井巷通風阻力

1、井巷通風阻力第1頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日第一節(jié) 井巷斷面上的風速分布第二節(jié) 摩擦風阻與阻力第三節(jié) 局部風阻與阻力第四節(jié) 礦井總風阻與礦井等積孔第五節(jié) 降低礦井通風阻力的措施第2頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日1、上一章內容回顧 1)、上次課所講的主要內容 空氣的物理性：溫度、密度（比容）、重度(重率)、濕度(絕對濕度、相對濕度、含濕量)、壓力（壓強）、粘性、焓、風流的點壓力及其相互關系、礦井通風能量方程(空氣流動連續(xù)性方程、單位質量流量能量方程、單位體積流量能量方程)及通風能量（壓力）坡度線。 2)、能解決的實際問題 （1）密度的計算 （

2、2）點壓力的測定 （3）礦井通風阻力的計算 （4） 礦井能量壓力坡度線的畫法，從圖形上直觀地看出空氣在流動過程中能量（壓力）沿程變化規(guī)律。 （5）風流方向的判斷第3頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日2、本章的重點： 井巷斷面的風速分布，摩擦阻力系數、摩擦風阻及阻力計算，尼古拉茲實驗，礦井局部阻力系數、局部風阻與阻力，礦井總風阻與等積孔、降低礦井通風阻力的措施。3、本章的難點： 正確查算摩擦阻力系數值 正確計算局部阻力系數值 4、本章的思考題 (1)對于給定的井巷，摩擦風阻Rf=const，為什么？ (2)摩擦阻力與摩擦風阻有何不同？ (3)礦井風量與摩擦阻力有何關系，從降

3、低摩擦阻力的角度，應如何控制風量？局部阻力是如何產生的？ (4)目前所用等積孔的計算方法、分級標準有什么不足之處？ (5)結合礦井實際，如何降低礦井通風阻力？如何降低局部阻力？ (6)如何正確合理評價礦井通風難易程度？第4頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日第三章 井巷通風阻力 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、擾動作用而形成通風阻力，它是造成風流能量損失的原因。井巷通風阻力可分為兩類：摩擦阻力(也稱為沿程阻力)和局部阻力。第一節(jié) 井巷斷面上風速分布 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，會形成不同的流動狀態(tài)。

4、當流速較低時，流體質點互不混雜，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，流體質點的運動速度在大小和方向上都隨時發(fā)生變化，成為互相混雜的紊亂流動，稱為紊流(或湍流)。 （）雷諾數Re 式中：平均流速v、管道直徑d 和流體的運動粘性系數 。當空氣溫度為150C 時，=14.4x10-6 m2/s。第5頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日雷諾實驗示意圖實驗表明： Re2320 層流（下臨界雷諾數） Re4000 紊流（上臨界雷諾數） 中間為過渡區(qū)。 實際工程計算中，為簡便起見，通常用Re=2300來判斷管路流動的流態(tài)。 Re2300 層流， Re2300

5、 紊流第6頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日 （）當量直徑 對于非圓形斷面的井巷，Re數中的管道直徑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可用下式表示： 對于不同形狀的井巷斷面，其周長U與斷面積S的關系，可用下式表示： 式中：C斷面形狀系數：梯形C=4.16；三心拱C=4.10；半圓拱C=3.84；圓形拱C=3.54 。 第7頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日例：某梯形巷道，采用工字鋼支護，斷面S=9m2，巷道中風量為Q=240m3/min，試判別風流流態(tài)。 解： 故巷道中風流為紊流。例：巷道條件同前，求相應于Re2300

6、時的層流臨界風速。 解： 規(guī)程規(guī)定，井巷中最低允許風速為0.15m/s，由此可見，礦井內所有通風井巷中的風流均呈紊流狀態(tài)。只有在采區(qū)冒落帶，煤巖柱裂隙中的漏風風流才有可能出現層流狀態(tài)，用孔隙介質流來判斷。 第8頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日2、孔隙介質流 在采空區(qū)和煤層等多孔介質中風流的流態(tài)判別準數為： 式中：K冒落帶滲流系數，m2；l濾流帶粗糙度系數，m。 層流，Re0.25； 紊流，Re2.5； 過渡流 0.25Re，砂粒凸起高度幾乎全暴露在紊流核心中，故Re對值的影響極小，略去不計，相對糙度成為的唯一影響因素。故在該區(qū)段，與Re無關，而只與相對糙度有關。摩擦阻力

