內(nèi)科大礦井通風(fēng)講義

ADVANCE\d6，Pa(2–38)風(fēng)筒全斷面的平均風(fēng)速即可算出，其式為（2-39）：，m/s(2–39)在式（2-38）和（2-39）中，-測點(diǎn)動(dòng)壓，Pa；—測點(diǎn)總數(shù)。4.測量很低的風(fēng)速或者鑒別通風(fēng)構(gòu)筑物漏風(fēng)可以采用煙霧法或嗅味法近似測定空氣移動(dòng)速度。圖2-21圓形風(fēng)筒劃分的等面積同心圓1-風(fēng)筒壁；2-等面積同心部分界線；3-測點(diǎn)圓環(huán)；R-風(fēng)筒半徑2.4.3風(fēng)表校正由于風(fēng)表制造上的誤差和使用中的磨損以及溫度、濕度、風(fēng)速、粉塵的影響，表速N并不等于真實(shí)風(fēng)速v。為了獲得真實(shí)風(fēng)速，必須用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行風(fēng)表校正。新風(fēng)表在出廠時(shí)都附有校正曲線，使用中的風(fēng)表還必須定期校正，繪制出新的校正曲線。所謂風(fēng)表校正，即用專門的設(shè)備測定出不同的表速與相應(yīng)的真實(shí)風(fēng)速之間的關(guān)系，然后在坐標(biāo)紙上把它們繪成校正曲線。實(shí)驗(yàn)室校正設(shè)備有旋臂式校正裝置和空氣動(dòng)力管等?？諝鈩?dòng)力管(亦稱風(fēng)洞)風(fēng)表校正裝置式樣很多，圖2-22所表示的是其中的一種。圖2-22空氣動(dòng)力管式風(fēng)表校正裝置1-集流器；2-阻尼網(wǎng)；3-穩(wěn)流管；4-收縮管；5-工作管；6-風(fēng)表；7-皮托管；8-直線管；9-文丘利噴嘴及壓差計(jì)；10-直線管；11-調(diào)節(jié)閥；12-帆布接頭；13-扇風(fēng)機(jī)。被校正的風(fēng)表置于工作管5之中，管中的風(fēng)速用調(diào)節(jié)閥11控制，其大小從連接于文丘利噴嘴的壓差計(jì)9上讀出。壓差計(jì)9的刻度用皮托管7測算的平均速度校正。改變空氣動(dòng)力管的風(fēng)速，可以獲得若干組表速N與真實(shí)風(fēng)速之對(duì)應(yīng)值，依此能夠繪出風(fēng)表校正曲線。2.4.4風(fēng)流的運(yùn)動(dòng)型式風(fēng)流的流動(dòng)型式有兩種，一種是有固定邊界的風(fēng)流，例如井筒、巷道及管道中的風(fēng)流就屬于這一種，其特點(diǎn)是空氣受邊界的限制而沿風(fēng)道方向流動(dòng)。另一種是沒有固定邊界的風(fēng)流即自由風(fēng)流，或稱射流。當(dāng)空氣由巷道流進(jìn)寬大的硐室，或空氣自風(fēng)筒末端排到巷道時(shí)就會(huì)出現(xiàn)自由風(fēng)流。它的特點(diǎn)為，風(fēng)流的邊界不是風(fēng)道壁，而是與風(fēng)流同一相態(tài)的介質(zhì)。自由風(fēng)流的橫斷面隨流動(dòng)方向逐漸擴(kuò)散，形成圓錐形。此圓錐形風(fēng)流在前進(jìn)途中如遇界壁時(shí)，則為受限自由風(fēng)流，如圖2-23a所示；當(dāng)圓錐形得以充分發(fā)展時(shí)，即為完全自由風(fēng)流，如圖2-23b所示。礦井通風(fēng)中，通常把固定邊界的風(fēng)流稱巷道型風(fēng)流，無固定邊界的風(fēng)流稱硐室型風(fēng)流。圖2-23自由風(fēng)流（a）受限自由風(fēng)流；（b）完全自由風(fēng)流1.巷道型風(fēng)流與紊流變形圖2-24所表示的巷道型風(fēng)流，右側(cè)和左側(cè)分別為進(jìn)風(fēng)道和回風(fēng)道，爆破后工作場所abcd中充滿炮煙。圖2-24紊流變形在風(fēng)流的作用下，波面aeb不斷向前移動(dòng)，經(jīng)過ae?b、ae??b……等位置而達(dá)到回風(fēng)道?？梢哉J(rèn)為，巷道末端cd斷面上的炮煙平均濃度合乎允許標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就算排煙完畢。2.硐室型風(fēng)流與紊流擴(kuò)散圖2-25具有貫穿風(fēng)流的硐室中排煙排塵如果把自由風(fēng)流中等于進(jìn)出風(fēng)量的每個(gè)橫斷面連在一起，即形成一個(gè)等風(fēng)量的柱體，這個(gè)柱狀體內(nèi)所圈定的風(fēng)流就叫做自由風(fēng)流的定量核心。也就是說，定量核心任意橫斷面通過的風(fēng)量，均等于流入或排出硐室的風(fēng)量。在紊流擴(kuò)散作用下，新鮮空氣與炮煙在邊界層相摻雜，那么定量核心中也一定充斥著炮煙?？梢哉J(rèn)為，通風(fēng)后從硐室中排出的炮煙量，即相當(dāng)于定量核心中所含炮煙量。如果靠近出口dd處定量核心斷面的炮煙平均濃度為，硐室里炮煙平均濃度為，則定義與的比值為紊流構(gòu)造系數(shù)a，則紊流擴(kuò)散系數(shù)用式（2-40）表示：(2-40)紊流擴(kuò)散系數(shù)越大，排煙越快，反之則越慢。可見，值與硐室長度，入風(fēng)口的斷面積及入風(fēng)流的紊流構(gòu)造系數(shù)a具有函數(shù)關(guān)系。

第三章礦井風(fēng)流流動(dòng)的能量方程及其應(yīng)用3.1礦井風(fēng)流運(yùn)動(dòng)的能量方程式及其應(yīng)用3.1.1空氣流動(dòng)連續(xù)性方程1．連續(xù)性方程當(dāng)空氣在圖3-1的井巷中從1斷面流向2斷面，且做定常流動(dòng)時(shí)（即在流動(dòng)過程中不漏風(fēng)又無補(bǔ)給），兩個(gè)過流斷面的空氣質(zhì)量流量相等，即的式（3-1）：(3-1)式（3-1）中，，——l，2斷面上空氣的平均密度，kg/m3；，——1，2斷面上空氣的平均流速，m/s；，——l，2斷面的斷面積，m2。圖3-1一元穩(wěn)定流連續(xù)性分析圖任一過流斷面的質(zhì)量流量（kg/s）為常數(shù)，即得式（3-2）：(3-2)這就是空氣流動(dòng)的連續(xù)性方程，它適用于可壓縮和不可壓縮流體。對(duì)于可壓縮流體，根據(jù)式（3-1），當(dāng)＝時(shí)，空氣的密度與其流速成反比，也就是流速大的斷面上的密度比流速小的斷面上的密度要小。對(duì)于不可壓縮流體（密度為常數(shù)），則通過任一斷面的體積流量（m3/s）相等，即得式（3-3）：（3-3）井巷斷面上風(fēng)流的平均流速與過流斷面的面積成反比。即在流量一定的條件下，空氣在斷面大的地方流速小，在斷面小的地方流速大?？諝庠诘V井巷道中的流動(dòng)可近似地認(rèn)為是一元穩(wěn)定流，這在工程應(yīng)用中是滿足要求的。2．風(fēng)流運(yùn)動(dòng)的能量方程根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)空氣從第一斷面流向第二個(gè)斷面時(shí)（如圖3-2所示），列出能量方程的式（3-4）：圖3-2風(fēng)流的能量關(guān)系(3-4)式（3-4）中，、——斷面1、2處單位體積風(fēng)流的靜壓能，Pa；、——斷面1、2處的平均風(fēng)速，m/s；、——斷面1、2處距基準(zhǔn)面的高度，m；——重力加速度，m2/s；——單位體積風(fēng)流的壓力損失，或稱阻力，Pa。由于實(shí)際礦井內(nèi)空氣流動(dòng)時(shí)，同一斷面上各點(diǎn)的風(fēng)速不是均勻一致的，通常以斷面的平均風(fēng)速來計(jì)算。風(fēng)流總是由總能量大的地方流向總能量小的地方。3.1.2單位質(zhì)量流量能量方程1．能量組成在井巷通風(fēng)中，風(fēng)流的能量由機(jī)械能和內(nèi)能組成，常用1kg空氣或1m3空氣所具有的能量表示。風(fēng)流具有的機(jī)械能包括靜壓能、動(dòng)壓能和位能。風(fēng)流具有的內(nèi)能是風(fēng)流內(nèi)部儲(chǔ)存能的簡稱，它是風(fēng)流內(nèi)部所具有的分子內(nèi)動(dòng)能與分子位能之和。用表示1kg空氣所具有的內(nèi)能（J/kg），得式（3-7）。(3-7)式（3-7）中，——空氣的溫度，K；——空氣的比容，m3/kg。根據(jù)壓力（）、溫度（）和比容（）三者之間的關(guān)系，空氣的內(nèi)能還可寫成式（3-8）：；(3-8)2．風(fēng)流流動(dòng)過程中能量分析在1斷面上，1kg空氣所具有的能量為式（3-9）：(3-9)風(fēng)流流經(jīng)12斷面，到達(dá)2斷面時(shí)的能量為式（3-10）：(3-10)圖3-3井巷中的風(fēng)流1kg空氣由1斷面流至2斷面的過程中，克服流動(dòng)阻力消耗的能量為（這部分被消耗的能量將轉(zhuǎn)化成熱能，仍存在于空氣中）。另外還有地溫（通過井巷壁面或淋水等其他途徑）、機(jī)電設(shè)備等傳給1kg空氣的熱量。這些熱量將增加空氣的內(nèi)能并使空氣膨脹做功。3．可壓縮空氣單位質(zhì)量流量的能量方程當(dāng)風(fēng)流在井巷中做一維穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，根據(jù)能量守恒及轉(zhuǎn)換定律可得式（3-11）：(3-11)根據(jù)熱力學(xué)第一定律，傳給空氣的熱量，一部分用于增加空氣的內(nèi)能，一部分使空氣膨脹對(duì)外做功，即得式（3-12）：(3-12)又因?yàn)椋?3-13)將式（3-12）、式（3-13）代入式（3-11），并整理得：（3-14）式（3-14）就是單位質(zhì)量可壓縮空氣在無壓源的井巷中流動(dòng)時(shí)能量方程的一般形式。1、2斷面間有壓源（如局部通風(fēng)機(jī)等）存在，則其能量方程為式（3-15）：(3-15)4．單位質(zhì)量可壓縮空氣能量方程分析式（3-14）和式（3-15）中，稱為伯努利積分項(xiàng)，它反映了風(fēng)流從1斷面流至2斷面的過程中的靜壓能變化，它與空氣流動(dòng)過程的狀態(tài)密切相關(guān)。