第三章 井巷通风阻力

西安科技大学能源学院 通风安全学 第三章井巷通风阻力 本章主要内容 第一节井巷断面上风速分布一 风流流动状态二 井巷断面上风速分布第二节摩擦阻力一 摩擦阻力二 摩擦阻力系数与摩擦风阻三 井巷摩擦阻力计算方法第三节局部阻力一 局部阻力及其计算二 局部阻力系数和局部风阻 本章主要内容 第四节矿井总风阻与等级孔一 井巷阻力特性二 矿井总风阻三 矿井等级孔第五节井巷通风阻力测算一 通风阻力hR测算二 局部阻力测算三 井筒阻力测算四 测算结果分析第六节降低矿井通风阻力措施一 降低井巷摩擦阻力的措施二 降低局部阻力措施 本章主要内容 本章重点和难点 摩擦阻力和局部阻力产生的原因和测算 第三章井巷通风阻力 当空气沿井巷运动时 由于风流的粘滞性和惯性以及井巷壁面等对风流的阻滞 扰动作用而形成通风阻力 它是造成风流能量损失的原因 井巷通风阻力可分为两类 摩擦阻力 也称为沿程阻力 和局部阻力 第一节井巷断面上风速分布 第一节井巷断面上风速分布 一 风流流态1 管道流层流 同一流体在同一管道中流动时 不同的流速 会形成不同的流动状态 当流速较低时 流体质点互不混杂 沿着与管轴平行的方向作层状运动 称为层流 或滞流 第一节井巷断面上风速分布 紊流 当流速较大时 流体质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化 成为互相混杂的紊乱流动 称为紊流 或湍流 研究层流与紊流的主要意义 在于两种流态有着不同的阻力定律 第一节井巷断面上风速分布 风流流态判断 雷诺数 Re平均流速v 管道直径d和流体的运动粘性系数 在实际工程计算中 通常以Re 2300作为管道流动流态的判定准数 即 Re 2300层流 Re 2300紊流 第一节井巷断面上风速分布 当量直径对于非圆形断面的井巷 Re数中的管道直径d应以井巷断面的当量直径de来表示 非圆形断面井巷的雷诺数对于不同形状的井巷断面 其周长U与断面积S的关系 可用下式表示 C 断面形状系数 梯形C 4 16 三心拱C 3 85 半圆拱C 3 90 第一节井巷断面上风速分布 3 孔隙介质流在采空区和煤层等多孔介质中风流的流态判别准数为 式中 K 冒落带渗流系数 m2 l 滤流带粗糙度系数 m 层流 Re 0 25 紊流 Re 2 5 过渡流0 252300 紊流巷道条件同上 Re 2300层流临界风速 V Re U 4S 2300 4 16 3 15 10 6 4 9 0 012m s 0 15 第一节井巷断面上风速分布 由于煤矿中大部分巷道的断面均大于2 5m2 井下巷道中的最低风速均在0 25m S以上 所以说井巷中的风流大部为紊流 很少为层流 第一节井巷断面上风速分布 二 井巷断面上风速分布 紊流脉动风流中各点的流速 压力等物理参数随时间作不规则 时均速度瞬时速度vx随时间 的变化 其值虽然不断变化 但在一足够长的时间段T内 流速vx总是围绕着某一平均值上下波动 第一节井巷断面上风速分布 巷道风速分布由于空气的粘性和井巷壁面摩擦影响 井巷断面上风速分布是不均匀的 层流边层 在贴近壁面处仍存在层流运动薄层 即层流边层 其厚度 随Re增加而变薄 它的存在对流动阻力 传热和传质过程有较大影响 第一节井巷断面上风速分布 在层流边层以外 从巷壁向巷道轴心方向 风速逐渐增大 呈抛物线分布 vmax vmax 第一节井巷断面上风速分布 平均风速 式中 巷道通过风量Q 则 Q V S风速分布系数 断面上平均风速v与最大风速vmax的比值称为风速分布系数 速度场系数 用Kv表示 巷壁愈光滑 Kv值愈大 即断面上风速分布愈均匀 砌碹巷道 Kv 0 8 0 86 木棚支护巷道 Kv 0 68 0 82 无支护巷道 Kv 0 74 0 81 速度分布不对称最大风速不在轴线上 第三章井巷通风阻力 第二节摩擦风阻与阻力 第二节摩擦风阻与阻力 一 摩擦阻力风流在井巷中作沿程流动时 由于流体层间的摩擦和流体与井巷壁面之间的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力 也叫沿程阻力 由流体力学可知 