矿井通风与安全课件1到7章(上)

矿井通风与安全,中国矿业大学,课程体系与学习方法,一、教学参考书1.张国枢通风安全学2.王德明矿井通风与安全3.黄元平矿井通风4.赵以蕙矿井通风与空气调节5.俞启香矿井瓦斯防治6.中国矿井通风工程图集,课程体系与学习方法,二、学习方法课程教学与实验结合课程设计与现场实习结合三、基础课程（流体力学、传热学）四、考试要求评定成绩：期末考试成绩为准考试范围：平时的复习思考题,矿井通风科学技术的发展,1640自然通风1650回风线路设置火炉（热风压）1849蒸汽离心式通风机1898电力轴流式通风机1862关于煤自燃的文章1813安全油灯检查O2、CH4、CO21960s风流环境参数监测1970s电子计算机应用,早期的通风装置：人踩风箱鼓风,早期的通风装置：马踩轮子通风,早期的通风装置：马转圈通风,现代化的局部通风机,现代化的主要通风机,第一章矿内空气,矿井通风目的：为井下各工作地点提供足够的新鲜空气，使其中有毒有害气体、粉尘不超过规定值，并有适宜的气候条件。矿井通风系统：主要通风机、通风网络巷道和通风构筑物组成。矿井通风系统矿井的心脏与动脉，是保障矿井安全的最主要技术手段之一。本章重点阐述矿内空气的主要成分、井下常见的有害气体、矿井的气候条件。,1.1矿内空气成分及其基本性质,地面空气主要成分,矿内空气,地面空气进入矿井以后，其成分和性质要发生一系列变化，如氧浓度降低，二氧化碳浓度增加；混入各种有毒、有害气体和矿尘；空气的状态参数（温度、湿度、压力等）发生改变等。一般来说，将井巷中经过用风地点以前、受污染程度较轻的进风巷道内的空气称为新鲜空气（新风）；经过用风地点以后、受污染程度较重的回风巷道内的空气，称为污浊空气（乏风）。,有毒有害气体成分,尽管矿井空气与地面空气相比，在性质上存在许多差异，但在新鲜空气中其主要成分仍然是氧、氮和二氧化碳。在污浊空气中含有大量有毒有害气体：一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）等。,1.1.1氧气（O2）,氧气是维持人体正常生理机能所需要的气体。人类在生命活动过程中，必须不断吸入氧气，呼出二氧化碳。人体维持正常生命过程所需的氧气量，取决于人的体质、精神状态和劳动强度等。,人体需氧量与劳动强度的关系,人体缺氧症状与氧浓度的关系,当空气中氧浓度降低时，人体就可能产生不良生理反应，出现种种不适症状，严重时可能导致缺氧死亡。,矿内空气中氧浓度降低的主要原因,人员呼吸煤岩和其他有机物的缓慢氧化煤炭自燃瓦斯、煤尘爆炸煤岩和生产过程中产生的各种有害气体,在井下通风不良的地点，如果不经检查而贸然进入，就可能引起人员的缺氧窒息。煤矿安全规程规定，矿内采掘工作面的进风流中氧含量不得低于20%。,1.1.2氮气（N2）,氮气是一种惰性气体，是新鲜空气中的主要成分，它本身无毒、不助燃，也不供呼吸。但空气中若氮气浓度升高，则势必造成氧浓度相对降低，从而也可能导致人员的窒息性伤害。正因为氮气为惰性气体，因此又可将其用于井下防灭火和防止瓦斯爆炸。矿井空气中氮气主要来源是：井下爆破和生物的腐烂，有些煤岩层中也有氮气涌出。,1.1.3二氧化碳（CO2）,二氧化碳是无色，略带酸臭味的气体，比重为1.52，很难与空气均匀混合，故常积存在巷道的底部，在静止的空气中有明显的分界。二氧化碳不助然也不能供人呼吸，易溶于水，生成碳酸，使水溶液成弱酸性，对眼、鼻、喉粘膜有刺激作用。在新鲜空气中含有微量的二氧化碳对人体是无害的，但如果空气中完全不含有二氧化碳，则人体的正常呼吸功能就不能维持。,二氧化碳对人呼吸的影响,在抢救遇难者进行人工输氧时，往往要在氧气中加入5%的二氧化碳，以刺激遇难者的呼吸机能。当空气中二氧化碳的浓度过高时，也将使空气中的氧浓度相对降低，轻则使人呼吸加快，呼吸量增加，严重时也可能造成人员中毒或窒息。,二氧化碳中毒症状与浓度的关系,矿内二氧化碳的主要来源,矿井空气中二氧化碳的主要来源是：煤和有机物的氧化；人员呼吸；碳酸性岩石分解；炸药爆破；煤炭自然；瓦斯、煤尘爆炸等。此外，有的煤层和岩层中也能长期连续地放出二氧化碳，有的甚至能与煤岩粉一起突然大量喷出，给矿井带来极大的危害。规程规定：进风流中二氧化碳不超过0.5%；总回风流中，二氧化碳不超过1%。,1.1.4一氧化碳（CO）,CO是一种无色、无味、无臭的气体，相对对密度为0.97，微溶于水，能与空气均匀地混合。CO能燃烧，浓度在1375%时有爆炸的危险；CO与人体血液中血红素的亲合力比氧大150300倍（血红素是人体血液中携带氧气和排出二氧化碳的细胞）。一旦CO进入人体后，首先就与血液中的血红素相结合，因而减少了血红素与氧结合的机会，使血红素失去输氧的功能，从而造成人体血液“窒息”。