第3章 礦井通風(fēng)阻力

礦井通風(fēng)與安全

MineVentilationandSafety1安全工程學(xué)院仲曉星中國礦業(yè)大學(xué)多媒體教學(xué)課件礦內(nèi)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)重點(diǎn)1、風(fēng)流能量與能量方程2、點(diǎn)壓力之間的關(guān)系2位能（勢能）靜壓能（流動(dòng)功）動(dòng)能

3風(fēng)流能量在礦井井巷中，風(fēng)流任一斷面上能量（機(jī)械能）由三部分組成：這三部分能量在通風(fēng)測量中則以壓力的形式出現(xiàn)，分別表示為靜壓，位壓和動(dòng)壓。41.不可壓縮流體的能量方程假設(shè)空氣是不可壓縮的52.可壓縮流體的能量方程（1）可壓縮空氣單位質(zhì)量流體的能量方程斷面1上，1kg空氣所具有的能量為：斷面2上，1kg空氣所具有的能量為：6

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LR（J/kg），這部分被消耗的能量將轉(zhuǎn)化為熱能qR（J/kg）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空氣的熱量為q（J/kg），這些熱量將增加空氣的內(nèi)能并使空氣膨脹做功。假設(shè)1－2斷面間有壓源Lt（J/kg）（如局部通風(fēng)機(jī)）。單位質(zhì)量可壓縮流體在有壓源的井巷中流動(dòng)時(shí)能量方程的一般表達(dá)式！7（2）可壓縮空氣單位體積流體的能量方程無壓源的：有壓源的(Ht)：1－2斷面間按狀態(tài)過程考慮的空氣平均密度ρm

點(diǎn)壓力

靜壓

全壓

動(dòng)壓8相對靜壓相對全壓當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)嘏c風(fēng)道中i點(diǎn)同標(biāo)高的大氣壓9孔b：平行于風(fēng)流方向，只感受i點(diǎn)的絕對靜壓，稱為靜壓孔；孔a：正對風(fēng)流，除了感受靜壓外，還受動(dòng)壓作用，稱為全壓孔。皮托管是一種測壓管，它是承受和傳遞壓力的工具。它由兩個(gè)同心管（一般為圓形）組成，其結(jié)構(gòu)如圖所示。尖端孔口a與標(biāo)著（十）號的接頭相通，側(cè)壁小孔b與標(biāo)著（一）號的接頭相通。點(diǎn)壓力的測定

a圖為壓入式通風(fēng)，在壓入式通風(fēng)時(shí)，風(fēng)筒中任一點(diǎn)i的相對全壓恒為正值，所以稱之為正壓通風(fēng)b圖為抽出式通風(fēng)，在抽出式通風(fēng)時(shí)，除風(fēng)筒的風(fēng)流入口斷面的相對全壓為零外，風(fēng)筒內(nèi)任一點(diǎn)i的相對全壓恒為負(fù)值，故又稱為負(fù)壓通風(fēng)。10壓入式抽出式不同通風(fēng)方式時(shí)，風(fēng)流中某點(diǎn)各種壓力之間的相互關(guān)系。111、壓入式通風(fēng)系統(tǒng)壓力坡度

由能量方程得：

由于通風(fēng)機(jī)入口外P0，其風(fēng)速等于0，當(dāng)忽略這段巷道的阻力不計(jì)時(shí)，其能量方程式為：

Hf——通風(fēng)機(jī)全壓，Pa。12通風(fēng)機(jī)全壓與自然風(fēng)壓共同作用，克服了礦井阻力，并在出風(fēng)井口造成動(dòng)壓損失。2、抽出式通風(fēng)系統(tǒng)壓力坡度

對1、2兩斷面列能量方程得：

此式表明，抽出式通風(fēng)時(shí)，通風(fēng)機(jī)在風(fēng)硐中所造成的靜壓（絕對值）與自然風(fēng)壓共同作用，克服礦井通風(fēng)阻力，并在風(fēng)硐中造成動(dòng)壓損失。為了分析通風(fēng)機(jī)全壓與通風(fēng)阻力的關(guān)系，需要列出由通風(fēng)機(jī)入口2到擴(kuò)散塔出口3的能量方程式。

