第六章井巷通风阻力

1、w 本章重点和难点：本章重点和难点：w 摩擦阻力和局部阻力产生的原因和测算摩擦阻力和局部阻力产生的原因和测算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(也称为沿也称为沿程阻力程阻力)和局部阻力。本章将讨论通风阻力产生的原因、计算方和局部阻力。本章将讨论通风阻力产生的原因、计算方法以及降低通风阻力的措施，这是进行矿井通风设计、加强矿法

2、以及降低通风阻力的措施，这是进行矿井通风设计、加强矿井通风管理和改善通风状况的技术基础。井通风管理和改善通风状况的技术基础。 第一节第一节 井巷断面上风速分布井巷断面上风速分布一、风流流态一、风流流态1、管道流、管道流1883年英国物理学家雷诺年英国物理学家雷诺(OReynolds)通过实验发现，同一流通过实验发现，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，称为层流向作层状运动，称为层流(或滞流或滞流)。当

3、流速较大时，流体质点的。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，称为紊流乱流动，称为紊流(或湍流或湍流)。 雷诺曾用各种流体在不同直径的管路中进行了大量实验，发现雷诺曾用各种流体在不同直径的管路中进行了大量实验，发现流体的流动状态与平均流速流体的流动状态与平均流速v、管道直径管道直径d和流体的运动粘性系和流体的运动粘性系数数 有关。可用一个无因次准数来判别流体的流动状态，这个有关。可用一个无因次准数来判别流体的流动状态，这个无因次准数就叫雷诺数，用无因次准数就叫雷诺数，用Re表示，有表示，有 v

4、dRe 实验表明，流体在直圆管内流动时，当实验表明，流体在直圆管内流动时，当Re2320(下临界雷诺下临界雷诺数数)时，流动状态为层流；当时，流动状态为层流；当Re4000(上临界雷诺数上临界雷诺数)时，流动时，流动状态为紊流；在状态为紊流；在Re=23204000的区域内，流动状态不是固定的区域内，流动状态不是固定的，由管壁的粗糙程度，流体进入管道的情况等外部条件而的，由管壁的粗糙程度，流体进入管道的情况等外部条件而定，只要稍有干扰，流态就会发生变化，因此称为不稳定的定，只要稍有干扰，流态就会发生变化，因此称为不稳定的过渡区。在实际工程计算中，为简便起见，通常以过渡区。在实际工程计算中，为简

5、便起见，通常以Re=2300作作为管道流动流态的判定准数，即：为管道流动流态的判定准数，即： Re2300 层流，层流， Re2300 紊流紊流对于非圆形断面的井巷，对于非圆形断面的井巷，Re数中的管道直径数中的管道直径d应以井巷断面的当应以井巷断面的当量直径量直径de来表示：来表示：因此，非圆形断面井巷的雷诺数可用下式表示：因此，非圆形断面井巷的雷诺数可用下式表示：式中：式中：v 井巷断面上均风速，井巷断面上均风速，m/s； 空气的运动粘性系数，通常取空气的运动粘性系数，通常取1510-6m2/s； S 井巷断面积，井巷断面积，m2； U 井巷断面周长，井巷断面周长，m。 USde4UvSR

6、e4对于不同形状的井巷断面，其周长对于不同形状的井巷断面，其周长U与断面积与断面积S的关系，可用下的关系，可用下式表示：式表示：式中：式中：C断面形状系数：梯形断面形状系数：梯形C=4.16；三心拱三心拱C=3.85；半圆拱半圆拱 C=3.90。SCU 2、孔隙介质流、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 式中式中 K冒落带渗流系数，冒落带渗流系数，m2； l滤流带粗糙度系数，滤流带粗糙度系数，m。层流，层流，Re0.25； 紊流，紊流，Re2.5； 过渡流过渡流 0.25，砂粒凸起高度几乎全暴露砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心

7、中，故在紊流核心中，故Re对对值的影响极小，略去不计，相对糙值的影响极小，略去不计，相对糙度成为度成为的唯一影响因素。故在该区段，的唯一影响因素。故在该区段，与与Re无关，而只无关，而只与相对糙度有关与相对糙度有关。因此，在此区段，对于一定相对糙度的管。因此，在此区段，对于一定相对糙度的管道，道，为定值，由为定值，由(3-2-1)式可知，摩擦阻力与流速平方成正式可知，摩擦阻力与流速平方成正比，故此区又称为阻力平方区比，故此区又称为阻力平方区。2 2r r2lg2lg1.741.741 12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当流体在圆形管道中作层流流动时

