4礦井通風(fēng)阻力解析

2024/11/512024/11/515井巷通風(fēng)阻力

MineVentilationResistance5.1概述

5.2摩擦阻力

5.3局部阻力和正面阻力

5.4井巷通風(fēng)阻力小結(jié)

5.5降低井巷通風(fēng)阻力的方法

5.6等積孔與井巷風(fēng)阻特性曲線2024/11/522024/11/525.1概述GeneralIntroduction

在通風(fēng)工程中，空氣沿井巷流動(dòng)時(shí)，井巷對(duì)風(fēng)流所呈現(xiàn)的阻力，統(tǒng)稱井巷的通風(fēng)阻力，而單位體積風(fēng)流的能量損失簡(jiǎn)稱為風(fēng)壓降或者風(fēng)壓損失。井巷通風(fēng)阻力是引起風(fēng)壓損失的原因，而風(fēng)壓損失則是通風(fēng)阻力的量度。二者在數(shù)量上是相等的。按風(fēng)流邊界狀態(tài)的不同，通常將通風(fēng)阻力分成三類：第一類：摩擦阻力：第二類：局部阻力;

第三類：正面阻力。2024/11/532024/11/53通風(fēng)阻力VentilationResistance

第一類：摩擦阻力:風(fēng)流沿井巷流動(dòng)時(shí)在全流程上的摩擦阻力（水力上稱沿程阻力），克服摩擦阻力而造成的風(fēng)流能量的損失，稱為摩擦損失。第二類：局部阻力:由風(fēng)流邊界的急劇改變（突然擴(kuò)大或者突然縮小等），所引起的阻力，克服局部阻力而造成的風(fēng)流能量損失稱為是局部損失。第三類：正面阻力:由于風(fēng)流繞過(guò)固定邊界的四周（如風(fēng)流繞過(guò)電機(jī)車等）所引起的阻力，克服正面阻力而造成的風(fēng)流能量損失是正面損失。2024/11/542024/11/545.2摩擦阻力FrictionResistance

5.2.1概述

5.2.2層流的摩擦阻力

5.2.3紊流的摩擦阻力

5.2.4摩擦阻力系數(shù)的分析

5.2.5摩擦阻力系數(shù)的確定2024/11/552024/11/555.2.1概述GeneralIntroduction

在礦井通風(fēng)中，摩擦阻力無(wú)論在層流或在紊流都可以用下式來(lái)計(jì)算。（達(dá)西公式，水力學(xué)）（式5.1）

(Pa)

式中hf－摩擦阻力（Pa）;λ－達(dá)西系數(shù)，是由管道的粗糙度與流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所決定的常數(shù)，無(wú)因次；d－管道直徑或者巷道的等效直徑（與斷面相等的圓的直徑,m）；L－巷道長(zhǎng)度（m）；V－巷道斷面的平均風(fēng)速（m/s）。2024/11/562024/11/565.2.2

層流的摩擦阻力FrictionResistanceofLaminarFlow

對(duì)于層流運(yùn)動(dòng)，流體的粘滯力起主導(dǎo)作用。實(shí)驗(yàn)和理論都得出的結(jié)果。因此，層流狀態(tài)的摩擦阻力計(jì)算式為（式5.2）：

（Pa）

式中μ為空氣的粘性動(dòng)力系數(shù)。上式表明，層流狀態(tài)下，摩擦阻力與平均風(fēng)速的一次方成正比。

2024/11/572024/11/575.2.3紊流的摩擦阻力（1）

FrictionResistanceofTurbulentFlow

在中，d是非圓形巷道的等效直徑，根據(jù)水力半徑的概念，即

或：

式中：s－巷道斷面；p－巷道的周長(zhǎng)。將上式代入阻力公式可以得式（5.3）：（Pa）2024/11/582024/11/585.2.3紊流的摩擦阻力（2）

FrictionResistanceofTurbulentFlow在式（5.3）中，對(duì)具體條件，是個(gè)常數(shù)，令

α稱為摩擦阻力系數(shù)，則有：式（5.4）：或（Pa）

從上式可以看出，P,L,S,Q在具體條件都是已知的，所以只要確定了摩擦阻力系數(shù)α

，井巷摩擦阻力hf就可以求出。2024/11/592024/11/595.2.4摩擦阻力系數(shù)的分析(1)