對(duì)于不同的狀態(tài)過程，其積分結(jié)果是不同的。對(duì)于多變過程，過程指數(shù)為，其多變過程方程式為式（3-16）：(3-16)不同的多變過程有不同的過程指數(shù)，值可以在范圍內(nèi)變化。當(dāng)＝0時(shí)，，即為定壓過程，；當(dāng)＝1時(shí)，，即為等溫過程，；當(dāng)＝1.41時(shí)，，即為等熵過程；當(dāng)時(shí)，，即為等容過程，(3-17)實(shí)際多變過程中其值是變化的。在深井通風(fēng)中，如果其值變化較大時(shí)，可分成若干段（各段的值均不相等），在每一段中的值可近似認(rèn)為不變。當(dāng)對(duì)式（3-16）微分，則有：或，則：(3-18)按式（3-18）可由鄰近的兩個(gè)實(shí)測的狀態(tài)求得此過程的值。由式（3-16）和得：故得式（3-19）：(3-19)將式（3-12）代入積分項(xiàng)并由積分公式積分得：將上式代入式（3-15）和式（3-14）得：(3-20）(3-21)令：(3-22)式（3-22）中，——1、2斷面間按狀態(tài)過程考慮的空氣平均密度。由式（3-20）和式（3-21）得：(3-23)則單位質(zhì)量流量的能量方程又可表示為式（3-24）和（3-25）：(3-24)(3-25)3.1.3單位體積流量能量方程在考慮空氣的可壓縮性時(shí)，那么1m3空氣流動(dòng)過程中的能量損失可由lkg空氣流動(dòng)過程中的能量損失乘以按流動(dòng)過程狀態(tài)考慮計(jì)算的空氣密度，即：。代入式（3-24）、（3-25）得：(3-26)(3-27)式（3-26）和式（3-27）就是單位體積流體的能量方程，其中式（3-27）是有壓源時(shí)的能量方程?；?qū)懗墒?、2斷面的位能差。當(dāng)1、2斷面的標(biāo)高差較大的情況下，該項(xiàng)數(shù)值在方程中往往占有很大的比重，必須準(zhǔn)確測算。由于井巷斷面上風(fēng)速分布的不均勻性，用斷面平均風(fēng)速計(jì)算出來的斷面總動(dòng)能與斷面實(shí)際總動(dòng)能不等，需用動(dòng)能系數(shù)加以修正。動(dòng)能系數(shù)是斷面實(shí)際總動(dòng)能與用斷面平均風(fēng)速計(jì)算出的總動(dòng)能的比。(3-28)式（3-28）中，——微小面積上的風(fēng)速，其它符號(hào)意義同前。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了測算動(dòng)能系數(shù)，把斷面分成若干微小面積（分得越小越好），分別測出每一微小面積上的和，測出斷面平均風(fēng)速和斷面積，用式（3-29）計(jì)算：(3-29)斷面上風(fēng)速分布愈不均勻，的值愈大。在礦井條件下，一般為1.02～1.05。由于動(dòng)能差項(xiàng)很小，在應(yīng)用能量方程時(shí)，可取為1。在進(jìn)行了上述兩項(xiàng)簡化處理后，單位體積流體的能量方程可近似地寫成式（3-30）和（3-31）：(3-30)(3-31)3.1.4斷面不同的水平巷道能量方程由于水平巷道中，空氣密度又近似相等，因此，方程式（3-30）可簡化為如下形式：(3-32)式（3-32）表明，斷面不同的水平巷道，兩斷面間的靜壓差和動(dòng)壓差之和等于這段巷道的通風(fēng)阻力。如果用精密氣壓計(jì)分別測定斷面1、2處的靜壓和，又用風(fēng)速計(jì)分別測定兩斷面的平均風(fēng)速v1和v2，并計(jì)算出動(dòng)壓，然后按式（3-32）兩斷面的靜壓差與動(dòng)壓差之和即為這段巷道的通風(fēng)阻力。如果用皮托管的靜壓端和壓差計(jì)直接測定兩斷面間的靜壓差，再加上兩斷面的動(dòng)壓差，同樣可求得這段巷道的通風(fēng)阻力。如果是斷面積均勻不變的水平巷道，有，，則式（3-32）變化為：(3-33)3.1.5斷面相同的垂直或傾斜巷道能量方程及其應(yīng)用由于v1=v2，兩斷面間的動(dòng)壓差為零，此時(shí)，式（3-6）可簡化成：(3-34)如果將基準(zhǔn)面取在下方的斷面上，則有=0，=，式（3-34）變化為：(3-35)式（3-35）表明，在斷面相同的垂直或傾斜巷道中，兩斷面的靜壓差與位能差之和等于該段井巷的通風(fēng)阻力?？捎镁軞鈮河?jì)、溫度計(jì)測量、、，計(jì)算得到該段通風(fēng)阻力。如果用皮托管靜壓端和壓差計(jì)直接測定兩斷面間壓差時(shí)，壓差計(jì)上的示度（圖3-4）即為井巷通風(fēng)阻力。圖3-4用皮壓管-壓差計(jì)測定風(fēng)流壓差（注：一段巷道的通風(fēng)阻力一般都很小，用U型水柱壓差計(jì)一般是測不出來的。圖中畫的U型壓差計(jì)是為了形象化表示）如圖3-4，壓差計(jì)左側(cè)承受的壓力為，它等于斷面1處風(fēng)流靜壓p1與左側(cè)膠皮管中空氣柱之和，即：壓差計(jì)右側(cè)所承受的壓力，有：壓差計(jì)上示度為：這就說明，用此法測得的壓差值，即為該段井巷的通風(fēng)阻力。3.1.6有扇風(fēng)機(jī)工作時(shí)的能量方程式圖3-5有扇風(fēng)機(jī)工作的風(fēng)路此時(shí)，單位體積流體的能量方程式可寫成式（3-36）：(3-36)式（3-36）中，——扇風(fēng)機(jī)的全壓。當(dāng)分析扇風(fēng)機(jī)工作狀況時(shí)，常在扇風(fēng)機(jī)入口取斷面1，出口取斷面2，列出能量方程式，若將扇風(fēng)機(jī)內(nèi)部阻力（斷面1、2之間）忽略不計(jì)，即h1-2=0，且，則能量方程式如式（3-37）：(3-37)式（3-37）表明，扇風(fēng)機(jī)的全壓等于扇風(fēng)機(jī)出風(fēng)口與入風(fēng)口之間的靜壓差與動(dòng)壓差之和。3.1.7斷面變化的垂直或傾斜巷道的能量方程及其應(yīng)用當(dāng)垂直或傾斜巷道兩端斷面不相同時(shí)，欲測定這段巷道的通風(fēng)阻力，必須全面測定兩斷面的靜壓差﹑動(dòng)壓差和位能差，然后根據(jù)能量方程式的一般形式，計(jì)算通風(fēng)阻力。如果用皮托管的靜壓端，壓差計(jì)上的示度等于兩面間靜壓差（）與位能差（）之和，只要再加上動(dòng)壓差，即可求得通風(fēng)阻力。3.1.8關(guān)于能量方程運(yùn)用的幾點(diǎn)說明（1）能量方程的意義是表示1kg（或1m3）空氣由l斷面流向2斷面的過程中所消耗的能量（通風(fēng)阻力）等于流經(jīng)l、2斷面間空氣總機(jī)械能（靜壓能、動(dòng)壓能和位能）的變化量。（2）風(fēng)流流動(dòng)必須是穩(wěn)定流，即斷面上的參數(shù)不隨時(shí)間的變化而變化，所研究的始、末斷面要放在緩變流場上。（3）風(fēng)流總是從總能量（機(jī)械能）大的地方流向總能量小的地方。在判斷風(fēng)流方向時(shí)，應(yīng)用依據(jù)始末兩斷面上的總能量，而不能只看其中的某一項(xiàng)。如不知風(fēng)流方向，列能量方程時(shí)，應(yīng)先假設(shè)風(fēng)流方向，如果計(jì)算出的能量損失（通風(fēng)阻力）為正，說明風(fēng)流方向假設(shè)正確，如果為負(fù)，則風(fēng)流方向假設(shè)錯(cuò)誤。（4）正確選擇基準(zhǔn)面。（5）在始、末斷面間有壓源時(shí)，壓源的作用方向與風(fēng)流的方向一致，壓源為正，說明壓源對(duì)風(fēng)流做功；如果兩者方向相反，壓源為負(fù)，則壓源成為通風(fēng)阻力。（6）單位質(zhì)量或單位體積流量的能量方程只適用1、2斷面間流量不變的條件，對(duì)于流動(dòng)過程中有流量變化的情況，應(yīng)按總能量的守恒與轉(zhuǎn)換定律列方程。（7）應(yīng)用能量方程時(shí)要注意各項(xiàng)單位的一致性。3.2能量方程在分析通風(fēng)動(dòng)力與阻力關(guān)系上的應(yīng)用1．壓入式通風(fēng)如圖3-6所示，列1、2兩斷面間能量方程式：式中為扇風(fēng)機(jī)在風(fēng)硐中所造成的相對(duì)靜壓，扇風(fēng)機(jī)房靜壓水柱計(jì)上所測得的壓差即為此值，以Hs表示。為1、2兩斷面間的位能差，它相當(dāng)于因入、排風(fēng)井兩側(cè)空氣柱重量不同而形成的自然風(fēng)壓，以Hn表示。h1、2為礦井通風(fēng)阻力。上式可寫成式（3-38）：（3-38）圖3-6壓入式扇風(fēng)機(jī)工作式（3-38）說明，壓入式通風(fēng)時(shí)，扇風(fēng)機(jī)在風(fēng)硐中所造成的靜壓與動(dòng)壓之和，與自然風(fēng)壓共同作用，克服了礦井通風(fēng)阻力，并在出風(fēng)井口造成動(dòng)壓損失。列出扇風(fēng)機(jī)入口與扇風(fēng)機(jī)風(fēng)硐間的能量方程式。由于扇風(fēng)機(jī)入口外的靜壓等于大氣壓力，其風(fēng)速等于零，當(dāng)忽略這段巷道的通風(fēng)阻力時(shí)，其能量方程式有如下形式：或（3-39）即扇風(fēng)機(jī)的全壓等于扇風(fēng)機(jī)在風(fēng)硐中所造成的靜壓（即為扇風(fēng)機(jī)的靜壓）與動(dòng)壓之和。將式（3-39）代入式（3-38）時(shí)，即得式（3-40）：（3-40）此式表明，扇風(fēng)機(jī)全壓與自然風(fēng)壓共同作用，克服了礦井通風(fēng)阻力，并在出風(fēng)井口造成動(dòng)壓損失。扇風(fēng)機(jī)全壓與礦井通風(fēng)阻力的關(guān)系，也可用壓力分布圖來表示。圖3-7是沿礦井風(fēng)路扇風(fēng)機(jī)所造成的壓力與礦井通風(fēng)阻力的變化關(guān)系。圖3-7壓入式通風(fēng)時(shí)的壓力分布圖圖3-7表明，在壓入式扇風(fēng)機(jī)風(fēng)硐內(nèi)，扇風(fēng)機(jī)的全壓等于扇風(fēng)機(jī)靜壓與動(dòng)壓之和。