,HbCO指数,CO随空气吸入后，通过肺泡进入血液循环，与血液中的血红蛋白（Hb）和血液外的其他某些含铁蛋白质（如肌红蛋白、二价铁的细胞素等）形成可逆性的结合。由于其与血红蛋白的亲和力要比氧与血红蛋白的亲和力大240倍，故把血液内氧合血红蛋白中的氧排挤出来，而形成碳氧血红蛋白（HbCO）；又由于碳氧血红蛋白的离解比氧合血红蛋白（HbO2）的离解慢3600倍，故HbCO较之HbO2更为稳定。,毒理和临床表现,一氧化碳（CO）CO+HbHbCO亲和力HbCOHbO2300倍解离速度HbCOHbO23600倍,毒理和临床表现,（1）CO所致组织缺氧及其程度取决于以下因素:HbCO饱和度：空气中CO浓度愈高，肺泡气中CO分压愈大，血液中HbCO饱和度愈高。吸入空气中氧和CO分压：吸入高氧分压气体，可加速HbCO解离和CO排出。每分钟肺通气量：劳动量大、空气和血液中CO达到平衡的时间缩短。HbCO动脉血氧量对缺氧最敏感的中枢神经系统能量供应障碍，使大脑和基底神经节，尤其是苍白球和黑质发生变性、软化或坏死，出现中枢神经系统损害。,毒理和临床表现,（2）急性中毒临床表现主要为中枢神经、心血管以及血液系统方面症状，如剧烈头痛、头昏、恶心、呕吐；短暂昏厥、不同程度意识障碍或昏迷，皮肤粘膜呈樱桃红色。重者并发脑水肿、休克或严重心肌损害、呼吸衰竭。出现以锥体系或锥体外系症状精神意识障碍为主要表现的CO神经精神后发症或迟发脑病。,CO中毒症状与浓度的关系,一氧化碳对人的生理作用,矿内CO的来源与允许浓度,空气中一氧化碳的主要来源有：井下爆破；矿井火灾；煤炭自然以及煤尘、瓦斯爆炸事故等。规程规定:矿内空气中CO浓度不得超过0.0024%。,1.1.5二氧化硫(SO2),SO2是一种无色,有强烈硫磺味的气体，易溶于水，在风速较小时，易积聚于巷道的底部。对眼睛有强烈刺激作用。SO2与水后生成都市硫酸,对呼吸器官有腐蚀作用，使用喉咙和支气管发炎，呼吸麻痹,严重时引起肺病水肿，当空气中含二氧化硫为0.0005%时，嗅觉器官能闻到刺激味。0.002%时，有强烈的刺激，可引起头痛和喉痛。0.05%时，引起急性支气管炎和肺水肿，短期间内即死亡。规程规定：空气中二氧化硫含量不得超过0.0005%。,1.1.6二氧化氮(NO2),二氧化氮是一种褐红色的气体，有强烈的刺激气味，相对密度为1.59，易溶于水。二氧化氮溶于水后生成腐蚀性很强的硝酸，对眼睛、呼吸道粘膜和肺部组织有强烈的刺激及腐蚀作用，严重时可引起肺水肿。二氧化氮中毒有潜伏期，有的在严重中毒时尚无明显感觉，还可坚持工作。但经过624小时后发作，中毒者指头出现黄色斑点，并出现严重的咳嗽、头痛、呕吐甚至死亡。,二氧化氮中毒症状与浓度的关系,二氧化氮的来源与允许浓度,矿内空气中二氧化氮的主要来源：井下爆破工作。规程规定氮氧化合物不得超过0.00025%。,1.1.7硫化氢（H2S）,硫化氢无色、微甜、有浓烈的臭鸡蛋味，当空气中浓度达到0.0001%即可嗅到。硫化氢相对密度为1.19，易溶于水，在常温、常压下一个体积的水可溶解2.5个体积的硫化氢，可能积存于旧巷积水中。空气中硫化氢浓度为4.3%45.5%时有爆炸危险。硫化氢剧毒，有强烈的刺激作用。当空气中硫化氢浓度较低时主要以腐蚀刺激作用为主；浓度较高时能引起人体迅速昏迷或死亡。规程规定硫化氢的允许浓度为0.00066%。,2003年12月23日22时左右，重庆市开县高桥镇的川东北气矿16H井发生特大井喷事故，造成243人死亡。,1.1.8氨气（NH3）,氨气是一种无色、有浓烈臭味的气体，比重为0.596，易溶于水，空气浓度中达30%时有爆炸危险。氨气对皮肤和呼吸道粘膜有刺激作用，可引起喉头水肿。矿内空气中氨气的主要来源：爆破工作，用水灭火等；部分岩层中也有氨气涌出。规程允许浓度为0.004%。,1.1.9氢气（H2）,氢气无色、无味、无毒，相对密度为0.07。氢气能自燃，其点燃温度比甲烷低100200，当空气中氢气浓度为4%74%时有爆炸危险。井下空气中氢气的主要来源：井下蓄电池充电时可放出氢气；有些中等变质的煤层中也有氢气涌出。,1.2矿内气候条件,1.2.1矿内空气温度,矿内空气温度是影响矿内气候条件的重要因素。气温过高或过低，对人体都有不良的影响。最适宜的矿内空气温度是1520。1影响矿内空气温度的主要因素1）岩石温度岩层温度的三带（1）变温带：随地面气温的变化而变化的地带；（2）恒温带：地表下地温常年不变的地带；（3）增温带：恒温带以下地带；,不同深度处的岩层温度可按式计算：tt0+G(ZZ0)式中t0恒温带处岩层的温度，；G地温梯度，即岩层温度随深度变化率，/m，常用百米地温梯度，即/100m；Z岩层的深度；Z0恒温带的深度。