將兩式合并，可得：

13抽出式通風(fēng)機(jī)的全壓與自然風(fēng)壓共同作用，克服礦井通風(fēng)阻力，并在通風(fēng)機(jī)擴(kuò)散塔出口，造成動(dòng)壓損失。第3章礦井通風(fēng)阻力14中國礦業(yè)大學(xué)多媒體教學(xué)課件第3章礦井通風(fēng)阻力風(fēng)流必須具有一定的能量，用以克服井巷對風(fēng)流所呈現(xiàn)的通風(fēng)阻力。通常礦井通風(fēng)阻力分為摩擦阻力與局部阻力兩類，它們與風(fēng)流的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。一般情況下，摩擦阻力是礦井通風(fēng)總阻力的主要組成部分。15第3章礦井通風(fēng)阻力3.1風(fēng)流的流動(dòng)狀態(tài)

3.2摩擦阻力

3.3局部阻力

3.4通風(fēng)阻力定律和特性

3.5通風(fēng)阻力測量16學(xué)習(xí)目標(biāo)、重點(diǎn)與難點(diǎn)學(xué)習(xí)目標(biāo)1、風(fēng)流的流動(dòng)狀態(tài)2、摩擦阻力3、局部阻力4、通風(fēng)阻力定律和特性、通風(fēng)阻力測量重點(diǎn)與難點(diǎn)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173.1風(fēng)流的流動(dòng)狀態(tài)

風(fēng)流的流動(dòng)狀態(tài)分為層流與紊流。層流是指流體各層的質(zhì)點(diǎn)互不混合，質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)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(diǎn)強(qiáng)烈互相混合，質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)軌跡極不規(guī)則，除了沿流動(dòng)總方向發(fā)生位移外，還有垂直于流動(dòng)總方向的位移，且在流體內(nèi)部存在著時(shí)而產(chǎn)生、時(shí)而消失的旋渦。流體的流動(dòng)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。18□

可用一個(gè)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(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，與流體的溫度、壓力有關(guān)。

設(shè)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r＝S/U，m。因風(fēng)流充滿管道，故在直徑為d的圓形管道中，風(fēng)流的水力半徑為：，或，m（3-1-2）代入（3-1-1）式，得出用于非圓形巷道風(fēng)流雷諾數(shù)的計(jì)算式為：（3-1-3）式中：S為巷道的斷面，m2；U為巷道的周界，m。19據(jù)前人的實(shí)驗(yàn)，水流在各種粗糙壁面、平直的圓管內(nèi)流動(dòng)，當(dāng)Re≤2000時(shí)，水流呈層流狀態(tài)；約在Re>2000時(shí)，水流開始向紊流過渡，故稱2000為臨界雷諾數(shù)；Re≥100000時(shí)，水流呈完全紊流。把水流的這些數(shù)值近似應(yīng)用于風(fēng)流，便可大致估計(jì)出風(fēng)流在各種流態(tài)下的平均風(fēng)速。例如某巷道的斷面S＝2.5m2，周界U＝6.58m，風(fēng)流的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)v＝14.4×10－6m2/s。則用（3-1-3）式估算出風(fēng)流開始向紊流過渡的平均風(fēng)速為：

井巷中最低風(fēng)速都在0.15～0.25m/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(fēng)流不會(huì)出現(xiàn)層流，只有風(fēng)速很小的漏風(fēng)風(fēng)流，才可能出現(xiàn)層流。又如在上例中，Re≥100000時(shí)，該巷道內(nèi)風(fēng)流呈現(xiàn)完全紊流的平均風(fēng)速約為：V＝100000×6.58×14.4×10-6/（4×2.5）＝0.95m/s.203.2摩擦阻力3.2.1摩擦阻力的意義和理論基礎(chǔ)風(fēng)流在井巷中作均勻流動(dòng)時(shí)，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。（均勻流動(dòng)是指風(fēng)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(fēng)流，摩擦阻力hfr的產(chǎn)生情況和大小也不同。前人實(shí)驗(yàn)得出水流在圓管中的沿程阻力公式是：

（3-2-1）式中：λ為實(shí)驗(yàn)比例系數(shù)，無因次；ρ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(fēng)流摩擦阻力計(jì)算式的基礎(chǔ)，它對于不同流態(tài)的風(fēng)流都能應(yīng)用，只是流態(tài)不同時(shí)，式中λ的實(shí)驗(yàn)表達(dá)式不同。21□圖3-2-1

尼古拉茨

實(shí)驗(yàn)圖

據(jù)前人在壁面能分別膠結(jié)各種粗細(xì)砂粒的圓管中，實(shí)驗(yàn)得出流態(tài)不同的水流，λ系數(shù)和管壁的粗糙度Re的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)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。利用閥門不斷改變管內(nèi)水流的速度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3-2-1所示。22