隨著風(fēng)流向前流動(dòng)，由于克服礦井通風(fēng)阻力，扇風(fēng)機(jī)的全壓和靜壓逐漸被消耗。在礦井出風(fēng)口，扇風(fēng)機(jī)的全壓大部分用于克服礦井通風(fēng)阻力h1，2，只剩下一小部分，它等于礦井出風(fēng)口的動(dòng)壓損失。２．抽出式通風(fēng)列1、2兩斷面間能量方程式：圖3-8抽出式通風(fēng)式中是扇風(fēng)機(jī)在風(fēng)硐中所造成的靜壓（以絕對(duì)值計(jì)），以表示之。等于礦井中的自然風(fēng)壓，以表示。h1，2為礦井通風(fēng)阻力。為抽出式扇風(fēng)機(jī)在風(fēng)硐中所造成的動(dòng)壓，此動(dòng)壓對(duì)礦井通風(fēng)而言，沒有起到克服礦井通風(fēng)阻力的作用。上式可改成：（3-41）此式表明，抽出式通風(fēng)時(shí)，扇風(fēng)機(jī)在風(fēng)硐中所造成的靜壓（絕對(duì)值）與自然風(fēng)壓共同作用，克服了礦井通風(fēng)阻力，并在風(fēng)硐中造成動(dòng)壓損失。為了分析扇風(fēng)機(jī)全壓與通風(fēng)阻力的關(guān)系，需要列出由扇風(fēng)機(jī)入口２到擴(kuò)散塔出口3的能量方程式。這個(gè)方程式包括扇風(fēng)機(jī)在內(nèi)，并忽略這段巷道的通風(fēng)阻力，則扇風(fēng)機(jī)全壓（以絕對(duì)值表示）為：或合并兩式得式（3-42）：（3-42）式（3-42）表明，抽出式扇風(fēng)機(jī)的全壓與自然風(fēng)壓共同作用，克服了礦井通風(fēng)阻力，并在扇風(fēng)機(jī)擴(kuò)散塔出口造成動(dòng)壓損失。在不考慮自然風(fēng)壓時(shí)，在扇風(fēng)機(jī)的全壓中，用于克服礦井通風(fēng)阻力h1、2的那一部分，常稱為扇風(fēng)機(jī)的有效靜壓，以表示。則：或（3-43）上兩式說明，在抽出式通風(fēng)時(shí)，扇風(fēng)機(jī)的有效靜壓等于扇風(fēng)機(jī)在風(fēng)硐中所造成的靜壓與風(fēng)硐中風(fēng)流動(dòng)壓之差，或者等于扇風(fēng)機(jī)的全壓與擴(kuò)散塔出口的動(dòng)壓之差。扇風(fēng)機(jī)全壓等于擴(kuò)散塔出口與扇風(fēng)機(jī)風(fēng)硐之間的全壓差，而不等于扇風(fēng)機(jī)在風(fēng)硐中所造成的全壓。扇風(fēng)機(jī)在風(fēng)硐中所造成的全壓，即該斷面風(fēng)流的全壓，等于礦井通風(fēng)阻力h1，2。而扇風(fēng)機(jī)的靜壓則等于扇風(fēng)機(jī)在風(fēng)硐中所造成的靜壓，即該斷面風(fēng)流的靜壓。圖3-9抽出式通風(fēng)時(shí)的壓力分布圖３．扇風(fēng)機(jī)安裝在井下首先列出扇風(fēng)機(jī)入、出風(fēng)口斷面１、２的能量方程式，可得扇風(fēng)機(jī)的全壓為：（3-44）式（3-44）中，＝（扇風(fēng)機(jī)靜壓）。若入排風(fēng)兩側(cè)巷道斷面十分接近，，則，此時(shí)，即扇風(fēng)機(jī)的全壓等于扇風(fēng)機(jī)的靜壓。圖3-10扇風(fēng)機(jī)安裝在井下列出由入風(fēng)井口端面a到扇風(fēng)機(jī)入風(fēng)口斷面１之間的能量方程式：（3-45）式（3-45）中，是風(fēng)流由a斷面流到１斷面的通風(fēng)阻力。由于入風(fēng)井口處風(fēng)速為零，即＝０。井底斷面１處距基準(zhǔn)面的距離為零，則＝０，上式可化成：（3-46）再列出由扇風(fēng)機(jī)出風(fēng)口斷面２到出風(fēng)井口斷面b之間的能量方程式：（3-47）式（3-47）中，是風(fēng)流由扇風(fēng)機(jī)出口斷面２到出風(fēng)井口斷面b的通風(fēng)阻力。由于＝０，則得式（3-48）：（3-48）整理上式有，并已知（井口處地表大氣壓力），則可得式（3-49）：（3-49）式（3-49）中，為礦井自然風(fēng)壓，為礦井通風(fēng)阻力。上式表明，當(dāng)扇風(fēng)機(jī)安裝在井下時(shí)，扇風(fēng)機(jī)的全壓與自然風(fēng)壓之和，用于克服扇風(fēng)機(jī)入風(fēng)側(cè)與出風(fēng)側(cè)的阻力之和，并在出風(fēng)井口造成動(dòng)壓損失。扇風(fēng)機(jī)安裝在井下時(shí)，其壓力分布如圖3-11，在入風(fēng)段，全壓與靜壓均為負(fù)值；在出風(fēng)段，全壓與靜壓均為正值。圖3-11扇風(fēng)機(jī)安在井下時(shí)的壓力分布綜上所述，無論壓入式、抽出式或扇風(fēng)機(jī)安裝在井下，用于克服礦井通風(fēng)阻力和造成出風(fēng)井口動(dòng)壓損失的通風(fēng)動(dòng)力，均為扇風(fēng)機(jī)的全壓與自然風(fēng)壓之總和。3.3有分支風(fēng)路的能量方程式如圖3-12所示，當(dāng)風(fēng)流從斷面0流出后，分成兩個(gè)分支，一個(gè)分支到斷面1，另一個(gè)分支到斷面2，則其全流量能量方程式如下（為分析問題方便起見，位能項(xiàng)忽略不計(jì)）：（3-50）式（3-50）中：h0,1、h0,2——單位體積流體由斷面0到斷面1、2的能量損失，Pa；Q0、Q1、Q2——斷面0、1、2處的風(fēng)量，m3/s。圖3-12風(fēng)流分支圖3-13中央壓入兩翼排風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)圖3-13為中央壓入兩翼排風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)示意圖，當(dāng)風(fēng)流由風(fēng)硐斷面3流到入風(fēng)井底0斷面后，分成兩路，分別由兩排風(fēng)井口斷面1、2流出。以下應(yīng)用全流量能量方程式分析通風(fēng)動(dòng)力與通風(fēng)阻力間的關(guān)系。首先列出風(fēng)流由斷面3到斷面0的全流量能量方程式：（3-51）再列出由斷面0到斷面1、2的全流量能量方程式。其形式與（3-50）式相同。將（3-51）與（3-50）兩式合并，可得：（3-52）若P1=P2=Pa(井口處地表大氣壓力)；則（3-52）式可變換成：（3-53）式（3-53）中，扇風(fēng)機(jī)的全壓。式(3-53)表明，在中央壓入兩翼排風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)中，扇風(fēng)機(jī)所造成的全能量（全流量的總能量）等于共用巷道段全流量阻力與各分支風(fēng)路在各該風(fēng)量下的總阻力之和（包括出口動(dòng)能損失）。由于Q0=Q1+Q2，（3-53）式還可以變換成如下形式：（3-54）由此可得：（3-55）（3-56）上兩式說明，在中央壓入兩翼排風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)中，扇風(fēng)機(jī)的全壓（以單位體積流體計(jì)）等于由扇風(fēng)機(jī)風(fēng)硐起到各排風(fēng)風(fēng)路末端止，各段風(fēng)路阻力之疊加值與出風(fēng)井口動(dòng)壓損失之和。對(duì)于中央進(jìn)風(fēng)兩翼排風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)（見圖3-14），兩臺(tái)抽出式扇風(fēng)機(jī)Ⅰ、Ⅱ分別在兩排風(fēng)井口1、2處工作，其通風(fēng)動(dòng)力和阻力之間的關(guān)系，也可以做類似的分析，所得結(jié)果如下：（3-57）式（3-57）中，、——Ⅰ、Ⅱ兩扇風(fēng)機(jī)的全壓，Pa。式（3-57）表明，兩翼抽出式通風(fēng)系統(tǒng)中，兩扇風(fēng)機(jī)的全能量（各風(fēng)路流量的總能量）之和，等于共用段巷道全流量阻力與兩翼風(fēng)路的總阻力之和。由于Q0=Q1+Q2，（3-57）式還可以變換成式（3-58）：（3-58）由此可得：=（3-59）=（3-60）上兩式表明，就單位體積流體的能量變化而言，各扇風(fēng)機(jī)的全壓分別等于各風(fēng)路由入風(fēng)井口到排風(fēng)口的總阻力（包括出口動(dòng)壓損失）。計(jì)算各條風(fēng)路總阻力時(shí)，每一段風(fēng)路均應(yīng)將共用段巷道的阻力計(jì)算在內(nèi)。如圖3-14兩翼抽出式通風(fēng)系統(tǒng)第四章礦井通風(fēng)阻力及其計(jì)算4.1井巷風(fēng)流的流態(tài)及流速分布在礦井通風(fēng)工程中，空氣沿井巷流動(dòng)時(shí)，井巷對(duì)風(fēng)流呈現(xiàn)的阻力，統(tǒng)稱為井巷的通風(fēng)阻力。單位體積風(fēng)流的能量損失簡稱為風(fēng)壓損失或風(fēng)壓降，單位為Nm/m3或N/m2或Pa。井巷的通風(fēng)阻力是引起風(fēng)壓損失的原因，故井巷的通風(fēng)阻力與風(fēng)壓損失在數(shù)值上是相等的，但含義有所不同。4.1.1風(fēng)流流態(tài)風(fēng)流具有層流和紊流兩種流動(dòng)狀態(tài)，在流動(dòng)過程中，不同流態(tài)的速度分布和阻力損失各不相同。1.井巷和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)流速很低時(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），礦井極少情況下流態(tài)為層流。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），其流態(tài)判定表達(dá)式如下。