礦井通風阻力.ppt

1,第3章礦井通風阻力,中國礦業(yè)大學多媒體教學課件,2,上一章內(nèi)容,第2章礦內(nèi)空氣動力學基礎2.1流體的概念2.2風流能量與能量方程2.3風流壓力及壓力坡度,3,上一章內(nèi)容,學習目標1、流體的概念2、風流能量與能量方程3、風流壓力及壓力坡度重點與難點1、點壓力之間的關系2、能量方程及其在礦井中的應用,4,第3章礦井通風阻力,風流必須具有一定的能量，用以克服井巷對風流所呈現(xiàn)的通風阻力。通常礦井通風阻力分為摩擦阻力與局部阻力兩類，它們與風流的流動狀態(tài)有關。一般情況下，摩擦阻力是礦井通風總阻力的主要組成部分。,5,第3章礦井通風阻力,第3章礦井通風阻力3.1風流的流動狀態(tài)3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通風阻力定律和特性3.5通風阻力測量,6,學習目標、重點與難點,學習目標1、風流的流動狀態(tài)2、摩擦阻力3、局部阻力4、通風阻力定律和特性、通風阻力測量重點與難點1、摩擦阻力產(chǎn)生的原因和測算2、局部阻力產(chǎn)生的原因和測算,7,3.1流體的概念,風流的流動狀態(tài)分為層流與紊流。層流是指流體各層的質(zhì)點互不混合，質(zhì)點流動的軌跡為直線或有規(guī)則的平滑曲線，并與管道軸線方向基本平行。紊流是指流體的質(zhì)點強烈互相混合，質(zhì)點的流動軌跡極不規(guī)則，除了沿流動總方向發(fā)生位移外，還有垂直于流動總方向的位移，且在流體內(nèi)部存在著時而產(chǎn)生、時而消失的旋渦。流體的流動狀態(tài)受流體的速度、粘性和管道尺寸等影響。流體的速度越大，粘性越小，管道的尺寸越大，則流體越易成為紊流，反之，越易成為層流。,8,可用一個無因次參數(shù)Re（雷諾數(shù)）來表示上述三因素的綜合作用，對于圓形管道（3-1-1）式中V為管道中流體的平均速度，m/s；d為圓形管道的直徑，m；v為流體的運動粘性系數(shù)，與流體的溫度、壓力有關。設r為流體的水力半徑，指流體的斷面S（m2）與流體的周界U（m）之比，即rS/U，m。因風流充滿管道，故在直徑為d的圓形管道中，風流的水力半徑為：，或，m（3-2-2）代入（3-1-1）式，得出用于非圓形巷道風流雷諾數(shù)的計算式為：（3-1-3）式中S為巷道的斷面，m2；U為巷道的周界，m。,9,據(jù)前人的實驗，水流在各種粗糙壁面、平直的圓管內(nèi)流動，當時，水流呈層流狀態(tài)；約在時，水流開始向紊流過渡，故稱2000為臨界雷諾數(shù)；當時，水流呈完全紊流。把這些數(shù)值近似應用于風流，便可大致估計出風流在各種流態(tài)下的平均風速。例如某巷道的斷面S2.5m2，周界U6.58m，風流的14.4106m2/s。則用（3-1-3）式估算出風流開始向紊流過渡的平均風速為：井巷中最低風速都在0.150.25m/s以上，且大多數(shù)井巷的斷面都大于2.5m2，故大多數(shù)井巷中的風流不會出現(xiàn)層流，只有風速很小的漏風風流，才可能出現(xiàn)層流。又如在上例中，Re100000時，該巷道內(nèi)風流呈現(xiàn)完全紊流的平均風速約為：V1000006.5814.410-6/（42.5）0.95m/s.,10,3.2摩擦阻力,3.2.1摩擦阻力的意義和理論基礎風流在井巷中作均勻流動時，沿程受到井巷固定壁面的限制，引起內(nèi)外摩擦而產(chǎn)生的阻力稱作摩擦阻力。