无论层流还是紊流 以风流压能损失来反映的摩擦阻力可用下式来计算 Pa 无因次系数 即摩擦阻力系数 通过实验求得 d 圆形风管直径 非圆形管用当量直径 第二节摩擦风阻与阻力 1 尼古拉兹实验能量损失原因 内因 取决于粘滞力和惯性力的比值 用雷诺数Re来衡量 外因 是固体壁面对流体流动的阻碍作用 与管道长度 断面形状及大小 壁面粗糙度有关 壁面粗糙度的影响通过 值来反映 绝对糙度 砂粒的直径 就是管壁凸起的高度 相对糙度 绝对糙度 与管道半径r的比值 r 第二节摩擦风阻与阻力 1 尼古拉兹实验1932 1933年间 尼古拉兹把经过筛分 粒径为 的砂粒均匀粘贴于管壁 水作为流动介质 对相对糙度分别为1 15 1 30 6 1 60 1 126 1 256 1 507六种不同的管道进行试验研究 对实验数据进行分析整理 在对数坐标纸上画出 与Re的关系曲线 如图下页所示 书中图3 2 1 第二节摩擦风阻与阻力 区 层流区当Re 2320 即lgRe 3 36 时 只与Re有关 且 64 Re 与 r无关 区 过渡流区 2320 Re 4000 即3 36 lgRe 3 6 不同的管内流体由层流转变为紊流 随Re增大而增大 与 r无明显关系 区 水力光滑管区 紊流状态 Re 4000 与 仍然无关 只与Re有关 区 紊流过渡区 各种不同相对糙度的实验点各自分散呈一波状曲线 值既与Re有关 也与 r有关 第二节摩擦风阻与阻力 2 层流摩擦阻力当流体在圆形管道中作层流流动时 从理论上可以导出摩擦阻力计算式 可得圆管层流时的沿程阻力 层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比 第二节摩擦风阻与阻力 3 紊流摩擦阻力对于紊流运动 f Re r 关系比较复杂 用当量直径de 4S U代替d 代入阻力通式 则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式 第二节摩擦风阻与阻力 二 摩擦阻力系数与摩擦风阻1 摩擦阻力系数 大多数通风井巷风流的Re值已进入阻力平方区 值只与相对糙度有关 对于几何尺寸和支护已定型的井巷 相对糙度一定 则 可视为定值 在标准状态下空气密度 1 2kg m3 令 称为摩擦阻力系数 单位为kg m3或N s2 m4 第二节摩擦风阻与阻力 标准摩擦阻力系数 通过大量实验和实测所得的 在标准状态 0 1 2kg m3 条件下的井巷的摩擦阻力系数 即所谓标准值 0值 井巷中空气密度 1 2kg m3时 值应修正 则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为 第二节摩擦风阻与阻力 系数影响因素对于砌碹 锚喷巷道 只考虑横断面上方向相对粗糙度 对于木棚 工字钢 U型棚等还要考虑纵口径 l d0 工字钢支架在巷道中流动状态 随 变化实验曲线 第二节摩擦风阻与阻力 2 摩擦风阻Rf对于已给定的井巷 L U S都为已知数 故可把上式中的 L U S归结为一个参数Rf Rf称为巷道的摩擦风阻 其单位为 kg m7或N s2 m8 工程单位 kgf s2 m8 或写成k 1N s2 m8 9 8k 第二节摩擦风阻与阻力 Rf f S U L 在正常条件下当某一段井巷中的空气密度 一般变化不大时 可将Rf看作是反映井巷几何特征的参数 则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为 此式就是完全紊流 进入阻力平方区 下的摩擦阻力定律 Rf与hf区别 Rf是风流流动的阻抗参数 hf是流动过程能量损失 第二节摩擦风阻与阻力 三 井巷摩擦阻力计算方法新建矿井 查表得 0 计算 计算Rf 计算hf 计算总阻力损失 选择通风设备生产矿井 测得hf 计算Rf 计算 计算 0 指导生产 第二节摩擦风阻与阻力 例题3 3某设计巷道为梯形断面 S 8m2 L 1000m 采用工字钢棚支护 支架截面高度d0 14cm 纵口径 5 计划通过风量Q 1200m3 min 预计巷道中空气密度 1 25kg m3 求该段巷道的通风阻力 