(4-1)式（4-1）中，Re——雷諾數(shù)；v——平均流速，m/s；d——管道直徑，m；ν——流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。在實(shí)際工程計(jì)算中，為簡便起見，通常以Re=2300作為井巷或管道流動(dòng)流態(tài)的判別準(zhǔn)數(shù)，即層流的Re≤2300，紊流的Re＞2300。對(duì)于非圓形斷面的井巷，Re中的管道直徑d應(yīng)以井巷斷面的當(dāng)量直徑de來表示：（4-2）式（4-2）中，S——井巷斷面積，m2；P——井巷的周長，m。因此，非圓形斷面井巷的雷諾數(shù)可用(4-3)式表示：（4-3）（4-4）式（4-4）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。假設(shè)梯形巷道斷面面積為4m2，風(fēng)流的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)取ν=10-6m2/s，以臨界雷諾數(shù)2300和巷道等效直徑代入式（4-1），即得該巷道風(fēng)流在臨界雷諾數(shù)時(shí)的速度。其中巷道周邊長，故m/s計(jì)算說明，在4m2的巷道里，當(dāng)風(fēng)速大于0.018m/s時(shí)就成為紊流，絕大多數(shù)井巷風(fēng)流的平均流速都大于上述數(shù)值，因此井巷中風(fēng)流幾乎都為紊流。2.孔隙介質(zhì)流當(dāng)空氣在采空區(qū)、巖石裂隙或充填物中流動(dòng)時(shí)，此時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)才多屬于層流。在采空區(qū)等多孔介質(zhì)中風(fēng)流的流態(tài)判別準(zhǔn)數(shù)為：（4-5）式（4-5）中，K—冒落帶滲流系數(shù)，m2；l—滲流帶粗糙度系數(shù)，m。流態(tài)的判定準(zhǔn)則為：層流，Re≤0.25；紊流，Re＞2.5；過渡流，2.5＞Re＞0.25。4.1.2井巷斷面上風(fēng)速分布1.紊流脈動(dòng)實(shí)際上，風(fēng)流中各點(diǎn)的流速、壓力等物理參數(shù)隨時(shí)間作不規(guī)則變化，這種變化稱為紊流脈動(dòng)。2.時(shí)均速度如圖4-1所示，瞬時(shí)速度vx隨時(shí)間t雖然不斷變化，但在一足夠長的時(shí)間段T內(nèi)，流速vx總是圍繞著某一平均值上下波動(dòng)，該平均值就稱為時(shí)均速度。圖4-1瞬時(shí)速度vx隨時(shí)間t的變化圖3.巷道風(fēng)速分布由于空氣的粘性和井巷壁面摩擦影響，井巷斷面上風(fēng)速分布是不均勻的，如圖4-2所示。圖4-2巷道斷面速度分布示意圖在貼近壁面處仍存在層流運(yùn)動(dòng)薄層，稱為層流邊層，其厚度δ隨Re增加而變薄，它的存在對(duì)流動(dòng)阻力、傳熱和傳質(zhì)過程有較大影響。在層流邊層以外，從巷壁向巷道軸心方向，風(fēng)速逐漸增大，呈拋物線分布，其平均風(fēng)速為，巷道通過風(fēng)量Q＝v×S。斷面上平均風(fēng)速v與最大風(fēng)速vmax的比值稱為風(fēng)速分布系數(shù)(速度場系數(shù))，用Kv表示：巷壁愈光滑，Kv值愈大，即斷面上風(fēng)速分布愈均勻。一般，砌碹巷道，Kv=0.8～0.86；木棚支護(hù)巷道，Kv=0.68～0.82；無支護(hù)巷道，Kv=0.74～0.81。4.2井巷摩擦風(fēng)阻與阻力4.2.1井巷摩擦阻力風(fēng)流在井巷中作沿程流動(dòng)時(shí)，由于流體層間的摩擦及流體與井巷壁面之間的摩擦所形成的阻力稱為摩擦阻力(也稱沿程阻力)。（4-6）式中：λ——無因次系數(shù)，即達(dá)西系數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)求得；d——圓形風(fēng)管直徑，非圓形管用當(dāng)量直徑，m。1．尼古拉茲實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論：當(dāng)Re＜2320(即lgRe＜3.36)時(shí)，λ與相對(duì)糙度ε/r無關(guān)，只與Re有關(guān)，且λ=64/Re。當(dāng)2320≤Re≤4000(即3.36≤lgRe≤3.6)時(shí)，在此區(qū)間內(nèi)，λ隨Re增大而增大，與相對(duì)糙度無明顯關(guān)系。當(dāng)管內(nèi)流體雖然都已處于紊流狀態(tài)(Re＞4000)，但未達(dá)到完全紊流過度區(qū)，當(dāng)層流邊層的厚度δ大于管道的絕對(duì)糙度ε（稱為水力光滑管）時(shí)，λ與ε仍然無關(guān)，而只與Re有關(guān)。當(dāng)流速繼續(xù)增大到紊流過渡區(qū)，但未處于完全紊流狀態(tài)，λ值既與Re有關(guān)，也與ε/r有關(guān)。當(dāng)流速增大到完全紊流狀態(tài)，Re值較大（lgRe>5），管內(nèi)流體的層流邊層已變得極薄，λ與Re無關(guān)，而只與相對(duì)糙度有關(guān)。此時(shí)摩擦阻力與流速平方成正比，稱為阻力平方區(qū)，其λ可用尼古拉茲公式計(jì)算：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：，μ=ρ·ν即于是可得圓管層流時(shí)的達(dá)西系數(shù)：（4-7）尼古拉茲實(shí)驗(yàn)所得到的層流時(shí)λ與Re的關(guān)系，與理論分析得到的關(guān)系完全相同，即理論與實(shí)驗(yàn)的正確性得到相互的驗(yàn)證。3．紊流摩擦阻力對(duì)于紊流運(yùn)動(dòng)，λ=f(Re，ε/r)，關(guān)系比較復(fù)雜。用當(dāng)量直徑de=4S/P代替d，代入阻力公式，則得到紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計(jì)算式：（4-8）4.2.2摩擦阻力系數(shù)與摩擦風(fēng)阻1．摩擦阻力系數(shù)α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)，λ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λ可視為定值。對(duì)（4-8）式，令：（4-9）式（4-9）中，α——摩擦阻力系數(shù)，N·s2/m4。將式（4-9）代入式（4-8），則紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計(jì)算式為（4-10）：（4-10）通過大量實(shí)驗(yàn)和實(shí)測所得的、在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（ρ0=1.2kg/m3）的井巷的摩擦阻力系數(shù)α0即為標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)井巷中空氣密度ρ≠1.2kg/m3時(shí)，其α值應(yīng)按下式修正：（4-11）2．摩擦風(fēng)阻Rf對(duì)于已給定的井巷，L、P、S都為已知數(shù)，故可把式（4-10）中的α、L、P、S歸結(jié)為一個(gè)參數(shù)Rf：（4-12）式中：Rf——巷道的摩擦風(fēng)阻，N·s2/m8。其工程單位為kgf·s2/m8，或?qū)懗蒶μ，1N·s2/m8=9.8kμ。Rf=f(，ε，S，U，L)。在正常條件下，當(dāng)某一段井巷中的空氣密度變化不大時(shí)，可將Rf看作是反映井巷幾何特征的參數(shù)。于是得到紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計(jì)算式為：（4-13）式（4-13）就是井巷風(fēng)流進(jìn)入完全紊流(阻力平方區(qū))下的摩擦阻力定律。4.2.3井巷摩擦阻力計(jì)算方法井巷摩擦阻力的計(jì)算分兩種情況，對(duì)于新建礦井，可以依據(jù)巷道的通風(fēng)特性查表得α0，計(jì)算α修正值，再計(jì)算風(fēng)阻Rf，最后算得巷道的摩擦阻力hf，即采用α0→α→Rf→hf計(jì)算方法；對(duì)于生產(chǎn)礦井，測得井巷摩擦阻力hf和井巷的風(fēng)量Q后，可以根據(jù)公式計(jì)算出Rf、α及α0，即采用hf→Rf→α→α0計(jì)算方法。4.2.4生產(chǎn)礦井巷道阻力測定1．壓差計(jì)法用壓差計(jì)法測定井巷通風(fēng)阻力的實(shí)質(zhì)是測量風(fēng)流兩點(diǎn)間的勢能差和動(dòng)壓差后，計(jì)算出兩測點(diǎn)間的通風(fēng)阻力。（4-14）式（4-14）中，右側(cè)的第二項(xiàng)為動(dòng)壓差，通過測定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)之和稱為勢能差，需通過實(shí)際測定。（1）布置方式及連接方法。用壓差計(jì)法測定井巷通風(fēng)阻力的布置方式及連接方法如圖4-3所示。圖4-3井巷通風(fēng)阻力測定方法圖（２）阻力計(jì)算。壓差計(jì)“＋”極感受的壓力：壓差計(jì)“－”極感受的壓力：故壓差計(jì)所示測值：（4-15）設(shè)，且與1、2斷面間巷道中空氣平均密度相等，則：(4-16)式（4-16）中，Z12——1、2斷面高差，m；h——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：(4-17)２．氣壓計(jì)法依據(jù)能量方程：(4-18)用精密氣壓計(jì)分別測得1，2斷面的靜壓p1、p2；用于濕球溫度計(jì)測得t1、t2、t1′、t2′和1、2，進(jìn)而計(jì)算1、2；用風(fēng)表測定1，2斷面的風(fēng)速v1、v2。m12為1，2斷面的平均密度，若高度差不大，就用算術(shù)平均值；若高度大，則用加權(quán)平均值。