8、，从理论上可以导出摩擦阻力计算式（阻力计算式（3-2-3）：）：因因 ，= ；所以所以 因此，因此， 可得圆管层流时的沿程阻力系数。可得圆管层流时的沿程阻力系数。 vdLhf232vdRe 2 642vdLRehfRe64以当量直径以当量直径de=4S/U代替式代替式(3-2-3)中的中的d，则可得到层流状态下则可得到层流状态下井巷摩擦阻力计算式：井巷摩擦阻力计算式：3紊流摩擦阻力紊流摩擦阻力 紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式：紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式： QSLUvSLUhf3222 2 223288QSLUvSLUhf二、摩擦阻力系数与摩擦风阻二、摩擦阻力系数与摩擦风阻1摩擦阻力系数摩擦

9、阻力系数矿井中大多数通风井巷风流的矿井中大多数通风井巷风流的Re值已进入阻力平方区值已进入阻力平方区(风流处风流处于完全紊流状态于完全紊流状态)，值只与相对糙度有关值只与相对糙度有关，对于几何尺寸和，对于几何尺寸和支护已定型的井巷，相对糙度一定，则支护已定型的井巷，相对糙度一定，则可视为定值；在标可视为定值；在标准状态下空气密度准状态下空气密度=1.2kg/m3，令上式中令上式中 称为摩擦阻力系数，单位为称为摩擦阻力系数，单位为kg/m3或或Ns2/m4。8w 通过大量实验和实测所得的、在标准状态（通过大量实验和实测所得的、在标准状态（0 0=1.2kg/m=1.2kg/m3 3）条件下的井巷

10、的摩擦阻力系数，即所谓标准值条件下的井巷的摩擦阻力系数，即所谓标准值0 0值，当井巷值，当井巷中空气密度中空气密度1.2kg/m1.2kg/m3 3时，其时，其值应按下式修正：值应按下式修正：2 . 10对于用木棚子、工字钢、对于用木棚子、工字钢、U型钢等支护型钢等支护的巷道，还要用支架间距的巷道，还要用支架间距(棚距棚距) 与支柱与支柱的直径或纵向厚度的直径或纵向厚度之比，即支架的纵之比，即支架的纵口径口径来表示巷道的轴向相对糙度，见来表示巷道的轴向相对糙度，见图图3-2-2。0 0d dL L 对于不同支护，根据对于不同支护，根据和和可由附录查得摩擦阻力系数可由附录查得摩擦阻力系数 。2摩

11、擦风阻摩擦风阻Rf 对于已给定的井巷，对于已给定的井巷，L、U、S都为已知数，故可把的都为已知数，故可把的、L、U、S归结为一个参数归结为一个参数Rf：Rf称为巷道的摩擦风阻，其单位为：称为巷道的摩擦风阻，其单位为：kg/m7或或Ns2/m8。Rf是空气是空气密度、巷道粗糙程度、断面、周长、沿程长度诸参数的函数。密度、巷道粗糙程度、断面、周长、沿程长度诸参数的函数。在正常条件下当某一段井巷中的空气密度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，一般变化不大时，可将可将Rf看作是反映井巷几何特征的参数。看作是反映井巷几何特征的参数。 3SLURf则：则：2QRhff三、井巷摩擦阻力计算方

12、法三、井巷摩擦阻力计算方法在进行新矿井在进行新矿井(或新采区或新采区)的通风设计时，需要计算井巷的摩擦的通风设计时，需要计算井巷的摩擦阻力，即按所设计的井巷长度、净断面积、周长、支护形式阻力，即按所设计的井巷长度、净断面积、周长、支护形式和要求通过的风量，用查表法确定该井巷的摩擦阻力系数和要求通过的风量，用查表法确定该井巷的摩擦阻力系数值，然后计算出该井巷的摩擦阻力。值，然后计算出该井巷的摩擦阻力。 新建矿井：查表得新建矿井：查表得0 Rf hf例题例题 1第三节第三节 局部风阻与阻力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，使由于井巷断面、方向变化以及分岔或汇合等原因，使均匀