7、與流速平方成正比，故稱為阻力平方區(qū)，尼古拉茲公式： 區(qū)層流區(qū)。當Re2320(即lgRe3.36)時，不論管道粗糙度如何，其實驗結果都集中分布于直線上。這表明與相對糙度/r無關，只與Re有關，且=64/Re。與相對粗糙度無關區(qū)過渡流區(qū)。2320Re4000(即3.36lgRe3.6)，在此區(qū)間內，不同相對糙度的管內流體的流態(tài)由層流轉變?yōu)槲闪鳌Ｋ械膶嶒烖c幾乎都集中在線段上。隨Re增大而增大，與相對糙度無明顯關系。區(qū)水力光滑管區(qū)。在此區(qū)段內，管內流動雖然都已處于紊流狀態(tài)(Re4000)，但在一定的雷諾數下，當層流邊層的厚度大于管道的絕對糙度（稱為水力光滑管）時，其實驗點均集中在直線上，表明與仍然

8、無關，而只與Re有關。隨著Re的增大，相對糙度大的管道，實驗點在較低Re時就偏離直線，而相對糙度小的管道要在Re較大時才偏離直線。結論分析：I區(qū)第14頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日2層流摩擦阻力 當流體在圓形管道中作層流流動時，從理論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： 古拉茲實驗所得到的層流時與Re的關系，與理論分析得到的關系完全相同，理論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/U代替d，代入阻力通式，則得到紊流狀態(tài)下井巷

9、的摩擦阻力計算式：第15頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日二、摩擦阻力系數與摩擦風阻1摩擦阻力系數 礦井中大多數通風井巷風流的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，則可視為定值；在標準狀態(tài)下空氣密度=1.2kg/m3。 對上式， 令： 稱為摩擦阻力系數，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算式寫為： 標準摩擦阻力系數： 通過大量實驗和實測所得的、在標準狀態(tài)（0=1.2kg/m3）條件下的井巷的摩擦阻力系數，即所謂標準值0值，當井巷中空氣密度1.2kg/m3時，其值應進行修正： = 0

10、 /1.2第16頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日 由于井巷斷面大小、支護形式及支架規(guī)格的多樣性，不同井巷的相對糙度差別很大。對于砌碹和錨噴巷道，壁面租糙度可用尼古拉茲實驗的相對糙度概念來比擬，只考慮橫斷面方向的相對糙度。但對于用木棚子、工字鋼、u型鋼和砼棚等支護的巷道，還要用支架間距(棚距)L與文拄的直徑或縱向厚度d。之比，即支架的縱口徑來表示巷道的軸向相對糙度，這是因為，當巷道橫斷面方向的相對糙度一定時，摩擦阻力系數隨縱口徑的不同而產生較大變化。第17頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日1234567891011121314156810121416

11、18v=6m/s; Re=146000v=14m/s;Re=340000第18頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日2摩擦風阻Rf 對于已給定的井巷，L、U、S都為已知數，故可把上式中的、L、U、S 歸結為一個參數Rf： Rf 稱為巷道的摩擦風阻，其單位為：kg/m7 或 N.s2/m8。 Rff ( ,S,U,L) 。在正常條件下當某一段井巷中的空氣密度一般變化不大時，可將R f 看作是反映井巷幾何特征的參數。 則得到紊流狀態(tài)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。三、井巷摩擦阻力計算方法 新建礦井：查表得0 Rf hf 生產礦井：

12、hf Rf 0 第19頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日例題3-3某設計巷道為梯形斷面，S=8m2，L=1000m，采用工字鋼棚支護，支架截面高度d0=14cm，縱口徑=5，計劃通過風量Q=1200m3/min，預計巷道中空氣密度=1.25kg/m3，求該段巷道的通風阻力。解 根據所給的d0、S值，由附錄4附表4-4查得: 0 =284.21040.88=0.025Ns2/m4則：巷道實際摩擦阻力系數 Ns2m4巷道摩擦風阻巷道摩擦阻力第20頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日 規(guī)程： 新井投產前必須進行1次礦井通風阻力測定，以后每3年至少進行1次。礦