Z12為1、2斷面間的高差，從采掘工程平面圖各點(diǎn)的標(biāo)高查得。4.3井巷局部風(fēng)阻與正面阻力由于井巷斷面、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。4.3.1局部阻力與摩擦阻力類似，局部阻力hj一般也用動(dòng)壓的倍數(shù)來表示：(4-19)式（4-19）中，ξ——局部阻力系數(shù)，無因次。局部阻力計(jì)算的關(guān)鍵是局部阻力系數(shù)的確定，因v=Q/S，當(dāng)ξ確定后，便可用下式計(jì)算：（4-20）下面介紹幾種常見的局部阻力產(chǎn)生的類型：1．井巷斷面突變局部阻力圖4-4巷道斷面突變2．井巷斷面漸變的局部阻力圖4-5巷道斷面漸變3．井巷斷面轉(zhuǎn)彎處局部阻力圖4-6巷道斷面轉(zhuǎn)彎4．井巷分岔與會(huì)合的局部阻力圖4-7巷道斷面分岔與會(huì)合綜合上述，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。4.3.2局部阻力系數(shù)和局部風(fēng)阻1.局部阻力系數(shù)ξ紊流局部阻力系數(shù)ξ一般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。（4-21）（4-22）式（4-21）和（4-22）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；ρm——空氣平均密度，kg/m3。對(duì)于粗糙度較大的井巷，紊流局部阻力系數(shù)ξ需要用式（4-23）進(jìn)行修正（4-23）（2）突然縮小。對(duì)應(yīng)于小斷面的動(dòng)壓，ξ值可按式（4-24）計(jì)算：，（4-24）（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)θ＜20°時(shí)，漸擴(kuò)段的局部阻力系數(shù)ξ可用式（4-25）求算：（4-25）式（4-25）中，α——巷道的摩擦阻力系數(shù)，N·s2/m4；n——巷道大、小斷面積之比，即S2/S1；θ——擴(kuò)張角，o。（4）轉(zhuǎn)彎和分叉與匯合。有關(guān)風(fēng)流轉(zhuǎn)彎和分叉與匯合的局部阻力系數(shù)計(jì)算比較復(fù)雜，而且這些公式都是半經(jīng)驗(yàn)半理論的，通常通過查閱有關(guān)礦井通風(fēng)手冊(cè)選取確定。2.局部風(fēng)阻在局部阻力計(jì)算式中，有：（4-26）（4-27）式（4-27）中：Rj——局部風(fēng)阻，N·s2/m8。式（4-27）表明，在紊流條件下局部阻力也與風(fēng)量的平方成正比。4.3.3正面阻力若風(fēng)流中存在物體，則空氣流動(dòng)時(shí)，必然使風(fēng)速突然重新分布，造成風(fēng)流分子間的互相沖擊而產(chǎn)生的阻力叫正面阻力，由正面阻力所引起的風(fēng)流能量損失叫正面阻力損失。礦內(nèi)產(chǎn)生正面阻力的物體有處于通風(fēng)井巷內(nèi)的罐籠、罐道梁、礦車、電機(jī)車、坑木堆以及其他器材設(shè)備和堆積物。這些對(duì)風(fēng)流產(chǎn)生正面阻力的物體，稱為正面阻力物。正面阻力的計(jì)算公式為：（4-28）式（4-28）中，——正面阻力物在垂直于風(fēng)流總方向上的投影面積，m2；C——正面阻力系數(shù)，無因次；S——井巷斷面面積，m2；vm——風(fēng)流通過空余斷面（S-）時(shí)的平均風(fēng)速，m/s；——風(fēng)流（空氣）的密度，kg/m3。因故（4-29）由于在具體條件下，C、S、、均為常數(shù)，故可令，N·s2/m8（4-30）式（4-30）中，稱為正面風(fēng)阻。將式（4-29）代入式（4-30），得，Pa（4-31）此式表明；正面阻力等于正面風(fēng)阻與風(fēng)量平方的相乘積。通過以上分析可以看出：井巷的摩擦阻力、局部阻力和正面阻力的計(jì)算公式具有相似的形式，每種阻力都是等于各自的風(fēng)阻與風(fēng)量平方的相乘積。因此，可用下面的通式來表示：，Pa（4-32）式（4-32）就是礦井通風(fēng)阻力定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。它表明，井巷的通風(fēng)阻力等于井巷的風(fēng)阻與流過該井巷的風(fēng)量平方的相乘積。根據(jù)式（4-32）可知，井巷風(fēng)阻是反映井巷通風(fēng)難易程度的一個(gè)重要指標(biāo)。如果同一井巷中既有摩擦阻力，又有局部阻力和正面阻力，則該井巷的總通風(fēng)阻力就等于井巷所有的摩擦阻力、局部阻力與正面阻力之和，即：，Pa（4-33）式（4-33）就是通風(fēng)阻力疊加原則的數(shù)學(xué)表達(dá)式。4.3.4降低井巷通風(fēng)阻力的方法1.降低摩擦阻力的方法（1）當(dāng)通過井巷的風(fēng)量不變時(shí)，由于井巷的摩擦阻力與井巷的摩擦風(fēng)阻成正比，而井巷的摩擦風(fēng)阻與井巷的斷面積三次方成反比，所以刷大井巷的斷面積，可以大大降低井巷的摩擦阻力。（2）由于井巷的摩擦阻力與井巷長度成正比，所以應(yīng)盡量縮短井下風(fēng)流的路線，以減小通風(fēng)阻力，條件適當(dāng)時(shí)采用分區(qū)通風(fēng)效果更好。（3）由于井巷的摩擦阻力與井巷斷面的周界長度成正比，所以在斷面積相等而斷面形狀不同的各種井巷中，以圓形或拱形井巷的摩擦風(fēng)阻為最小，因此，應(yīng)盡量采用圓形或拱形斷面的井巷。（4）由于井巷的摩擦阻力與井巷的摩擦阻力系數(shù)成正比，所以保證壁面光滑，支架排列整齊可降低井巷的通風(fēng)阻力。（5）當(dāng)井巷情況（L，P、S，α）不變時(shí)，由于摩擦阻力與風(fēng)流的平均速度的平方成正比，所以主要通風(fēng)井巷的風(fēng)速不宜過大，也就是說，主要通風(fēng)井巷的斷面積不能太小。2.降低局部阻力和正面阻力的方法（1）盡量避免井巷的突然擴(kuò)大與突然縮小，將斷面大小不同的巷道連接處做成逐漸擴(kuò)大或逐漸縮小的形狀。（2）當(dāng)風(fēng)速不變時(shí)，由于局部阻力與局部阻力系數(shù)成正比，所以在風(fēng)速較大的井巷局部區(qū)段上，要采取有效措施減小其局部阻力系數(shù)，例如在專用回風(fēng)井與主扇風(fēng)硐相連接處設(shè)置引導(dǎo)風(fēng)流的導(dǎo)風(fēng)板。（3）要盡量避免井巷直角拐彎，拐彎處內(nèi)外兩側(cè)要盡量做成圓弧形，且圓弧的曲率半徑應(yīng)盡量放大。（4）將永久性的正面阻力物做成流線型，要注意清除井巷內(nèi)的堆積物，在風(fēng)速較大的主要通風(fēng)井巷內(nèi)這點(diǎn)尤其重要。4.4井巷通風(fēng)阻力定律在完全紊流流動(dòng)的狀態(tài)下，風(fēng)流的三種阻力(摩擦阻力、局部阻力、正面阻力)均符合下列關(guān)系式：（4-34）在層流狀態(tài)下，摩擦阻力和風(fēng)量的一次方成正比。由此可知，在層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的通風(fēng)阻力定律，就是表示通風(fēng)阻力和風(fēng)量的一次方的依存關(guān)系，即。在中間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的通風(fēng)阻力定律，則是表示通風(fēng)阻力和風(fēng)量x次方的依存關(guān)系，x指數(shù)大于1而小于2，即。對(duì)于井下個(gè)別風(fēng)速小、呈層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的風(fēng)流，須使用上述層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的通風(fēng)阻力定律；對(duì)于呈中間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的風(fēng)流，須用中間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的通風(fēng)阻力定律。4.5礦井總風(fēng)阻與礦井等積孔4.5.1井巷阻力特性在紊流條件下，h＝RQ2。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)表示通過風(fēng)量，當(dāng)風(fēng)阻為R時(shí)，則每一風(fēng)量Qi值，便有一通風(fēng)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，如圖4-8所示。這條曲線就叫該井巷的風(fēng)阻特性曲線。風(fēng)阻R越大，曲線越陡。圖4-8風(fēng)阻特性曲線圖4.5.2礦井總風(fēng)阻從入風(fēng)井口到主要通風(fēng)機(jī)入口，把順序連接的各段井巷的通風(fēng)阻力累加起來，就得到礦井通風(fēng)總阻力hm，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hm和礦井總風(fēng)量Q，即可求得礦井總風(fēng)阻：(4-35)式（4-35）中，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，也可以理解為全礦的等效風(fēng)阻。4.5.3礦井等積孔假定在無限空間有一薄壁，在薄壁上開一面積為A的孔口。當(dāng)孔口通過的風(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。如圖4-9所示，設(shè)風(fēng)流從I流至II，且無能量損失，列出能量方程式（4-36）：(4-36)一般，v10，化簡式（4-36）得式（4-37）：(4-37)式（4-37）中，(4-38)圖4-9礦井等積孔圖風(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)φ，由工程流體力學(xué)可知，一般φ=0.65，故A2=0.65A。