,影响矿内空气温度的主要因素,2）空气的压缩与膨胀空气向下流动时，空气受压缩产生热量，一般垂深每增加100米，温度升高1；相反，空气向上流动时，则因膨胀而降温，平均每升高100米，温度下降0.80.9。3）氧化生热矿井内的有机矿物、坑木、充填材料、油垢、布料等都能氧化发热。例如，经氧化生成2g二氧化碳时，可使1m3空气升温14.5。在煤层中的采掘巷道，暴露煤面氧化产生的热量较大，故回采工作面是通风系统中温度最高的区段。,影响矿内空气温度的主要因素,4）水分蒸发水分蒸发时从空气中吸收热量，使空气温度降低。每蒸发一克水可吸收0.585千卡的热量，能使1m3空气降温1.9，可见水的蒸发对降低气温起着重要的作用。5）通风强度(指单位时间进入井巷的风量)，温度较低的空气流经巷道或工作面时，能够吸收热量，供风量越大，吸收热量越多。因此，加大通风强度是降低矿井温度的主要措施之一。,影响矿内空气温度的主要因素,6)地面空气温度的变化地面气温对井下气温有直接影响，尤其是较浅的矿井，矿内空气温度受地面气温的影响更为显著。7)地下水的作用矿井地层中如果有高温热泉，或有热水涌出时，能使地温升高，相反，若地下水活动强烈，则地温降低。)其它因素如机械运转以及人体散热等都对井下气温有一定影响。特别是随着机械化程度的不断提高，机械运转所产生的热量不能忽视。,2矿内空气温度的变化规律,在进风路线上矿内空气的温度与地面气温相比，有冬暖夏凉的现象。回采工作面的气温在整个风流路线上，一般是最高的区段。在回风路线上，因通风强度大，水分蒸发吸热，气流向上流动而膨胀降温，使气温略有下降，但基本上常年变化不大。,1.2.2矿内空气的湿度,矿内空气湿度是指矿内空气中所含水蒸汽量。绝对湿度指每1m3或1kg的湿空气中所含水蒸汽量的克数。相对湿度指湿空气中实际含有水蒸汽量与同温度下的饱和水蒸汽量之比的百分数式中w空气中所含水蒸汽量(即绝对湿度)，g/m3；s在同一温度下空气中的饱和水蒸汽量，g/m3。空气中饱和水蒸汽量的大小取决于空气的温度。,井下空气湿度的变化规律进风线路有可能出现冬干夏湿的现象。进风井巷有淋水的情况除外。在采掘工作面和回风线路上，气温长年不变，湿度也长年不变，一般都接近100，随着矿井排出的污风，每昼夜可从矿井内带走数吨甚至上百吨的地下水。,1.3矿内空气的热物理参数,1.3.1空气的密度、比容,单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用符号表示。空气可以看作是均质气体，故：式中M空气的质量，kgV空气的体积，m3；空气的密度，kgm3；当空气的温度和压力改变时，其体积会发生变化。所以空气密度是随温度、压力而变化的，从而得出空气的密度是空间点坐标和时间的函数。如在大气压P0为101325Pa，气温为0（273.15K）时，干空气密度0为1.293kgm3。,湿空气的密度是1m3空气中所含干空气质量和水蒸气质量之和：式中，d1m3湿空气中干空气的质量，kg；v1m3湿空气中水蒸气的质量，kg。,由气体状态方程和道尔顿分压定律可以得出湿空气的密度计算公式：式中，P空气的压力，Pa；t空气的温度，；Ps温度t时饱和水蒸气的分压，Pa；相对湿度，用数表示。空气的比容是指单位质量空气所占有的体积，用符号(m3kg)表示，比容和密度互为倒数，它们是一个状态参数的两种表达方式。则：,1.3.2空气的比热、内能、焓,比热单位物量的物质在单位温度变化时所吸收或放出的热量称为比热。定义式为：比热的单位取决于热量单位和物量单位。表示物量的单位不同，比热的单位也不同。通常采用的物量单位：质量(kg)、标准容积(Nm3)和千摩尔(kmo1)。因此，相应的就有质量比热、容积比热和摩尔比热之分。,空气的内能气体的内能是指气体内部分子热运动的动能和由分子间相互吸引力所产生的位能的总和。井下空气可视为理想气体，而理想气体是没有分子间相互吸引力的气体。因此气体分子的内能决定于气体的绝对温度T，即uf（T）,焓焓是一个组合的状态参数，表示气体热力状态的总能量。单位质量物质的焓称为比焓（有时也将比焓简称为焓），即有,1.3.3空气的粘性,当流体层间发生相对运动时，在流体内部两个流体层的接触面上，便产生粘性阻力(内摩擦力)以阻止相对运动，流体具有的这一性质，称作流体的粘性。由牛顿内摩擦定律得：式中，F-内摩擦力，N；S-流层之间的接触面积，m2；-动力粘度(或称绝对粘度)，Pa.s。当流体处于静止状态或流层间无相对运动时，dudy=0，则F=0。矿井通风中常用运动粘度，用符号(m2s)表示：,1.4矿内空气的热力变化过程,矿井空气热力学和自然风压计算等课题都要求对井下空气的状态变化给予具体分析。