AnalysisofFrictionResistanceCoefficient由可知，λ，ρ是影響α系數(shù)的因素。

1空氣密度的影響

α與ρ成正比，所以若ρ隨溫度、濕度和氣壓變化，則α也將發(fā)生與ρ成正比的變化。

2達(dá)西系數(shù)的影響

α與λ成正比，而λ又是井巷的粗糙度和雷諾數(shù)所決定，所以井巷的粗糙度和雷諾數(shù)也就是摩擦阻力系數(shù)的影響因素。在水力學(xué)中，管道的粗糙度、雷諾數(shù)與λ系數(shù)之間的關(guān)系，已由前人的實(shí)驗(yàn)（尼古拉茲試驗(yàn)）作了回答。

2024/11/5102024/11/5105.2.4摩擦阻力系數(shù)的分析(1)

AnalysisofFrictionResistanceCoefficient在討論這些關(guān)系之前，先介紹管道粗糙度的表示方法。水力學(xué)中管道的粗糙度是用相對(duì)粗糙度或者相對(duì)光滑度來(lái)表示的。相對(duì)粗糙度n是管道內(nèi)壁上凸起的平均高度（絕對(duì)粗糙度）K（m）與管道直徑d（m）的比值，即相對(duì)光滑度是指相對(duì)粗糙度的倒數(shù)，即2024/11/5112024/11/5115.2.4摩擦阻力系數(shù)的分析(1)

AnalysisofFrictionResistanceCoefficient在礦井通風(fēng)中，用混凝土砌碹支護(hù)的一類巷道，其相對(duì)粗糙度與相對(duì)光滑度的概念和上述相同，但用支柱支護(hù)的一類巷道，其粗糙度則采用所謂縱口徑和橫口徑來(lái)表示。縱口徑△是相鄰兩支架中心線的距離l（m）與支柱直徑或厚度d（m）之比，即橫口徑的關(guān)系式為：對(duì)于圓形巷道對(duì)于非圓形巷道2024/11/5122024/11/5125.2.4摩擦阻力系數(shù)的分析(1)

AnalysisofFrictionResistanceCoefficient尼古拉茨采用各種不同粗糙度的圓管，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，找出來(lái)相對(duì)光滑度、雷諾數(shù)與λ系數(shù)之間的關(guān)系。其結(jié)論如下：1）在范圍內(nèi)，即流體以層流狀態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，λ系數(shù)隨雷諾數(shù)增加而減小，而且與管道的相對(duì)光滑度無(wú)關(guān)，這時(shí)λ與Re的關(guān)系為2024/11/5132024/11/5135.2.4摩擦阻力系數(shù)的分析(1)

AnalysisofFrictionResistanceCoefficient2）在范圍內(nèi)，即當(dāng)流體的運(yùn)動(dòng)由層流狀態(tài)過(guò)度到穩(wěn)定的紊流狀態(tài)時(shí)，

λ系數(shù)既決定于雷諾數(shù)Re，也決定于管道的相對(duì)光滑度。在這個(gè)范圍內(nèi)，當(dāng)時(shí)，摩擦阻力與平均風(fēng)速的1.75次方成正比。這時(shí)光滑管（近壁層流層厚度大于管壁絕對(duì)粗糙度的管子）紊流區(qū)的特征。2024/11/5142024/11/5145.2.4摩擦阻力系數(shù)的分析(1)

AnalysisofFrictionResistanceCoefficient3）在的范圍內(nèi)，即當(dāng)流體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)入完全紊流狀態(tài)時(shí)，λ系數(shù)僅僅決定于管道的相對(duì)光滑度，而與雷諾數(shù)Re無(wú)關(guān)，這時(shí)粗糙管（近壁層流層的厚度小于管壁絕對(duì)粗糙度的管子）紊流區(qū)的特性。2024/11/5152024/11/5155.2.4摩擦阻力系數(shù)的分析(2)

