矿井通风-学习情景4-通风阻力测定与计算1

1、学习情景4 通风阻力测定与计算,任务1 矿井通风阻力测定,任务2 摩擦阻力产生原因分析,任务3 局部阻力成因及其分析,任务4 矿井总风阻与矿井等积孔,任务5 降低矿井通风阻力的措施的制定,1、上一章内容回顾 1)、上次课所讲的主要内容 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。 2)、能解决的实际问题 （1）点压力的测定 （2）矿井通风阻力的计算 （3）从矿井能量压力坡度线图形上直观地看出空气在流动过程中能量（压力）沿程变化规律。 （4）风流方向的判断,2、本章的重点： 摩擦阻力系数、摩擦风阻及阻力计算

2、，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。,学习情景4 通风阻力测定与计算,通风阻力产生的根本原因是风流流动的黏性和惯性（内因），以及井巷壁面等对风流的阻滞、扰动作用。井巷风流在流动过程中，克服内部相对运动造成的机械能量损失就叫做通风阻力。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，其中摩擦阻力是井巷通风阻力的主要组成部分（80%左右）。,任务1 矿井通风阻力测定,矿井通风阻力测定的目的：检查通风阻力的分布是否合理，某些巷道或区段的阻力是否过大，为改善矿井通风系统，减少通风阻力，降低矿井通风机的电耗以及均压灭火提供依据，求出

3、矿井各类巷道的风阻值和摩擦阻力系数值，以备通风技术管理和通风计算时使用。 煤矿安全规程规定：新井投产前应进行1次矿井通风阻力测定，以后每3年至少进行一次。在矿井转入新水平生产或改变一翼通风系统后，都必须重新进行矿井通风阻力的测定。 通风阻力测定方法有两种：一为压差计测量法，二为气压计测量法。,通风阻力测定的基本内容及要求包括3个方面： 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。 一、通风阻力测定的方法及步骤 1、测定前的准备。 摩擦阻力系数和局部阻力系数的测定只能用压差计法。,测定仪表和人员的准备,测定路线的选择原则 1）主要路线是测定矿井通风阻力时，所选定的从 入风井口(或

4、井底车场)，经入风大巷、采区、回风大 巷，回风井至风硐的通风路线； 2）有并联风路中应选择风量较大且通过回采工作面 的主风流风路作为测定路线。 3）选择路线较长且包含有较多井巷类型和支护形式 的线路作为测定路线。 4）局部区段的阻力测定，则根据需要仅在该区段内 选择测量路线。 5）选择沿主风流方向且便于测定工作顺利进行的线 路作为测定路线。,选择路线后如何布置测点,在风路的分叉点和汇合点。选在前方时，测点位置距分叉或会合点的距离不得小于巷道宽度的12倍；选在后方不得小于巷道宽度的3倍； 在并联风量中，只沿一条路线测量风压，其他各风路只测出风量，以便根据相同的风压测出巷道风阻； 如巷道很长且漏风

5、较大时，测点的间距应尽量缩短，以便逐步追查漏风情况； 测点前、后3m内巷道应支护良好，巷道内无堆积物； 在局部阻力特别大的地方，应在前后设置两个测点进行测量； 测点应按顺序编号并标注明显 。,3、压差计法测量通风阻力,用压差计法测定通风阻力的方法与步骤 从测点1开始，在测点1、2两处各设置一个皮托管，一般在测点2的下风侧68m处安设压差计。皮托管应设置在风流稳定的地点，正对风流。压差计两接头都接皮托管的“-”，对于压差计绝对静压大的接“+” 。 测点1、2测完后，压差计可以不动，进行测点2、3间的测量。依次按测点的顺序进行测量，直至全路线测完为止。 测量顺序也可逆风流方向进行。,1、压差计法

6、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风阻力。 其中：右侧的第二项为动压差，通过测定、两断面的风速、大气压、干湿球温度，即可计算出它们的值。第一项和第三项之和称为势能差，需通过实际测定。 1）布置方式及连接方法 + -,）阻力计算 1、2断面间巷道中空气平均密度相等，则： 根据能量方程，则1、2巷道段的通风阻力hR12为：,(2)注意事项 在倾斜巷道中不宜安设测点，始末两点尽量安设在上下水平巷道内； 开始测量前，用小气筒将两根胶皮管内原有的空气换成测定地点的空气； 测回采面压差时，仪器应安置在运输平巷或回风平巷内、不宜被运输干扰的地点，胶皮管沿工作面临

