模塊三：礦井通風(fēng)阻力

主講教師：張大明學(xué)習(xí)任務(wù)一礦井通風(fēng)阻力及分析

模塊三：礦井通風(fēng)阻力

知識(shí)點(diǎn)：1、理解并能解釋風(fēng)流的流動(dòng)狀態(tài)、摩擦阻力、局部阻力、風(fēng)阻等定義及影響因素；2、能敘述并解釋摩擦阻力、局部阻力、風(fēng)阻、等積孔的表達(dá)式及意義；能力要求：1、能用查表法確定井巷的摩擦阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)；2、能夠測(cè)算摩擦阻力、井巷風(fēng)阻、等積孔；3、能夠根據(jù)礦井的通風(fēng)阻力狀況提出降低阻力的措施。

目標(biāo)要求

風(fēng)流流動(dòng)時(shí)，必須具有一定的能量(通風(fēng)壓力)，用以克服井巷及空氣分子之間的摩擦對(duì)風(fēng)流所產(chǎn)生的阻力。通風(fēng)壓力克服通風(fēng)阻力，兩者因次相同，數(shù)值相等，方向相反。知道通風(fēng)阻力的大小就能確定所需通風(fēng)壓力的大小。在礦井通風(fēng)中，存在著摩擦阻力和局部阻力，必須分析研究它們的特性、測(cè)定方法以及降低措施等，從而作為選擇通風(fēng)設(shè)備，進(jìn)行通風(fēng)管理與設(shè)計(jì)的依據(jù)。這在通風(fēng)設(shè)計(jì)中尤其重要。一、風(fēng)流的流態(tài)

流體產(chǎn)生的阻力與流體流動(dòng)過(guò)程中的狀態(tài)有關(guān)。流體流動(dòng)時(shí)有兩種狀態(tài)；一種是流體呈層狀流動(dòng)，各層間流體互不混合，流體質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)的軌跡為直線或有規(guī)則的平滑曲線，這一狀態(tài)稱為層流。在流速很小、管徑很小、或粘性較大的流體流動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生層流。

另一種是流體流動(dòng)時(shí)，各部分流體強(qiáng)烈地互相混合，流體質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)軌跡是極不規(guī)則的。除了有沿流體總方向的位移外，還有垂直于液流總方向的位移，流體內(nèi)部存在著時(shí)而產(chǎn)生時(shí)而消滅的漩渦，這種狀態(tài)稱為紊流。研究層流與紊流的主要意義在于兩種流態(tài)有著不同的阻力定律。雷諾數(shù)

雷諾數(shù)（Reynoldsnumber）一種可用來(lái)表征流體流動(dòng)情況的無(wú)量綱數(shù)，以Re表示。利用雷諾數(shù)可區(qū)分流體的流動(dòng)是層流或湍流，也可用來(lái)確定物體在流體中流動(dòng)所受到的阻力。

試驗(yàn)證明，層流與紊流彼此間的轉(zhuǎn)變關(guān)系決定于液體的密度ρ、絕對(duì)粘性系數(shù)μ，流體的平均速度V與管道水力直徑d，這些因素的綜合影響可以用雷諾數(shù)來(lái)表示為：

式中，ν——運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，m2/s。雷諾數(shù)

雷諾數(shù)小，意味著流體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)間的粘性力占主要地位，流體各質(zhì)點(diǎn)平行于管路內(nèi)壁有規(guī)則地流動(dòng)，呈層流流動(dòng)狀態(tài)。雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流（也稱湍流）流動(dòng)狀態(tài)，一般管道的雷諾數(shù)