則v2＝Q/A2=Q/0.65A，代入式（4-38）后并整理得：取ρ=1.2kg/m3，則：。因Rm=hm/Q2，故有(4-39) 由此可見，A是Rm的函數(shù)，故可以表示礦井通風(fēng)的難易程度。對(duì)于中小礦山，過去認(rèn)為當(dāng)A＞2，礦井通風(fēng)容易；A＝1~2，礦井通風(fēng)中等；A＜1礦井通風(fēng)困難。例題：某礦井為中央式通風(fēng)系統(tǒng)，測得礦井通風(fēng)總阻力hm=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：，可見，該礦通風(fēng)難易程度屬中等。須指出的是：（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）所列衡量礦井通風(fēng)難易程度的等積孔值僅供參考，對(duì)小型礦井還有一定的實(shí)際意義，對(duì)大型礦井或多風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的礦井不一定適用。第五章礦井自然通風(fēng)5.1自然風(fēng)壓的概念及其表達(dá)自然風(fēng)壓是礦井中客觀存在的一種自然現(xiàn)象，其作用有時(shí)對(duì)礦井通風(fēng)有利，有時(shí)卻相反?，F(xiàn)在人們一般認(rèn)為，風(fēng)流流動(dòng)所發(fā)生的熱交換等因素使礦井進(jìn)、出風(fēng)側(cè)（或進(jìn)、出風(fēng)井筒）產(chǎn)生溫度差而導(dǎo)致其平均空氣密度不等，使兩側(cè)空氣柱底部壓力不等，其壓差就是自然風(fēng)壓。因此提出了：有高差的回路是產(chǎn)生自然風(fēng)壓的必要條件；有高差井巷的空氣平均密度不等是產(chǎn)生自然風(fēng)壓的充分條件。5.1.1自然風(fēng)壓的基本分類根據(jù)礦井的實(shí)際情況，由井上、井下自然因素和生產(chǎn)活動(dòng)的熱力效應(yīng)所產(chǎn)生的自然能量差可概括為三種形式：自然熱位差、水平熱壓差（或稱水平氣壓差）及大氣自然風(fēng)。1.自然熱位差如圖5-1所示，由地面氣溫、井下熱力因素、含濕量、氣體成分等變化所引起的進(jìn)、回風(fēng)井筒內(nèi)空氣平均密度不等，密度大的井筒內(nèi)空氣柱壓力大于密度小的井筒內(nèi)空氣柱壓力。這兩井筒中的空氣柱壓差稱做自然熱位差。=-g=g〔(-)〕=gz(ρm1–ρm2)（5-1）以前一些通風(fēng)書上就把該種形式的熱位差叫做自然風(fēng)壓。這在自然風(fēng)壓的概念上是不全面的。圖5-1礦井通風(fēng)自然熱位差示意圖2．水平熱壓差在地表，由于多種因素造成空氣溫度、濕度、成分等的差異，同一標(biāo)高水平上的大氣壓力也有差別。這種同一標(biāo)高水平上的氣壓差，氣象上稱為氣壓梯度。由氣壓梯度所產(chǎn)生的壓力稱為氣壓梯度力（N/kg），可表示為：=-（5-2）在礦井水平井巷中也能因溫度等自然因素變化導(dǎo)致風(fēng)流密度上的差異，從而造成同一標(biāo)高水平上的壓力不同。井巷中同一水平上主要因溫差而形成的壓力差稱為水平熱壓差。這種水平熱壓差也能促使空氣沿井巷流動(dòng)，形成自然風(fēng)。一般情況下這種自然風(fēng)速很小，往往不被注意，但在某些條件下，仍能明顯的顯現(xiàn)出來。圖5-2水平自然風(fēng)示意圖圖5-2中a是表示冬季洞內(nèi)溫度比地面溫度高，巷道內(nèi)空氣逐漸被加溫，熱氣上升從巷道頂部流出，而地面冷空氣從巷道下部進(jìn)入；圖5-2中b是表示夏季洞內(nèi)溫度比地面溫度低，巷道內(nèi)空氣逐漸降溫，冷氣下降由巷道底部流出，而地面熱空氣從巷道頂部進(jìn)入。這是借助自然因素通風(fēng)的最簡單形式。3．大氣自然風(fēng)壓地面吹向平峒口的大氣風(fēng)，其動(dòng)壓可轉(zhuǎn)變成靜壓，形成礦井自然風(fēng)，影響礦井通風(fēng)量的大小。該動(dòng)壓Pv的計(jì)算方法為：=（5-3）式（5-3）中：δ——系數(shù)。由風(fēng)向、山坡表面形狀傾斜度、洞口形狀和尺寸等決定；——大氣自然風(fēng)流密度，kg/m3；va——大氣風(fēng)速，m/s。大氣自然風(fēng)對(duì)抽出式通風(fēng)礦井的進(jìn)風(fēng)平峒和壓入式通風(fēng)礦井出風(fēng)平峒的風(fēng)量影響較顯著，能使前者風(fēng)速明顯增加，后者風(fēng)流停滯甚至反向。綜上所述，以上三種形式的能量差都應(yīng)屬于自然風(fēng)壓的范疇。所以，自然風(fēng)壓是由井內(nèi)外自然因素所造成促進(jìn)所有井巷風(fēng)流流動(dòng)的能量，而單位體積風(fēng)流所具有的這種能量稱做自然風(fēng)壓。5.1.2自然風(fēng)壓的實(shí)質(zhì)在如圖5-3所示的通風(fēng)火災(zāi)試驗(yàn)平巷中進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)時(shí)，隨著燃燒平巷4斷面上燃燒溫度的升高，使回風(fēng)側(cè)7、8點(diǎn)斷面溫度也相應(yīng)增高，風(fēng)流密度降低；與燃燒段并聯(lián)平巷中的2點(diǎn)斷面與7、8點(diǎn)斷面之間的水平熱壓差也相應(yīng)增大，而導(dǎo)致2點(diǎn)斷面風(fēng)量增加。多次試驗(yàn)證明，2點(diǎn)斷面風(fēng)量的增加與4點(diǎn)斷面及其回風(fēng)側(cè)的溫度同步，即4點(diǎn)斷面及其回風(fēng)側(cè)溫度升高，2點(diǎn)斷面風(fēng)速亦增加，溫度越高，風(fēng)速增加越大。圖5-3燃燒試驗(yàn)巷道示意圖同時(shí)，在燃燒段進(jìn)風(fēng)巷中3點(diǎn)風(fēng)速小于1m/s的條件下，4點(diǎn)斷面燃燒時(shí)，空氣受熱上升，使其斷面上部產(chǎn)生空氣積聚和膨脹作用，導(dǎo)致該斷面上部與風(fēng)流上、下風(fēng)側(cè)斷面上部之間均產(chǎn)生了熱壓差，促使4點(diǎn)斷面上部風(fēng)流倒向，即所謂“逆流現(xiàn)象”。綜上所述，自然風(fēng)壓是井上、井下熱力效應(yīng)等自然因素在礦井中形成的熱壓差，它存在于包括平巷在內(nèi)的所有井巷中。5.2礦井自然風(fēng)壓計(jì)算5.2.1礦井自然風(fēng)壓計(jì)算方法對(duì)礦井自然風(fēng)壓的影響因素主要有氣候變化及礦井開采時(shí)期。氣候影響最大的是夏、冬兩季，開采影響最大的是礦井生產(chǎn)通風(fēng)最易和最難時(shí)期。氣候和開采對(duì)礦井通風(fēng)負(fù)壓影響的極值通常有以下幾種：H易+He1，H易-He2；H難+He3，H難-He4（5-4）式（5-4）中，H易、H難——礦井通風(fēng)最易、最難（不計(jì)自然風(fēng)壓）時(shí)的通風(fēng)計(jì)算負(fù)壓，Pa；He1、He2——礦井通風(fēng)最易時(shí)冬、夏季自然風(fēng)壓的極值，Pa；He3、He4——礦井通風(fēng)最難時(shí)冬、夏季自然風(fēng)壓的極值，Pa。礦井主扇風(fēng)機(jī)選型參數(shù)主要有礦井通風(fēng)風(fēng)量、負(fù)壓。風(fēng)量一定時(shí)，負(fù)壓主要考慮最大負(fù)壓、最小負(fù)壓。此時(shí)負(fù)壓關(guān)系為：H難-He4<H難+He3<H易-He2<H易+He1（5-5）式（5-5）中，礦井通風(fēng)負(fù)壓的最小為H易+He1，最大為H難-He4。計(jì)算自然風(fēng)壓時(shí)，需計(jì)算礦井通風(fēng)容易時(shí)期冬天和困難時(shí)期夏天（極值）的礦井負(fù)壓，即H易+He1，H難-He4。幾種不同情況的自然風(fēng)壓計(jì)算方法歸納如下：1.進(jìn)、回風(fēng)井井口標(biāo)高相同的情況(1)容易時(shí)期(冬季)自然風(fēng)壓He1。He1=(ρ回易-ρ進(jìn)冬)×g×H（5-6）式（5-6）中，ρ回易——容易時(shí)期回風(fēng)井筒中濕空氣的平均密度，kg/m3；ρ進(jìn)冬——冬季進(jìn)風(fēng)井筒中濕空氣的平均密度，kg/m3；H——井筒垂深，m。(2)困難時(shí)期(夏季)自然風(fēng)壓He4。He4=(ρ回難-ρ進(jìn)夏)×g×H（5-7）式（5-7）中，ρ回難——困難時(shí)期回風(fēng)井筒中濕空氣的平均密度，kg/m3；ρ進(jìn)夏——夏季進(jìn)風(fēng)井筒中濕空氣的平均密度，kg/m3。2.回風(fēng)井井口高于進(jìn)風(fēng)井井口的情況(1)容易時(shí)期(冬季)自然風(fēng)壓He1。He1=(ρ冬×Hc+ρ進(jìn)冬×Hj-ρ回易Hh)×g（5-8）式（5-8）中，ρ冬——冬季進(jìn)風(fēng)井筒側(cè)地表濕空氣的平均密度，kg/m3；ρ進(jìn)冬——冬季進(jìn)風(fēng)井筒中濕空氣的平均密度，kg/m3；ρ回易——容易時(shí)期回風(fēng)井筒中濕空氣的平均密度，kg/m3；Hc——進(jìn)、回風(fēng)井井口標(biāo)高差，m；Hj——進(jìn)風(fēng)井筒的垂深，m；Hh——回風(fēng)井筒垂深，m。(2)困難時(shí)期(夏季)自然風(fēng)壓He4。He4=(ρ夏×Hc+ρ進(jìn)夏×Hj-ρ回難Hh)×g（5-9）式（5-9）中，ρ夏——夏季進(jìn)風(fēng)井筒側(cè)地表濕空氣的平均密度，kg/m3。3.回風(fēng)井井口低于進(jìn)風(fēng)井井口的情況(1)容易時(shí)期(冬季)自然風(fēng)壓He1。He1=(ρ進(jìn)冬×Hj-ρ冬×Hc-ρ回易Hh)×g（5-10）(2)困難時(shí)期(夏季)自然風(fēng)壓He4。