【采礦】第三章礦井風流的阻力ppt課件

1、第三章 礦井風流的阻力本章重點和難點：摩擦阻力和部分阻力產(chǎn)生的緣由和測算.第三章 礦井風流的阻力 當空氣沿井巷運動時，由于風流的粘滯性和慣性以及井巷壁面等對風流的阻滯、擾動作用而構成通風阻力，它是呵斥風流能量損失的緣由。井巷通風阻力可分為兩類：摩擦阻力(也稱為沿程阻力)和部分阻力。第一節(jié) 阻力定律 一、風流流態(tài)1、管道流 同一流體在同一管道中流動時，不同的流速，會構成不同的流動形狀。當流速較低時，流體質(zhì)點互不混雜，沿著與管軸平行的方向作層狀運動，稱為層流(或滯流)。當流速較大時，流體質(zhì)點的運動速度在大小和方向上都隨時發(fā)生變化，成為相互混雜的紊亂流動，稱為紊流(或湍流)。 .雷諾數(shù)Re 式中：平

2、均流速v、管道直徑d和流體的運動粘性系數(shù)。 在實踐工程計算中，為簡便起見，通常以Re=2300作為管道流動流態(tài)的斷定準數(shù)，即： Re2300 層流， Re2300 紊流當量直徑 對于非圓形斷面的井巷，Re數(shù)中的管道直徑d應以井巷斷面的當量直徑de來表示： 因此，非圓形斷面井巷的雷諾數(shù)可用下式表示：. 對于不同外形的井巷斷面，其周長U與斷面積S的關系，可用下式表示： 式中：C斷面外形系數(shù)：梯形C=4.16；三心拱C=3.85；半圓拱C=3.90。 舉例見P38 2、孔隙介質(zhì)流 在采空區(qū)和煤層等多孔介質(zhì)中風流的流態(tài)判別準數(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，Re0.

3、25； 紊流，Re2.5； 過渡流 0.25Re，砂粒凸起高度幾乎全暴露在紊流中心中，故Re對值的影響極小，略去不計，相對糙度成為的獨一影響要素。故在該區(qū)段，與Re無關，而只與相對糙度有關。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層流摩擦阻力當流體在圓形管道中作層流流動時，從實際上可以導出摩擦阻力計算式： = 可得圓管層流時的沿程阻力系數(shù)： 古拉茲實驗所得到的層流時與Re的關系，與實際分析得到的關系完全一樣，實際與實驗的正確性得到相互的驗證。 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 對于紊流運動，=f (Re，/r)，關系比較復雜。用當量直徑de=4S

4、/U替代d，代入阻力通式，那么得到紊流形狀下井巷的摩擦阻力計算式：4摩擦風阻Rf 對于已給定的井巷，L、U、S都為知數(shù)，故可把上式中的、L、U、S 歸結(jié)為一個參數(shù)Rf： Rf 稱為巷道的摩擦風阻，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) 。在正常條件下當某一段井巷中的空氣密度普通變化不大時，可將R f 看作是反映井巷幾何特征的參數(shù)。 那么得到紊流形狀下井巷的摩擦阻力計算式寫為： 此式就是完全紊流(進入阻力平方區(qū))下的摩擦阻力定律。5.井巷摩擦阻力計算方法 新建礦井：查表得0 Rf hf

5、 消費礦井：hf Rf 0 .6.消費礦井一段巷道阻力測定(1)、壓差計法 用壓差計法測定通風阻力的本質(zhì)是丈量風流兩點間的勢能差和動壓差，計算出兩測點間的通阻力。其中：右側(cè)的第二項為動壓差，經(jīng)過測定、兩斷面的風速、大氣壓、干濕球溫度，即可計算出它們的值。第一項和第三項之和稱為勢能差，需經(jīng)過實踐測定。 1布置方式及銜接方法z1z2.阻力計算 壓差計“感受的壓力： 壓差計“感受的壓力： 故壓差計所示測值： 設 且與1、2斷面間巷道中空氣平均 密度相等，那么： 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，那么1、2巷道段的通風阻力hR12為： 把壓差計放在1

6、、2斷面之間，測值能否變化？.(2)、氣壓計法由能量方程：hR12=(P1-P2)+(1v12/2- 2v22/2)+ m12gZ12用精細氣壓計分別測得1，2斷面的靜壓P1，P2用干濕球溫度計測得t1,t2,t1,t2,和1,2，進而計算1， 2用風表測定1，2斷面的風速v1,v2。m12為1，2斷面的平均密度，假設高差不大，就用算術平均值，假設高差大，那么有加權平均值；Z121，2斷面高差，從采掘工程平面圖查得?？捎弥瘘c測定法，一臺儀器在井底車場監(jiān)視大氣壓變化，然后對上式進展修正。hR12=(P1-P2)+P12+(1v12/2- 2v22/2)+ m12gZ12.例題3-3某設計巷道為梯

