3矿井通风阻力

1、第三章 矿井通风阻力 黑龙江科技大学 2012.31温故而知新3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用上一章我们已经解决的问题：1.描述空气流动用到哪些参数？2.空气流动的内在原因是什么？3.如何描述空气流动的基本规律？4.这些基本规律如何指导矿井通风？本章需要解决的问题：1.空气在井巷中流动的阻力是如何产生的？2.如何评价矿井通风系统的通风状况？3.如何改善矿井通风系统的通风状况？2本章主要内容1 、井巷断面上风速分布-风流流态-井巷断面风速分布2 、摩擦风阻与阻力-摩擦阻力- 摩擦阻力系数- 摩擦风

2、阻-阻力计算-阻力测定3 、局部风阻与阻力-局部阻力及计算-阻力系数-局部风阻4 、矿井总风阻与矿井等积孔-阻力特性-矿井总风阻-矿井等积孔5 、降低矿井通风阻力措施6、通风阻力的测量7、流体相似理论与应用3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用33.1风流的流动状态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。 一、风流流态1、管道流当流速较低时，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在大小和方向上都随时发生变化，成为互相

3、混杂的紊乱流动，称为紊流(或湍流)。 3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用4（）雷诺数Re 式中：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，为简便起见，通常以Re=2000作为管道流动流态的判定准数，即： Re2000 层流 ，2000Re100000完全紊流。3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.1风流的流动状态5雷诺实验 实验装置实验方法通过调节阀门调节管内流速，观察和测定不同

4、流速下管内流体流动形态及速度流量和阻力损失换用不同管径的管道重复上述实验换用不同流体介质重复上述实验水箱红墨水测压管阀门测试观察管段针型管6（）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： 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=3.85；半圆拱C=3.903 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.1风流的流动状态72、孔隙介质流 在采空区和

5、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心中，故Re对值的影响极小，略去不计，相对糙度成为的唯一影响因素。故在该区段，与Re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，尼古拉兹公式：3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用172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

6、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。3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.2 摩擦阻力183、紊流摩擦阻力 对于紊流运动，=f (Re，k/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：3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.2 摩擦

7、阻力19二、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。 则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为： 3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.2 摩擦阻力20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

8、谓标准值0值，当井巷中空气密度1.2kg/m3时，其值应按下式修正：3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.2 摩擦阻力212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。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R f 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。3.2 摩擦阻力3

9、矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用22三、井巷摩擦阻力计算方法新建矿井：查表得0 Rf hf 生产矿井：hf Rf 0 3.2 摩擦阻力3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用23例题：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、

10、S值，由附表3-4查得: 0 =284.21040.88=0.025Ns2/m4则：巷道实际摩擦阻力系数巷道摩擦风阻巷道摩擦阻力3.2 摩擦阻力3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用24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义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

11、风量过于集中。3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.2 摩擦阻力25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。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 3.3 局部阻力3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和

12、特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用26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。、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，出现涡漩。3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.3 局部阻力27、转弯处 流体质点在转弯处受到离心力作用，在

13、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。3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.3 局部阻力28二、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 3 矿井通风阻力3.1

14、风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.3 局部阻力292突然缩小对应于小断面的动压 ，值可按下式计算： 考虑到巷道粗糙度的影响：3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.3 局部阻力303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。3 矿井通风阻力3.1

15、风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.3 局部阻力314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 时式中 0假定边壁完全光滑时，90转弯的局部阻力系数； 巷道的摩擦阻力系数，N.s2/m4； 巷道转弯角度影响系数。3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.3 局部阻力323 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通

16、风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.3 局部阻力333.3 局部阻力5风流分叉与汇合1) 风流分叉 典型的分叉巷道如图所示，12段的局部阻力hl2和13段的局部阻力hl3分别用下式计算：231233 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用342) 风流汇合 如图所示，13段和23段的局部阻力hl3、hl23分别按下式计算：式中：3.3 局部阻力123 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用

17、35(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3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.3 局部阻力363 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.3 局部阻力 各种巷道突然增大与突然缩小的S1S2V1S1S2V1S1/S210.90.80.70.60.50.40.30.20.10.01000.