13、井轉入新水平生產或改變一翼通風系統(tǒng)后，必須重新進行礦井通風阻力測定。 第21頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日四、生產礦井一段巷道阻力測定 測定路線的選擇依據的原則 在所有并聯風路中選擇風量較大且通過回采工作面的主風流風路作為主測定路線； 選擇路線較長且包括有較多井巷類型和支護形式的線路作為主測定線路； 選擇沿主風流方向且便于測定工作順利進行的線路作為主測定線路。第22頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日1、壓差計法 用壓差計法測定通風阻力的實質是測量風流兩點間的勢能差（靜壓和位能）和動壓差，計算出兩測點間的通風阻力。其中：右側的第二項為動壓差，通過測

14、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，需通過實際測定。 1）布置方式及連接方法z1z2第23頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日）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，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。根據能量方程，則1、2巷道段的通風阻力hR12為： 把壓差計放在1、2斷面之間，測值是否變化？第24頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日2、氣壓計法 由能量方程：hR12=(P1

15、-P2)+(1v12/2- 2v22/2)+ m12gZ12 用精密氣壓計分別測得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，若高差不大，就用算術平均值，若高差大，則有加權平均值； Z121，2斷面高差，從采掘工程平面圖查得。第25頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日 測試方法： (1)兩點同時法 在一條分支巷道的兩端用兩臺精密氣壓計同時讀數，從而減少了因氣壓波動、罐籠提升、礦車運行和風門啟閉等動態(tài)因素的影響，提高了測定數據的可靠性，適用于測定時間長、

16、要求精度高、礦井通風網絡復雜的礦井。 (2)基點法 一臺儀器(作為基準儀)在井底車場監(jiān)視大氣壓變化，另一臺儀器到各個測點進行讀數，根據基點的儀器讀值進行修正。適用于測定時間短、礦井通風網絡簡單的礦井。 計算公式： hR12=(P1-P2)+P12+(1v12/2- 2v22/2)+ m12gZ12第26頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日第三節(jié) 局部風阻與阻力 由于井巷斷面、方向變化以及分岔或匯合等原因，使均勻流動在局部地區(qū)受到影響而破壞，從而引起風流速度場分布變化和產生渦流等，造成風流的能量損失，這種阻力稱為局部阻力。 由于局部阻力所產生風流速度場分布的變化比較復雜性，對

17、局部阻力的計算一般采用經驗公式。一、局部阻力及其計算 和摩擦阻力類似，局部阻力hl一般也用動壓的倍數來表示： 式中：局部阻力系數，無因次。 計算局部阻力，關鍵是局部阻力系數確定，因v=Q/S,當確定后，便可用 第27頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日1)層流 實驗表明：在層流條件下，流體經過局部阻力物后，仍保持層流，局部阻力仍是由流層之間的粘性切應力引起的，只是由于邊壁變化；使流速重新分布，加強了相鄰流層間的相對運動，而增加了局部能量損失。此時，局部阻力系數與Re成反比，即： 式中：B因局部阻力物形式不同而異的常數。2)紊流 局部阻力物影響而仍能保持層流者，只有在Re20

18、00時才有可能，在礦井通風井巷中的很少見的，所以重點討論紊流時產生局部阻力。 為了探討局部阻力成因，現分析幾種典型局部阻力物附近的流動情況。第28頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日幾種常見的局部阻力產生的類型：、突變 紊流通過突變部分時，由于慣性作用，出現主流與邊壁脫離的現象，在主流與邊壁之間形成渦漩區(qū)，從而增加能量損失。、漸變 漸擴段主要是由于沿流動方向出現減速增壓現象，在邊壁附近產生渦漩。因為 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，出現與主流相反的流動，渦漩。 漸縮段? 第29頁，共49頁，202

19、2年，5月20日，8點48分，星期日、轉彎處 流體質點在轉彎處受到離心力作用，在外側出現減速增壓，出現渦漩。、分岔與會合 上述的綜合。 局部阻力的產生主要是與渦漩區(qū)有關，渦漩區(qū)愈大，能量損失愈多，局部阻力愈大。第30頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日二、局部阻力系數和局部風阻(一) 局部阻力系數 紊流局部阻力系數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突然擴大或式中： 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，可進行修正 第31頁，共49頁，202

