右兩側(cè)的靜壓差可全部變?yōu)樗賶?靜壓能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能)，由此可得： 實(shí)驗(yàn)證明，在出口流線斷面最小處的面積一般為0.65A(m2

14、)，再當(dāng)流量為Q(m3/s)時(shí)，VQ/0.65A，以此V值與1.2 kg/m3代入上式，即得,28,由此得到,這就是計(jì)算礦井等積孔常用的公式。計(jì)算出礦井的風(fēng)阻和等積孔后，就可以對該礦井的通風(fēng)難易程度進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)如下表,29,例 已知礦井總阻力為1440Pa，風(fēng)量為60m3/s，試求該礦井的風(fēng)阻與等積孔?如生產(chǎn)上要求將風(fēng)量提高到70m3/s ，問風(fēng)阻與等積孔之值是否改變?阻力增加到多少? 解,當(dāng)井巷的規(guī)格尺寸與連接形式?jīng)]有改變及采掘工作面沒有移動(dòng)時(shí)，則風(fēng)量的增加并不改變等積孔與風(fēng)阻之值。由于風(fēng)量增加到70m3/s，故阻力增加到： hRQ20.47021960 Pa,30,三、風(fēng)流的功率與

15、電耗 物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功叫做功率，其計(jì)量單位是Nm/s。風(fēng)流的風(fēng)壓h乘風(fēng)量Q的計(jì)量單位就是N/m2m3/s Nm/s 。故風(fēng)流功率N的計(jì)算式為， N=hQ/1000，kW 礦井一天的通風(fēng)電費(fèi)是： 式中 e每度電的單價(jià)，y/(kWh)；風(fēng)機(jī)、輸電、變電、傳動(dòng)等總效率。直接傳動(dòng)時(shí)，取0.6；間接傳動(dòng)時(shí)，取0.5,31,例：如圖所示的礦井，左右兩翼的通風(fēng)阻力分別是； hr11274Pa；hr21960Pa 通過兩翼主扇的風(fēng)量分別是Qf160m3/s；Qf270m3/s。兩翼的外部漏風(fēng),Qm1(1Le1)Qf1(14%)6057.6m3/s Qm2(1Le2)Qf2(15%)7066.5m3/s,率分別是Le14%；Le25%。則兩翼不包括漏風(fēng)的風(fēng)量分別是,32,兩翼不包括外部漏風(fēng)的風(fēng)阻分別是： R1hr1/Qm121274/(57.6)20.38399N.s2/m8 R2hr2/Qm221960/(66.5)20.44321N.s2/m8 兩翼不包括外部漏風(fēng)的等積孔分別是,33,為了計(jì)算全礦的總風(fēng)阻和總等積孔，須先求出全礦的總阻力hr，因全礦的風(fēng)流總功率等于左右兩翼風(fēng)流的功率之和，即 hr(Qm1Qm2)hr1Qm1hr2Qm2，W 故,則全礦不包括外部漏風(fēng)的總風(fēng)阻是,34,全礦不包括外部漏風(fēng)的總等積孔是,對于用多臺主扇通風(fēng)的礦井，都要用這種方法計(jì)