《通风安全学》第三章井巷通风阻力

1、通通 风风 安安 全全 学学第三章第三章 井巷通风阻力井巷通风阻力河南工程学院河南工程学院安全工程学院安全工程学院 空气的物理性质：温度、密度（比容）、重度(重率)、湿度(绝对湿度、相对湿度、含湿量)、压力（压强）、粘性、焓； 风流的点压力及其相互关系； 矿井通风能量方程(空气流动连续性方程、单位质量流量能量方程、单位体积流量能量方程)及通风能量（压力）坡度线。 上一章所讲的主要内容本章的主要内容： 井巷断面的风速分布，摩擦阻力系数、摩擦风阻及阻力计算，尼古拉兹实验，矿井局部阻力系数、局部风阻与阻力，矿井总风阻与等积孔、降低矿井通风阻力的措施。第三章第三章 井巷通风阻力井巷通风阻力第一节 井巷

2、断面上的风速分布第二节 摩擦风阻与阻力第三节 局部风阻与阻力第四节 矿井总风阻与矿井等积孔第五节 降低矿井通风阻力的措施第三章第三章 井巷通风阻力井巷通风阻力 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。第三章第三章 井巷通风阻力井巷通风阻力一、风流流态 1 1、管道流、管道流 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)。当流速较大时，流体质点的运动速度

3、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)。 （1）雷诺数ReRe 式中：平均流速v、管道直径d和流体的运动粘性系数，当空气温度为150 时， 其值为14.4x10-6m2/s。 VdRe 第一节第一节 井巷断面上风速分布井巷断面上风速分布雷诺实验示意图雷诺实验示意图实验表明： Re2320 层流（下临界雷诺数） Re4000 紊流（上临界雷诺数） 中间为过渡区。 实际工程计算中，为简便起见，通常用Re=2300来判断管路流动的流态。 Re2300 层流， Re2300 紊流（）当量直径（）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

4、de来表示： 因此，非圆形断面井巷的雷诺数可用下式表示： 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： 式中：C断面形状系数：梯形C=4.16；三心拱C=4.10；半圆拱C=3.84；圆形拱C=3.54 。 SCU UVSRe4USde4第一节第一节 井巷断面上风速分布井巷断面上风速分布例：某梯形巷道，采用工字钢支护，断面S=9m2，巷道中风量为Q=240m3/min，试判别风流流态。 解：故巷道中风流为紊流。例：巷道条件同前，求相应于Re2300时的层流临界风速。 解：规程规定，井巷中最低允许风速为0.15m/s，由此可见，矿井内所有通风井巷中的风流均呈紊流状态。只有在采

5、区冒落带，煤岩柱裂隙中的漏风风流才有可能出现层流状态，用孔隙介质流来判断。 6Re2300 4.16 3 15 100.012/44 9uvVm ss 2300846153164101544446.SCQUVSRe第一节第一节 井巷断面上风速分布井巷断面上风速分布2、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，Re0.25；紊流，Re2.5；过渡流 0.25Re，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心中，故心中，故ReRe对对值的影响极小值的影响极小，略去不计，相对糙度成为，略去不计，相对

6、糙度成为的唯的唯一影响因素。故在该区段，一影响因素。故在该区段，与与ReRe无关，而只与相对糙度有关。无关，而只与相对糙度有关。摩擦阻力与流速平方成正比，故称为阻力平方区，摩擦阻力与流速平方成正比，故称为阻力平方区，尼古拉兹公式：尼古拉兹公式：区区层流区层流区。当。当ReRe2320(2320(即即lgRelgRe3.36)3.36)时，不论管道粗糙度时，不论管道粗糙度如何，其实验结果都集中分布于直线如何，其实验结果都集中分布于直线上。这表明上。这表明与相对糙度与相对糙度/r/r无关，只与无关，只与ReRe有关，且有关，且=64/=64/ReRe。与相对粗糙度无关与相对粗糙度无关区区过渡流区过