He4=ρ進(jìn)夏×Hj-ρ夏×Hc-ρ回難Hh)×g（5-11）5.2.2礦井自然風(fēng)壓相關(guān)參數(shù)的計(jì)算1.空氣平均密度計(jì)算ρ=（5-12）式（5-12）中，ρ——濕空氣平均密度，kg/m3；P——濕空氣絕對(duì)靜壓，kPa；φ——濕空氣相對(duì)濕度，%；t——濕空氣溫度，℃；Ps——濕空氣中飽和水蒸氣絕對(duì)分壓，kPa。在許多情況下，礦井濕空氣密度也可用近似計(jì)算。2.濕空氣絕對(duì)靜壓計(jì)算（1）地表的情況。例如，已知海平面±0m處的大氣靜壓力P0=1.01325×105Pa，海平面+1000m處的大氣靜壓力P=0.888P0，則：P表=×1.01325×105（5-13）式（5-13）中，P表——地表濕空氣絕對(duì)靜壓，Pa；H表——計(jì)算井筒井口地表標(biāo)高，m。（2）進(jìn)風(fēng)井筒的情況。P進(jìn)=P表-0.5×Ph（5-14）式（5-14）中，P進(jìn)——進(jìn)風(fēng)井筒濕空氣的絕對(duì)靜壓平均值，Pa；Ph——進(jìn)風(fēng)井筒上、下風(fēng)壓差（通過通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算求得），Pa。（3）回風(fēng)井筒的情況。a.容易時(shí)期：P回易=P表+Pf易+0.5×Ph′（5-15）式（5-15）中，P回易——容易時(shí)期回風(fēng)井筒濕空氣的絕對(duì)靜壓平均值，Pa；Pf易——容易時(shí)期通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)總負(fù)壓，Pa；Ph——容易時(shí)期回風(fēng)井筒井口、井底風(fēng)壓差(通過通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算求得)，Pa。b.困難時(shí)期：P回難=P表+Pf難+0.5Ph′（5-16）式（5-16）中，P回難——困難時(shí)期回風(fēng)井筒濕空氣的絕對(duì)靜壓平均值，Pa；Pf難——容易時(shí)期通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)總負(fù)壓，Pa；Ph′——困難時(shí)期回風(fēng)井筒井口、井底風(fēng)壓差(通過通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算求得)，Pa。3.相對(duì)濕度確定進(jìn)風(fēng)井筒風(fēng)流的相對(duì)濕度一般取60%，回風(fēng)井筒的一般取100%。4.濕空氣溫度確定(1)地表濕空氣溫度確定。夏季以當(dāng)?shù)赜涊d歷年最高氣溫，℃；冬季以當(dāng)?shù)赜涊d歷年最低氣溫，℃。(2)進(jìn)風(fēng)井筒濕空氣溫度確定。通常夏季以當(dāng)?shù)貧v年最高氣溫與井下氣溫(22℃)的平均值，℃；冬季以進(jìn)風(fēng)井筒有加溫設(shè)施時(shí)，取2℃與井下氣溫(22℃)的平均值12℃。(3)回風(fēng)井筒濕空氣溫度確定。椐調(diào)查，礦井生產(chǎn)過程中回風(fēng)井筒內(nèi)空氣溫度變化很小，計(jì)算時(shí)可取22℃。5.飽和水蒸氣的絕對(duì)分壓確定飽和水蒸氣的絕對(duì)分壓Ps隨濕空氣溫度(t)變化而變化，可在焓濕圖表中查得。5.2.3自然風(fēng)壓計(jì)算實(shí)例如圖5-4所示，某礦井為單水平斜井開拓，斜井井口標(biāo)高為+1550m，回風(fēng)井井口標(biāo)高為+1700m。主斜井垂深50m，回風(fēng)井井筒垂深200m。水平運(yùn)輸大巷布置在+1500m水平。夏季最高氣溫為35.4℃，冬季最低氣溫為-20℃。礦井總通風(fēng)量112m3/s。圖5-4自然風(fēng)壓計(jì)算實(shí)例通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)果如下(未計(jì)自然風(fēng)壓)。a.容易時(shí)期通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)壓：Pf易=-1106.8Pab.困難時(shí)期通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)壓：Pf難=-1508.7Pac.進(jìn)風(fēng)井筒井口、井底風(fēng)壓差：容易時(shí)期Pj=47.8Pa；困難時(shí)期Pj′=47.8Pa。d.回風(fēng)井筒井口、井底風(fēng)壓差：容易時(shí)期Ph=92.6Pa；困難時(shí)期Ph’=92.6Pa。1.計(jì)算各種情況下的P值P進(jìn)表=×1.01325×105=83.7350kPa式中：Z進(jìn)表——進(jìn)風(fēng)井口地表標(biāo)高，+1550m。P回表=×1.01325×105=82.0327kPa式中：Z回表——回風(fēng)井口地表標(biāo)高，+1700m。P表=0.5(P進(jìn)表+P回表)=82.9kPa因?yàn)镻j=Pj′，所以P進(jìn)易=P進(jìn)難=P進(jìn)表-0.5Pj=83.7kPaP回易=P回表+Pf易+0.5×Ph=81.0kPaP回難=P回表+Pf難+0.5×Ph′=80.6kPa2.飽和水蒸氣絕對(duì)分壓確定根據(jù)進(jìn)、回風(fēng)井的通風(fēng)風(fēng)流溫度，由表5-1選取飽和水蒸氣絕對(duì)分壓Ps。表5-1濕空氣溫度與飽和水蒸氣的絕對(duì)分壓關(guān)系表（1）地表。夏季t=35.4℃，Ps=5.736kPa；冬季t=-20℃，Ps=0.102kPa。進(jìn)風(fēng)井筒：夏季t=28.7℃，Ps=3.771kPa；冬季t=12℃，Ps=1.399kPa。（2）回風(fēng)井筒。t=22℃，Ps=2.637kPa。3.計(jì)算空氣密度(1)求進(jìn)風(fēng)井口地表濕空氣的密度。a.夏天：ρ夏==0.921kg/m3式中：ρ夏——夏天進(jìn)風(fēng)井口地表濕空氣的密度，kg/m3；P表——進(jìn)風(fēng)井筒側(cè)井口至回風(fēng)井口標(biāo)高地表濕空氣的絕對(duì)靜壓平均值，82.9kPa；φ——夏天進(jìn)風(fēng)井筒側(cè)地表濕空氣的相對(duì)濕度，60%；t——夏天進(jìn)風(fēng)井筒側(cè)地表濕空氣的溫度，35.4℃；Ps——t=35.4℃時(shí)飽和水蒸氣的絕對(duì)分壓，5.736kPa。b.冬天：ρ冬==1.140kg/m3式中:ρ冬——冬天進(jìn)風(fēng)井口地表濕空氣的密度，kg/m3；P表——進(jìn)風(fēng)井筒側(cè)井口至回風(fēng)井口標(biāo)高地表濕空氣的絕對(duì)靜壓平均值，82.9kPa；φ——冬天進(jìn)風(fēng)井筒側(cè)地表濕空氣的相對(duì)濕度，60%；t——冬天進(jìn)風(fēng)井筒側(cè)地表濕空氣的溫度，-20℃；Ps——t=-20℃時(shí)飽和水蒸氣的絕對(duì)分壓，0.102kPa。(2)求進(jìn)風(fēng)井筒中濕空氣的平均密度。a.夏天：ρ進(jìn)夏==0.956kg/m3式中:ρ進(jìn)夏——困難時(shí)期夏天進(jìn)風(fēng)井筒中濕空氣的平均密度，kg/m3；P進(jìn)難——困難時(shí)期進(jìn)風(fēng)井筒中濕空氣的絕對(duì)靜壓平均值，83.7kPa；φ——夏天進(jìn)風(fēng)井筒中濕空氣的相對(duì)濕度，60%；t——夏天進(jìn)風(fēng)井筒中濕空氣溫度，28.7℃；Ps——t=28.7℃時(shí)飽和水蒸氣的絕對(duì)分壓，3.771kPa。b.冬天：ρ進(jìn)冬==1.019kg/m3式中：ρ進(jìn)冬——容易時(shí)期冬天進(jìn)風(fēng)井筒中濕空氣的平均密度，kg/m3；P進(jìn)——容易時(shí)期進(jìn)風(fēng)井筒中濕空氣的絕對(duì)靜壓平均值，83.7kPa；φ——冬天進(jìn)風(fēng)井筒中濕空氣的相對(duì)濕度，60%；t——冬天進(jìn)風(fēng)井筒中濕空氣溫度，12℃；Ps——12℃時(shí)飽和水蒸氣的絕對(duì)分壓，1.399kPa。(3)計(jì)算回風(fēng)井筒中濕空氣的平均密度。a.容易時(shí)期：ρ回易==0.944kg/m3式中：ρ回易——容易時(shí)期回風(fēng)井筒中濕空氣的平均密度，kg/m3；P回易——容易時(shí)期回風(fēng)井筒中濕空氣的絕對(duì)靜壓平均值，81.0kPa；φ——回風(fēng)井筒中濕空氣的相對(duì)濕度，100%；t——回風(fēng)井筒中濕空氣溫度，22℃；Ps——22℃時(shí)飽和水蒸氣的絕對(duì)分壓，2.6kPa。b.困難時(shí)期：ρ回難==0.939kg/m3式中：ρ回難——困難時(shí)期回風(fēng)井筒中濕空氣的平均密度，kg/m3；P回難——困難時(shí)期回風(fēng)井筒中濕空氣的絕對(duì)靜壓平均值，80.6kPa；φ——回風(fēng)井筒中濕空氣的相對(duì)濕度，100%；t——回風(fēng)井筒中濕空氣溫度，22℃；Ps——22℃時(shí)飽和水蒸氣的絕對(duì)分壓，2.637kPa。4.計(jì)算自然風(fēng)壓(1)計(jì)算容易時(shí)期(冬天)自然風(fēng)壓He1。He1=（ρ冬×h+ρ進(jìn)冬×Zj-ρ回易Zh)×g=324.9Pa(幫助主扇風(fēng)機(jī)通風(fēng))式中：h——進(jìn)、回風(fēng)井口之間的高差，150m；Zj——進(jìn)風(fēng)井筒的垂直深度，50m；Zh——回風(fēng)井筒的垂直深度，200m。(2)求困難時(shí)期(夏天)的自然風(fēng)壓He4。He4=(ρ夏×h+ρ進(jìn)夏×Zj-ρ回難Zh)×g=-18.1Pa(阻礙主扇風(fēng)機(jī)通風(fēng))5.