所謂均勻流動是指風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)不同的風流，摩擦阻力hfr的產(chǎn)生情況和大小也不同。前人實驗得出水流在圓管中的沿程阻力公式是：式中為實驗比例系數(shù)，無因次；為水流的密度，kg/m3；L為圓管的長度，m；d為圓管的直徑，m；V為圓管內(nèi)水流的平均速度，m/s。上式是礦井風流摩擦阻力計算式的基礎，它對于不同流態(tài)的風流都能應用，只是流態(tài)不同時，式中的實驗表達式不同。,11,又據(jù)前人在壁面能分別膠結(jié)各種粗細砂粒的圓管中，實驗得出流態(tài)不同的水流，系數(shù)和管壁的粗糙度、Re的關系。實驗是用管壁平均突起的高度（即砂粒的平均直徑）k（m）和管道的直徑d（m）之比來表示管壁的相對光滑度。并用閥門不斷改變管內(nèi)水流的速度，實驗結(jié)果如圖3-2-1所示，圖中表明以下幾種情況：（1）在lgRe3.3（即Re2000）以下，即當流體作層流運動時，由左邊斜線可以看出，相對光滑度不同的所有試驗點都分布于其上，隨Re的增加而減少，且與管道的相對光滑度無關，此時，與Re的關系式為：=64/Re（3-2-2）（2）在3.3lgRe5.0（即2000Re100000）的范圍內(nèi)，即當流體由層流到紊流再到完全紊流的中間過渡狀態(tài)時，系數(shù)既和Re有關，又和管壁的相對光滑度有關。,12,（3）在lgRe5.0（即Re100000）以上，即當流體作完全紊流狀態(tài)流動時，系數(shù)和Re無關，只和管壁的相對光滑度有關，管壁的相對光滑度越大，值越小。其實驗式為（3-2-3）,13,圖3-2-1尼古拉茨實驗圖,14,在紊流狀態(tài)下，流體的能量損失大大超過層流狀態(tài)。在層流狀態(tài)下，能量只損失在速度不同的流體層間的內(nèi)摩擦力方面，而在紊流狀態(tài)下，除這種損失外還有消耗在因流體質(zhì)點相互混雜、能量交換而引起的附加損失，當雷諾數(shù)增加到一定程度時，這種附加損失將急劇增大到主導地位。如圖3-2-2所示，紊流的結(jié)構可分為層流邊層、過渡層和紊流區(qū)三個組成部分。紊流區(qū)又稱紊流核，是紊流的主體，層流區(qū)流速很小或接近于零。隨著雷諾數(shù)增大，層流邊層的厚度減薄，以至不能遮蓋管壁的突起高度，管壁粗糙度即對流動阻力發(fā)生影響。當，流體呈完全紊流和層流邊層厚度趨于零時，則如（3-2-3）式所示，值只決定于管壁的相對粗糙度，而與Re無關。,15,例：某巷道的斷面S2.5m2，周界U6.58m，風流的14.4106m2/s，試計算出風流開始出現(xiàn)紊流時的平均風速？解：當風流開始出現(xiàn)紊流時，則其Re2000，當完全紊流時，Re100000，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速均在0.25米/秒以上，所以說井巷中的風流大部為紊流，很少為層流。,16,3.2摩擦阻力,3.2.2完全紊流狀態(tài)下的摩擦阻力定律前面談到，井下多數(shù)風流屬于完全紊流狀態(tài)，故下面重點討論完全紊流狀態(tài)下的摩擦阻力。把上面(3-2-2)式代入(3-2-1)式，得，Pa（3-2-4）因礦井空氣密度變化不大，而且對于尺度和支護已定型的井巷，其壁面的相對光滑度是定值，則在完全紊流狀態(tài)下，值是常數(shù)。把上式中的用一個系數(shù)來表示，即（3-2-5）此系數(shù)稱為摩擦阻力系數(shù)。在完全紊流狀態(tài)下，井巷的值只受、或的影響。