7、渡流区。23202320ReRe4000(4000(即即3.36lg3.36lgReRe3.6)3.6)，在，在此区间内，不同相对糙度的管内流体的流态由层流转变为紊流。此区间内，不同相对糙度的管内流体的流态由层流转变为紊流。所有的实验点几乎都集中在线段所有的实验点几乎都集中在线段上。上。随随ReRe增大而增大，与相增大而增大，与相对糙度无明显关系。对糙度无明显关系。区水力光滑管区。在此区段内，管内流动虽然都已处于紊流状态(Re4000)，但在一定的雷诺数下，当层流边层的厚度大于管道的绝对糙度（称为水力光滑管）时，其实验点均集中在直线上，表明与仍然无关，而只与Re有关。随着Re的增大，相对糙度大

8、的管道，实验点在较低Re时就偏离直线，而相对糙度小的管道要在Re较大时才偏离直线。结结论论分分析析I区2lg274. 11 r尼古拉兹实验尼古拉兹实验2 2层流摩擦阻力层流摩擦阻力 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系数： 古拉兹实验所得到的层流时与Re的关系，与理论分析得到的关系完全相同，理论与实验的正确性得到相互的验证。 层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。V322dLhf VdRe 2V 642 dLRehf Re64第二节第二节 摩擦风阻与阻力摩擦风阻与阻力3 3、紊流摩擦阻力、紊流摩擦阻力 对于紊流运动，=f (Re，/r

9、)，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：2322882QSLUvSLUvdLhf第二节第二节 摩擦风阻与阻力摩擦风阻与阻力8二、摩擦阻力系数与摩擦风阻1摩擦阻力系数 矿井中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。 对上式， 令： 称为摩擦阻力系数，单位为 kg/m3 或 N.s2/m4。82.10第二节第二节 摩擦风阻与阻力摩擦风阻与阻力823QSLUhf82.10二、摩擦阻力系数与摩擦风阻1摩擦阻力系数则得到

10、紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为： 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，当井巷中空气密度1.2kg/m3时，其值应进行修正：= 0 /1.223QSLUhf2.10第二节第二节 摩擦风阻与阻力摩擦风阻与阻力第二节第二节 摩擦风阻与阻力摩擦风阻与阻力系数影响因素系数影响因素 对于砌碹、锚喷巷道对于砌碹、锚喷巷道只考虑横断面上方向相对粗糙度；只考虑横断面上方向相对粗糙度；对于木棚、工字钢、对于木棚、工字钢、U U型棚等还要考虑纵口径型棚等还要考虑纵口径=l/d=l/d0 0ld0工字钢支架在巷道中流动状态工

11、字钢支架在巷道中流动状态随随变化实验曲线变化实验曲线2 2摩擦风阻摩擦风阻R Rf f 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。 Rff ( ,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。3SLURf2QRhff第二节第二节 摩擦风阻与阻力摩擦风阻与阻力Rf与与hf区别：区别： Rf是风流流动的阻抗参是风流流动的阻抗参数

12、；数； hf是流动过程能量损失。是流动过程能量损失。三、井巷摩擦阻力计算方法三、井巷摩擦阻力计算方法新建矿井： 查表得查表得0 0计算计算 计算计算R Rf f 计算计算h hf f 计算总阻力损失计算总阻力损失选择通风设备选择通风设备生产矿井：生产矿井： 测得测得h hf f 计算计算R Rf f 计算计算 计算计算0 0 指导生产指导生产第二节第二节 摩擦风阻与阻力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

13、力。解 根据所给的d0、S值，由附录4附表4-4查得: 0 =284.21040.88=0.025Ns2/m4则：巷道实际摩擦阻力系数 Ns2m4巷道摩擦风阻巷道摩擦阻力026. 02 . 125. 1025. 02 . 10Ns2/m8 0.598877.111000026. 06 . 4333SSLSLURfPaQRhff2 .239601200598.022井巷摩擦阻力计算例题井巷摩擦阻力计算例题 煤矿安全规程(2011)一百一十九条规定： 新井投产前必须进行1次矿井通风阻力测定，以后每3年至少进行1次。矿井转入新水平生产或改变一翼通风系统后，必须重新进行矿井通风阻力测定。 矿井通风阻力

14、测定的相关规定矿井通风阻力测定的相关规定 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，造成风流的能量损失，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。第三节第三节 局部风阻与阻力局部风阻与阻力一、局部阻力及其计算一、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： 式中：局部阻力系数，无因次。 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: 22vhl222QShl第三节第三节 局部风阻与阻力局部风阻与阻力几