18、010.040.090.160.250.360.490.640.810.981.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.50373.3 局部阻力 其它几种局部阻力的 值V1V1DR=0.1DV1V1bbV1bbR1V1bbR1R2V2V1V3S1S3S2V21V1V3V3V2V1V2V1V3V2V3V1V10.60.10.2有导风板0.2无导风板1.40.75，当R1=b/30.52，当R1=2b/30.6，当R1=b/3， R2=2b/30.3，当R1=2b/3， R2=17b/103.6当S2=S3，V2=V3时2.0当风速为V2时1.0当V1=V3

19、时1.5当风速为V2时1.5当风速为V2时1.0当风速为V时38降低局部阻力措施尽量避免井巷断面的突然扩大或突然缩小断面大小悬殊的井巷，连接处断面应逐渐变化尽可能避免井巷直角转弯或大于90的转弯，拐弯处要做成斜面或者圆弧型，弯曲半径尽量加大。还可设置导风板。尽量避免风流突然分叉或突然汇合。主要巷道内不得随意停放车辆、堆积木料等要加强矿井总回风道的维护和管理，对冒顶、片帮和积水处要及时处理。3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.3 局部阻力39一、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

20、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(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。QhR3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.4 通风阻力定律和特性40二、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

21、通风总阻力hRm和矿井总风量Q，即可求得矿井总风阻： 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；3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.4 通风阻力定律和特性41三、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。AIIIP2v2P1v13 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通

22、风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.4 通风阻力定律和特性42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：AIIIP2v2P1v13 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.4 通风阻力定律和特性43取=1.2kg/m3，则： 因Rm=hm2，故有 由此可见，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 -

23、 2，中等；A困难。3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.4 通风阻力定律和特性44例题3-7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 可知该矿通风难易程度属中等。3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.4 通风阻力定律和特性451、对于多风机工作的矿井，应根据各主要通风机工作系统的通风阻力和风量，分别

24、计算各主要通风机所担负系统的等积孔，进行分析评价。2、必须指出，表3-18所列衡量矿井通风难易程度的等积孔值，是1873年缪尔格(Murgue)根据当时的生产情况提出的3，一直沿用至今。由于现代的矿井规模、开采方法、机械化程度和通风机能力等较以前已有很大的发展和提高，表中的数据对小型矿井还有一定的参考价值，对大型矿井或多风机通风系统的矿井，衡量通风难易程度的指标还有待研究。3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.4 通风阻力定律和特性463 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻

25、力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.4 通风阻力定律和特性474通风机的功率风机输出功率： Nt=HtQ10-3 Ns=HsQ10-3风机输入功率： N=Nt/t N=Ns/s电动机输出功率： Nm=N/tr电动机输入功率： Nm=Nm/m3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.4 通风阻力定律和特性48巷道阻力测定内容:风阻测算测量摩擦阻力系数测量通风阻力的分配情况3.5 通风阻力测量3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻

26、力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用49一、巷道阻力测定1、压差计法 用压差计法测定通风阻力的实质是测量风流两点间的势能差和动压差，计算出两测点间的通阻力。1）布置方式及连接方法z1z23.5 通风阻力测量3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用50）阻力计算压差计“”感受的压力：压差计“”感受的压力：故压差计所示测值：设 且与1、2断面间巷道中空气平均密度相等，则：式中：Z12为1、2断面高差，h 值即为1、2两断面压能与位能和的差值。根据能量方程，则1、2巷道段的通风阻力hR12为：把压差计放在1、2断面之间，测值是否变化？3 矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.5 通风阻力测量512、气压计法由能量方程：hR12=(P1-P2)+(1v12/2- 2v22/2)+ m12gZ12用精密气压计分别测得1，2断面的静压P1，P2用干湿球温度计测得t1,t2,t1,t2,和1,2，进而计算1， 2用风表测定1，2断面的风速v1,v2。m12为1，2断面的平均密度，若高差不大，就用算术平均值，若高差