AnalysisofFrictionResistanceCoefficient由于風(fēng)流在礦山井巷流動(dòng)時(shí)，絕大多數(shù)屬于上述的第三種情況（完全紊流），即α與Re無(wú)關(guān)，僅與巷道的粗糙度有關(guān)，而巷道的粗糙度在一定時(shí)間是不變的，所以可以視為常數(shù)。由于空氣的密度變化不大，對(duì)于每一條巷道來(lái)說(shuō)，在一定時(shí)間內(nèi)，其長(zhǎng)度、斷面、斷面周長(zhǎng)以及摩擦阻力系數(shù)α都是不變的已知數(shù)，所以也是不變的，可以用一個(gè)常數(shù)Rf，（稱為摩擦風(fēng)阻）來(lái)表示，即式（5.5）：（N·s2/m8）2024/11/5162024/11/5165.2.4摩擦阻力系數(shù)的分析(3)

AnalysisofFrictionResistanceCoefficient井巷的摩擦風(fēng)阻是反映井巷特點(diǎn)的重要參數(shù)，其大小由其本身的性質(zhì)（幾何尺寸和粗糙度）所決定，它與摩擦阻力的概念是不同的。將式（5.5）代入式（5.4），則有式（5.6）（Pa）

上式表明，任一井巷的摩擦阻力等于該井巷的摩擦風(fēng)阻與流過(guò)該井巷的風(fēng)量的平方的乘積。這就是礦井通風(fēng)的摩擦阻力定律。（摩擦阻力通常占全礦通風(fēng)阻力的80%）。2024/11/5172024/11/5175.2.5

摩擦阻力系數(shù)的確定

Decision

FrictionResistanceCoefficient

礦井摩擦阻力系數(shù)的確定有兩種途徑，一是查找專門(mén)的設(shè)計(jì)手冊(cè)選取；二是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。由得得。只要測(cè)出上式的各項(xiàng)，即可以求出α。α與井巷長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，所以不必在巷道的全長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)定。α的測(cè)定是在當(dāng)?shù)亍?dāng)時(shí)的溫度、濕度測(cè)定的，而ρ是隨溫度、濕度和氣壓而變化的。因此，在實(shí)測(cè)出α’的同時(shí)，必須算出實(shí)際的空氣重率ρ’，然后，換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下ρ

（=1.2kg/m3）的α，即

（N·s2/m4）

2024/11/5182024/11/5185.3局部阻力和正面阻力

LocalResistanceandHeadResistance5.3.1局部阻力

5.3.2正面阻力

2024/11/5192024/11/5195.3.1局部阻力LocalResistance

風(fēng)流流經(jīng)任意巷道某些局部段（如斷面突然擴(kuò)大、突然縮小，巷道拐彎、巷道分叉）時(shí)，由于風(fēng)速的大小和方向發(fā)生變化，使風(fēng)流的能量造成損失。這種能量損失稱為局部損失，導(dǎo)致這種局部損失的阻力稱局部阻力。

1突然擴(kuò)大的局部阻力

2其他類型的局部阻力

2024/11/5202024/11/520突然擴(kuò)大的局部阻力（1）

LocalResistancebySuddenExpand當(dāng)風(fēng)流由斷面1流至斷面2時(shí)，風(fēng)速急劇下降。根據(jù)水力學(xué)上的包達(dá)

—卡諾定律，突然擴(kuò)大的能量損失計(jì)算式為：因?yàn)镼=V1S1=V2S2，所以V1/V2=S2/S1。S1

、S2

為風(fēng)速為V1、

V2處的巷道斷面的面積。則有：

12212024/11/5212024/11/521突然擴(kuò)大的局部阻力（2）

LocalResistancebySuddenExpand由于具體條件下巷道斷面S1

、S2均為已知，則可令則有或（Pa）式中和為突然擴(kuò)大的局部阻力系數(shù)。

2024/11/5222024/11/522其他類型的局部阻力（1）

OtherKindsofLocalResistance

由于礦井中產(chǎn)生局部阻力的類型很多，很難推導(dǎo)出一個(gè)普遍使用的計(jì)算公式，通常認(rèn)為各種類型的局部阻力的差異主要反映在不同的局部阻力系數(shù)。所以參照上述突然擴(kuò)大時(shí)的局部阻力公式，可得局部阻力的普遍公式：和