Re<2300為層流狀態(tài)；

Re=2300～4000為過(guò)渡狀態(tài)；

Re>4000為紊流狀態(tài)；

Re>10000為完全紊流狀態(tài)。

礦井巷道很少為圓形，對(duì)于非圓形通風(fēng)巷道，以4S/U(水力直徑)代替上式中的d，即：

式中，U——巷道周界長(zhǎng)度，m。

c—斷面形狀系數(shù)，梯形斷面c=4.16；三心拱c=3.85；半圓拱c=3.90；圓斷面，c=3.54。

例：某巷道的斷面S＝2.5m2，周界U＝6.58m，風(fēng)流的ν＝14.4×10－6m2/s，試計(jì)算出風(fēng)流開(kāi)始出現(xiàn)紊流時(shí)的平均風(fēng)速？解：當(dāng)風(fēng)流開(kāi)始出現(xiàn)紊流時(shí)，則其Re＝2000，當(dāng)完全紊流時(shí)，Re＝10000，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(fēng)速均在0.25米/秒以上，所以說(shuō)井巷中的風(fēng)流大部為紊流，很少為層流。

二、摩擦阻力（一）摩擦阻力及影響因素風(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，因而產(chǎn)生阻力，這種阻力，叫做摩擦阻力。所謂均勻流動(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。一般情況下，摩擦阻力要占能量方程中通風(fēng)阻力的80～90％，它是礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)，選擇扇風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)，也是生產(chǎn)中分析與改善礦井通風(fēng)工作的主要對(duì)象。

前人實(shí)驗(yàn)得出水流在圓管中的沿程阻力公式（達(dá)西公式）是：式中λ——實(shí)驗(yàn)比例系數(shù)，無(wú)因次；

ρ——水流的密度，kg/m3

；

L——圓管的長(zhǎng)度，m；

d——圓管的直徑，m；

V——管內(nèi)水流的平均速度，m/s。（二）井巷摩擦阻力計(jì)算公式

由于礦井巷道極少為圓形，可用當(dāng)量直徑d＝4S/U代入沿程阻力公式得：

令：

α是巷道的摩擦阻力系數(shù)，與巷道幫壁的粗糙程度有關(guān)。則：

由于礦井中巷道的長(zhǎng)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。（三）井巷摩擦阻力計(jì)算方法新建礦井：查表得α0→計(jì)算α→計(jì)算Rf→計(jì)算總阻力損失→選擇通風(fēng)設(shè)備生產(chǎn)礦井：測(cè)得hf→計(jì)算Rf→計(jì)算α→計(jì)算α0→指導(dǎo)生產(chǎn)

某梯形木支架煤巷，長(zhǎng)200米，斷面積為4m2，沿?cái)嗝娴闹荛L(zhǎng)為8.3m，巷道摩擦阻力系數(shù)α通過(guò)查表得到的標(biāo)準(zhǔn)值為0.018N·s2/m4，若通過(guò)巷道的風(fēng)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(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，當(dāng)?shù)氐摩林敌柽M(jìn)行校正。校正式如下：例題1：Pa例題2：

某設(shè)計(jì)巷道為梯形斷面，S=8m2，L=1000m，采用工字鋼棚支護(hù)，支架截面高度d0=14cm，縱口徑Δ=5，計(jì)劃通過(guò)風(fēng)量Q=1200m3/min，預(yù)計(jì)巷道中空氣密度ρ=1.25kg/m3，求該段巷道的通風(fēng)阻力。

解：根據(jù)所給的d0、Δ、S值，通過(guò)查表得：

α0=284.2×10-4×0.88=0.025Ns2/m4實(shí)際摩擦阻力系數(shù)NS2/m4巷道摩擦風(fēng)阻NS2/m8巷道摩擦阻力PaMurgue，法國(guó)人。1893年法國(guó)繆爾格在其《礦井通風(fēng)阻力》一文中發(fā)表了不同類型風(fēng)道的摩擦阻力系數(shù)測(cè)定結(jié)果，推動(dòng)了阻力計(jì)算方法的實(shí)際應(yīng)用。

（四）降低井巷摩擦阻力的措施

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(guò)較多的風(fēng)量。許多原來(lái)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?、通風(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Rf的各因素，降低摩擦阻力的主要措施如下：

降低井巷摩擦阻力的目的：具體措施

1）降低α

Rf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)巷道時(shí)，要很好地剎幫背頂，在無(wú)支護(hù)的巷道，要注意盡可能把頂?shù)装寮皟蓭托拚茫粚?duì)于井下的主要巷道，在采用料石或混凝土砌碹，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。具體措施