解根据所给的d0 S值 由附录5附表5 4查得 0 284 2 10 4 0 88 0 025Ns2 m4实际摩擦阻力系数Ns2 m4巷道摩擦风阻巷道摩擦阻力 第二节摩擦风阻与阻力 四 通风阻力功耗和电耗 设主要通风机效率 60 为了克服这段阻力 一年耗多少度电 第三章井巷通风阻力 第三节局部风阻与阻力 第三节局部风阻与阻力 由于井巷断面 方向变化以及分岔或汇合等原因 使均匀流动在局部地区受到影响而破坏 从而引起风流速度场分布变化和产生涡流等 造成风流能量损失 这种阻力称为局部阻力 由于局部阻力所产生风流速度场分布的变化比较复杂性 对局部阻力的计算一般采用经验公式 第三节局部风阻与阻力 一 局部阻力及其计算和摩擦阻力类似 局部阻力hl一般也用动压的倍数来表示 局部阻力系数 无因次 层流 计算局部阻力 关键是局部阻力系数确定 因v Q S 当 确定后 便可用 第三节局部风阻与阻力 几种常见的局部阻力产生的类型 突变紊流通过突变部分时 由于惯性作用 出现主流与边壁脱离的现象 在主流与边壁之间形成涡漩区 从而增加能量损失 第三节局部风阻与阻力 渐变主要是由于沿流动方向出现减速增压现象 在边壁附近产生涡漩 因为V hv p 压差的作用方向与流动方向相反 使边壁附近 流速本来就小 趋于0 在这些地方主流与边壁面脱离 出现与主流相反的流动 面涡漩 第三节局部风阻与阻力 转弯处流体质点在转弯处受到离心力作用 在外侧出现减速增压 出现涡漩 分岔与会合上述的综合 局部阻力的产生主要是与涡漩区有关 涡漩区愈大 能量损失愈多 局部阻力愈大 第三节局部风阻与阻力 二 局部阻力系数和局部风阻 一 局部阻力系数 紊流局部阻力系数 一般主要取决于局部阻力物的形状 而边壁的粗糙程度为次要因素 第三节局部风阻与阻力 1 突然扩大或v1 v2 分别为小断面和大断面的平均流速 m s S1 S2 分别为小断面和大断面的面积 m m 空气平均密度 kg m3 对于粗糙度较大的井巷 可进行修正 第三节局部风阻与阻力 2 突然缩小对应于小断面的动压 值可按下式计算 第三节局部风阻与阻力 3 逐渐扩大逐渐扩大的局部阻力比突然扩大小得多 其能量损失可认为由摩擦损失和扩张损失两部分组成 当 20 时 渐扩段的局部阻力系数 可用下式求算 风道的摩擦阻力系数 Ns2 m4 n 风道大 小断面积之比 即 2 1 扩张角 第三节局部风阻与阻力 4 转弯巷道转弯时的局部阻力系数 考虑粗糙程度 可按下式计算 当巷高与巷宽之比H b 0 2 1 0时 当H b 1 2 5时 0 假定边壁完全光滑时 90 转弯的局部阻力系数 其值见教材表3 3 1 巷道的摩擦阻力系数 N s2 m4 巷道转弯角度影响系数 见教材表3 3 2 第三节局部风阻与阻力 5 风流分叉与汇合1 风流分叉典型的分叉巷道如图所示 1 2段的局部阻力hl 2和1 3段的局部阻力hl 3分别用下式计算 第三节局部风阻与阻力 2 风流汇合如图所示 1 3段和2 3段的局部阻力hl 3 hl2 3分别按下式计算 第三节局部风阻与阻力 二 局部风阻在局部阻力计算式中 令 则有 式中Rl称为局部风阻 其单位为N s2 m8或kg m7 此式表明 在紊流条件下局部阻力也与风量的平方成正比 第三节局部风阻与阻力 hR hf hl一般Hf和hl不易分开 对于转弯 Hf和hl可分开 突然扩大 Hf占比重少 局部区段hR hl正面阻力 罐笼 矿车 采煤机 第三节局部风阻与阻力 例1 某巷道突然扩大段 砌碹支护 断面S1 6m2 S2 24m2 通过风量Q 48m3 s 空气密度 1 25kg m3 求突然扩大局部阻力 解 设砌碹巷道 0 005kg m3 1 S1 S2 2 1 6 24 2 0 563 1 0 01 0 563 1 0 005 0 01 0 845hL V12 2 Q S1 2 2 0 845 1 25 48 6 2 2 33 8Pa 第三节局部风阻与阻力 例2 某回风道 断面高2 8m 宽2 5m 混凝土棚支护 0 02kg m3 有一直角转弯 内角没有弧度 求转弯处的局部阻力系数 解 表3 3 1 0 0 93 