對于尺寸和支護已定型的井巷，值只與或成正比。將（3-2-5）代入（3-2-4）式，得，Pa（3-2-6若通過井巷的風量為Q（），則V=Q/S，代入上式，得,17,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為巷道的摩擦風阻。這時：這就是完全紊流情況下的摩擦阻力定律。當巷道風阻一定時，摩擦阻力與風量的平方成正比。,18,井巷摩擦阻力的計算例1某梯形木支架煤巷，長200米，斷面積為4m2，沿斷面的周長為8.3m，巷道摩擦阻力系數(shù)通過查表得到的標準值為0.018Ns2/m4，若通過巷通的風量為960m3/min，試求其摩擦阻力?解：答：該巷道的摩擦阻力為119.5Pa。應當注意，巷道的值隨的改變而改變，在高原地區(qū)，空氣稀薄，當?shù)氐闹敌柽M行校正。校正式如下：,19,3.2.3層流狀態(tài)下的摩擦阻力定律,20,3.2.4摩擦阻力的計算方法完全紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力的計算是新礦井通風設計的重要依據(jù)。即按照所設計的井巷長度、周界、凈斷面積、支護方式和要求通過的風量，以及其中有無提升運輸設備等，用查表法選定該井巷的摩擦阻力系數(shù)值，然后用(3-2-8)或(3-2-10)式計算該井巷的摩擦阻力。確定值的查表法是從前人實驗或?qū)崪y所歸納出來的表3-2-1表3-2-15中查出適合該井巷的標準值(指空氣密度為1.2kgm3的值，Ns2m4)。對于平原地區(qū)的新礦井通風設計，可用此標準值進行計算。,21,3.2.5降低摩擦阻力的措施井巷通風阻力是引起風壓損失的主要根源，因此降低井巷通風阻力，特別是降低摩擦阻力就能用較少的風壓消耗而通過較多的風量。許多原來是阻力大，通風困難的礦井，經(jīng)降低阻力后即變?yōu)樽枇π　⑼L容易的礦井。根據(jù)hfr(LU/S3)Q2的關系式可以看出，保證一定風量，降低摩擦阻力的方法就是降低摩擦風阻，根據(jù)影響Rfr的各因素，降低摩擦阻力的主要措施有：,22,1降低Rfr與成正比，而主要決定于巷道粗糙度，因此降低，就應盡量使巷道光滑。當采用棚子支護巷道時，要很好地剎幫背頂，在無支護的巷道，要注意盡可能把頂?shù)装寮皟蓭托拚?；對于井下的主要巷道，在采用料石或混凝土砌璇，特別是采用錨桿支護技術時，更能有效地使系數(shù)減小。2擴大巷道斷面S因Rfr與S3成反比，所以擴大巷道斷面有時成為降低摩擦阻力的主要措施。由于摩擦阻力又與風量的平方成正比，因此在采用這種措施時，應抓主要矛盾，即首先應考慮風量大、斷面小的總回風道的擴大，其次再考慮其它巷道的擴大。,23,3減少周界長URfr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LRfr與L成正比，進行開拓設計時，就應在滿足開采需要的條件下，盡可能縮短風路的長度。例如，當采用中央并列式通風系統(tǒng)，如阻力過大時，即可將其改為兩翼式通風系統(tǒng)以縮短回風路線。5避免巷道內(nèi)風量過大。摩擦阻力與風量的平方成正比。巷道內(nèi)的風量如果過大，摩擦阻力就會大大增加。因此，要盡可能使礦井的總進風早分開，總回風晚匯合，即風流“早分晚合”。降低摩擦阻力，還應同時結(jié)合井巷的其它用途與經(jīng)濟等因素進行綜合考慮。如斷面過大，不但不經(jīng)濟，而且也不好維護，反而不如選用雙巷。,24,3.3局部阻力,3.3.1局部阻力的概念風流在井巷的局部地點，由于速度或方向突然發(fā)生變化，導致風流本身產(chǎn)生劇烈的沖擊，形成極為紊亂的渦流，因而在該局部地帶產(chǎn)生一種附加的阻力，稱為局部阻力。