考慮自然風(fēng)壓，計(jì)算主扇風(fēng)機(jī)負(fù)壓（1）容易時(shí)期(冬天)。H主易=Hf易+He1=-781.9Pa式中：Hf易——容易時(shí)期通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)壓，-1106.8Pa。（2）困難時(shí)期(夏天)。H主難=Hf難+He4=-1508.7-18.1=-1526.8Pa式中：Hf難——困難時(shí)期通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)總負(fù)壓，-1508.7Pa。5.2.4自然風(fēng)壓簡略計(jì)算法對(duì)于新設(shè)計(jì)或延深、擴(kuò)建礦井的自然風(fēng)壓仍可用式（5-1）計(jì)算，但式中兩側(cè)空氣柱平均密度值需進(jìn)行估算。由氣體狀態(tài)方程，近似地可得：（5-17）式（5-17）中P——礦井最高點(diǎn)與最低水平間的平均氣壓，Pa；Tm1、Tm2——分別為進(jìn)、回風(fēng)側(cè)空氣柱的平均氣溫，K；R——空氣的氣體常數(shù)，J/（kg·K）。將式（5-17）代入式（5-1），則得，Pa（5-18）式（5-18）中，Tm1和Tm2可參考礦山或附近礦井的資料確定，也可按下述方法估算：①以該地區(qū)最冷或最熱月份的平均氣溫作為該礦最冷或最熱時(shí)期入風(fēng)井口氣溫；②井底氣溫可按比該處原巖溫度低3~4℃考慮；③回風(fēng)井風(fēng)流溫度按每上升100m降低1℃估算平均值。5.3礦井自然風(fēng)壓的測定5.3.1直接測定法若井下有扇風(fēng)機(jī)，先停止扇風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，在總風(fēng)流流過的巷道中任何適當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)建立臨時(shí)風(fēng)墻，隔斷風(fēng)流后，立即用壓差計(jì)測出風(fēng)墻兩側(cè)的風(fēng)壓差，此值就是自然風(fēng)壓。如果礦井還有其他水平，則應(yīng)同時(shí)將其他所有水平的自然風(fēng)流用風(fēng)墻隔斷。可見，這個(gè)方法在多水平礦井并不簡便。在有主扇通風(fēng)的礦井，測定全礦自然風(fēng)壓的方法是：首先停止主扇風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，立即將風(fēng)硐內(nèi)的閘板放下，隔斷自然風(fēng)流，這時(shí)接入風(fēng)硐內(nèi)閘板前的壓差計(jì)的讀數(shù)就是全礦的自然風(fēng)壓。5.3.2間接測定法在有主扇通風(fēng)的礦井：首先，當(dāng)主扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，測出其總風(fēng)量Q及主扇的有效靜壓Hs，則：Hs+Hn=RQ2(5-19)然后，停止主扇運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)仍有自然風(fēng)流流過全礦時(shí)，立即在風(fēng)硐或其他總風(fēng)流中測出自然通風(fēng)量Qn,則可列出方程:Hn=RQn2(5-20)聯(lián)立解(5-19)與(5-20)式，可得自然風(fēng)壓Hn和全礦風(fēng)阻R。同理，將主扇轉(zhuǎn)數(shù)改變，或者用閘板調(diào)整一下風(fēng)硐的過風(fēng)面積，使主扇工況改變，測出其參數(shù)，列出其他形式的式(5-20)，與式(5-19)聯(lián)立求解，亦可得自然風(fēng)壓。5.3.3平均密度測算法自然風(fēng)壓可根據(jù)（5-1）式進(jìn)行測算。為了測定通風(fēng)系統(tǒng)的自然風(fēng)壓，以最低水平為基準(zhǔn)面（線），將通風(fēng)系統(tǒng)分為兩個(gè)高度均為Z的空氣柱，一個(gè)稱之內(nèi)空氣柱的平均密度，應(yīng)在密度變化較大的地方，如井口、井底、傾斜巷道的上下端及風(fēng)溫變化較大和變坡的地方布置測點(diǎn)，并在較短的時(shí)間內(nèi)測出各點(diǎn)風(fēng)流的絕對(duì)靜壓力P、干濕球溫度td、tw、相對(duì)濕度φ。兩測點(diǎn)間高差不宜超過100m（以50m為宜）。若各測點(diǎn)間高差相等，可用算術(shù)平均法求各點(diǎn)密度的平均值，即：（5-21）若高差不等，則按高度加權(quán)平均求其平均值，即（5-22）式（5-21）和（5-22）中，ρi——i測段的平均空氣密度，kg/m3；Zi——i測段高差，m；Z——總高差，m；n——測段數(shù)。此方法一般配合礦井通風(fēng)阻力測定進(jìn)行。也是目前普遍使用的方法。例如，圖5-5所示的通風(fēng)系統(tǒng)，在利用氣壓計(jì)法測定該系統(tǒng)通風(fēng)阻力的同時(shí)，測得了圖中各測點(diǎn)的空氣密度如表5-2，求此系統(tǒng)自然風(fēng)壓HN。圖5-5進(jìn)、回風(fēng)井濕空氣密度測點(diǎn)布置實(shí)例表5-2某通風(fēng)系統(tǒng)不同標(biāo)高處空氣密度測算結(jié)果測點(diǎn)1234567891011標(biāo)高/m密度/kg·m-3+251.215-601.229-1501.243-2201.275-3001.299-3001.287-2502.246-2001.231-1301.201-1301.199+251.177解根據(jù)（5-22）式，計(jì)算進(jìn)、回風(fēng)側(cè)平均空氣密度、kg/m3同理求得kg/m3由（5-1）式計(jì)算出該系統(tǒng)的自然風(fēng)壓HN：Pa。若專門考察礦井的自然風(fēng)壓而進(jìn)行的測定，其測定時(shí)間應(yīng)選擇在冬季最冷或夏季最熱以及春、秋有代表性的月份，一個(gè)回路的測定時(shí)間應(yīng)盡量短，并選擇在地面氣溫變化較小的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。5.4自然風(fēng)壓的影響因素和控制與利用5.4.1影響自然風(fēng)壓的因素從圖5-6是某鉛鋅礦自然風(fēng)壓變化規(guī)律形曲線，二月份自然風(fēng)壓達(dá)到最大為262.7Pa，八月份自然風(fēng)壓最小值為-118.2Pa，自然風(fēng)壓波動(dòng)范圍為380.9Pa。圖5-6礦井自然通風(fēng)壓力一年期間的變化例子影響礦井自然風(fēng)壓的主要因素包括：1.溫度礦井某一回路中兩側(cè)空氣柱溫差是影響自然風(fēng)壓的主要因素。2.空氣成分和濕度空氣成分和濕度影響空氣密度，因而對(duì)自然風(fēng)壓也有一定的影響，但影響較小。3.井深當(dāng)兩側(cè)空氣柱溫差一定時(shí)，自然風(fēng)壓與回路中最高與最低點(diǎn)（水平）之間的高差成正比。4.風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)自然風(fēng)壓的大小和方向也有一定的影響。因?yàn)榈V井主要通風(fēng)機(jī)工作決定了主風(fēng)流方向，加之風(fēng)流與圍巖之間的熱交換，使冬季回風(fēng)井氣溫高于進(jìn)風(fēng)井，在進(jìn)風(fēng)井周圍形成了冷卻帶后，即使風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)或通風(fēng)系統(tǒng)改變，兩個(gè)井筒之間在一定時(shí)期內(nèi)仍有一定的溫差，從而仍有一定的自然風(fēng)壓起作用。有時(shí)甚至?xí)蓴_通風(fēng)系統(tǒng)改變后的正常通風(fēng)工作，這在建井時(shí)期表現(xiàn)尤為明顯。5.4.2礦井自然風(fēng)壓的控制與利用（1）新設(shè)計(jì)礦井在選擇開拓方案、擬定通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮利用地形和當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，使在全年大部分時(shí)間內(nèi)自然風(fēng)壓作用的方向與機(jī)械通風(fēng)風(fēng)壓的方向一致，以便利用自然風(fēng)壓。例如，在山區(qū)要盡量增大進(jìn)、回風(fēng)井井口的高差；進(jìn)風(fēng)井井口布置在背陽處等。（2）根據(jù)自然風(fēng)壓的變化規(guī)律，應(yīng)適時(shí)調(diào)整主要通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)，使其既能滿足礦井通風(fēng)需要，又可節(jié)約電能。例如，在冬季自然風(fēng)壓幫助機(jī)械通風(fēng)時(shí)，可采用減小風(fēng)機(jī)葉片安裝角度或調(diào)低轉(zhuǎn)速方法降低機(jī)械風(fēng)壓。（3）為了控制和利用自然風(fēng)壓，可人工調(diào)整進(jìn)、回風(fēng)井內(nèi)空氣的溫差。有些礦井在進(jìn)風(fēng)井巷設(shè)置水幕或者淋水，以冷卻空氣，同時(shí)起到凈化風(fēng)流的作用。（4）在多井口通風(fēng)的山區(qū)，要掌握自然風(fēng)壓的變化規(guī)律，防止因自然風(fēng)壓作用造成某些巷道無風(fēng)或反向而發(fā)生事故。（5）為了防止風(fēng)流反向，必須做好調(diào)查研究和現(xiàn)場實(shí)測工作，掌握礦井通風(fēng)系統(tǒng)和各回路的自然風(fēng)壓和風(fēng)阻，以便在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候采取相應(yīng)的措施。（6）在建井時(shí)期，要注