,1.4.1等容过程,就是在比容保持不变的情况下所进行的热力变化过程。当v=常数，由气体状态方程可知：上式表明：等容过程是v不变而绝对压力和绝对温度成正比变化的过程。因v不变，即dv=0，则Pdv=0,热力学第一定律得：,上式表明：在这个过程中，空气不对外做功，空气所吸收或放出的热量等于内能的增加或减少。因不变，空气密度也不变，则通风常用的积分式的变化(即压能变化)为：,1.4.2等压过程,当P=常数时，则v/T=R/P=常数。表明等压过程是P不变而v和T成正比变化的过程。对外界作功为热量变化为：,上式表明：在此过程中，空气所吸收或放出的热量等于空气焓的增加或减少。因，故压能变化为：,1.4.3等温过程,当T=常数时，则表明等温过程是T不变而P和v成反比变化的过程。因,则对外作功为：因T不变，则内能u不变，故热量变化为：,上式表明：在此过程中，空气从外界获得的热量，等于空气对外界作出的功；或者说空气向外界放出的热量，等于空气从外界获得的功。因故压能变化为：,1.4.4绝热过程,绝热过程是空气和外界没有热量交换的情况下dp=0，所进行的膨胀或压缩的过程，空气的T、v都发生变化，而且变化规律很复杂。前人分析得出：在此过程中空气对外界作出的功等于空气内能的减少；空气从外界获得的功等于空气内能的增加。其状态变化规律为：式中k绝热指数，对于空气，k=1.41则压能变化为：,1.4.5多变过程,这是多种变化过程，这个过程的状态变化规律为:式中n多变指数，不同的n值决定不同的状态变化规律，描述不同的变化过程；例如，当n=0时，P=常数，表示等压过程；n=1时，Pv=常数，表示等温过程；n=K时，Pvk=常数，表示绝热过程；n=时，v=常数，表示等容过程。因，则压能变化为：,1.5实际气体的状态方程,实验证明：只有在低压下，气体的性质才近似符合理想气体状态方程式，在高压低温下，任何气体对此方程都出现明显的偏差，而且压力愈大，偏离愈多。实际气体的这种偏离，通常采用与RT的比值来说明这个比值称为压缩因子，以符号Z表示，定义式为：显然，理想气体的Z1，实际气体的Z一般不等于1，而是Z1或Z1。Z值偏离1的大小，是实际气体对理想气体性质偏离程度的一个度量。,复习思考题,1-1地面空气的主要成分是什么?矿井空气与地面空气有何区别？1-2氧气有哪些性质?造成矿井空气中氧浓度减少的主要原因有娜些？1-3矿井空气中常见的有害气体有哪些?规程对矿井空气中有害气体的最高容许浓度有哪些具体现定？1-4CO有哪些性质?试说明CO对人体的危害以及矿井空气中CO的主要来源。1-5什么是矿井气候?简述井下空气温度的变化规律。1-6简述风速对矿内气候的影响。,1-7简述湿度的表示方式以及矿内湿度的变化规律。1-8某矿井冬季总进风流的温度为5，相对湿度为70%，矿井总回风流的温度为20，相对湿度为90%，矿井总进、总回风量平均为2500m3/min。试求风流在全天之内从井下带走多少水分？（已知总进、回空气的饱和湿度为4.76和15.48g/m3）1-9某矿一采煤工作面C02的绝对涌出量为7.56m3/min，当供风量为850m3/min时，问该工作面回风流中CO2浓度为多少?能否进行正常工作。1-10井下空气中，按体积计CO浓度不超过0.0024%试将体积浓度(%)换算为0压力为101325Pa状态的质量浓度(mg/m3)。,第二章矿内空气动力学基础,2.1流体的概念,流体是一种受任何微小剪切力作用时都能连续变形的物质。流体可分为液体和气体。气体的分子距很大，分子间的吸引力很小，因而，气体极易变形和流动，总是充满它所能够达到的全部空间。液体的分子距较小，分子间的吸引力较大，因此流动性不如气体。一定质量的液体具有一定的体积，并取容器的形状，但不能够充满全部空间。,流体具有流动性，两层流体以一定速度作相对运动时，在两层的交界面上就要产生内摩擦力，又叫粘滞力。一般来说，流体是可以压缩的，当压力改变时其体积就要改变，因而密度也随之必变。既没有内摩擦又没有压缩性的流体，叫做理想流体。,理想流体,一、压力压力（N/m2，Pa，J/m3）压头：如果将密度为的某液体注入到一个断面为A的垂直的管中，当液体的高度为h时，液体的体积为：V=hAm3,2.2风流压力与能量,根据密度的定义，这时液体的质量为：mass=V=hAkg液体的重力为：F=hAgN根据压力的定义,有P=F/A=ghN/m2orPa因此，如果液体的密度已知，h就可代表压力,_,点压力：静压、全压、速压,相对压力、绝对压力、大气压力,绝对压力,相对压力,大气压力,二、风流能量风流任一断面上能量（机械能）由三部分组成:热能位能动能在通风测量中以压力的形式出现，这三部分能量分别表示为静压，位压和动压。