井下產(chǎn)生局部阻力的地點較多，例如巷道拐彎、分叉和匯合處，巷道斷面變化處，進風井口和回風井口等。,25,3.3.2局部阻力定律前人實驗證明，在完全紊流狀態(tài)下，不論井巷局部地點的斷面、形狀和拐彎如何變化，所產(chǎn)生的局部阻力都和局部地點的前面或后面斷面上的速壓成正比。例如圖3-3-1所示突然擴大的巷道，該局部地點的局部阻力為式中v1、v2分別是局部地點前后斷面上的平均風速，m/s；、局部阻力系數(shù)，無因次，分別對應于hv1、hv2。對于形狀和尺寸已定型的局部地點，這兩個系數(shù)都是常數(shù)，但它們彼此不相等?？梢匀斡闷渲械囊粋€系數(shù)和相應的速壓計算局部阻力；局部地點的空氣密度,kg/m3。,26,若通過局部地點的風量為Q，前后兩個斷面積是S1和S2，則兩個斷面上的平均風速為：v1=Q/S1，m/s；v2=Q/S2，m/s代入（3-3-1）式，得，Pa（3-3-2）令，Ns2/m8（3-3-3）式中Rer稱為局部風阻。當局部地點的規(guī)格尺寸和空氣密度都不變時，Rer是一個常數(shù)。將（3-3-3）代入（3-3-2），得，Pa（3-3-4）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)的摩擦阻力定律一樣，當Rer一定時，her和Q平方成正比。,27,3.3.3局部阻力的計算方法在一般情況下，由于礦井內(nèi)風流的速壓較小，所產(chǎn)生的局部風阻也較小，井下各處的局部阻力之和只占礦井總阻力的1020%左右。故在通風設計工作中，不逐一計算井下各處的局部阻力，只在這個百分數(shù)范圍內(nèi)估計一個總數(shù)。但對掘進通風用的風筒和風量較大的井巷，由于其中風流的速壓較大，就要逐一計算局部阻力。計算局部阻力時，用（3-3-1）式比較簡便。先要根據(jù)井巷局部地點的特征，對照前人實驗所得表3-3-1和表3-3-2，查出局部阻力系數(shù)的近似值，然后用圖表中所指定的相應風速進行計算。（3-3-1）,28,幾種局部阻力的值,29,表3-3-1表示巷道局部地點小斷面S1和大斷面S2的比值相同時，突然縮小比突然擴大的局部阻力系數(shù)要??；表3-3-2第一項所示的進風口比最后一項所示的出風口的局部阻力系數(shù)也要小。這是因為風流突然縮小時，所產(chǎn)生的沖擊現(xiàn)象沒有風流突然擴大時那樣急劇的緣故。,30,例如，某進風井內(nèi)的風速8ms，井口空氣密度是1.2kgm3，井口的凈斷面S12.6m2，查表3-3-2知該井口風流突然收縮的局部阻力系數(shù)是0.6，則該井口的局部阻力和局部風阻為（Pa）（Ns2/m8）如果上列是條件相同的回風井口，查表3-3-2知該井口風流突然擴大的局部阻力系數(shù)是l，則該井口的局部阻力和局部風阻分別為（Pa），Ns2/m8以上計算結(jié)果是：；,31,3.3.4降低局部阻力的措施由于局部阻力與風速的平方或風量的平方成正比。故對于風速高、風量大的井巷，更要注意降低局部阻力，即在這些井巷內(nèi)，要盡可能避免斷面的突然擴大或突然縮?。槐M可能避免拐的彎，在拐彎處的內(nèi)側(cè)和外側(cè)要做成斜面或圓弧形，拐彎的彎曲半徑盡可能加大，還可設置導風板；盡可能避免突然分叉和突然匯合，在分叉和匯合處的內(nèi)側(cè)要做成斜面或圓弧形。對于風速大的風筒，要懸掛平直，拐彎的彎曲半徑要盡可能加大。