矿井智能通风技术 · 项目四 矿井通风阻力测定

项目四矿井通风阻力测定【项目描述】井巷风流流动过程中，在风流内部粘滞力和惯性力、井巷壁面的外部阻滞、障碍物的扰动作用下，部分机械能不可逆地转换为热能而引起的机械能损失，称为矿井通风阻力。通常矿井通风阻力分为摩擦阻力和局部阻力两类，其中，摩擦阻力是矿井通风总阻力的主要组成部分。因为风流沿途要遇到阻力，所以必须以通风压力来克服这些阻力，风流才能流动。阻力和风压是作用力和反作用力的关系，数值相等而方向相反。所以只要计算出通风阻力值，就知道了矿井通风所需要的压力值了。这样，我们就可以合理地选择和使用通风动力设备，调整和改善矿井通风系统。课时分配：任务一用压差计法测定矿井通风阻力2课时

|任务二降低井巷通风阻力的方法2课时【知识目标】1.理解并能解释摩擦阻力、局部阻力产生的原因、相关概念及影响因素2.理解并能陈述矿井通风中的能量方程及其意义【技能目标】1.会用查表法确定井巷的摩擦阻力系数，并能测算一段巷道的摩擦阻力2.能用压差计法测定矿井的通风阻力【思政目标】培养学生严谨细致的工作态度，一丝不苟的工作作风，良好的团队合作精神，刻苦钻研的劳模精神、劳动精神和工匠精神。任务一用压差计法测定矿井通风阻力【任务分析】矿井通风阻力大小及其分布是否合理，直接影响主通风机的工作状态和井下采掘工作面的风量分配，也是评价矿井通风系统和通风管理优劣的主要指标之一。测量矿井通风阻力是做好生产矿井通风管理工作的基础，也是掌握生产矿井通风情况的重要手段。

《煤矿安全规程》第一百五十六条：新井投产前必须进行1次矿井通风阻力测定，以后每3年至少测定1次。生产矿井转入新水平生产、改变一翼或者全矿井通风系统后，必须重新进行矿井通风阻力测定。

一、摩擦阻力及摩擦风阻（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）。经验证，井下巷道的风流大多属于紊流状态，由流体力学可得矿井通风工程上的紊流状态摩擦阻力计算公式：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=3.90。各种支护形式井巷的α值一般是通过实测和模型实验得到，在标准状态(ρ₀=1.2kg/m3）条件下的井巷摩擦阻力系数称为标准α₀值。当空气密度ρ≠1.2kg/m3时，其α值应按下式修正：对于用木棚子、工字钢、U型钢和混凝土棚等支护巷道，要同时考虑支架的间距和支架厚度，其粗糙度用纵口径来表示。如图4-1所示，纵口径是相邻支架中心线之间的距离L（m）与支架直径或厚度之比，即：图4-1支架纵口径井巷摩擦阻力系数α值(ρ₀=1.2kg/m3）见附录一。（二）摩擦风阻对于已给定的井巷，α、L、U、S都为已知数，故可把上式中的α、L、U、S归结为一个参数R摩：得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为：例4-1某水平巷道为梯形断面，长L=200m，采用工字钢棚支护，支架截面高度d₀=14cm，支架间距l=0.7m，巷道净断面积为S=9m2，当通过的风量Q1=30m3/s时，该巷道的摩擦阻力为多少？若风量增为Q2=40m3/s，该巷道的摩擦阻力又为多少？解：纵口径Δ=l/d₀=0.7/0.14=5。查表得α=284.2×10_4×0.86≈0.0244N·s2/m4。摩擦风阻R摩=α(LU/S3)=0.0244×(1000×4.16√9)/93≈0.418N·s2/m8（注：原文L=1000m，此处按原文）。当Q1=30m3/s时，hf=RfQ12=0.418×302=376.2Pa。当Q2=40m3/s时，hf=0.418×402=668.8Pa。二、局部阻力、局部阻力系数、局部风阻由于井巷断面、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，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）局部阻力的计算局部阻力一般也用动压的倍数来表示：