13、流动在局部地区受到影响而破坏，从而引起风流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，速度场分布变化和产生涡流等，造成风流的能量损失，这种阻力称为这种阻力称为局部阻力局部阻力。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，局部阻力和摩擦阻力类似，局部阻力h hl l一般也用动压的倍数来表示：一般也用动压的倍数来表示： 式中：式中：局部阻力系数，无因次。局部阻力系数，无因次。 计算局部阻力计算局部阻力关键是局部阻力系数确定，因关键是局部阻力系数确定，因v=Q/Sv=Q/S, ,当当确定后，便确定后，便可用以下计算公式进行计算：可用以下

14、计算公式进行计算： 22vhl222QShl对于层流，通过实验表明：对于层流，通过实验表明：局部阻力系数局部阻力系数与与Re成反比成反比，即，即式中：式中：B因局部阻力物形式不同而异的常数。因局部阻力物形式不同而异的常数。受局部阻力物影响而仍能保持层流者，只有在受局部阻力物影响而仍能保持层流者，只有在Re小于小于2000时时才才有可能，在矿井井巷中是少见的。有可能，在矿井井巷中是少见的。因此重点讨论紊流时的局部阻力。因此重点讨论紊流时的局部阻力。ReB几种常见的局部阻力产生的类型：几种常见的局部阻力产生的类型：、突变、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，紊流通过突

15、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。在主流与边壁之间形成涡漩区，从而增加能量损失。、渐变、渐变 主要是由于沿流动方向出现主要是由于沿流动方向出现减速增压减速增压现象，在边壁附近产生涡漩。压差现象，在边壁附近产生涡漩。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, 0, 在这些地方主流与边壁面脱离，出现与主流相反的流动，形成涡漩。在这些地方主流与边壁面脱离，出现与主流相反的流动，形成涡漩。 、转弯处、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，出现流

16、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。涡漩。、分岔与会合、分岔与会合 在分叉直道上的涡漩区，是由于减速增压过程造成的。在分叉直道上的涡漩区，是由于减速增压过程造成的。综上所述：综上所述：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。多，局部阻力愈大。2211211222122211QSvvSShl2222222222122221QSvvSShl二、局部阻力系数和局部风阻二、局部阻力系数和局部风阻( (一一) ) 局部阻力系数局部阻力系数紊流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

17、物的形状，而边壁的粗糙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。程度为次要因素。1 1突然扩大突然扩大或或式中：式中： v v1 1、v v2 2分别为小断面和大断面的平均流速，分别为小断面和大断面的平均流速，m/sm/s； S S1 1、S S2 2分别为小断面和大断面的面积，分别为小断面和大断面的面积，m m； m m空气平均密度，空气平均密度，kg/mkg/m3 3。 对于粗糙度较大的井巷，可进行修正：对于粗糙度较大的井巷，可进行修正：01. 012 2突然缩小突然缩小对应于对应于小断面的动压小断面的动压 ，值可按下式计算：值可按下式计算： 修正：修正：3 3逐渐扩大逐

18、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。当和扩张损失两部分组成。当2020时，渐扩段的局部阻力系数时，渐扩段的局部阻力系数可用可用下式求算：下式求算：式中式中: :风道的摩擦阻力系数风道的摩擦阻力系数，NsNs2 2/m/m4 4；n n风道大、小断面积之风道大、小断面积之 比，即比，即2 21 1；扩张角。扩张角。 222v1215 .0SS2211sin112sinnn013. 014 4转弯转弯巷道转弯时的局部阻力系数巷道转弯时的局部阻力系数( (考虑巷道粗糙程度考虑巷道粗糙程

19、度) )可按下式计算：可按下式计算：当巷高与巷宽之比当巷高与巷宽之比H H/ /b b=0.2=0.21.01.0 时，时， 当当 H H/ /b b=1=12.52.5 时时式中式中 0 0假定边壁完全光滑时，假定边壁完全光滑时，9090转弯的局部阻力系数转弯的局部阻力系数; ; 巷道的摩擦阻力系数，巷道的摩擦阻力系数，N.sN.s2 2/m/m4 4； 巷道转弯角度影响系数。巷道转弯角度影响系数。bH65.035.01280Hb2805 5风流分叉与汇合风流分叉与汇合1) 1) 风流分叉风流分叉 典型的分叉巷道如图所示，典型的分叉巷道如图所示，1 12 2段的局部阻力段的局部阻力h hl