此外，在主要巷道內(nèi)不得隨意停放車輛、堆積木材或器材；必要時，宜把正對風流的固定物體(例如罐道梁)做成流線形。,32,3.4通風阻力定律和特性,3.4.1通風阻力定律所謂通風阻力定律，就是前面所述的摩擦阻力定律和局部阻力定律的結(jié)合，也就是通風阻力、風阻和風量三個參數(shù)相互依存的規(guī)律。在完全紊流狀態(tài)下，通風阻力定律是：hRQ2，Pa，（3-4-1）即h和R(Ns2/m8)的一次方成正比，和Q（m3/s）的平方成正比。若某一井巷通過一定風量，同時產(chǎn)生摩擦阻力和局部阻力，則h和R分別是該井巷的通風阻力和總風阻。對于一個礦井來說，h、R和Q分別代表該礦井的通風阻力、總風阻和總風量。,33,在層流狀態(tài)下，通風阻力定律是：h=RQ（3-4-2）即h和R(Ns2/m8)的一次方成正比，和Q（m3/s）的一次方成正比。在中間過渡狀態(tài)下，通風阻力定律是：h=RQx（3-4-3）即h和R(Nsx/m2+3x)的一次方成正比，和Q（m3/s）的x方成正比。指數(shù)x大于1而小于2。上述通風阻力定律是礦井通風學科中最基本的定律。只有井下個別風速較小的地方才可能用到層流或中間過渡態(tài)下的通風阻力定律。,34,3.4.2井巷的通風特性某一井巷或礦井的通風特性就是該礦井或井巷所特有的反映通風難易程度或通風能力大小的性能。這種特性可用該井巷或礦井的風阻值的大小來表示。通風阻力相同時，風阻大的井巷或礦井，風量必小，表示通風困難通風能力??；反之，風阻小的井巷或礦井，風量必大，表示通風容易，通風能力大。所以，井巷或礦井的通風特性又名風阻特性。,35,為了形象化，習慣引用一個和風阻的數(shù)值相當、意義相同的假想的面積值（m2）來表示井巷或礦井的通風難易程度。這個假想的孔口稱作井巷或礦井的等積孔（又稱當量孔）。等積孔就是用一個與井巷風阻值相當?shù)睦硐肟椎拿娣e值來衡量井巷通風的難易程度。由于等積孔不是實物，宜用一種假想的模型(圖3-4-1)來說明（3-4-4）式的來源：假設壓氣缸內(nèi)的靜壓P，速壓等于零；孔口外氣流收縮最小處的靜壓為P，速壓為V2/2，式中V為收縮最小處的速度，為空氣的密度。當孔口的面積A值一定時，P與P之差值越大，孔口流出的風量Q就越大。這種關系好比某一井巷或礦井的風阻值一定時，通風阻力h越大，通過該井巷或礦井的風量就越大，因此，需要找出hs、A和Q的關系式來模擬井巷或礦井的通風阻力定律。,36,設當空氣自左向右流經(jīng)此孔時，無阻力，無能量損失，并設當空氣從此孔流出后，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)化為動能)，由此可得：實驗證明，在出口流線斷面最小處的面積一般為0.65A(m2)，再當流量為Q(m3/s)時，VQ/0.65A，以此V值與1.2kg/m3代入上式，即得：,37,由此得到：,上式表示A和R成反比。即井巷或礦井的R值大，相當?shù)腁值就小，表示該礦井或井巷通風困難；反之亦然。計算出礦井的風阻和等積孔后，就可以對該礦井的通風難易程度進行評價，評價的標準如下表：,38,用礦井等積孔A和礦井風阻R表示礦井通風的難易程度實質(zhì)上一樣，只是礦井等積孔比礦井風阻更形象化。值得指出的是，礦井等積孔僅僅是評定礦井通風難易程度的一個指標，它并不能全面地反映礦井通風難易程度。礦井通風難易程度的評判應當從礦井通風的根本目的（供給井下充足的新鮮空氣，沖淡有毒有害氣體，創(chuàng)造良好的生產(chǎn)環(huán)境）入手，具體應考慮：(1)礦井總風量是否滿足需要；(2)井下各用風區(qū)域間的風量調(diào)配是否容易；(3)礦井瓦斯涌出量的大?。?4)礦井開采強度；(5)采煤方法等方面內(nèi)容。