20、2年，5月20日，8點48分，星期日2突然縮小對應于小斷面的動壓 ，值可按下式計算： 3逐漸擴大 逐漸擴大的局部阻力比突然擴大小得多，其能量損失可認為由摩擦損失和擴張損失兩部分組成。 當20時，漸擴段的局部阻力系數可用下式求算：式中 風道的摩擦阻力系數，Ns2/m4； n風道大、小斷面積之比，即21； 擴張角。 第32頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日4轉彎巷道轉彎時的局部阻力系數(考慮巷道粗糙程度)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轉彎的局部阻力系數，其值見表3-3-1； 巷道的摩擦阻力系

21、數，N.s2/m4； 巷道轉彎角度影響系數，見表3-3-2。 第33頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日5風流分叉與匯合1) 風流分叉 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分別用下式計算：2) 風流匯合 如圖所示，13段和23段的局部阻力hl3、hl23分別按下式計算： 式中：1223123第34頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日(二) 局部風阻在局部阻力計算式中，令 ， 則有： 式中Rl稱為局部風阻，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量的平方成正比第35頁，共49頁，2022年

22、，5月20日，8點48分，星期日第四節(jié) 礦井總風阻與礦井等積孔 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量的平方成正比。故可寫成一般形式：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)，橫坐標表示通過風量，當風阻為R時，則每一風量Qi值，便有一阻力hi值與之對應，根據坐標點（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第36頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日二、礦井總風阻 從入風井口到主要通風機入口，把順序連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

23、風阻力的疊加原則。 已知礦井通風總阻力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指標。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指標。 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。當孔口通過的風量等于礦井風量， 且孔口兩側的風壓差等于礦井通風阻力時，則 孔口面積A稱為該礦井的等積孔。AIIIP2,v2P1,v1第37頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日設風流從I II，且無能量損失， 則有：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，由水力學可知，一

24、般=0.65，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，A是Rm的函數，故可以表示礦井通風的難易程度。 第38頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日礦井等積孔分級標準： 歐州共同體提出：礦井產量T150萬t/a的礦井，必須滿足A5m2；礦井產量T在60150萬t/a的礦井，必須滿足A在45m2；礦井產量T60萬t/a的礦井，必須滿足A在34m2。 美國規(guī)定：低瓦斯礦井：A=2540英尺2(2.323.72m2)；高瓦斯礦井：A=4090英尺2(3.728.36m2)。 我國按等積孔大小

25、確定礦井通風難易程度的標準為：A1m2，通風困難；A2m2，通風容易。 第39頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日例題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、對于多風機工作的礦井，應根據各主要通風機工作系統(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，進行分析評價。2、必須指出，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)根據當時的生產情況提出的3，一直沿用至今。由于

26、現代的礦井規(guī)模、開采方法、機械化程度和通風機能力等較以前已有很大的發(fā)展和提高，表中的數據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指標還有待研究。第40頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日 一般來說，如果礦井等積孔較大，風量足夠，漏風不大，而且礦井調風比較容易，應屬通風容易礦井。 雖然礦井等積孔較大，如果礦井調風困難，應屬通風困難礦井。 雖然礦井等積孔較小，若主要通風機能力大、礦井供風量足，且調風容易，也屬通風容易礦井。 對調風難易狀況相同的礦井，一般來講，礦井等積孔大的礦井比等積孔小的礦井通風容易。 對等積孔接近的不同礦井，一般來講

27、，調風容易的礦井比調風困難的礦井通風容易。 第41頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日第五節(jié) 降低礦井通風阻力措施降低礦井通風阻力，對保證礦井安全生產和提高經濟效益具有重要意義一、降低井巷摩擦阻力措施 1減小摩擦阻力系數。 2保證有足夠大的井巷斷面。在其它參數不變時，井巷斷面擴大33%，Rf值可減少50%。 3選用周長較小的井巷。在井巷斷面相同的條件下，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避免巷道內風量過于集中。第42頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日 某礦總回風巷L2000m，S8m2，通過風量Q50m3/s，工字鋼支護梯形斷面，0.0188Ns2/m4，主要通風機的總效率60%，求： 為克服這段阻力，一年要耗多少度電？ 若巷道用砼砌碹支護三心斷面，求電年電耗（0.00417Ns2/m4）。第43頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日解： 第44頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日 第45頁，共49頁，2022年，5月20日，8點48分，星期日二、降低局部阻力措施 局部阻力與值成正比，與