由表3 3 2 1 0H b 2 8 2 5 1 12 0 28 b H 0 93 28 0 02 2 5 2 8 1 1 33若V 6m s 1 2kg m3 则 hL V2 2 1 33 1 2 6 6 2 57Pa 第三节局部风阻与阻力 例3 某直角分叉巷道 2 0 3 90 0 015kg m3 V1 8m s V2 6m s V3 3m s 1 25kg m3 求hL1 2 hL1 3解 已知 0 015kg m3 K 1 35hL1 2 K 2 V12 2V1V2cos 2 V22 1 35 1 25 2 82 2 8 6 1 62 3 37PahL1 3 K 2 V12 2V1V3cos 3 V32 1 35 1 25 2 82 2 8 3 0 32 71 59Pa 第三节局部风阻与阻力 例4 某直角汇流巷道 1 0 2 90 0 015kg m3 V1 5m s V2 6m s V3 8m s 1 25kg m3 求hL1 3 hL2 3解 已知 0 015kg m3 K 1 35cos 1 1 cos 2 0 Q1V1cos 1 Q3 3 125hL1 3 K 2 V12 2V3 V32 1 35 1 25 2 52 2 8 3 125 82 39PahL2 3 K 2 V22 2V3 V32 1 35 1 25 2 62 2 8 33 125 82 42Pa 第三章井巷通风阻力 第四节矿井总风阻与矿井等积孔 第四节矿井总风阻与矿井等积孔 一 井巷阻力特性在紊流条件下 摩擦阻力和局部阻力均与风量的平方成正比 故可写成一般形式 h RQ2Pa 对于特定井巷 R为定值 用纵坐标表示通风阻力 或压力 横坐标表示通过风量 当风阻为R时 则每一风量Qi值 便有一阻力hi值与之对应 根据坐标点 Qi hi 即可画出一条抛物线 这条曲线就叫该井巷的阻力特性曲线 风阻R越大 曲线越陡 Q h R 第四节矿井总风阻与矿井等积孔 二 矿井总风阻从入风井口到主要通风机入口 把顺序连接的各段井巷的通风阻力累加起来 就得到矿井通风总阻力hRm 这就是井巷通风阻力的叠加原则 已知矿井通风总阻力hRm和矿井总风量Q 即可求得矿井总风阻 N s2 m8Rm是反映矿井通风难易程度的一个指标 Rm越大 矿井通风越困难 第四节矿井总风阻与矿井等积孔 三 矿井等积孔矿井等积孔作为衡量矿井通风难易程度的指标 假定在无限空间有一薄壁 在薄壁上开一面积为A m2 的孔口 当孔口通过的风量等于矿井风量 且孔口两侧的风压差等于矿井通风阻力时 则孔口面积A称为该矿井的等积孔 第四节矿井总风阻与矿井等积孔 设风流从I II 且无能量损失 则有 得 风流收缩处断面面积A2与孔口面积A之比称为收缩系数 由水力学可知 一般 0 65 故A2 0 65A 则v2 Q A2 Q 0 65A 代入上式后并整理得 第四节矿井总风阻与矿井等积孔 取 1 2kg m3 则 因Rm h m 2 故有 A是Rm的函数 故可以表示矿井通风的难易程度 当A 容易 A 2 中等 A 困难 第四节矿井总风阻与矿井等积孔 对于多风井通风系统 应根据各风机系统的通风阻力hRi和风量Qi 按风量加权平均求出全矿井总阻力 式中n风机台数hRm意义是全矿井各系统平均m3空气所消耗能量 多风井系统的矿井等级孔A计算式 第四节矿井总风阻与矿井等积孔 例1 某矿井为中央式通风系统 测得矿井通风总阻力hRm 2800Pa 矿井总风量Q 70m3 s 求矿井总风阻Rm和等积孔A 评价其通风难易程度 解 第四节矿井总风阻与矿井等积孔 例2 某对角式通风矿井 东风井的阻力hR1 280 9 81Pa 风量Q1 80m3 s 西风井的阻力hR2 100 9 81Pa 风量Q2 60m3 s 求矿井总等级孔 解 第三章井巷通风阻力 第五节井巷通风阻力测定 第五节井巷通风阻力测定 一 通风阻力hR测算阻力测定目的 1 测量通风阻力分布情况 降阻增风 2 测算摩擦阻力系数 和风阻R 为设计 网络解算 改造 均压防火 能力核定 第五节井巷通风阻力测定 1 测量方法 测定路线的选择 测点布置测量方法 压差计法气压计法测定路线选择 