，式中、分別為與風(fēng)流進(jìn)入局部區(qū)段之前的平均風(fēng)速V1

、

V2

相對(duì)應(yīng)的局部阻力系數(shù)，無(wú)因次。上兩式也可寫(xiě)成：

2024/11/5232024/11/523其他類型的局部阻力（2）

OtherKindsofLocalResistance

因?yàn)樵诰唧w條件下，空氣密度、斷面積、局部阻力系數(shù)都是確定不變的常數(shù)，所以局部風(fēng)阻可寫(xiě)成：（N·s2/m8）

因此，計(jì)算局部阻力的通式為式（5.7）：（Pa）上式表明，局部阻力等于局部風(fēng)阻與風(fēng)量平方的乘積。局部阻力系數(shù)可以通過(guò)相關(guān)手冊(cè)查得，也可通過(guò)測(cè)定得出。

2024/11/5242024/11/524局部阻力系數(shù)測(cè)定方法

MeasurementofLocalResistanceCoefficient

①測(cè)出兩斷面的通風(fēng)阻力h（全壓差），含局部阻力與摩擦阻力；②按已知的α，計(jì)算出；③計(jì)算

;④測(cè)出溫度、氣壓以及V1

、

V2

，算出ρ；⑤由，或，求出，。2024/11/5252024/11/5255.3.2正面阻力（1）HeadResistance井巷內(nèi)存在某些物體（如罐道梁，電機(jī)車、礦車等），當(dāng)空氣在井巷中流動(dòng)時(shí)，只能在這些物體的周圍流過(guò)，使風(fēng)流受到附加阻力的作用，這種附加阻力稱為正面阻力。

或（Pa）

Sm－正面阻力物體在垂直于風(fēng)流總方向上的投影面積；Vm－風(fēng)流通過(guò)剩余斷面時(shí)的平均風(fēng)速；C－正面阻力系數(shù)。2024/11/5262024/11/5265.3.2正面阻力（2）HeadResistance由于在具體條件下，C，S，Sm

均為常數(shù)，故可令正面風(fēng)阻：

（N·s2/m8）

則可得正面阻力公式為式（5.8）：(Pa)

上式表明正面阻力等于正面風(fēng)阻與風(fēng)量的平方的乘積。正面阻力系數(shù)的測(cè)定方法與局部阻力系數(shù)一樣。

2024/11/5272024/11/5275.4井巷通風(fēng)阻力小結(jié)

SummaryofMineVentilationResistance摩擦阻力、局部阻力及正面阻力具有相似的形式，故可用下面的通式表示（式5.9）：上式稱為礦井通風(fēng)阻力定律。它表明井巷的通風(fēng)阻力h等于井巷的風(fēng)阻R與流過(guò)該井巷的風(fēng)量Q平方的乘積。由上式可知，在風(fēng)量Q一定時(shí)，阻力h與風(fēng)阻R成正比。因此，井巷風(fēng)阻R是反映井巷通風(fēng)難易程度的一個(gè)重要指標(biāo)。如果井巷中，三種阻力都有，則井巷風(fēng)流的總阻力應(yīng)為它們?nèi)咧停词剑?.10）：這就是通風(fēng)阻力疊加原則的數(shù)字表達(dá)式。2024/11/5282024/11/5285.5降低井巷通風(fēng)阻力的方法

theWayforReducingMineVentilationResistance

5.5.1降低摩擦阻力的方法

5.5.2降低局部阻力的方法

5.5.3降低正面阻力的方法2024/11/5292024/11/5295.5.1降低摩擦阻力的方法（1）

theWayforReducingFrictionVentilationResistance

由前面討論的摩擦阻力計(jì)算式可知，hf與α、P、L、V2成正比，而與S3成反比。則降低摩擦阻力的方法為：

1增大井巷斷面S。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)其他參數(shù)不變的情況下，斷面增大33％，摩擦阻力可減少50％。

