項(xiàng)目三 井下空氣壓力測(cè)定及分析

1、項(xiàng)目三 井下空氣壓力測(cè)定與分析 任務(wù)1 測(cè)定并分析空氣壓力能力目標(biāo)：能力目標(biāo)：1、會(huì)測(cè)算空氣的密度；2、會(huì)計(jì)算井下風(fēng)流中某點(diǎn)的壓力值；3、會(huì)測(cè)定井巷斷面某一點(diǎn)的各種壓力；4、會(huì)利用速壓的物理意義測(cè)算井巷的風(fēng)速和井巷斷面的速度場(chǎng)系數(shù)。知識(shí)目標(biāo)：知識(shí)目標(biāo)：1、能理解并陳述空氣的密度、比容、壓力（壓強(qiáng)）、黏性等基本概念和表達(dá)式；2、能解釋概述風(fēng)流靜壓能、動(dòng)能、位能和空氣的靜壓、動(dòng)壓、位壓的概念，并能解釋其相互關(guān)系；3、理解并能解釋抽出式通風(fēng)、壓入式通風(fēng)礦井中壓力之間的關(guān)系；4、能概述各種測(cè)壓儀器的構(gòu)造、原理和使用方法。項(xiàng)目目標(biāo)項(xiàng)目三 井下空氣壓力測(cè)定與分析 一、空氣的主要物理參數(shù)一、空氣的主要物理參

2、數(shù) （一）空氣的密度（一）空氣的密度單位體積空氣所具有的質(zhì)量稱為空氣的密度，用來表示。即： （3-1）式中 空氣的密度，kg/m3； M空氣的質(zhì)量，kg； V空氣的體積，m3。VM=在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀況下（P101325Pa，tO， 0% ） ， 干空氣的密度為干空氣的密度為1.293 kg/m3。 濕空氣密度的計(jì)算公式為：濕空氣密度的計(jì)算公式為： 濕0.003484 （10.378TPPP飽式中 P空氣的壓力，Pa； T熱力學(xué)溫度（T273+t），K； t 空氣的溫度，； 相對(duì)濕度，%； P飽溫度為t（）時(shí)的飽和水蒸氣壓力，pa。 由上式可見，壓力越大，溫度越低，空氣密度越大。當(dāng)壓力和溫度一定時(shí)，

3、濕空氣的密度總是小于干空氣的密度。 一般將空氣壓力為101325Pa，溫度為20，相對(duì)濕度為60%的礦井空氣稱為標(biāo)準(zhǔn)礦井空氣，其密度為標(biāo)準(zhǔn)礦井空氣，其密度為1.2kg/m1.2kg/m3 3。 （二）空氣的比容（二）空氣的比容 單位質(zhì)量空氣所占有的體積叫空氣的比容，用單位質(zhì)量空氣所占有的體積叫空氣的比容，用 （m m3 3/kg/kg）表示，）表示，比容和密度互為倒數(shù)比容和密度互為倒數(shù)，它們是一個(gè)狀，它們是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)的兩種表達(dá)方式。即：態(tài)參數(shù)的兩種表達(dá)方式。即： 1MV （三）空氣的壓力（壓強(qiáng)）三）空氣的壓力（壓強(qiáng)） 氣體作用在單位面積上的力稱為空氣的壓力，用氣體作用在單位面積上的力稱為空氣

4、的壓力，用P P表示表示。 空氣壓力的單位為帕斯卡（Pa），簡(jiǎn)稱帕，1 Pa=1N/m2。壓力較大時(shí)還有千帕（KPa）、兆帕（MPa），1MPa=103KPa=106 Pa。有的壓力儀器也用百帕（hPa）表示，1hPa=100Pa。 地面空氣壓力習(xí)慣稱為大氣壓。由于地球周圍大氣層的厚度高達(dá)數(shù)千千米，越靠近地表空氣密度越大，空氣分子數(shù)越多，分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能越大，所以大氣壓力也越大。 此外，大氣壓力還與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件有關(guān)，即便是同一地區(qū)，也會(huì)隨季節(jié)不同而變化，甚至一晝夜內(nèi)都有波動(dòng)。 （四）空氣的粘性四）空氣的粘性 當(dāng)流體以任一流速在管道中流動(dòng)時(shí)，靠近管道中心的流層流速快，靠近管道壁的流層流速慢