,1、静压能（流动功）如图所示，有一两端开口的水平管道，断面为A，在其中放入一其体积为v质量为m的单元流体，即使不考虑磨擦阻力，由于管道中存在压力P，流体的运动受阻，因此必须施加一个力F克服阻力。当力F使流体移动一段距离后，就做了功。,2、动能对一个质量为m静止的物体，施加一个恒定的力F，在t时间内加速到u，由于是匀加速，其平均速度为：(0+u)/2=u/2m/s移动的距离为：L=(u/2)tm加速度为：a=u/t=u/tm/s2,施加的力为：F=ma=mu/tN从静止到速度为u，F做功为：Wd=Ev=FL=(mu/t)(u/2)t=mu2/2JEv就是质量为m的流体所具有的动能.,3、位能(势能)任何标高都可用作位能的基点。在矿井中，不同的地点标高不同，则位能不一样。质量为m的物体位于基点上，其势能为0。当对其施加一个能克服重力向上的力F，使其向上移动到高于基点Zm，力F做的功为：Wd=FZ=Ep=mgZJEp为物体在Z高度上的势能。,2.3能量方程（伯努力方程）,截面1能量U1截面2能量U2+损失h1-2,若认为流体不可压缩，则密度不变，那么单位质量流体的伯努利方程表达式为：,2.4压力坡度线,通风压力坡度线是对能量方程的图形描述，反映空气在流动过程中压力沿程的变化规律、通风压力呵通风阻力之间的相互关系和相互转换。通风压力坡度线是通风管理和均压防灭火的有力工具。,如图所示的压入式通风系统，能量方程为：式中Hs=P1-P2通风机在风硐中所造成的相对静压；Hn自然风压，Pa,压入式通风的压力分布,由于通风机入口外P0，风速等于0，忽略这段巷道的阻力不计时，其能量方程式为：Hf通风机全压，Pa。能量方程为：此式表明，通风机全压与自然风压共同作用，克服了矿井阻力，并在出风井口造成动压损失。,压入式通风的压力坡度线,压入式通风系统压力坡度图,P0为地表大气压，Pa；,如图所示的抽出式通风系统，能量方程为：通风机入口2到扩散塔出口3的能量方程式：,抽出式通风的压力分布,因此能量方程为：当不考虑自然风压时，在通风机的全压中，用于克服矿井阻力h1、2那一部分，常称为通风机有效静压，以Hs表示：上式说明，在抽出式通风时，通风机的有效静压，等于通风机在风硐中所造成的静压与风硐中风流动压之差，或者等于通风机的全压与扩散塔出口动压之差。,抽出式通风的压力坡度线,抽出式通风系统压力坡度图,如图所示辅助通风机安装在井下，在辅助通风机前后都有一段风路，前段为抽出式，出口端为压入式。,通风机安装在井下时压力分布,断面1、2的能量方程式：,入风井口断面a到通风机吸风口断面1之间的能量方程式:,通风机出风口断面2到排风井口断面b之间的能量方程式(1)、(2)相加有：其中，,通风机安装在井下时压力坡度线,抽压结合式通风系统压力坡度图,由推导过程可知：无论压入式、抽出式或通风机安装在井下，用于克服矿井通风阻力和造成出风井口动压损失的通风动力，均为通风机的全压与自然风压之总和。无论何种通风方式或安装地点有何不同，都有必要降低出风井口风流的动压损失以节省通风机能量。,复习思考题,2-1何谓空气的静压，它是怎样产生的？说明其物理意义和单位。2-2何谓空气的重力位能？说明其物理意义和单位。2-3简述绝对压力和相对压力的概念。为什么在正压通风中断面上某点的相对全压大于相对静压，而在负压通风中断面某点的相对全压小于相对静压？2-4试述能量方程中各项的物理意义。2-5分别叙述在单位质量和单位体积流体能量方程中，风流的状态变化过程是怎样反映的？,2-6在压入式通风的风筒中，测得风流中某点i的相对静压hsi600Pa，速压hvi100Pa，已知风筒外与i点同标高处的压力为100kPa。求：（1）i点的相对全压、绝对全压和绝对静压；（2）将上述压力之间的关系作图表示（压力为纵坐标轴，真空为0点）。2-7在抽出式通风风筒中，测得风流中某点i的相对静压1000Pa，速压150Pa，风筒外与i点同标高的气压p101332.32Pa，求：（1）i点的绝对静压；（2）i点的相对全压；（3）i点的绝对全压。（4）将上述压力之间的关系作图表示（压力为纵坐标轴，真空为0点）。2-8用压差计和皮托管测得风筒内一点的相对全压为300Pa，相对静压为240Pa，已知空气密度为1.2kg/m3，试求A点的风流速度，并判断通风方式。,第三章：通风阻力,中国矿业大学,本章目录,第一节风流的流动状态第二节摩擦阻力一、摩擦阻力的意义和理论基础二、完全紊流状态下的摩擦阻力定律三、层流状态下的摩擦阻力定律四、摩擦阻力的计算方法五、降低摩擦阻力的措施,第三节局部阻力一、局部阻力的概念二、局部阻力定律三、局部阻力的计算方法四、降低局部阻力的措施第四节通风阻力定律和特性一、通风阻力定律二、井巷的通风特性三、风流的功率与电耗,本章目录,第五节通风阻力测量一、通风阻力测量的内容与意义二、用倾斜压差计测算井巷的风阻三、用倾斜压差计测算井巷的摩擦阻力系数四、用气压计测算井巷的风阻五、测算矿井的通风总阻力和总风阻,本章目录,第三章井巷通风阻力,风流流动时，必须具有一定的能量(通风压力)，用以克服井巷及空气分子之间的摩擦对风流所产生的阻力。