（1）在lgRe≤3.3（即Re≤2000）以下，即當(dāng)流體作層流運(yùn)動(dòng)時(shí)，由左邊斜線可以看出，相對光滑度不同的所有試驗(yàn)點(diǎn)都分布于其上，λ隨Re的增加而減少，且與管道的相對光滑度無關(guān)，此時(shí)，λ與Re的關(guān)系式為：λ=64/Re

（3-2-2）（2）在3.3<lgRe<5.0（即2000<Re<100000）的范圍內(nèi)，即當(dāng)流體由層流到紊流再到完全紊流的中間過渡狀態(tài)時(shí)，λ系數(shù)既和Re有關(guān)，又和管壁的相對光滑度有關(guān)。23

（3）在lgRe≥5.0（即Re≥100000）以上，即當(dāng)流體作完全紊流狀態(tài)流動(dòng)時(shí)，λ系數(shù)和Re無關(guān)，只和管壁的相對光滑度有關(guān)，管壁的相對光滑度越大，λ值越小。其實(shí)驗(yàn)式為

（3-2-3）24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(diǎn)相互混雜、能量交換而引起的附加損失，當(dāng)雷諾數(shù)增加到一定程度時(shí)，這種附加損失將急劇增大到主導(dǎo)地位。

如圖所示，紊流的結(jié)構(gòu)可分為層流邊層、過渡層和紊流區(qū)三個(gè)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(dòng)阻力發(fā)生影響。當(dāng)Re≥100000

，流體呈完全紊流和層流邊層厚度趨于零時(shí)，則如（3-2-3）式所示，λ值只決定于管壁的相對粗糙度，而與Re無關(guān)。253.2摩擦阻力3.2.2完全紊流狀態(tài)下的摩擦阻力定律井下多數(shù)風(fēng)流屬于完全紊流狀態(tài)，故重點(diǎn)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(hù)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(gè)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(hù)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(fēng)量為Q（m3/S），則V=Q/S，代入上式，得2627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(fēng)阻。這時(shí)：這就是完全紊流情況下的摩擦阻力定律。當(dāng)巷道風(fēng)阻一定時(shí)，摩擦阻力與風(fēng)量的平方成正比。28

[例1]某梯形木支架煤巷，長200m，斷面積為4m2，沿?cái)嗝娴闹荛L為8.3m，巷道摩擦阻力系數(shù)α通過查表得到的標(biāo)準(zhǔn)值為0.018N·s2/m4，若通過巷道的風(fēng)量為960m3/min，試求其摩擦阻力?解：該巷道的摩擦阻力為119.5Pa。

應(yīng)當(dāng)注意，巷道的α值隨ρ的改變而改變，在高原地區(qū)，空氣稀薄，或ρ發(fā)生變化時(shí)，α值需進(jìn)行校正。校正式如下：3.2摩擦阻力

層流狀態(tài)下，具有的特點(diǎn)，

λ=64/Re

293.2.3層流狀態(tài)下的摩擦阻力定律V=Q/S層流狀態(tài)下的摩擦阻力系數(shù)3.2摩擦阻力303.2.3層流狀態(tài)下的摩擦阻力定律層流狀態(tài)下的摩擦風(fēng)阻這就是風(fēng)流在層流狀態(tài)下的摩擦阻力定律。當(dāng)巷道風(fēng)阻一定時(shí)，摩擦阻力與風(fēng)量的一次方成正比。3.2摩擦阻力3.2.4摩擦阻力的計(jì)算方法完全紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力的計(jì)算是新礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。即按照所設(shè)計(jì)的井巷長度、周界、凈斷面積、支護(hù)方式和要求通過的風(fēng)量，以及其中有無提升運(yùn)輸設(shè)備等，用查表法選定該井巷的摩擦阻力系數(shù)值，然后用完全紊流狀態(tài)摩擦阻力計(jì)算公式計(jì)算該井巷的摩擦阻力。確定摩擦阻力系數(shù)值的查表法是從前人實(shí)驗(yàn)或?qū)崪y所歸納出來的表3-1～表3-15中查出適合該井巷的標(biāo)準(zhǔn)值(指空氣密度為1.2kg／m3的值，N·s2／m4)。對于平原地區(qū)的新礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)，可用此標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算。3132摩擦阻力系數(shù)的確定