7、形斷面，S=8m2，L=1000m，采用工字鋼棚支護，支架截面高度d0=14cm，縱口徑=5，方案經(jīng)過風量Q=1200m3/min，估計巷道中空氣密度=1.25kg/m3，求該段巷道的通風阻力。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那么：巷道實踐摩擦阻力系數(shù) Ns2m4巷道摩擦風阻巷道摩擦阻力.二、部分阻力 1.部分阻力及其計算 由于井巷斷面、方向變化以及分岔或集合等緣由，使均勻流動在部分地域遭到影響而破壞，從而引起風流速度場分布變化和產(chǎn)生渦流等，呵斥風流的能量損失，這種阻力稱為部分阻力。 由于部分阻力所產(chǎn)生風流速度場分布的變

8、化比較復雜性，對部分阻力的計算普通采用閱歷公式。 和摩擦阻力類似，部分阻力hl普通也用動壓的倍數(shù)來表示： 式中：部分阻力系數(shù)，無因次。層流 計算部分阻力，關鍵是部分阻力系數(shù)確定，因v=Q/S,當確定后，便可用 .幾種常見的部分阻力產(chǎn)生的類型：、突變 紊流經(jīng)過突變部分時，由于慣性作用，出現(xiàn)主流與邊壁脫離的景象，在主流與邊壁之間構成渦漩區(qū)，從而添加能量損失。、漸變 主要是由于沿流動方向出現(xiàn)減速增壓景象，在邊壁附近產(chǎn)生渦漩。由于 V hv p ，壓差的作用方向與流動方向相反，使邊壁附近，流速本來就小，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，面渦漩。 .、轉(zhuǎn)彎處 流體質(zhì)點在轉(zhuǎn)彎處遭

9、到離心力作用，在外側(cè)出現(xiàn)減速增壓，出現(xiàn)渦漩。、分岔與會合 上述的綜合。 部分阻力的產(chǎn)生主要是與渦漩區(qū)有關，渦漩區(qū)愈大，能量損失愈多，部分阻力愈大。.2.部分阻力系數(shù) 紊流部分阻力系數(shù)普通主要取決于部分阻力物的外形，而邊壁的粗糙程度為次要要素。(1)忽然擴展或式中： 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。對于粗糙度較大的井巷，可進展修正 .(2)忽然減少對應于小斷面的動壓 ，值可按下式計算： (3)逐漸擴展 逐漸擴展的部分阻力比忽然擴展小得多，其能量損失可以為由摩擦損失和擴張損失兩部分組成。 當20時，漸擴段的

10、部分阻力系數(shù)可用下式求算：式中 風道的摩擦阻力系數(shù)，Ns2/m4； n風道大、小斷面積之比，即21； 擴張角。 .(4)轉(zhuǎn)彎巷道轉(zhuǎn)彎時的部分阻力系數(shù)(思索巷道粗糙程度)可按下式計算：當巷高與巷寬之比H/b=0.21.0 時， 當 H/b=12.5 時 式中 0假定邊壁完全光滑時，90轉(zhuǎn)彎的部分阻力系數(shù)，其值見表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)，見表3-3-2。 .(5)風流分叉與集合1) 風流分叉 典型的分叉巷道如下圖，12段的部分阻力hl2和13段的部分阻力hl3分別用下式計算：2) 風流集合 如下圖，13段和23段的部分阻力hl3、hl23分別按下式

11、計算： 式中：1223123.3.部分風阻在部分阻力計算式中，令 ， 那么有： 式中Rl稱為部分風阻，其單位為N.s2/m8或kg/m7。 此式闡明，在紊流條件下部分阻力也與風量的平方成正比.三、正面阻力假設風流中存在物體，那么空氣流動時，必然使風速忽然重新分布，呵斥風流分子間的相互沖擊而產(chǎn)生的阻力叫正面阻力，由正面阻力所引起的風流能量損失叫正面阻力損失。從實驗得知：式中： 正面風阻。.四、礦井通風阻力定律 前面所引見的三種阻力方式，它們雖然具有本身的特點，但都包含一個共同的規(guī)律，即：式中：R風阻。這個公式是礦井通風中風量與能量損失之間相互關系的一個普遍規(guī)律，稱為礦井通風阻力定律。將以它作為一

12、個根本的規(guī)律，去分析今后所遇到的礦井通風中的假設干問題，從而找出處理礦井通風的方法。.第三節(jié) 礦井風阻特性曲線及等積孔 一、礦井風阻特性曲線 在紊流條件下，摩擦阻力和部分阻力均與風量的平方成正比。故可寫成普通方式：hRQ2 Pa 。 對于特定井巷，R為定值。用縱坐標表示通風阻力(或壓力)，橫坐標表示經(jīng)過風量，當風阻為R時，那么每一風量Qi值，便有一阻力hi值與之對應，根據(jù)坐標點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。風阻R越大，曲線越陡。QhR.二、礦井總風阻 從入風井口到主要通風機入口，把順序銜接的各段井巷的通風阻力累加起來，就得到礦井通風總阻力hRm，這就是井巷通風