表4-1各种巷道突然扩大与突然缩小的ξ值式中：ξ——局部阻力系数，无因次。因v=Q/S，故：表4-2其他几种局部阻力的ξ值（光滑管道）（三）局部风阻在一般情况下，井下所有的局部阻力之和只占矿井总阻力的10％～20％左右。在局部阻力计算式中，令则有：式中R局称为局部风阻，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三、压差计法测定矿井通风阻力（一）矿井风流的能量方程能量方程表达了空气在流动过程中的压能、动能和位能的变化规律，是能量守恒和转换定律在矿井通风中的应用。在考虑空气的可压缩性时，风流从1断面流向2断面的能量损失表达式为：图4-2能量方程空气流动示意图能量方程使用的几点说明：（1）表示1m3空气由1断面流向2断面的过程中所消耗的能量等于总机械能的变化量。（2）风流流动必须是稳定流，始末断面要选在缓变流场上。（3）风流总是从总能量大的地方流向总能量小的地方。（4）正确选择基准面。（二）测定的目的和基本内容1.测定目的：掌握矿井通风阻力的分布情况，为改善矿井通风系统、减小通风阻力、降低通风机能耗提供依据；为通风设计和通风技术管理提供资料；为发生事故时选择风流控制方法提供参数依据。2.测定内容及要求：测算井巷风阻；测算摩擦阻力系数；测算通风阻力的分布情况。2.测定原理：如图4-4所示，将单管倾斜压差计放在适当位置，测得的压差值为1、2两断面的静压差与位压差之和。根据能量方程式，通风阻力为：（三）压差计法测定矿井通风阻力1.

测定仪器：单管倾斜压差计、胶皮管、皮托管或静压管（如图4-3）。图4-3静压管(1—中空管；2—小孔；3—管接头)图4-4单管倾斜压差计测量阻力布置图3.测量步骤：（1）选择测定路线（包含矿井最大阻力路线）；（2）选择测点（满足测点前后3m内巷道支护良好、无堆积物等要求）；（3）将静压管设于测点，用胶皮管连接压差计；（4）读取压差计读数L读和校正系数K；（5）同时测量风速、干湿球温度、大气压、巷道断面尺寸及测点间距；（6）依次循环测量。4.注意事项：（1）倾斜巷道不宜安设测点；（2）开始测量前用小气筒置换胶皮管内空气；（3）仪器出现异常需查明原因；（4）在主要运输巷和主要回风测定时，应尽可能增加两测点长度。【任务训练】一、训练名称压差计法测矿井通风阻力。二、所需器材风表（高、中、低）1套、空盒气压计1台、单管倾斜压差计2台、静压管2个、胶皮管及三通若干、干湿温度表2个、秒表2个、皮尺1个、气筒1个、数据记录表格等。三、训练步骤（1）训练前准备；（2）检查器材完好性；（3）根据通风系统图选择测定路线和测点；（4）测定各个所需参数，并填入记录表格。测点巷道名称支护类型断面形状巷道规格风速（m/s）风量（）备注宽（m）高（m）周长（m）面积（m2）风速1风速2风速3平均

测点大气压力（）干温度（℃）湿温度（℃）相对湿度（%）空气密度（）备注

巷道名称始测点末测点压差计读数（）仪器校正系数测点间势压差（）备注

序号巷道名称断面面积（m2）断面周长（m）始点风速（m/s）末点风速（m/s）始点密度（kg/m3）末点密度（kg/m3）测段风量（m3/s）测段长度（m）巷道长度（m）实际阻力差值（Pa）总风阻（Ns2/m8）阻力系数（Ns2/m4）百米风阻（Ns2/m8）备注