礦井摩擦阻力系數(shù)的確定有兩種途徑，一是查找專門的設(shè)計(jì)手冊選取；二是通過現(xiàn)場實(shí)測。由得。只要測出上式的各項(xiàng)，即可以求出α。α與井巷長度無關(guān)，所以不必在巷道的全長進(jìn)行測定。α的測定是在當(dāng)?shù)亍?dāng)時(shí)的溫度、濕度測定的，而ρ是隨溫度、濕度和氣壓而變化的。因此，在實(shí)測出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）

3.2摩擦阻力3.2.5降低摩擦阻力的措施井巷通風(fēng)阻力是引起風(fēng)壓損失的主要根源，因此降低井巷通風(fēng)阻力，特別是降低摩擦阻力就能用較少的風(fēng)壓消耗而通過較多的風(fēng)量。許多原來是阻力大，通風(fēng)困難的礦井，經(jīng)降低阻力后即變?yōu)樽枇π　⑼L(fēng)容易的礦井。根據(jù)hfr＝(αLU/S3)Q2的關(guān)系式可以看出，保證一定風(fēng)量，降低摩擦阻力的方法就是降低摩擦風(fēng)阻，根據(jù)影響Rfr的各因素，降低摩擦阻力的主要措施有：

33□1．降低α

Rfr與α成正比，而α主要決定于巷道粗糙度，因此降低α，就應(yīng)盡量使巷道光滑。當(dāng)采用棚子支護(hù)的采區(qū)巷道時(shí)，要盡可能地使支架整齊、背好幫頂，在無支護(hù)的巷道，要盡可能把頂?shù)装寮皟蓭托拚茫贡诿嫫秸?；對于井下的主要巷道，在采用料石或混凝土砌碹的支護(hù)方式，特別是采用錨桿支護(hù)技術(shù)時(shí)，更能有效地使α系數(shù)減小。

2．?dāng)U大巷道斷面S

因Rfr與S3成反比，所以擴(kuò)大巷道斷面也是降低摩擦阻力的主要措施。由于摩擦阻力又與風(fēng)量的平方成正比，因此在采用這種措施時(shí)，應(yīng)抓主要矛盾，即首先應(yīng)考慮風(fēng)量大、斷面小的總回風(fēng)道的擴(kuò)大，其次再考慮其它巷道的擴(kuò)大。在其它參數(shù)不變時(shí)，井巷斷面擴(kuò)大33%，Rf值可減少50%。343.2.5降低摩擦阻力的措施3．減少周界長U

（選用周界較小的井巷）

Rfr與U成正比，在斷面積相等的條件下，選用周長較小的比周長較大的斷面好。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L

（縮短風(fēng)路的長度）

Rfr與L成正比，進(jìn)行開拓設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)在滿足開采需要的條件下，盡可能縮短風(fēng)路的長度。例如，當(dāng)采用中央并列式通風(fēng)系統(tǒng)，如阻力過大時(shí)，即可將其改為兩翼式通風(fēng)系統(tǒng)以縮短回風(fēng)路線。

5．避免巷道內(nèi)風(fēng)量過大。

摩擦阻力與風(fēng)量的平方成正比。巷道內(nèi)的風(fēng)量如果過大，摩擦阻力就會(huì)大大增加。因此，要盡可能使礦井的總進(jìn)風(fēng)早分開，總回風(fēng)晚匯合，即風(fēng)流“早分晚合”。

降低摩擦阻力，還應(yīng)同時(shí)結(jié)合井巷的其它用途與經(jīng)濟(jì)等因素進(jìn)行綜合考慮。如斷面過大，不但不經(jīng)濟(jì)，而且也不好維護(hù)，反而不如選用雙巷。353.2.5降低摩擦阻力的措施3.3局部阻力3.3.1局部阻力的概念風(fēng)流在井巷的局部地點(diǎn)，由于速度或方向突然發(fā)生變化，導(dǎo)致風(fēng)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。由局部阻力產(chǎn)生的能量損失稱為局部損失。井下產(chǎn)生局部阻力的地點(diǎn)較多，例如巷道拐彎、分叉和匯合處，巷道斷面變化處，進(jìn)風(fēng)井口和回風(fēng)井口等。36□幾種常見的局部阻力產(chǎn)生的類型：１、突變紊流通過突變部分時(shí)，由于慣性作用，出現(xiàn)主流與邊壁脫離的現(xiàn)象，在主流與邊壁之間形成渦漩區(qū)，從而增加能量損失。２、漸變主要是由于沿流動(dòng)方向出現(xiàn)減速增壓現(xiàn)象，在邊壁附近產(chǎn)生渦漩。因?yàn)閂hvp