15、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。第三节第三节 局部风阻与阻力局部风阻与阻力几种常见的局部阻力产生的类型：、渐变 渐扩段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、涡漩。 第三节第三节 局部风阻与阻力局部风阻与阻力、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。、分岔与会合分岔与会合是突变、渐变、转弯三种情形的综合

16、。 所以，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。第三节第三节 局部风阻与阻力局部风阻与阻力二、局部阻力系数和局部风阻二、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。1突然扩大 或式中： 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 2211211222122211QSvvSShl2222222222122221QSvvSShl01.01第三节第三节 局部风阻与阻力局部风阻与

17、阻力2 2突然缩小突然缩小 对应于小断面的动压 ，值可按下式计算： 222v1215 .0SS013.01第三节第三节 局部风阻与阻力局部风阻与阻力3 3逐渐扩大逐渐扩大 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：式中 风道的摩擦阻力系数，Ns2/m4； n风道大、小断面积之比，即21； 扩张角。 2211sin112sinnn第三节第三节 局部风阻与阻力局部风阻与阻力4 4转弯转弯 巷道转弯时的局部阻力系数(考虑巷道粗糙程度)可按下式计算：当巷高与巷宽之比H/b=0.21.0 时， 当 H/b=12.5

18、时 式中 0 假定边壁完全光滑时，90转弯的局部阻力系数，其值见表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，见表3-3-2。Hb280bH65.035.01280第三节第三节 局部风阻与阻力局部风阻与阻力5 5风流分叉与汇合风流分叉与汇合1) 风流分叉 典型的分叉巷道如图所示，12段的局部阻力hl2和13段的局部阻力hl3分别用下式计算：23331213122vvvKhlcos22221212122vvvvKhlcos23123第三节第三节 局部风阻与阻力局部风阻与阻力5 5风流分叉与汇合风流分叉与汇合2) 风流汇合 如图所示，13段和23段的局部阻力hl3、h

19、l23分别按下式计算： 式中：式中：233223222vvvKhl22321131coscosvQQvQQ12233213122vvvKhl第三节第三节 局部风阻与阻力局部风阻与阻力( (二二) ) 局部风阻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。2QRhlllRS22第三节第三节 局部风阻与阻力局部风阻与阻力一、井巷阻力特性一、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：hRQ2 Pa 。 对于特定井巷，R为定值。用纵坐标表示通风阻力(

20、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，如图所示。这条曲线就叫该井巷的阻力特性曲线。风阻 R R 越大，曲线越陡。QhR第四节第四节 矿井总风阻与矿井等积孔矿井总风阻与矿井等积孔二、矿井总风阻二、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/m8 Rm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；2QhRRmm第四节第四节 矿

21、井总风阻与矿井等积孔矿井总风阻与矿井等积孔三、矿井等积孔三、矿井等积孔 我国常用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。AIIIP2,v2P1,v1第四节第四节 矿井总风阻与矿井等积孔矿井总风阻与矿井等积孔设风流从设风流从IIIIII，且无能量损失，且无能量损失， 则有：则有：得：得：风流收缩处断面面积风流收缩处断面面积A A2 2与孔口面积与孔口面积A A之比称为之比称为收缩系数收缩系数，由水，由水力学可知，一般力学可知，一般

22、=0.65=0.65，故，故A A2 2=0.65=0.65A A。则。则v v2 2Q/AQ/A2 2=Q/0.65=Q/0.65A A，代入上式后并整理得：代入上式后并整理得：22221122vPvPRmRmhvhvPP/2 ,222221RmhQA/265. 0第四节第四节 矿井总风阻与矿井等积孔矿井总风阻与矿井等积孔取=1.2kg/m3，则： 因Rm=hm2， 故有第四节第四节 矿井总风阻与矿井等积孔矿井总风阻与矿井等积孔RmhQA19. 1mRA19.1A是是Rm的函数，的函数，故可以表示矿井故可以表示矿井通风的难易程度通风的难易程度。 矿井等积孔分级标准： 欧州共同体提出：矿井产量