2）擴(kuò)大巷道斷面S因Rf與S3成反比，所以擴(kuò)大巷道斷面有時(shí)成為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。

3）減少周界長(zhǎng)U

Rfr與U成正比，在斷面積相等的條件下，選用周長(zhǎng)較小的拱形斷面比周長(zhǎng)較大的梯形斷面好。具體措施

4）減少巷道長(zhǎng)L

Rf與L成正比，進(jìn)行開(kāi)拓設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)在滿足開(kāi)采需要的條件下，盡可能縮短風(fēng)路的長(zhǎng)度。例如，當(dāng)采用中央并列式通風(fēng)系統(tǒng)，如阻力過(guò)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。

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(guò)大，不但不經(jīng)濟(jì)，而且也不好維護(hù)，反而不如選用雙巷。具體措施（一）局部阻力的產(chǎn)生風(fēng)流流經(jīng)井巷的某些局部地點(diǎn)——突然擴(kuò)大或縮小、轉(zhuǎn)彎、交岔以及堆積物或礦車等，由于速度或方向發(fā)生突然的變化，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，從而損失能量。造成這種沖擊與渦流的阻力即稱為局部阻力。三、局部阻力（二）局部阻力定律

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her，都和局部地點(diǎn)的前面或后面斷面上的hv1或hv2成正比：

ξ1、ξ2——局部阻力系數(shù)，無(wú)因次，分別對(duì)應(yīng)于hv1、hv2?？蛇x用其中一個(gè)系數(shù)和相應(yīng)的速壓計(jì)算；

若通過(guò)局部地點(diǎn)的風(fēng)量是Q(m3/s)，前后兩個(gè)斷面積是S1和S2(m2)，則兩個(gè)斷面上的平均風(fēng)速為：

Vl＝Q/S1；V2＝Q/S2，m/s代入上式：

令：式中Rer叫做局部風(fēng)阻。由此得到：her＝RerQ2，Pa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)下的摩擦阻力定律一樣，當(dāng)Rer一定時(shí)，her和Q的平方成正比。（三）局部阻力的計(jì)算方法計(jì)算局部阻力時(shí)，先要根據(jù)井巷局部地點(diǎn)的特征，對(duì)照前人實(shí)驗(yàn)查出局部阻力系數(shù)ξ，然后用其指定的相應(yīng)風(fēng)速V進(jìn)行計(jì)算：（三）局部阻力的計(jì)算方法這類局部阻力的ξ值，一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，如斷面突然擴(kuò)大時(shí)，（速度用V1）或（速度用V2）斷面突然縮小時(shí)，（速度用V2）（四）降低局部阻力的措施由于局部阻力是風(fēng)流在局部阻力地點(diǎn)發(fā)生劇烈的沖擊而產(chǎn)生的，故降低局部阻力的措施主要是：

1）在容易發(fā)生局部阻力的地點(diǎn)，應(yīng)盡量減少局部風(fēng)阻值ξ值。如采用斜線形或圓弧形連接斷面不同的巷道。巷道轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)角β愈小愈好。

2）盡量減少產(chǎn)生局部阻力的條件，如不用或少用直徑很小的鐵筒風(fēng)橋，避免在主要巷道內(nèi)任意停放礦車、堆積木材、器材等；

3）局部阻力與V2成正比，故應(yīng)特別注意降低總回風(fēng)道和風(fēng)硐的局部阻力，及時(shí)清掃風(fēng)硐內(nèi)的堆積物，在井筒與風(fēng)硐的轉(zhuǎn)彎處做成圓滑的壁面。（四）降低局部阻力的措施四、井巷風(fēng)阻與等積孔