，壓差的作用方向與流動(dòng)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(dòng)，面渦漩。

37３、轉(zhuǎn)彎處流體質(zhì)點(diǎn)在轉(zhuǎn)彎處受到離心力作用，在外側(cè)出現(xiàn)減速增壓，出現(xiàn)渦漩。４、分岔與會(huì)合上述的綜合。∴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。383.3局部阻力3.3.2局部阻力定律前人實(shí)驗(yàn)證明，在完全紊流狀態(tài)下，不論井巷局部地點(diǎn)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(diǎn)的前面或后面斷面上的速壓成正比。如右圖所示的突然擴(kuò)大的巷道，該局部地點(diǎn)的局部阻力為（3-3-2）式中：

v1、v2分別是局部地點(diǎn)前后斷面上的平均風(fēng)速，m/s；、－局部阻力系數(shù)，無因次，分別對應(yīng)于hv1、hv2。對于形狀和尺寸已定型的局部地點(diǎn)，這兩個(gè)系數(shù)都是常數(shù)，但它們彼此不相等。可以任用其中的一個(gè)系數(shù)和相應(yīng)的速壓計(jì)算局部阻力；—局部地點(diǎn)的空氣密度,kg/m3。39若通過局部地點(diǎn)的風(fēng)量為Q，前后兩個(gè)斷面積是S1和S2，則兩個(gè)斷面上的平均風(fēng)速為：

v1=Q/S1

，m/s；v2=Q/S2

，m/s代入（3-3-1）式，得，Pa（3-3-2）令，N.S2/m8

（3-3-3）式中Rer稱為局部風(fēng)阻。當(dāng)局部地點(diǎn)的規(guī)格尺寸和空氣密度都不變時(shí)，Rer是一個(gè)常數(shù)。將（3-3-3）代入（3-3-2），得，Pa（3-3-4）上式表示風(fēng)流完全紊流狀態(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(dāng)Rer一定時(shí)，her和Q2成正比。403.3局部阻力3.3.3局部阻力的計(jì)算方法在一般情況下，由于礦井內(nèi)風(fēng)流的速壓較小，所產(chǎn)生的局部風(fēng)阻也較小，井下各處的局部阻力之和只占礦井總阻力的10～20%左右。因此，在通風(fēng)設(shè)計(jì)工作中，不逐一計(jì)算井下各處的局部阻力，只在這個(gè)百分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)估計(jì)一個(gè)總數(shù)。但對掘進(jìn)通風(fēng)用的風(fēng)筒和風(fēng)量較大的井巷，由于其中風(fēng)流的速壓較大，就要逐一計(jì)算局部阻力。計(jì)算局部阻力時(shí)，用（3-3-1）式比較簡便。先要根據(jù)井巷局部地點(diǎn)的特征，對照前人實(shí)驗(yàn)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(yīng)風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算。

（3-3-1）41各種巷道突擴(kuò)和突縮的值（光滑管道）

上表3-3-1表示巷道局部地點(diǎn)小斷面S1和大斷面S2的比值相同時(shí)，突然縮小比突然擴(kuò)大的局部阻力系數(shù)要?。?2幾種局部阻力的ζ值（光滑管道）43

上表3-3-2第一項(xiàng)所示的進(jìn)風(fēng)口比最后一項(xiàng)所示的出風(fēng)口的局部阻力系數(shù)也要小。這是因?yàn)轱L(fēng)流突然縮小時(shí)，所產(chǎn)生的沖擊現(xiàn)象沒有風(fēng)流突然擴(kuò)大時(shí)那樣急劇的緣故。例:

某進(jìn)風(fēng)井內(nèi)的風(fēng)速＝8m／s，井口空氣密度是1.2kg／m3，井口的凈斷面S＝12.6m2，查表3-3-2知該井口風(fēng)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(fēng)阻為（Pa）