23、T150万t/a的矿井，必须满足A5m2；矿井产量T在60150万t/a的矿井，必须满足A在45m2；矿井产量T60万t/a的矿井，必须满足A在34m2。 美国规定：低瓦斯矿井：A=2540英尺2(2.323.72m2)；高瓦斯矿井：A=4090英尺2(3.728.36m2)。 我国按等积孔大小确定矿井通风难易程度的标准为：A1m2，通风困难；1m2A2m2,通风中等；A2m2，通风容易。 第四节第四节 矿井总风阻与矿井等积孔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为风机台数。hRm意义是全矿井各系统平均m3空

24、气所消耗能量。多风井系统的矿井等级孔A计算式：niiniiRiRmQQhh11)()(19.112/31iRininiiQhQA第四节第四节 矿井总风阻与矿井等积孔矿井总风阻与矿井等积孔例题：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 对照表3-4-1可知，该矿通风难易程度属中等。8222/571. 070/2800/mNsQhRmRm257. 1571. 0/19. 1/19. 1mRAm完全依据表完全依据表3-4-1所列指标衡量矿所列指标衡量矿井通风难易程度是否合适？其他井通风难易程度是否合

25、适？其他衡量指标有哪些？衡量指标有哪些？ 第四节第四节 矿井总风阻与矿井等积孔矿井总风阻与矿井等积孔例例7 7：某对角式通风矿井，东风井的阻力：某对角式通风矿井，东风井的阻力h hR1R1=280=280* *9.81Pa9.81Pa，风，风量量Q1=80mQ1=80m3 3/s/s；西风井的阻力；西风井的阻力h hR2R2=100=100* *9.81Pa9.81Pa，风量，风量Q2=60mQ2=60m3 3/s/s；求矿井总等级孔。；求矿井总等级孔。解解 3/20.5113/21.19()(8060)1.192809.81 801009.81603.73nniRiiiiAQh Q第四节第四

26、节 矿井总风阻与矿井等积孔矿井总风阻与矿井等积孔 一般来说，如果矿井等积孔较大，风量足够，漏风不大，而且矿井调风比较容易，应属通风容易矿井。 虽然矿井等积孔较大，如果矿井调风困难，应属通风困难矿井。 虽然矿井等积孔较小，若主要通风机能力大、矿井供风量足，且调风容易，也属通风容易矿井。 对调风难易状况相同的矿井，一般来讲，矿井等积孔大的矿井比等积孔小的矿井通风容易。 对等积孔接近的不同矿井，一般来讲，调风容易的矿井比调风困难的矿井通风容易。 关于矿井通风难易程度确定的几点说明关于矿井通风难易程度确定的几点说明 矿井通风系统的阻力如何测定？矿井通风系统的阻力如何测定？ 需要哪些仪器仪表？需要哪些仪

27、器仪表？ 矿井通风系统的阻力如何计算（测定）？矿井通风系统的阻力如何计算（测定）？见教材第十五章第二节，见教材第十五章第二节，P346。 降低矿井通风阻力，对保证矿井安全生产和提高经济效益具有重要意一、降低井巷摩擦阻力措施 1减小摩擦阻力系数。 2保证有足够大的井巷断面。在其它参数不变时，井巷断面扩大33%，Rf值可减少50%。 3选用周长较小的井巷。在井巷断面相同的条件下，圆形断面的周长最小，拱形断面次之，矩形、梯形断面的周长较大。 4减少巷道长度。 5避免巷道内风量过于集中。第五节第五节 降低矿井通风阻力措施降低矿井通风阻力措施例题：某矿总回风巷L2000m，S8m2，通过风量Q50m3/

28、s，工字钢支护梯形断面，0.0188Ns2/m4，主要通风机的总效率60%，求： 为克服这段阻力，一年要耗多少度电？ 若巷道用砼砌碹支护三心断面，求电年电耗（0.00417Ns2/m4）。第五节第五节 降低矿井通风阻力措施降低矿井通风阻力措施解： 8233864. 08816. 420000188. 0mNsSLURrPaQRhrr216050864. 022kwQhNr1806 . 010005021601000kwhNW4105 .1552436018024360第五节第五节 降低矿井通风阻力措施降低矿井通风阻力措施解：（2） 8233177. 08810. 4200000417. 0mNsSLURrPaQRhrr44350177. 022kwQhNr9 .366 . 0100050