（一）井巷風(fēng)阻及其阻力特性

在礦井巷道中，任何井巷的通風(fēng)阻力，不管它是摩擦阻力、局部阻力或系兩者同時(shí)具有的阻力，其阻力公式均可寫(xiě)成通式：

h＝RQ2

當(dāng)研究井巷通風(fēng)阻力時(shí)，為了在概念上更形象化，有時(shí)采用井巷等積孔來(lái)代替井巷風(fēng)阻。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(lái)衡量井巷通風(fēng)的難易程度。設(shè)想將一個(gè)礦井的入風(fēng)口到出風(fēng)口，沿著井下主要巷道進(jìn)行均勻壓縮，最后形成一個(gè)薄片，在這個(gè)薄片上將形成一個(gè)孔口，這個(gè)孔口面積A使得薄片的兩端作用有礦井的風(fēng)壓差P時(shí)，通過(guò)孔口的風(fēng)量正好為該礦井的風(fēng)量Q，這時(shí)，該孔口面積即為礦井的等積孔。（二）井巷等積孔

設(shè)當(dāng)空氣自左向右流經(jīng)此孔時(shí)，無(wú)阻力，無(wú)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)，再當(dāng)流量為Q(m3/s)時(shí)，V＝Q/0.65A，以此V值與ρ＝1.2kg/m3代入上式，即得：由此得到：這就是計(jì)算礦井等積孔常用的公式。計(jì)算出礦井的風(fēng)阻和等積孔后，就可以對(duì)該礦井的通風(fēng)難易程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)如下表：通風(fēng)阻力等級(jí)通風(fēng)難易程度等積孔A大阻力礦中阻力礦小阻力礦困難中等容易＜1㎡1~2㎡＞2㎡等積孔計(jì)算公式

[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(wèn)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(méi)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＝1960Pa

三、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。（三）通風(fēng)電費(fèi)計(jì)算

[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(guò)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Le1＝4%；Le2＝5%。則兩翼不包括漏風(fēng)的風(fēng)量分別是：

Qm1＝(1－Le1)Qf1＝(1－4%)×60＝57.6m3/s

Qm2＝(1－Le2)Qf2＝(1－5%)×70＝66.5m3/s

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：

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

故則全礦不包括外部漏風(fēng)的總風(fēng)阻是：

全礦不包括外部漏風(fēng)的總等積孔是：對(duì)于用多臺(tái)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：模塊三：礦井通風(fēng)阻力

主講教師：張大明學(xué)習(xí)任務(wù)二礦井通風(fēng)阻力測(cè)定

知識(shí)點(diǎn)：1、能解釋阻力測(cè)定原理、并能陳述壓差計(jì)法、氣壓計(jì)法測(cè)定阻力的過(guò)程和步驟；能力要求：1、能組織實(shí)施礦井的通風(fēng)阻力測(cè)定工作，并提交測(cè)定報(bào)告；2、能繪制通風(fēng)壓能圖。

目標(biāo)要求一、阻力測(cè)定的內(nèi)容與意義

1.測(cè)算風(fēng)阻2.測(cè)算摩擦阻力系數(shù)3.測(cè)量通風(fēng)阻力的分配情況1.測(cè)算風(fēng)阻是通過(guò)測(cè)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(cè)量?jī)?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(cè)準(zhǔn)。只要井巷的斷面和支護(hù)方式不發(fā)生變化，測(cè)一次即可，發(fā)生變化時(shí)，才需重測(cè)。對(duì)于掘進(jìn)通風(fēng)用的各種風(fēng)筒，也要標(biāo)定出標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)阻表以備用。為了檢查或分析比較，有時(shí)還要測(cè)算各采區(qū)、各水平和全礦井的總風(fēng)阻或總等積孔。

2.測(cè)算摩擦阻力系數(shù)

為了適應(yīng)礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)工作的需要，須通過(guò)測(cè)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。3.測(cè)量通風(fēng)阻力的分配情況

為了尋求和分析問(wèn)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(cè)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(cè)量路線的長(zhǎng)短，分成若干小組，分段同時(shí)進(jìn)行。二、阻力測(cè)定方法與原理測(cè)定方法：壓差計(jì)法氣壓計(jì)法測(cè)定原理：

通風(fēng)阻力測(cè)量?jī)x器、儀表和用品序號(hào)名稱型號(hào)數(shù)量用途1精密氣壓計(jì)1測(cè)氣壓2干濕溫度計(jì)1測(cè)干濕溫度3高、