（N.S2/m8）如果上列是條件相同的回風(fēng)井口，查表3-3-2知該井口風(fēng)流突然擴(kuò)大的局部阻力系數(shù)是l，則該井口的局部阻力和局部風(fēng)阻分別為（Pa），N.S2/m8以上計(jì)算結(jié)果是：；443.3局部阻力3.3局部阻力3.3.4降低局部阻力的措施由于局部阻力與風(fēng)速的平方或風(fēng)量的平方成正比。故對于風(fēng)速高、風(fēng)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(kuò)大或突然縮小；盡可能地避免拐彎，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(shè)置導(dǎo)風(fēng)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(fēng)速大的風(fēng)筒，要懸掛平直，拐彎的彎曲半徑要盡可能加大。453.3局部阻力3.3.4降低局部阻力的措施此外，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(shí)，宜把正對風(fēng)流的固定物體(例如罐道梁)做成流線形。46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)的測定方法與局部阻力系數(shù)一樣。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，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。3.4通風(fēng)阻力定律和特性3.4.1通風(fēng)阻力定律所謂通風(fēng)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(fēng)阻力、風(fēng)阻和風(fēng)量三個(gè)參數(shù)相互依存的規(guī)律。在完全紊流狀態(tài)下，通風(fēng)阻力定律是：

h＝RQ2，Pa，（3-4-1）即h和R(N.s2/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(fēng)量，同時(shí)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(fēng)阻力和總風(fēng)阻。對于一個(gè)礦井來說，h、R和Q分別代表該礦井的通風(fēng)阻力、總風(fēng)阻和總風(fēng)量。47□在層流狀態(tài)下，通風(fēng)阻力定律是：h=RQ（3-4-2）

即h和R(N.s2/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(fēng)阻力定律是：

h=RQx

（3-4-3）

即h和R(N.SX/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(fēng)阻力定律是礦井通風(fēng)學(xué)科中最基本的定律。只有井下個(gè)別風(fēng)速較小的地方才可能用到層流或中間過渡態(tài)下的通風(fēng)阻力定律。483.4通風(fēng)阻力定律和特性3.4.2井巷的通風(fēng)特性某一井巷或礦井的通風(fēng)特性就是該礦井或井巷所特有的反映通風(fēng)難易程度或通風(fēng)能力大小的性能。這種特性可用該井巷或礦井的風(fēng)阻值的大小來表示。通風(fēng)阻力相同時(shí)，風(fēng)阻大的井巷或礦井，風(fēng)量必小，表示通風(fēng)困難通風(fēng)能力?。环粗?，風(fēng)阻小的井巷或礦井，風(fēng)量必大，表示通風(fēng)容易，通風(fēng)能力大。所以，井巷或礦井的通風(fēng)特性又名風(fēng)阻特性。49□為了形象化，習(xí)慣引用一個(gè)和風(fēng)阻的數(shù)值相當(dāng)、意義相同的假想的面積值（m2）來表示井巷或礦井的通風(fēng)難易程度。這個(gè)假想的孔口稱作井巷或礦井的等積孔（又稱當(dāng)量孔）。等積孔就是用一個(gè)與井巷風(fēng)阻值相當(dāng)?shù)睦硐肟椎拿娣e值來衡量井巷通風(fēng)的難易程度。由于等積孔不是實(shí)物，宜用一種假想的模型(上圖)來說明：假設(shè)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Pˊ，速壓為ρV2/2，式中V為收縮最小處的速度，ρ為空氣的密度。當(dāng)孔口的面積A值一定時(shí)，P與Pˊ之差值越大，孔口流出的風(fēng)量Q就越大。這種關(guān)系好比某一井巷或礦井的風(fēng)阻值一定時(shí)，通風(fēng)阻力h越大，通過該井巷或礦井的風(fēng)量就越大，因此，需要找出hs、A和Q的關(guān)系式來模擬井巷或礦井的通風(fēng)阻力定律。5051

設(shè)當(dāng)空氣自左向右流經(jīng)此孔時(shí)，無阻力，無能量損失，并設(shè)當(dāng)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(gè)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(dòng)能)，由此可得：

實(shí)驗(yàn)證明，在出口流線斷面最小處的面積一般為0.65A(m2)，當(dāng)流量為Q(m3/s)時(shí)，V＝Q/0.65A，將此V值與ρ＝1.2kg/m3代入上式，即得：52

上式表示A和R成反比。即井巷或礦井的R值大，相當(dāng)?shù)腁值就小，表示該礦井或井巷通風(fēng)困難；反之亦然。計(jì)算出礦井的風(fēng)阻和等積孔后，就可以對該礦井的通風(fēng)難易程度進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)如下表：用礦井等積孔A