13、阻力的疊加原那么。 知礦井通風總阻力hRm和礦井總風量Q，即可求得礦井總風阻： N.s2/m8 Rm是反映礦井通風難易程度的一個目的。Rm越大，礦井通風越困難；三、礦井等積孔我國常用礦井等積孔作為衡量礦井通風難易程度的目的。假定在無限空間有一薄壁，在薄壁上開一面積為A(m2)的孔口。當孔口經(jīng)過的風量等于礦井風量，且孔口兩側(cè)的風壓差等于礦井通風阻力時，那么孔口面積A稱為該礦井的等積孔。AIIIP2,v2P2,v2.設風流從I II，且無能量損失， 那么有：得： 風流收縮處斷面面積A2與孔口面積A之比稱為收縮系數(shù)，由水力學可知，普通=0.65，故A2=0.65A。那么v2Q/A2=Q/0.65A，

14、代入上式后并整理得： 取=1.2kg/m3，那么： 因Rm=hm2，故有 由此可見，A是Rm的函數(shù)，故可以表示礦井通風的難易程度。 當A，容易；A 2，中等；A困難。.例題3-7某礦井為中央式通風系統(tǒng)，測得礦井通風總阻力hRm=2800Pa，礦井總風量Q=70m3/s，求礦井總風阻Rm和等積孔A，評價其通風難易程度。解 對照表3-4-1可知，該礦通風難易程度屬中等。1、對于多風機任務的礦井，應根據(jù)各主要通風機任務系統(tǒng)的通風阻力和風量，分別計算各主要通風機所擔負系統(tǒng)的等積孔，進展分析評價。. 2、必需指出，表3-4-1所列衡量礦井通風難易程度的等積孔值，是1873年繆爾格(Murgue)根據(jù)當時

15、的消費情況提出的3，不斷沿用至今。由于現(xiàn)代的礦井規(guī)模、開采方法、機械化程度和通風機才干等較以前已有很大的開展和提高，表中的數(shù)據(jù)對小型礦井還有一定的參考價值，對大型礦井或多風機通風系統(tǒng)的礦井，衡量通風難易程度的目的還有待研討。.第四節(jié) 降低礦井通風阻力措施 降低礦井通風阻力，對保證礦井平安消費和提高經(jīng)濟效益具有重要意義。一、降低摩擦風阻 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，井巷斷面擴展33%，Rf值可減少50%。 3選用周長較小的井巷。在井巷斷面一樣的條件下，圓形斷面的周長最小，拱形斷面次之，矩形、梯形斷面的周長較大。 4減少巷道長度。 5防止巷道內(nèi)風量過于集中。.

16、二、降低部分風阻 部分阻力與值成正比，與斷面的平方成反比。因此，為降低部分阻力，應盡量防止井巷斷面的忽然擴展或忽然減少，斷面大小懸殊的井巷，其銜接處斷面應逐漸變化。盡能夠防止井巷直角轉(zhuǎn)彎或大于90的轉(zhuǎn)彎，主要巷道內(nèi)不得隨意停放車輛、堆積木料等。要加強礦井總回風道的維護和管理，對冒頂、片幫和積水處要及時處置。.三、降低正面風阻 在通風井巷中，應去除不用要的堆積物，尤其是抽出式通風的回風道，往往不易引起人們的注重。這一點應予特別留意。四、合理選擇降低風阻的井巷 降低風阻的目的，是為了降低通風阻力從而降低電耗。在同樣風阻的條件下，風量的大小對阻力的影響更為突出一些。那么在風量大的井巷采取降低風阻的措

17、施，收效就顯著得多。所以對主要的進、出風井巷，采用適當措施降低風阻就顯得特別重要。.第五節(jié) 風速的測定一、風速表1、翼式風速由于翼片較輕，可測定0.5-10m/s的風速。2、杯式風速用于測定大于10m/s的風速。3、熱球式電風速計是一種靈敏性較高的風表，由熱球探頭和丈量儀表兩部分組成。該風速計不用攜帶秒表，操作簡便，有0.05-10m/s及10m/s以上兩種測定范圍的風速計。此外，還可根據(jù)皮托管測出的動壓值計算風速；也可用煙霧對風速作粗略測定。二、風速的測定 由于風流在斷面上速度分布不同，為了測定平均風速，可按以下方法測定： 1.迎面法測風員面向風流，手持風表，手臂伸向正前方。 2.側(cè)身法側(cè)風員背向巷道壁，手持風表，手臂伸出與風流垂直。.第六節(jié) 礦井巷道摩擦阻力系數(shù)的測定 礦井中大多數(shù)通風井巷風流的Re值已進入阻力平方區(qū)，值只與相對糙度有關，對于幾何尺寸和支護已定型的井巷，相對糙度一定，那么可視為定值；在規(guī)范形狀下空氣密度=1.2kg/m3。 對上式， 令： 稱為摩擦阻力系數(shù)，單位為kg/m3 或 N.s2/m4。 那么得到紊流形狀下井巷的摩擦阻力計算式寫為：