5、，相鄰兩流層之間的接觸面上便產(chǎn)生粘性阻力（內(nèi)摩擦力），以阻止其相對(duì)運(yùn)動(dòng)，流體具有的這一性質(zhì)，稱為流體的粘性。 在礦井通風(fēng)中，用動(dòng)力粘性系數(shù)和運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)（m2/s）表示空氣粘性大小。 流體的粘性隨溫度和壓力的變化而變化。對(duì)空氣而言，粘性系數(shù)隨溫度的升高而增大，壓力對(duì)粘性系數(shù)的影響可以忽略。 當(dāng)溫度為20，壓力為0.1MPa時(shí)，空氣的動(dòng)力粘性系數(shù)=1.80810-5 Pas；運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù) =1.50110-5 m2/s。 二二 、風(fēng)流的能量及壓力、風(fēng)流的能量及壓力 礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，風(fēng)流在井巷某斷面上所具有的總機(jī)械礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，風(fēng)流在井巷某斷面上所具有的總機(jī)械能（包括靜壓能、動(dòng)能和位能）及內(nèi)能之

6、和叫做能（包括靜壓能、動(dòng)能和位能）及內(nèi)能之和叫做風(fēng)流的能量風(fēng)流的能量。 單位體積空氣所具有的能夠?qū)ν庾龉Φ臋C(jī)械能就是單位體積空氣所具有的能夠?qū)ν庾龉Φ臋C(jī)械能就是壓力壓力。 能量與壓力即有區(qū)別又有聯(lián)系，除了內(nèi)能是以熱的形式能量與壓力即有區(qū)別又有聯(lián)系，除了內(nèi)能是以熱的形式存在于風(fēng)流中外，其它三種能量一般通過壓力來體現(xiàn)，也存在于風(fēng)流中外，其它三種能量一般通過壓力來體現(xiàn)，也就就是說井巷任一通風(fēng)斷面上存在的是說井巷任一通風(fēng)斷面上存在的靜壓能、動(dòng)能靜壓能、動(dòng)能和和位能位能可用可用靜壓、動(dòng)壓、位壓靜壓、動(dòng)壓、位壓來呈現(xiàn)。來呈現(xiàn)。 （一）靜壓能一）靜壓能靜壓靜壓 1 1、靜壓能與靜壓的概念、靜壓能與靜壓的概念

7、 由分子熱運(yùn)動(dòng)理論可知，不論空氣處于靜止?fàn)顟B(tài)還是流由分子熱運(yùn)動(dòng)理論可知，不論空氣處于靜止?fàn)顟B(tài)還是流動(dòng)狀態(tài)，空氣分子都在做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。這種由空氣分子動(dòng)狀態(tài)，空氣分子都在做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。這種由空氣分子熱運(yùn)動(dòng)而使單位體積空氣具有的對(duì)外做功的機(jī)械能量叫熱運(yùn)動(dòng)而使單位體積空氣具有的對(duì)外做功的機(jī)械能量叫靜壓靜壓能，能，用用E E靜靜表示（表示（J/mJ/m3 3）。）。 空氣分子熱運(yùn)動(dòng)不斷地撞擊器壁所呈現(xiàn)的壓力（壓強(qiáng)）空氣分子熱運(yùn)動(dòng)不斷地撞擊器壁所呈現(xiàn)的壓力（壓強(qiáng)）稱為靜壓力，簡(jiǎn)稱稱為靜壓力，簡(jiǎn)稱靜壓靜壓，用，用P P靜靜表示（表示（N/mN/m2 2，即，即PaPa）。）。 由于靜壓是靜壓能的體現(xiàn)