通风压力克服通风阻力，两者因次相同，数值相等，方向相反。知道通风阻力的大小就能确定所需通风压力的大小。在矿井通风中，存在着摩擦阻力和局部阻力，必须分析研究它们的特性、测定方法以及降低措施等，从而作为选择通风设备，进行通风管理与设计的依据。这在通风设计中尤其重要。,3.1风流的流态,流体产生的阻力与流体流动过程中的状态有关。流体流动时有两种状态；一种是流体呈层状流动，各层间流体互不混合，流体质点流动的轨迹为直线或有规则的平滑曲线，这一状态称为层流。在流速很小、管径很小、或粘性较大的流体流动时会发生层流。,另一种是流体流动时，各部分流体强烈地互相混合，流体质点的流动轨迹是极不规则的。除了有沿流体总方向的位移外，还有垂直于液流总方向的位移，流体内部存在着时而产生时而消灭的漩涡，这种状态称为紊流。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。,雷诺数,试验证明，层流与紊流彼此间的转变关系决定于液体的密度、绝对粘性系数，流体的平均速度V与管道水力直径d，这些因素的综合影响可以用雷诺数来表示为：式中，运动粘性系数，m2/s。,当Re2000时，流体呈层流流动；当Re2000时，液流开始向紊流流动过渡；当Re10000时，流体完全呈现为紊流。矿井巷道很少为圆形，对于非圆形通风巷道，以4S/U(水力直径)代替上式中的d，即：式中，U巷道周界长度，m。c断面形状系数，梯形断面c=4.16；三心拱c=3.85；半圆拱c=3.90；圆断面，c=3.54。,例：某巷道的断面S2.5m2，周界U6.58m，风流的14.4106m2/s，试计算出风流开始出现紊流时的平均风速？解：当风流开始出现紊流时，则其Re2000，当完全紊流时，Re10000，因此：,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0.25米/秒以上，所以说井巷中的风流大部为紊流，很少为层流。,3.2摩擦阻力,一、摩擦阻力及影响因素风流在井巷中作均匀流动时，沿程受到井巷固定壁面的限制，引起内外摩擦，因而产生阻力，这种阻力，叫做摩擦阻力。所谓均匀流动是指风流沿程的速度和方向都不变，而且各断面上的速度分布相同。流态不同的风流，摩擦阻力hfr的产生情况和大小也不同。一般情况下，摩擦阻力要占能量方程中通风阻力的8090，它是矿井通风设计，选择扇风机的主要参数，也是生产中分析与改善矿井通风工作的主要对象。,前人实验得出水流在圆管中的沿程阻力公式（达西公式）是：式中实验比例系数，无因次；水流的密度，kg/m3；L圆管的长度，m；d圆管的直径，m；V管内水流的平均速度，m/s。,尼古拉兹在壁面分别胶结各种粗细砂粒的圆管中，实验得出了流态不同的水流系数同管壁的粗糙程度、雷诺数的关系。管壁的粗糙程度用管道的直径d(m)和管壁平均突起的高度(即砂粒的平均直径)k(m)之比来表示。并用阀门不断改变管内水流速度，结果如图所示。,试验结果可分以下几种情况：1)在lgRe3.3(Re2320)时，即当液体作层流流动，由左边斜线可以看出，所有试验点都分布于其上，随Re的增加而减小，且与管道的相对粗糙度无关，这时与Re的关系式为：64/Re2)在3.3Q，说明串联工作效果较好，这种情况在网路风阻R越大时，越显著。所以，通风机串联工作，适合于通风阻力大的通风网路。,当风阻由R1降为R2，工况点为B时，则hh而h0，说明串联后的风压与单独开动通风机时的风压相等，号通风机虽在运转，但产生的风压为零。所以B点称为串联工作时的极限点。当风路风阻由R2降到R3时，联合工作点位于极限点B的右侧，此时的联合风压和风量均小于通风机工单独工作时的风压和风量。显然，这时通风机串联工作是不合理的。因此，可以得出结论，通风机串联工作，只有在由于网路风阻增大而使风量不足的情况下才能运用。,二、主扇和自然风压串联主扇与自然风压串联工作时，其通风机风压与自然风压的关系，如下图所示。,矿井主扇的静压特性曲线为，矿井风阻特性曲线为R，在冬季，矿井自然风压帮助机械通风，其特性曲线为，由曲线和按“风量相等，风压相加”的原则，可以得到联合工作特性曲线，它与R曲线的交点即为联合工况点M0(Q0、h0)，而通风机的实际工作点为M1(hfs，Q0)。显然，hfshnhr，表明通风机提供的风压hfs加上自然风压hn用来克服矿井通风阻力hr。