,39,例已知礦井總阻力為1440Pa，風量為60m3/s，試求該礦井的風阻與等積孔?如生產(chǎn)上要求將風量提高到70m3/s，問風阻與等積孔之值是否改變?阻力增加到多少?解：,當井巷的規(guī)格尺寸與連接形式?jīng)]有改變及采掘工作面沒有移動時，則風量的增加并不改變等積孔與風阻之值。由于風量增加到70m3/s，故阻力增加到：hRQ20.47021960Pa,40,3.4.3風流的功率與電耗物體在單位時間內(nèi)所做的功叫做功率，其計量單位是Nm/s。風流的風壓h乘風量Q的計量單位就是N/m2m3/sNm/s。故風流功率N的計算式為，N=hQ/1000，kW礦井一天的通風電費是：式中e每度電的單價，y/(kWh)；風機、輸電、變電、傳動等總效率。直接傳動時，取0.6；間接傳動時，取0.5。,41,例：如圖所示的礦井，左右兩翼的通風阻力分別是；hr11274Pa；hr21960Pa通過兩翼主扇的風量分別是Qf160m3/s；Qf270m3/s。兩翼的外部漏風,Qm1(1Le1)Qf1(14%)6057.6m3/sQm2(1Le2)Qf2(15%)7066.5m3/s,率分別是Le14%；Le25%。則兩翼不包括漏風的風量分別是：,42,兩翼不包括外部漏風的風阻分別是：R1hr1/Qm121274/(57.6)20.38399N.s2/m8R2hr2/Qm221960/(66.5)20.44321N.s2/m8兩翼不包括外部漏風的等積孔分別是：,43,為了計算全礦的總風阻和總等積孔，須先求出全礦的總阻力hr，因全礦的風流總功率等于左右兩翼風流的功率之和，即hr(Qm1Qm2)hr1Qm1hr2Qm2，W故,則全礦不包括外部漏風的總風阻是：,44,全礦不包括外部漏風的總等積孔是：,對于用多臺主扇通風的礦井，都要用這種方法計算全礦的總風阻和總等積孔。只有hr1hr2時，才能用AA1A2計算。設兩翼主扇的風壓分別等于其通風阻力。則兩翼的通風電費分別為：,全礦一天的通風電費是（元/天）,45,3.5通風阻力測量,（一）阻力測定方法與原理測定方法：壓差計法氣壓計法測定原理：,46,3.5通風阻力測量,（二）通風阻力測量的內(nèi)容包括：1.測算風阻。井巷的風阻是反映井巷通風特性的重要參數(shù)，分析任何通風問題都和這個參數(shù)有關。故通風阻力測量的主要內(nèi)容，是通過測量各巷道的通風阻力和風量以標定它們的標準風阻值(指井下平均空氣密度的風阻值)，并編輯成表，作為基本資料。這種測量內(nèi)容不受風壓和風量變化的影響，但精度要求較高，故可用一個小組(45人)逐段進行，不趕時間，力求測準。2.測算摩擦阻力系數(shù)。支護方式和斷面不同的井巷，其摩擦阻力系數(shù)不同。為了適應礦井通風設計工作的需要，須通過測量通風阻力和風量以標定各種類型的井巷的摩擦阻力系數(shù)，編集成表。這也是一項精度要求較高，以小組人力進行的細致工作。各種風筒的摩擦阻力系數(shù)也要進行標定。,47,3.測量通風阻力的分配情況。為了尋求和分析問題，有時需要沿著通風阻力大的路線，在盡可能短的時間內(nèi)，連續(xù)測量各個區(qū)段的通風阻力，以得出整個路線上通風阻力的分配情況。由于各區(qū)段的通風阻力難免有波動，故要根據(jù)測量路線的長短，分成若干小組，分段同時進行。總之，通風阻力測量是礦井通風技術管理工作的基礎，也是掌握生產(chǎn)礦井通風情況的重要手段。上述內(nèi)容的測量方法基本有兩種：一為用膠皮