和礦井風(fēng)阻R表示礦井通風(fēng)的難易程度實(shí)質(zhì)上一樣，只是礦井等積孔比礦井風(fēng)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(fēng)難易程度的一個(gè)指標(biāo)，它并不能全面地反映礦井通風(fēng)難易程度。礦井通風(fēng)難易程度的評判應(yīng)當(dāng)從礦井通風(fēng)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(yīng)考慮：(1)礦井總風(fēng)量是否滿足需要；(2)井下各用風(fēng)區(qū)域間的風(fēng)量調(diào)配是否容易；(3)礦井瓦斯涌出量的大?。?4)礦井開采強(qiáng)度；(5)采煤方法等。5354

[例]

已知礦井總阻力為1440Pa，風(fēng)量為60m3/s，試求該礦井的風(fēng)阻與等積孔?如生產(chǎn)上要求將風(fēng)量提高到70m3/s，問風(fēng)阻與等積孔之值是否改變?阻力增加到多少?解：當(dāng)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(dòng)時(shí)，則風(fēng)量的增加并不改變等積孔與風(fēng)阻之值。由于風(fēng)量增加到70m3/s，故阻力增加到：

h＝RQ2＝0.4×702＝1960Pa553.4.3井巷風(fēng)阻特性曲線

根據(jù)礦井通風(fēng)阻力定律可知，當(dāng)井巷風(fēng)阻一定時(shí)，井巷通風(fēng)阻力與風(fēng)量成正比。則取不同的風(fēng)量值便可得到不同的阻力值。在以風(fēng)量為橫軸，以風(fēng)壓為縱軸的坐標(biāo)系中標(biāo)出這些不同的點(diǎn)，并用曲線聯(lián)結(jié)，便可得一條拋物線，該拋物線是由井巷風(fēng)阻確定的，稱為井巷風(fēng)阻特性曲線。由圖可知，風(fēng)阻越大，風(fēng)阻曲線越陡。當(dāng)用圖解法解通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)行扇風(fēng)機(jī)二次分析時(shí)，井巷風(fēng)阻曲線是不可缺少的條件之一。hRQ3.4通風(fēng)阻力定律和特性56

3.4.4風(fēng)流的功率與電耗

物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功叫做功率，其計(jì)量單位是N·m/s。風(fēng)流的風(fēng)壓h乘風(fēng)量Q的計(jì)量單位就是N/m2×m3/s＝N·m/s。故風(fēng)流功率N的計(jì)算式為，

N=h·Q/1000，kW

礦井一天的通風(fēng)電費(fèi)是：式中e——每度電的單價(jià)，y/(kW·h)；η——風(fēng)機(jī)、輸電、變電、傳動(dòng)等總效率。直接傳動(dòng)時(shí)，取0.6；間接傳動(dòng)時(shí)，取0.5。3.4通風(fēng)阻力定律和特性57

例：如圖所示的礦井，左右兩翼的通風(fēng)阻力分別是；

hr1＝1274Pa；hr2＝1960Pa通過兩翼主扇的風(fēng)量分別是Qf1＝60m3/s；Qf2＝70m3/s。兩翼的外部漏風(fēng)率分別是

Qm1＝(1－Le1)Qf1＝(1－4%)×60＝57.6m3/sQm2＝(1－Le2)Qf2＝(1－5%)×70＝66.5m3/s兩翼不包括漏風(fēng)的風(fēng)量分別是：Le1＝4%；Le2＝5%。則求礦井的總風(fēng)阻、總等級孔和總電費(fèi)，并評價(jià)該礦井通風(fēng)難易程度。58

兩翼不包括外部漏風(fēng)的風(fēng)阻分別是：

R1＝hr1/Qm12＝1274/(57.6)2＝0.38399N.s2/m8R2＝hr2/Qm22＝1960/(66.5)2＝0.44321N.s2/m8兩翼不包括外部漏風(fēng)的等積孔分別是：59

為了計(jì)算全礦的總風(fēng)阻和總等積孔，須先求出全礦的總阻力hr，因全礦的風(fēng)流總功率等于左右兩翼風(fēng)流的功率之和，即

hr(Qm1＋Qm2)＝hr1Qm1＋hr2Qm2，W

故全礦不包括外部漏風(fēng)的總阻力為：則全礦不包括外部漏風(fēng)的總風(fēng)阻是：60

全礦不包括外部漏風(fēng)的總等積孔是：

對于用多臺主扇通風(fēng)的礦井，都要用這種方法計(jì)算全礦的總風(fēng)阻和總等積孔。只有hr1＝hr2時(shí)，才能用A＝A1＋A2計(jì)算。設(shè)兩翼主扇的風(fēng)壓分別等于其通風(fēng)阻力。則兩翼的通風(fēng)電費(fèi)分別為：□全礦一天的通風(fēng)電費(fèi)（元/天）是：3.5通風(fēng)阻力測量（一）阻力測定方法與原理測定方法：