若无自然风压作用时，通风机单独工作的工况点为M(h0，Q0)，Q0QN，但Q02QN。这是因为通风机并联后，使网路的总风量增加的同时，网路的总阻力也由h1增为h，因而使风量减小。这种现象在网路风阻增加时更为明显。当风阻由R1增加为R2时，QMR2Q22R1Q12R2Q42R3Q32Q，表明扇风机的风压曲线愈陡，总风量的减少值愈小，反之则愈大。,3)增阻调节有一定的范围，超出这范围可能达不到调节的目的。,在上页图中，若主要通风机性能曲线不变，且取R10.59Ns2/m8，R2=1.64Ns2/m8。当不断改变调节风门风阻Rw时，可以得到并联风路中各分支对应的风量及其变化，如右图。,3.使用增阻调节法的注意事项1)调节风门应尽量安设在回风巷道中，以免妨碍运输。当非安设在运输巷道不可时，则可采取多段调节，即用若干个面积较大的调节风门来代替一个面积较小的调节风门。,2)在复杂的风网中，要注意调节风门位置的选择，防止重复设置，避免增大风压和电耗。,4.增阻调节法的优缺点与适用条件优点：简便易行，是采区内巷道间的主要调节措施。缺点：使矿井的总风阻增加，若风机风压曲线不变，势必造成矿井总风量下降，要想保持总风量不减，就得提高风压，增加通风电力费用。因此，在安排产量和布置巷道时，尽量使网孔中各风路的阻力不要相差太悬殊，以避免在通过风量较大的主要风路中安设调节风门。,6.5.2降阻调节法,降阻调节法与增阻调节法相反，它是以并联网路中阻力较小风路的阻力值为基础，使阻力较大的风路降低风阻，以达到并联网路各风路的阻力平衡。巷道中的风阻包括摩擦风阻和局部风阻。当局部风阻较大时，应首先降低局部风阻；当局部风阻较小摩擦风阻较大时，则应降低摩擦风阻。降低摩擦风阻的主要方法是扩大巷道断面或改变支架类型（即改变摩擦阻力系数）。,1.降阻调节的计算如图并联风网，两巷道的风阻分别为R1和R2，所需风量为Q1和Q2，则两巷道的阻力分别为：h1R1Q12，h2R2Q22如果h1h2，则以h2为依据，把h1减到h1，为此须将R1降到R1，即：h1R1Q12h2，其中：,摩擦阻力公式：降阻的主要办法是扩大巷道的断面。如把巷道全长L(m)的断面扩大到S1，则式中，1巷道1扩大后的摩擦阻力系数，Ns2/m4;U1巷道1扩大后的周界，随断面大小和形状而变。,C决定于巷道断面形状的系数，对梯形巷道：C4.034.28；对三心拱巷道：C3.84.06；对半圆拱巷道，C3.784.11。由上式得到巷道1扩大后的断面积为：,如果所需降阻的数值不大，而且客观上又无法采用扩大巷道断面的措施时，可改变巷道壁面的平滑程度或支架型式，以减少摩擦阻力系数来调节风量。改变后的摩擦阻力系数可用下式计算：,2.降阻调节的分析降阻调节的优点是使矿井总风阻减少。若风机风压曲线不变，调节后，矿井总风量增加。降阻调节多在矿井产量增大、原设计不合理、主要巷道年久失修的情况下，用来降低主要风流中某一段巷道的阻力。一般，当所需降低的阻力值不大时，应首先考虑减少局部阻力。另外，也可在阻力大的巷道旁侧开掘并联巷道。在一些老矿中，应注意利用废旧巷道供通风用。,6.5.3增压调节法,1.增压调节的计算如图所示，一采区和二采区所需要的风量分别为27.07和34.7m3/s，风阻分别为0.69和1.27Ns2/m8。要使一、二采区得到所需的风量，两采区将分别产生505.6Pa、1529.2Pa的阻力。总进风段1-2的风阻为0.23Ns2/m8，通过61.77m3/s的总风量时，将产生877.6Pa的阻力，总回风段3-4的风阻为0.02Ns2/m8，则产生76.3Pa的阻力。主要通风机附近的漏风量为6.83m3/s，通过主要通风机的风量为68.6m3/s。,如果采用增加风压的调节方法，在阻力较大的二采区内安设辅助通风机的方法有：1)选择合适的辅助通风机，但不调整主要通风机的风压曲线。如图所示，主要通风机是70B2-21型、24号、600r/min的轴流式通风机，动轮叶片安装角度是27.5，静风压特性曲线是曲线，这时风机的工作点是a点。,两个并联采区以外，总进风段和总回风段总阻力为：h1-2h3-4877.6+76.3953.9Pa当矿井的自然风压很小或可忽略不计时，主要通风机能够供给两个并联采区使用的剩余风压为：hfa(h1-2h3-4)1519953.9565.1Pa二采区按需通过34.7m3/s的风量时，其阻力是1529.2Pa。这个数值超出主要通风机能够供给这个采区使用的剩余风压，故需在这个采区内安置一台合适的辅助通风机。,这台辅助通风机要按以下两个数值来选择：通过辅助通风机的风量为二采区的风量：Qaf34.7m3/s辅助通风机的全风压：haft1529.2565.1964Pa它的全风压特性曲线应通过或大于这两个数值所构成的工作点b。