7、近有行人或通风小眼，也可将胶皮管通过这些小眼铺设； 测定过程中，如果压差计出现异常现象，必须立即查明原因，排除故障，重新测定； 在主要运输巷和主要回风巷测定时两侧点要尽量长。,4、气压计法测量通风阻力 用气压计测量通风阻力，最核心的问题是如何测量测点的空气静压。目前煤矿上使用最多的是矿井通风综合参数检测仪。 （1）气压计测量通风阻力的方法 逐点测定法（为主） 将一台精密气压计留在基点作为校正大气压变化使用，另一台作为精密气压计从基点开始测量每一点的压力。 PPh读h读 当地面大气压和矿井通风状况发生变化时，对这两点的绝对静压进行校正。 PP（h读h读）-（ h读h读 ）,双测点同时测定法 它是

8、用两台气压计（，号）同时放在1号测点定基点，然后将号仪器留在1号测点， 号仪器带到2号测点，约定时间同时读取两台仪器的读数后，把号仪器移到3测点，号仪器留在2号测点，再同时读数。如此循环，直至测完。,（2）矿井通风综合参数检测仪井下测量步骤 将两台仪器同放于基点处，将电源开关拨至“通”位置，等待1520min后，按“总清”键，记录基点绝对压力值； 按“差压”键，并将记忆开关拨于“记忆”位置，在将仪器的时间对准； 将一台仪器留于基点处，每隔5min记录一次读数； 另一台仪器沿着测量路线逐点测定，每个测点读数三次，逢5的倍数记录； 测定时先测测点的相对压力，然后测巷道断面平均风速和断面尺寸，最后测

9、温度与湿度。一一测量直至测完。,（3）注意事项 校正用的气压计最好放在井底车场附近； 在实际测定通风阻力时，一般用机械风表和湿度计测测点的平均风速和湿度； 测定最好选在天气晴朗、气压变化小和通风状况比较稳定的时间内进行。 5、测定方法的选择（压差计和气压计法的优缺点） 用压差计法测量通风阻力时，只测定压差计读数和动压差值，就可以测量出该段通风阻力、不需要测算位压、整理数据比较简单，测量结果比较精确，一般不会返工，所以在标定井巷风阻和计算摩擦阻力系数时，多采用压差计法。但这种方法收放胶皮管的工作量很大，尤其是在回采工作面、井筒内或者行人困难的井巷及特长距离巷道，不宜采用此法。,用气压计法测量通风

10、阻力，不需要收放胶皮管和静压管，测定简单。由于矿井通风综合参数检测仪有记忆功能，在井下用一台就可以将阻力测量的所有参数测出，省时省力，操作简单。但位压很难测算，精度较差，故一般适用于无法收放胶皮管或大范围测量矿井通风阻力分布的场合。,二、数据处理及可靠性检查,1、测定数据的处理 （1）井巷平均风速的计算 V真=a+bV表 V实 = kV真 , K=1.14 S 实测巷道断面，m2； c 常数，正常取0.4，巷中有皮带时取0.8,（2）空气密度计算 根据各测点的大气参数和干、湿温度值，查表在标准大气压下不同温度时的饱和水蒸气量、饱和水蒸气压力表，得到各测点的饱和水蒸气的压力P饱，再查表由风扇湿度

11、计读数值查相对湿度得到各测点的相对湿度值后，代入密度计算公式测出各点的密度值。（精确到小数点后3位）。 各测点的动压直接用测点的密度值计算，计算位压差是应用两侧点的密度平均值。,（3）风量Q的计算 相邻两测点风量相差不大或者是均匀漏风的情况下，两侧点的平均风量为他们的平均值。 相邻两侧点间如有较大集中漏风和风流的分叉、混合时，只能在其前后分别计算平均风量。 在进行风量平衡时，所有风量都要换算成矿井空气标准状态下的风量。,（4）通风阻力h阻计算 用压差计法时相邻两侧点的阻力计算按式： h阻=KL+ h动 用气压计法计算通风阻力 h阻1-2=（h读1-h读2）-（ h读1-h读2 ）+ h位+ h

12、动 （5）通风系统总阻力h总的计算 h总= h阻1-2 + h阻2-3 + h阻3-4 + h阻n-n+1 （6）测点的相对总压能h总i计算 h总i = h静i + h位i + h动i,2、测定结果可靠性检查 测点资料汇总以后，应对全系统或个别地段测定结果进行检查校验。 （1）风量的校验 换算成标准矿井空气状态下的风量，根据“在密度不变的情况下，流进汇总点或闭合风路的风量，等于流出汇总点或闭合风路的风量”的原则进行风量比较，其误差不能超过所用风表的允许误差值。如果误差过大，则应分析查明原因，必要时进行局部或全部重新测定。 （2）通风阻力的校验 根据闭合风路中，每一条风路的通风阻力累计值相等的原