壓差計(jì)法氣壓計(jì)法測定原理：61□3.5通風(fēng)阻力測量（二）通風(fēng)阻力測量的內(nèi)容包括：1、測算風(fēng)阻井巷的風(fēng)阻是反映井巷通風(fēng)特性的重要參數(shù)，分析任何通風(fēng)問題都和這個(gè)參數(shù)有關(guān)。故通風(fēng)阻力測量的主要內(nèi)容，是通過測量各巷道的通風(fēng)阻力和風(fēng)量以標(biāo)定它們的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)阻值(指井下平均空氣密度的風(fēng)阻值)，并編輯成表，作為基本資料。這種測量內(nèi)容不受風(fēng)壓和風(fēng)量變化的影響，但精度要求較高，故可用一個(gè)小組(4～5人)逐段進(jìn)行，不趕時(shí)間，力求測準(zhǔn)。2、測算摩擦阻力系數(shù)

支護(hù)方式和斷面不同的井巷，其摩擦阻力系數(shù)不同。為了適應(yīng)礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)工作的需要，須通過測量通風(fēng)阻力和風(fēng)量以標(biāo)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(xiàng)精度要求較高，以小組人力進(jìn)行的細(xì)致工作。各種風(fēng)筒的摩擦阻力系數(shù)也要進(jìn)行標(biāo)定。62□3、測量通風(fēng)阻力的分配情況為了尋求和分析問題，有時(shí)需要沿著通風(fēng)阻力大的路線，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)，連續(xù)測量各個(gè)區(qū)段的通風(fēng)阻力，以得出整個(gè)路線上通風(fēng)阻力的分配情況。由于各區(qū)段的通風(fēng)阻力難免有波動(dòng)，故要根據(jù)測量路線的長短，分成若干小組，分段同時(shí)進(jìn)行。總之，通風(fēng)阻力測量是礦井通風(fēng)技術(shù)管理工作的基礎(chǔ)，也是掌握生產(chǎn)礦井通風(fēng)情況的重要手段。上述內(nèi)容的測量方法基本有兩種：一為用膠皮管和壓差計(jì)把兩測點(diǎn)聯(lián)起來的測法；二為用氣壓計(jì)不用連接兩測點(diǎn)的測法。兩類方法各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，可互相補(bǔ)充。63

通風(fēng)阻力測量儀器、儀表和用品64序號名稱型號數(shù)量用途1精密氣壓計(jì)1測氣壓2干濕溫度計(jì)1測干濕溫度3高、中、低速風(fēng)表3測風(fēng)速4秒表1測風(fēng)計(jì)時(shí)5皮尺5m1測斷面尺寸6手表機(jī)械表1記錄測量時(shí)間7竹竿2m1輔助測量8記錄表格自制若干測風(fēng)和測壓記錄測風(fēng)點(diǎn)巷道斷面及風(fēng)速測量記錄表65測點(diǎn)風(fēng)表讀數(shù)風(fēng)表號全高(m)凈寬(m)巷道形狀支護(hù)方式測點(diǎn)附近巷道素描12高中微ABCDE

誤差計(jì)算66式中：hr——系統(tǒng)實(shí)測通風(fēng)阻力，Pa；

——由通風(fēng)機(jī)房水柱計(jì)讀數(shù)計(jì)算出的系統(tǒng)理論通風(fēng)阻力，Pa。（三）測算礦井的通風(fēng)總阻力和總風(fēng)阻

1、對于抽出式通風(fēng)的礦井如圖所示，風(fēng)流自靜止的地表大氣(其絕對靜壓是P0，速壓等于零)開始，經(jīng)過進(jìn)風(fēng)口l沿井巷到主通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口2，沿途所遇到的摩擦阻力與局部阻力的總和就是抽出式通風(fēng)的礦井通風(fēng)總阻力hr。據(jù)能量方程可知：67682斷面的相對靜壓是：

該礦井的自然風(fēng)壓是：因2斷面的相對全壓是：