一采区按需通过27.07m3/s的风量时，其阻力是505.6Pa，这个数值小于主要通风机能够供给这个采区使用的剩余风压，即565.1505.659.5Pa。在此情况下，还要在一采区的回风流中安设调节风门，使它能够产生59.5Pa的阻力。,2)选择合适的辅助通风机，同时调整主要通风机的风压曲线。在二采区安设一台辅助通风机。通过辅助通风机的风量Qaf34.7m3/s辅助通风机的全风压haft1529.2505.61023.6Pa同时要调整主要通风机的静风压特性曲线，使它通过以下两个数值所构成的工作点：主要通风机的风量Qaf68.6m3/s主要通风机的静风压hfs953.9505.61459.5Pa,这两种选择辅助通风机的方法中，后一方法虽然辅助通风机所需功率较大，但主要通风机所需功率较小，比前种方法要经济。需要注意的是辅助通风机和主要通风机有着串联运转的关系，因此选择辅助通风机不能孤立进行，必须和主要通风机紧密配合。,2选择、安装和使用辅助通风机的注意事项在选择辅助通风机时，必须根据辅助通风机服务期限以内通风最困难时的风量、风阻和风压等数值进行计算。为了保证新鲜风流通过辅助通风机而又不致妨碍运输，一般把辅助通风机安设在进风流的绕道中，但在巷道中至少安设两道自动风门，其风门的间距必须大于一列车的长度，风门须向压力大的方向开启。,辅助通风机停止运转时，必须立即打开巷道中的自动风门，以便利用主要通风机单独通风。主要通风机停止运转时，辅助通风机也应立即停止运转，同时打开自动风门，以免发生相邻采区风流逆转、循环风再流入辅扇；此时还需根据具体情况，采取相应的安全措施。重新开动辅助通风机以前，应检查附近20m以内的瓦斯浓度，只有在不超过规定时，才允许开动辅助通风机。在采空区附近的巷道中安置辅助通风机时，要选择合适的位置，否则，有可能产生通过采空区的循环风或漏风，加速采空区的煤炭自燃。,随着通风状况不断发展变化，每隔一定时间，必须，调节主要通风机和辅助通风机的工作点，使之相互配合。辅助通风机运转时，使得进风路上的风流能量降低，出风路上的风流能量提高。如果辅助通风机的能力过大，就有可能使3点空气的能量同2点空气的能量接近、相等，甚至超过。此时一采区将出现风量不足，没有风流，甚至发生逆转。以上三种现象都是安全生产所不允许的。若一旦出现上述情况时，其应急措施就是迅速增加二采区的风阻。,3增压调节法的优缺点及适用条件与降阻调节法比较优点：在阻力较大的风路中安装辅助通风机，无需调节主风机而使得风量增大，相当于主要通风机对这条风路的工作风阻下降，这点和降阻调节法很类似，但比降阻调节法施工快而且方便。缺点：管理工作较复杂，安全性比较差。,与增阻调节法比较：优点：使主要通风机的电力费降低很多，服务时间又长时，比较经济。缺点：管理工作比较复杂，安全性比较差，施工比较困难。适用条件：并联风网中各条风路的阻力相差比较悬殊，主要通风机风压满足不了阻力较大的风路，不能采用增阻调节法，而采用降阻调节法又来不及时，可采用增压调节法。,6.6总风量调节,在矿井开采过程中，由于矿井产量和开采条件不断变化，常常要求调节矿井总风量。矿井总风量调节的主要措施是改变主要通风机的工况点，其方法有：改变主要通风机的特性曲线改变主要通风机的工作风阻曲线,6.6.1改变主要通风机特性曲线的调节法,1.改变轴流式通风机动轮叶片的安装角度轴流式通风机的特性曲线随着动轮叶片安装角的变化而变化。如某抽出式通风的矿井主要通风机是轴流式，当其动轮叶片安装角为27.5时，静风压特性曲线是I曲线。为了满足前期生产需要，该主要通风机的工作点为a点。现因生产情况的变化，井巷通风的总阻力变为：hfr1862Pa；反对机械风压的自然风压为：hn98Pa；通过主要通风机的风量仍需68m3/s。,根据两数值找出风机的新工作点b，将风机的动轮叶片安装角调整到30，其静压特性曲线由I调到I，自b点得到这台风机的输入功率约220kW，用此数值来衡量现用电动机的能力是否够用，再由b点得出其风机的静压效率是0.64，b点落在这台风机特性曲线的合理工作范围内。,为了满足现阶段生产要求，该风机应根据以下两个数值进行调节：风机的风量Qf68m3/s，风机的静风压：hfs=hfrhn1960Pa,2.改变通风机的转数转数愈大，通风机的风量和风压愈大。某压入式通风的矿井，其离心式通风机的全风压特性曲线为，转数为n(r/min)。它和工作风阻曲线交于M点，产生Qf(m3/s)的风量和hft(Pa)的全风压。如果生产要求通风机应产生的风压为hft(Pa)，通过的风量为Qf(m3/s)。用比例定律可以求出新转数n，即：,画出新转数n的全风压特性曲线，它和风