8、，二者分別代表著空氣分子熱由于靜壓是靜壓能的體現(xiàn)，二者分別代表著空氣分子熱運(yùn)動(dòng)所具有的外在表現(xiàn)和內(nèi)涵，所以在運(yùn)動(dòng)所具有的外在表現(xiàn)和內(nèi)涵，所以在數(shù)值上大小相等數(shù)值上大小相等，靜，靜壓是靜壓能的等效表示值。壓是靜壓能的等效表示值。 2 2、靜壓的特點(diǎn)、靜壓的特點(diǎn) （1）只要有空氣存在，不論是否流動(dòng)都會(huì)呈現(xiàn)靜壓； （2）由于空氣分子向器壁撞擊的機(jī)率是相同的，所以風(fēng)流中任一點(diǎn)的靜壓各向同值，且垂直作用于器壁； （3）靜壓是可以用儀器測(cè)量的，大氣壓力就是地面空氣的靜壓值. 3 3、空氣壓力的兩種測(cè)算基準(zhǔn)、空氣壓力的兩種測(cè)算基準(zhǔn)（1）絕對(duì)壓力：以真空為基準(zhǔn)測(cè)算的壓力稱為絕對(duì)壓力，用P表示。由于以真空為零點(diǎn)

9、，有空氣的地方壓力都大于零，所以絕對(duì)壓力總是正值。（2）相對(duì)壓力：以當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)同標(biāo)高的大氣壓力為基準(zhǔn)測(cè)算的壓力稱為相對(duì)壓力，用h表示。對(duì)于礦井空氣來說，井巷中空氣的相對(duì)壓力h就是其絕對(duì)壓力P與當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)同標(biāo)高的地面大氣壓力P0的差值。 （二）動(dòng)能二）動(dòng)能動(dòng)壓動(dòng)壓 1 1、動(dòng)能與動(dòng)壓的概念、動(dòng)能與動(dòng)壓的概念 空氣做定向流動(dòng)時(shí)具有動(dòng)能，用E動(dòng)表示（J/m3），其動(dòng)能所呈現(xiàn)的壓力稱為動(dòng)壓（或速壓），用h動(dòng)（或h速）表示，單位Pa。 2 2、動(dòng)壓的計(jì)算式、動(dòng)壓的計(jì)算式 設(shè)某點(diǎn)空氣密度為（kg/m3），定向流動(dòng)的流速為v（m/s），則單位體積空氣所具有的動(dòng)能為E動(dòng)，E動(dòng)對(duì)外所呈現(xiàn)的動(dòng)壓為： h動(dòng)動(dòng)221vP

10、a 3 3、動(dòng)壓的特點(diǎn)、動(dòng)壓的特點(diǎn) （1）只有做定向流動(dòng)的空氣才呈現(xiàn)出動(dòng)壓； （2）動(dòng)壓具有方向性，僅對(duì)與風(fēng)流方向垂直或斜交的平面施加壓力。垂直流動(dòng)方向的平面承受的動(dòng)壓最大，平行流動(dòng)方向的平面承受的動(dòng)壓為零； （3）在同一流動(dòng)斷面上，因各點(diǎn)風(fēng)速不等，其動(dòng)壓各不相同； （4）動(dòng)壓無絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力之分，總是大于零。 （三）位能三）位能位壓位壓 1、位能與位壓的概念 單位體積空氣在地球引力作用下，由于位置高度不同而具有的一種能量叫位能，用E位（J/m3）表示。 位能所呈現(xiàn)的壓力叫位壓，用P位（Pa）表示。 需要說明的是，位能和位壓的大小，是相對(duì)于某一個(gè)參照基準(zhǔn)面而言的，是相對(duì)于這個(gè)基準(zhǔn)面所具有的

11、能量或呈現(xiàn)的壓力。2 2、位壓的計(jì)算式、位壓的計(jì)算式 VMgZP1212位12gZ12，Pa 3 3、位壓的特點(diǎn)、位壓的特點(diǎn)（1）位壓只相對(duì)于基準(zhǔn)面存在，是該斷面相對(duì)于基準(zhǔn)面的位壓差?；鶞?zhǔn)面的選取是任意的，因此位壓可為正值，也可為負(fù)值。為了便于計(jì)算，一般將基準(zhǔn)面設(shè)在所研究系統(tǒng)風(fēng)流的最低水平。（2）位壓是一種潛在的壓力，不能在該斷面上呈現(xiàn)出來。在靜止的空氣中，上斷面相對(duì)于下斷面的位壓，就是下斷面比上斷面靜壓的增加值，可通過測(cè)定靜壓差來得知。（3）位壓和靜壓可以相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)空氣從高處流向低處時(shí)，位壓轉(zhuǎn)換為靜壓；反之，當(dāng)空氣由低處流向高處時(shí)，部分靜壓將轉(zhuǎn)化成位壓。（4）不論空氣是否流動(dòng)，上斷面相對(duì)于

12、下斷面的位壓總是存在的。 （四）全壓、勢(shì)壓和總壓力四）全壓、勢(shì)壓和總壓力 礦井通風(fēng)中，為了研究方便，常把風(fēng)流中某點(diǎn)的靜壓與動(dòng)壓之和稱為全壓； 將某點(diǎn)的靜壓與位壓之和稱為勢(shì)壓； 把井巷風(fēng)流中任一斷面（點(diǎn)）的靜壓、動(dòng)壓、位壓之和稱為該斷面（點(diǎn)）的總壓力。 井巷風(fēng)流中兩斷面上存在的能量差即總壓力差是風(fēng)流之所以能夠流動(dòng)的根本原因，空氣的流動(dòng)方向總是從總壓力大處流向總壓力小處，而不是取決于單一的靜壓、動(dòng)壓或位壓的大小。三、空氣壓力的測(cè)定三、空氣壓力的測(cè)定 （一）測(cè)壓儀器（一）測(cè)壓儀器 在礦井通風(fēng)測(cè)量?jī)x器中，測(cè)定空氣壓力的便攜式儀 器有三類： 1）測(cè)量絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力的氣壓計(jì)氣壓計(jì)； 2）是測(cè)量相對(duì)壓力相

13、對(duì)壓力的壓差計(jì)壓差計(jì)和皮托管皮托管； 3）可同時(shí)測(cè)定絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力的精密氣壓計(jì)精密氣壓計(jì)或 礦井通風(fēng)綜合參數(shù)檢測(cè)儀礦井通風(fēng)綜合參數(shù)檢測(cè)儀等。1、絕對(duì)壓力測(cè)量?jī)x器 最常用的是最常用的是空盒氣壓計(jì)空盒氣壓計(jì) 空盒氣壓計(jì)空盒氣壓計(jì) 常用的DYM3型空盒氣壓計(jì)的測(cè)壓范圍為80000108000Pa，最小分度為10Pa，經(jīng)過校正后的測(cè)量誤差不大于200Pa。因精度較低，一般只適用于粗略測(cè)量和空氣密度測(cè)算。2 2、相對(duì)壓力測(cè)量?jī)x器、相對(duì)壓力測(cè)量?jī)x器 測(cè)量井巷中（或管道內(nèi)）某點(diǎn)的相對(duì)壓力或兩點(diǎn)的壓力差時(shí)，一般需要用皮托管配合壓差計(jì)來進(jìn)行。壓差計(jì)有U形壓差計(jì)、單管傾斜壓差計(jì)、補(bǔ)償式微壓計(jì)

14、等。1 1）皮托管）皮托管 皮托管是承受和傳遞壓力的工具。它由兩個(gè)同心圓管相套組成，其結(jié)構(gòu)如圖所示。內(nèi)管前端有中心孔，與標(biāo)有“+”號(hào)的接頭相通；外管前端側(cè)壁上分布有一組小孔，與標(biāo)有“-”號(hào)的接頭相通，內(nèi)外管互不相通。 U型傾斜壓差計(jì)型傾斜壓差計(jì)2 2）U U形壓差計(jì)形壓差計(jì)有U形垂直壓差計(jì)和U形傾斜壓差計(jì)兩種，構(gòu)造如圖所示。單管傾斜壓差計(jì)單管傾斜壓差計(jì)3 3）單管傾斜壓差計(jì)）單管傾斜壓差計(jì) 補(bǔ)償式微壓計(jì)補(bǔ)償式微壓計(jì)4 4）補(bǔ)償式微壓計(jì)）補(bǔ)償式微壓計(jì) 礦井通風(fēng)參數(shù)檢測(cè)儀礦井通風(fēng)參數(shù)檢測(cè)儀3 3、礦井通風(fēng)綜合參數(shù)檢測(cè)儀、礦井通風(fēng)綜合參數(shù)檢測(cè)儀 技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)測(cè)量范圍測(cè)量范圍測(cè)量分辨率測(cè)量分辨率測(cè)

15、量精度測(cè)量精度絕對(duì)壓力（絕對(duì)壓力（PaPa）8000012000010100壓差（壓差（PaPa）29230.989.8溫度（溫度（）-30+400.10.5相對(duì)濕度（相對(duì)濕度（%）50991.04.0風(fēng)速（風(fēng)速（m/sm/s）0.6150.10.64(0.22%風(fēng)速值)415(0.52%風(fēng)速值)時(shí)間時(shí)間月、日、時(shí)、分、秒JFYJFY型礦井通風(fēng)綜合參數(shù)檢測(cè)儀技術(shù)參數(shù)表型礦井通風(fēng)綜合參數(shù)檢測(cè)儀技術(shù)參數(shù)表 （二）風(fēng)流點(diǎn)壓力的測(cè)量及壓力關(guān)系（二）風(fēng)流點(diǎn)壓力的測(cè)量及壓力關(guān)系1、風(fēng)流點(diǎn)壓力、風(fēng)流點(diǎn)壓力 點(diǎn)壓力點(diǎn)壓力靜壓靜壓動(dòng)壓動(dòng)壓全壓全壓絕對(duì)靜壓（絕對(duì)靜壓（P靜靜)相對(duì)靜壓（相對(duì)靜壓（h靜靜）h動(dòng)動(dòng)（無

16、絕對(duì)、相對(duì)之分）（無絕對(duì)、相對(duì)之分）絕對(duì)全壓（絕對(duì)全壓（P全全）相對(duì)全壓（相對(duì)全壓（h全全） 2 2、絕對(duì)壓力的測(cè)量及其相互關(guān)系、絕對(duì)壓力的測(cè)量及其相互關(guān)系 1 1）絕對(duì)靜壓）絕對(duì)靜壓P P 靜靜的測(cè)定的測(cè)定 井巷風(fēng)流中某點(diǎn)的絕對(duì)靜壓一般用空盒氣壓計(jì)、精密氣壓計(jì)或礦井通風(fēng)綜合參數(shù)測(cè)定儀測(cè)定。 2 2）動(dòng)壓）動(dòng)壓h h 動(dòng)動(dòng)的測(cè)定的測(cè)定 有兩種方法： （1）在通風(fēng)井巷中，一般用風(fēng)表測(cè)出該點(diǎn)的風(fēng)速，利用式（2-9）計(jì)算動(dòng)壓。 （2）在通風(fēng)管道中，可利用皮托管和壓差計(jì)直接測(cè)出該點(diǎn)的動(dòng)壓。如圖所示。 3 3）絕對(duì)全壓的測(cè)定）絕對(duì)全壓的測(cè)定 測(cè)出某點(diǎn)的絕對(duì)靜壓P靜和動(dòng)壓h動(dòng)之后，用下式計(jì)算該點(diǎn)的絕對(duì)全壓

17、P全： 不論抽出式通風(fēng)還是壓入式通風(fēng)，某一點(diǎn)的絕對(duì)全壓等于絕對(duì)靜壓與動(dòng)壓的代數(shù)和。因動(dòng)壓為正值，所以絕對(duì)全壓大于絕對(duì)靜壓。 P P全全P P靜靜h h動(dòng)動(dòng)3 3、相對(duì)壓力的測(cè)量及其相互關(guān)系、相對(duì)壓力的測(cè)量及其相互關(guān)系 風(fēng)流中某點(diǎn)的相對(duì)壓力常用皮托管和壓差計(jì)測(cè)定，其布置方法如圖所示。 左圖為壓入式通風(fēng)，右圖為抽出式通風(fēng)。 1 1）壓入式通風(fēng)中相對(duì)壓力的測(cè)量及相互關(guān)系）壓入式通風(fēng)中相對(duì)壓力的測(cè)量及相互關(guān)系相對(duì)靜壓：h靜P靜P0 相對(duì)全壓：h全P全P0 動(dòng) 壓：h動(dòng)P全P靜 相對(duì)全壓：h全P全P0 （P靜h動(dòng)）P0 （P靜P0）h動(dòng) h靜h動(dòng) 結(jié)論：就相對(duì)壓力而言，壓入式通風(fēng)風(fēng)流中某點(diǎn)的相對(duì)全結(jié)論：

18、就相對(duì)壓力而言，壓入式通風(fēng)風(fēng)流中某點(diǎn)的相對(duì)全壓等于相對(duì)靜壓與動(dòng)壓的代數(shù)和。壓等于相對(duì)靜壓與動(dòng)壓的代數(shù)和。 2 2）抽出式通風(fēng)中相對(duì)壓力的測(cè)量及相互關(guān)系）抽出式通風(fēng)中相對(duì)壓力的測(cè)量及相互關(guān)系h h靜靜P P0 0P P靜靜 或或 - -h h靜靜P P靜靜P P0 0h h全全P P0 0P P全全 或或 - -h h全全P P全全P P0 0h h動(dòng)動(dòng)P P全全P P靜靜 h h全全P P0 0P P全全 P P0 0（P P靜靜h h動(dòng)動(dòng)） （P P0 0P P靜靜）h h動(dòng)動(dòng) h h靜靜h h動(dòng)動(dòng) 結(jié)論：就相對(duì)壓力而言，抽出式通風(fēng)風(fēng)流中某點(diǎn)的結(jié)論：就相對(duì)壓力而言，抽出式通風(fēng)風(fēng)流中某點(diǎn)的相對(duì)全壓等于相對(duì)靜壓減去動(dòng)壓。相對(duì)全壓等于相對(duì)靜壓減去動(dòng)壓。 例1、在壓入式通風(fēng)風(fēng)筒中，測(cè)得風(fēng)流中某點(diǎn)的相在壓入式通風(fēng)風(fēng)筒中，測(cè)得風(fēng)流中某點(diǎn)的相對(duì)靜壓對(duì)靜壓h h靜靜1200Pa1200Pa，動(dòng)壓，動(dòng)壓h h動(dòng)動(dòng)100Pa100Pa，風(fēng)筒外與，風(fēng)筒外與該點(diǎn)同標(biāo)高的大氣壓力該點(diǎn)同標(biāo)高的大氣壓力P P0 098000Pa98000Pa，求該點(diǎn)的，求該點(diǎn)的P P靜靜、h h全全、P P全全分別是多少？分別是多少？解：解：（1）P靜P0h靜98000120096800 Pa （2）h全h靜h動(dòng)12001001100 Pa （3）P全P0h全98000110096900 Pa 或P全P靜h動(dòng)