测量通风阻力的分布情况时 如果测定的目的是为了了解通风系统的阻力分布 则必须选择最大阻力路线 在尽可能短的时间内 连续测量各个区段的通风阻力 以得出整个路线上通风阻力的分配情况 由于各区段的通风阻力难免有波动 故要根据测量路线的长短 分成若干小组 分段同时进行 测算摩擦阻力系数 和风阻R时 如果测量的目的是为了获取摩擦阻力系数和分支风阻 则应选择不同支护形式 不同类型的典型巷道 通过测量通风阻力和风量以标定各种类型的井巷的摩擦阻力系数 编集成表 这也是一项精度要求较高 以小组人力进行的细致工作 各种风筒的摩擦阻力系数也要进行标定通过测量各巷道的通风阻力和风量以标定它们的标准风阻值 指井下平均空气密度的风阻值 并编辑成表 作为基本资料 这种测量内容不受风压和风量变化的影响 但精度要求较高 故可用一个小组 4 5人 逐段进行 不赶时间 力求测准 只要井巷的断面和支护方式不发生变化 测一次即可 发生变化时 才需重测 对于掘进通风用的各种风筒 也要标定出标准风阻表以备用 为了检查或分析比较 有时还要测算各采区 各水平和全矿井的总风阻或总等积孔 第五节井巷通风阻力测定 测点布置应考虑 1 测点间的压差不小于10 20Pa 2 尽量避免靠近井筒和风门 3 选择风量较稳定的巷道内 4 局部阻力物前3倍巷宽 后8 12倍巷宽 5 风流稳定 无汇合交叉 测点前后3m巷道支护完好 第五节井巷通风阻力测定 2 通风阻力测量仪器 仪表和用品 记录表格 第五节井巷通风阻力测定 测风点巷道断面及风速测量记录表 3 一段巷道的通风阻力hR测算两种方法 压差计法和气压计法 1 压差计法测量原理 用压差计法测定通风阻力的实质 测量风流两点间的势能差和动压差 压差计两侧所受压力分别为 则压差计所示测值为 设 且 则 第五节井巷通风阻力测定 则1 2间巷道通风阻力为 该式成立的前提是 胶皮管内的空气平均密度与井巷中的空气平均密度相等 为此 在测量前 应将胶皮管放置在巷道相应位置上保存一段时间 或用打气筒将巷道空气转换掉胶皮管中空气 第五节井巷通风阻力测定 单管气压计放置位置对测量效果的影响 现假设单管气压计放置在两测点中间 则 左右侧液面承压分别为 则1 2间巷道通风阻力为 第五节井巷通风阻力测定 2 气压计法原理 用此方法测定通风阻力 实质是用精密气压计测出测点间的绝对静压差 再加上动压差和位能差 以计算通风阻力 用气压计测绝对静压P1 P2 同时测定t1 t2和 1 2 用风表测每断面平均风速v1 v2 查测点标高Z1 Z2 P1 P2测准 两台温漂相同仪器同时测量 逐点和双测点测定 第五节井巷通风阻力测定 气压计法的测定步骤 1 在1号测点A B仪器同时PA1 PB1 2 A仪器不动 B仪器移到2 3 同时约定时间同时读数 PA2 PB24 P1 P2 PB1 PB2 PA2 PA1 5 将P1 P2代入上页公式即可 思考 1 为什么要用两台气压计 用一台气压计先测1号点 再测2号点不行吗 第五节井巷通风阻力测定 4 摩擦阻力系数测算 1 测试方法 压差计法 2 支护方式和测段一致 无变化 3 测点位置在局部阻力物前3 5巷宽 后8 12倍 4 系统稳定 5 hf和Q测准Rf hf Q2 RfS3 LU 第五节井巷通风阻力测定 二 局部阻力测算 用压差计测出1 2段阻力hR1 2和1 3段阻力hR1 3 若断面一致 则hf与长度L成正比 则单纯巷道转弯的局部阻力hL hL hR1 3 hR1 2L13 L12RL hL Q2 2S2RL 第五节井巷通风阻力测定 三 井筒通风阻力测定 1 进风井筒阻力测定1 压差计法 吊测法50m 80m 100m 120m 150m H h1 h2 h3 h4 h5Hf a bHhR hf 2hL2 气压计法从地表开始 每隔50m 测量P t t 静压差 Pi 高差Z hR Pi mZg 0 5 V2 第五节井巷通风阻力测定 2 回风井筒阻力测定1 压差计法 吊测法防爆盖上打孔 或在安全门内2 气压计法在井底用气压计读出相对压力 在安全门内再读出相对压力 两者差值 P hR P mZg 0 5 V2底 0 5 V2井筒 第