13、则校验，相差不应超过5%。 测量全矿井的总阻力时最好利用通风机房内的水柱计读数校验。通过压差计的读数及测定风机出风口的动压和自然风压，计算出全矿井的通风阻力，在与累计的总阻力相比较，误差不应超过5%。,三、矿井通风阻力测定报告的编写,为日后矿井通风管理，通风系统改造、矿井通风自动化、通风系统设计和均压调节控制火灾提供可靠的技术数据。 矿井通风阻力测定报告的编写内容主要有： 1、矿井概况 主要介绍矿井煤层赋存状况，井田开拓、采煤方法、回采工艺、各井巷的特征参数、支护形式及井巷标高、矿井生产系统等，并附有全矿井生产系统图。 2、通风安全概况 主要介绍矿井瓦斯的涌出量，煤层自然发火倾向性，煤尘爆炸指

14、数，水文地质情况等安全基础资料。各主要用风地点的风量和质量，矿井总进风量和总回风量，通风机工况，通风机房压差计读数。矿井通风方式、通风方法、通风网路以及通风构筑物的数量和位置，全矿井火区的数量和位置以及矿井通风系统，并附有矿井通风系统图和通风网络图。,3、测量计划和步骤 、测定方法 根据测量目的选择的测量方法，并附有测点原理布置图。 、仪器准备 以表格的形式列出仪器的数量、型号、使用状态，并将仪器编号与使用人员对应一致。 、人员组织和任务分配 主要分测风组、测压组、测断面尺寸组、数据记录组、通讯联络组和安全指挥组。每个测定小组必须由上述人员56人 组成。要附有任务分配表、基础数据表格。 、测点

15、线路的选择 在通风系统图上标明所有测量地段、路线、测点，并且要依次编号，注明测定路线上的局部通风机、调节风门、风桥和其它障碍物。具体要求参照通风阻力测定方法。 、井下测量 根据测量的目的和测量方法，参照通风阻力测量步骤，沿着测量路线，简要说明测量过程和临时修改的测点原因。,4、资料汇总与计算 计算的数据包括每一个测点的密度、风速、断面积、风量、动压、位压、静压、相对压力、两测点的通风阻力、最大阻力路线上的总阻力、井巷风阻、摩擦阻力系数等，并要有具体的计算过程，并将结果绘制成表。 5、误差分析 、通风机工况变化误差分析 、测量仪器和测量技术误差分析。 、测点布置合理性（主要分析小阻力段在风流变化

16、地段）误差分析。 、井巷标高和断面计算时的误差分析。,6、绘制压力坡度线图和压能图 7、测定结果分析 衡量矿井通风管理水平； 分析矿井通风系统存在的问题，提出改进意见； 均压调节火区效果分析； 主要通风机的安全运行分析。,任务2 摩擦阻力产生原因分析,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)。 由流体力学可知，无论层流还是紊流，以风流压能损失来反映的摩擦阻力可用下式(达西定律)来计算： Pa （非严格理论式） 无因次系数，即沿程阻力系数，通过实验求得。 d 圆形风管直径，非圆形管用当量直径。,1尼古拉兹实验 实

17、际流体在流动过程中，沿程能量损失一方面（内因）取决于粘滞力和惯性力的比值，用雷诺数Re来衡量；另一方面（外因）是固体壁面对流体流动的阻碍作用，故沿程能量损失又与管道长度、断面形状及大小、壁面粗糙度有关。其中壁面粗糙度的影响通过值来反映。 19321933年间，尼古拉兹把经过筛分、粒径为的砂粒均匀粘贴于管壁。砂粒的直径与管道半径r的比值/r 称为相对糙度。以水作为流动介质、对相对糙度分别为1/15、1/30.6、1/60、1/126、1/256、1/507六种不同的管道进行试验研究。对实验数据进行分析整理，在对数坐标纸上画出与Re的关系曲线，如下图所示。,区层流区。当Re2320(即lgRe3.

18、36)时，不论管道粗糙度如何，其实验结果都集中分布于直线上。这表明与相对糙度/r无关，只与Re有关，且=64/Re， 随Re增大而减小。与相对粗糙度无关。,结论分析：,I区,区水力光滑区。 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，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。,区临界区 2320Re4000(即3.36lgRe3.6)，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。所有的实验点几乎都集中在线段上。随Re增大而增大

19、，与相对糙度无明显关系。,区水力粗糙区。在该区段，Re值较大，管内液流的层流边层已变得极薄，有，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。,区紊流过渡区，即图中所示区段。在这个区段内，各种不同相对糙度的实验点各自分散呈一波状曲线，值既与Re有关，也与/r有关。,2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： = 层流摩擦阻力和平均流速和风量的一次方成正比。 3、紊流摩擦阻力 对于紊流运动，=f (Re，/r)，关系比较复杂。用当量直径Re=4S/U代替d，代入阻力

20、通式，则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式：,二、摩擦阻力系数与摩擦风阻 1摩擦阻力系数 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：,巷道摩擦阻力系数计算方法,（1）通过大量实验和实测所得的、在标准状态（。=1.2kg/m3）下的井巷的摩擦阻力系数，即所谓标准值。值，见附录1。当井巷中空气密度1.2kg/m3时，其值应进行修正：,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,6,8,10,12,14,16,18,v=6m/s; Re=146000,v=14m/s;Re=340000,对于木棚子