20、l2 2和和1 13 3段的局部阻力段的局部阻力h hl l3 3分别用下式计算：分别用下式计算：222212121cos22vvvvKhl233213122vvvKhl231232) 2) 风流汇合风流汇合如图所示，如图所示，1 13 3段和段和2 23 3段的局部阻力段的局部阻力h hl l3 3、h hl l2 23 3分别按下式分别按下式计算：计算： 式中：式中：233312131cos22vvvvKhl233223222vvvKhl1222321121coscosvQQvQQ( (二二) ) 局部风阻局部风阻在局部阻力计算式中，令在局部阻力计算式中，令 ， 则有：则有： 式中式中 R

21、 Rl l 称为局部风阻，其单位为称为局部风阻，其单位为N.sN.s2 2/m/m8 8或或kg/mkg/m7 7。 此式表明，在紊流条件下局部阻力也与风量的平方成正比此式表明，在紊流条件下局部阻力也与风量的平方成正比lRS222QRhll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 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：对于特定井巷，当空气密度和和磨擦阻力系数不变时，其风阻R为定值。 2RQh 用纵坐标表示通风阻力用纵坐标表示通风阻力(或压力或压力)，横坐标表示通过风量，当风阻，横坐标表示通过风量，当风阻为为R

22、时，则每一风量时，则每一风量Qi值，便有一阻力值，便有一阻力hi值与之对应，根据坐标值与之对应，根据坐标点（点（Qi,hi）即可画出一条抛物线，如图即可画出一条抛物线，如图3-4-1所示。这条曲线就所示。这条曲线就叫该井巷的阻力特性曲线。叫该井巷的阻力特性曲线。风阻风阻R越大，曲线越陡越大，曲线越陡。 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，这就是井巷通风阻这就是井巷通风阻力的叠加原则。已知矿井通风总阻力力的叠加原则。已知

23、矿井通风总阻力hRm和矿井总风量和矿井总风量Q，即可即可求得矿井总风阻求得矿井总风阻Rm：显然显然Rm是反映矿井通风难易程度的一个指标。是反映矿井通风难易程度的一个指标。Rm越大，矿井通越大，矿井通风越困难；反之，则较容易风越困难；反之，则较容易。其值受风网结构、井巷风阻、风。其值受风网结构、井巷风阻、风量分配及总风量等多种因素影响。量分配及总风量等多种因素影响。 2QhRRmm三、矿井等积孔三、矿井等积孔 用矿井总风阻来表示矿井通风难易程度，不够形象，且单位又用矿井总风阻来表示矿井通风难易程度，不够形象，且单位又复杂。因此，我国煤矿通风报表中常用矿井等积孔作为衡量矿复杂。因此，我国煤矿通风报

24、表中常用矿井等积孔作为衡量矿井通风难易程度的指标。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，的孔口，如图如图3-4-2所示。当孔口通过的风量等于矿井风量，而且孔口两所示。当孔口通过的风量等于矿井风量，而且孔口两侧的风压差等于矿井通风阻力时，则孔口面积侧的风压差等于矿井通风阻力时，则孔口面积A称为该称为该矿井的矿井的等积孔等积孔。 22221122vPvPRmRmhvhvPP/2 ,222221 设风流从设风流从I II，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A2

25、与孔口面积与孔口面积A之比称为收缩之比称为收缩系数系数，由水力学可知，一般，由水力学可知，一般=0.65，故，故A2=0.65A。则则v2Q/A2=Q/0.65A，代入上式后并整理得：，代入上式后并整理得：RmhQA/265. 0取取=1.2kg/m=1.2kg/m3 3，则：，则：由此可见，由此可见，A是是Rm的函数，故可以表示矿井通风的难易程度，的函数，故可以表示矿井通风的难易程度，且单位简单，又比较形象。根据矿井总风阻或等积孔，通常把且单位简单，又比较形象。根据矿井总风阻或等积孔，通常把矿井按通风难易程度分为三级，如表矿井按通风难易程度分为三级，如表3-4-1所示。所示。 mRA19. 1矿井通风难易程度矿井通风难易程度 矿井总风阻矿井总风阻Rm/ Ns2/m8 等积孔等积孔A/ m2 容易容易2 中等中等 0.8581.412 12 困难困难 1.412 1 表表3-4-1 矿井通风难易程度分级矿井通风难易程度分级第五