表4-3巷道断面与风量测定记录表表4-4大气物理参数记录表

表4-5压差计测定记录表表4-6

巷道阻力测定记录汇总表任务二降低井巷通风阻力的方法【知识目标】1.理解并能解释矿井通风阻力定律及井巷特性曲线的含义2.能陈述并解释矿井总风阻、等积孔的表达式及意义【技能目标】能根据矿井的通风阻力状况编制降低阻力的措施【思政目标】培养学生严谨细致的工作态度，一丝不苟的工作作风，勇于探索、敢于创新的思想意识。【任务分析】矿井通风阻力是矿井通风困难的顽症。矿井风量不足、有效风量低、漏风大，主要原因是矿井通风阻力大。通风阻力大，使矿井风量不能满足要求，通风机不能发挥高效作用，甚至造成通风机不能正常运行，引起火灾、爆炸等事故。所以，无论是新矿井通风设计还是生产矿井通风管理工作，都要做到尽可能地降低矿井通风阻力。降低矿井通风阻力，特别是降低井巷的摩擦阻力对减少风压损失、降低通风电耗、减少通风费用和保证矿井安全生产、追求最大经济效益都具有重要的意义。一

、矿井总风阻与矿井等积孔（一）矿井通风阻力定律井下风流在流经一条巷道时产生的总阻力等于各段摩擦阻力和所有的局部阻力之和。即：当巷道风流为紊流状态时，将公式h摩=R摩Q2和h局＝R局Q2代入上式令R=Σ(Rf+R局)，得到：

R是由井巷中通风阻力物的种类、几何尺寸和壁面粗糙程度等因素决定的，反映井巷的固有特性。利用这种关系可以用特性曲线来表示，如图4-5所示。图4-5井巷阻力特性曲线（二）矿井总风阻已知矿井通风总阻力h矿和矿井总风量Q矿，即可求得矿井总风阻R矿：

（三）矿井等积孔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，而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。由能量方程及流体力学知识可得：

图4-6矿井等积孔图矿井的通风阻力h相同，等积孔A大的矿井，风量Q必大，表示通风容易；等积孔A小的矿井，风量Q必小，表示通风困难。所以，矿井等积孔能够反映不同矿井或同一矿井不同时期通风技术管理水平。同时，也可以评判矿井通风设计是否经济。通常把矿井通风难易程度分为三级，如表4-7所示。

通风阻力等级通风难易程度风阻R（）等积孔A（）大阻力矿困

难＞1.42＜1中阻力矿中

等1.42～0.351～2小阻力矿容

易＜0.35＞2表4-7

矿井通风难易程度的分级标准例4-2如图4-7所示，已知Q左=30m3/s，h左=882Pa；Q右=50m3/s，h右=1323Pa。计算该矿井两台通风机联合工作的等积孔。图4-7两翼对角式通风解：首先计算出总功率：二、降低井巷通风阻力措施降低矿井通风阻力应着重降低全矿井最大阻力路线段中公共段的通风阻力。具体方法如下：（一）降低井巷摩擦阻力的措施1.减小摩擦阻力系数α（选用α值较小的支护方式，施工保证质量）；2.保证有足够大的井巷断面（经济断面）；3.选用周长较小的井巷（圆形断面最优，拱形次之）；4.减少巷道长度（缩短风路长度）；5.避免巷道内风量过于集中（总进风早分开，总回风晚汇合）。由公式：（二）降低局部阻力的措施1.最大限度地减少局部阻力地点的数量；2.连接不同断面巷道时，边缘做成斜线或圆弧形；3.巷道拐弯时转角越小越好，内侧做成斜线或圆弧形；4.减少局部阻力地点的风流速度及巷道的粗糙程度；5.在风筒或通风机入风口安装集风器，出口安装扩散器；6.减少井巷正面阻力物，及时清理巷道堆积物。【任务训练】一、任务名称

编写降阻措施二、任务要求

根据任务项目四任务一所测通风阻力情况进行分析，提出优化通风系统降阻增风的措施。三、训练步骤（1）由所测数据计算各测段的通风阻力，并计算出矿井总通风阻力。（2）根据所测路线通风阻力分布状况，分析矿井通风系统存在的问题。（3）提出对通风系统优化改造的措施。（4）实施通风系统优化改造措施。（5）对优化改造措施进行效果检验。复习思考题4-1矿井通风阻力有几种？它们产生的原因分别是什么？4-2“摩擦阻力”与“摩擦风阻”是不是同一个概念？它们之间有何联系？4-3等积孔是衡量矿井通风难易程度的重要指标，如何定义？如何计算？4-4根