21、，工字钢，U形钢和混凝土棚等支护巷道，其粗糙度用纵口径来表示。,（2） 对于实测巷道的摩擦阻力系数由下式计算,2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。 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R f 看作是反映井巷几何特征的参数，它反映了井巷通风的难易程度。 则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为： 此式就是完全紊流下的摩擦阻力定律。 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

22、 0,例 某设计巷道为梯形断面，S=8m2，L=1000m，采用工字钢棚支护，金属梁截面高度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，求该段巷道的摩擦阻力。 解 根据所给的d0、S值，由附录5附表5-4查得: 0 =284.21040.88=0.025Ns2/m4 断面校正系数 则：巷道实际摩擦阻力系数 Ns2m4 巷道摩擦风阻 巷道摩擦阻力,作业： 1、简述摩擦阻力产生的原因。 2、已知某主要运输巷道长1000m，用无底梁木支架支护，摩擦阻力系数为0.0147Ns2/m4,巷道静断面S为5m2，周界长U为9.3m，巷道中通过的风

23、量Q=30 m3s，试求该段巷道的摩擦风阻和摩擦阻力。,任务3 局部阻力成因及其分析 在风流运动过程中，由于边壁条件的变化，风流在局部地区受到局部阻力物（如巷道断面的突然变化、各种拐弯，风流分岔或汇合，断面堵塞等）的影响，引起风流流速大小、方向和分布的突然变化，导致风流本身产生很大的冲击，形成极为紊乱的涡流，造成风流能量损失。这种均匀稳定风流经过某些局部地点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,几种常见的局部阻力

24、产生的类型： 、断面突变 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 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，形成涡漩。,、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。 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。,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

25、状，而边壁的粗糙程度为次要因素。详见附录2,(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。,某水平巷道用皮托管和压差计测得1-2及1-3之间的阻力分别为295Pa和440Pa，巷道的断面面积均等于6，周长为10m，通过的风量为40ms，求巷道的摩擦阻力系数及拐弯处得局部阻力系数。,任务4 矿井总风阻与矿井等积孔 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 = （R摩+R局）Q2 Pa 。 对于特定井巷，R为定值。用纵坐标表

26、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。井巷风阻R越大，曲线越陡。,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； 三、矿井等积孔 用矿井总风阻表示矿井通风难易程度，不够形象，且单位复杂。 我国常用矿井等积孔作为衡量矿井通风

27、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。,设当空气自左向右流经此孔时，无阻力，无能量损失，并设当空气从此孔流出后，在其流线断面最小处(虚线位置)的流速为V2 (m/s)，则这个理想孔左、右两侧的静压差可全部变为速压(静压能全部转化为动能)，由此可得： 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v2Q/A2=Q/0.65A，代入上式后并整理得： 取=1.2kg/m3，则： 因Rm=hm2，故有

28、 由此可见，A是Rm的函数，故可以表示矿井通风的难易程度。表3-4-1。,矿井等积孔的计算：,A2,表3-4-1 矿井通风难易程度分级,矿井等积孔分级标准： 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；A2m2，通风容易。,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 对照表3-4-1可知，该矿通风难易程度属中等。 1、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3-4-

29、1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，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。,对于多台通风机工作的矿井的等积孔的计算 根据全矿井总功率等于各台主要通风机工作系统功率之和的原理计算出总阻力，而总风量等于各台主要通风机风路上的风量之和。即有：,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

30、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。,矿井通风容易困难状况判断：,第五节 降低矿井通风阻力措施 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。 一、降低井巷摩擦阻力措施 井巷通风阻力是引起风压损失的主要根源，因此降低井巷通风阻力，特别是降低摩擦阻力,就能用较少的风压消耗而通过较多的风量。 根据hf(LU/S3) Q2的关系式可以看出，保证一定风量，降低摩擦阻力的方法就是降低摩擦风阻，根据影响Rf的各因素，降低摩擦阻力的主要措施有：,1）降低R与成正比，而主要决定于巷道粗糙度，因此降低，就应尽量使巷道光滑。当采用棚子支护巷道时，要很好地刹帮背顶，在无支护的巷道，要注意尽可能把顶底板及两帮修整好；对于井下的主要巷道，采用料石或混凝土砌璇，特别是采用锚杆支护技术时，更能有效地使系数减小。 2）扩大巷道断面S因R与S成反比，所以扩大巷道断面有时成为降低摩擦阻力的主要措施。由于摩擦阻力又与风量的平方成正比，因此在采用这种措施时，应抓主要矛盾，即首先应考虑风量大、断面小的总回风道