2采用兩條或多條巷道并聯(lián)。

如圖示，總有Rf串<

Rf并。

12122024/11/5302024/11/5305.5.1降低摩擦阻力的方法（2）

theWayforReducingFrictionVentilationResistance3巷道斷面相同時(shí)，圓斷面的周長(zhǎng)最小，拱形斷面次之，矩形、梯形斷面較大。條件許可時(shí)，宜盡量采用周長(zhǎng)小斷面的形狀。

4盡量縮短井下風(fēng)流的路線。必要時(shí)可采用分區(qū)通風(fēng)。2024/11/5312024/11/5315.5.1降低摩擦阻力的方法（3）

theWayforReducingFrictionVentilationResistance5盡量采用相對(duì)粗糙度小的支護(hù)形式。砌鏇巷道的α值只有支架巷道的30~40％。服務(wù)年限長(zhǎng)的主風(fēng)流應(yīng)盡量用砌鏇的支護(hù)形式。錨噴支護(hù)的巷道，應(yīng)盡量采用光面爆破工藝，使巷道的凹凸度不大于50mm。

6在條件允許的情況下降低風(fēng)速。2024/11/5322024/11/5325.5.2降低局部阻力的方法

theWayforReducingLocalVentilationResistance1將突然擴(kuò)大或突然縮小的井巷做成漸大或漸縮的形狀。

2增設(shè)導(dǎo)風(fēng)板，降低局部阻力系數(shù)。

3井巷避免直角轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎處的內(nèi)外側(cè)要做成圓弧形。2024/11/5332024/11/5335.5.3降低正面阻力的方法

theWayforReducingHeadVentilationResistance1清除井巷內(nèi)的堆積物，主巷內(nèi)不能隨意停放車輛、堆積木材或器材。

2將永久的正面阻力物體做成流線形（如罐道木梁）。2024/11/5342024/11/5345.6等積孔與井巷風(fēng)阻特性曲線

theHolewiththeSameResistanceofWorkingsandCharacterCurveofWorkingsResistance5.6.1井巷等積孔

5.6.2井巷風(fēng)阻特性曲線

2024/11/5352024/11/5355.6.1井巷等積孔（1）

theHolewiththeSameResistanceofWorkings

由前面的討論知道，井巷風(fēng)阻是反映礦井通風(fēng)難易程度的一個(gè)指標(biāo)。但這個(gè)指標(biāo)很不形象，單位又復(fù)雜，不便于進(jìn)行礦井通風(fēng)難易程度的對(duì)比。因此，人們通過(guò)實(shí)驗(yàn)，又建立了另一種衡量通風(fēng)阻力的指標(biāo)，叫等積孔。

定義：與礦井風(fēng)阻值相當(dāng)?shù)睦硐肟卓诘拿娣e值，稱為等積孔。2024/11/5362024/11/5365.6.1井巷等積孔（2）

theHolewiththeSameResistanceofWorkings

如圖示，假設(shè)在薄壁上有一面積為Am2的孔口，當(dāng)孔口通過(guò)的風(fēng)量等于流過(guò)井巷的風(fēng)量，而且孔口兩側(cè)的絕對(duì)靜壓差等于井巷的通風(fēng)阻力時(shí)，則孔口的面積稱為該井巷的等積孔。圖中P1、P2為斷面1、2的絕對(duì)靜壓。取斷面離薄板左側(cè)足夠遠(yuǎn)（V1≈0處）。斷面取在孔口右側(cè)風(fēng)流收縮斷面最小處（V2

=Vmax）。設(shè)在流動(dòng)過(guò)程中無(wú)能量損失，則兩截面的能量方程式：P2v2P1v121A122024/11/5372024/11/5375.6.1井巷等積孔（3）

theHolewiththeSameResistanceofWorkings

即

即。在2-2處，風(fēng)流斷面S2=ΦA(chǔ)

，

Φ表示收縮系數(shù)，水力學(xué)中取Φ=0.65。則通過(guò)S2的流量: