礦井通風與安全-3_通風阻力

1、礦井通風與安全礦井通風與安全中國礦業(yè)大學中國礦業(yè)大學本章目錄第一節(jié) 風流的流動狀態(tài)第二節(jié) 摩擦阻力一、摩擦阻力的意義和理論基礎二、完全紊流狀態(tài)下的摩擦阻力定律三、層流狀態(tài)下的摩擦阻力定律四、摩擦阻力的計算方法五、降低摩擦阻力的措施第三節(jié) 局部阻力一、局部阻力的概念二、局部阻力定律三、局部阻力的計算方法四、降低局部阻力的措施第四節(jié) 通風阻力定律和特性一、通風阻力定律二、井巷的通風特性三、風流的功率與電耗本章目錄第五節(jié) 通風阻力測量一、通風阻力測量的內(nèi)容與意義二、用傾斜壓差計測算井巷的風阻三、用傾斜壓差計測算井巷的摩擦阻力系數(shù)四、用氣壓計測算井巷的風阻五、測算礦井的通風總阻力和總風阻 本章目錄第三

2、章第三章 井巷通風阻力井巷通風阻力風流流動時，必須具有一定的能量(通風壓力)，用以克服井巷及空氣分子之間的摩擦對風流所產(chǎn)生的阻力。通風壓力克服通風阻力，兩者因次相同，數(shù)值相等，方向相反。知道通風阻力的大小就能確定所需通風壓力的大小。在礦井通風中，存在著摩擦阻力和局部阻力摩擦阻力和局部阻力，必須分析研究它們的特性、測定方法以及降低措施等，從而作為選擇通風設備，進行通風管理與設計的依據(jù)。這在通風設計中尤其重要。 3.1 風流的流態(tài)風流的流態(tài)n流體產(chǎn)生的阻力與流體流動過程中的狀態(tài)有關。流體流動時有兩種狀態(tài)；一種是流體呈層狀流動，各層間流體互不混合，流體質(zhì)點流動的軌跡為直線或有規(guī)則的平滑曲線，這一狀態(tài)

3、稱為層流層流。在流速很小、管徑很小、或粘性較大的流體流動時會發(fā)生層流。n另一種是流體流動時，各部分流體強烈地互相混合，流體質(zhì)點的流動軌跡是極不規(guī)則的。除了有沿流體總方向的位移外，還有垂直于液流總方向的位移，流體內(nèi)部存在著時而產(chǎn)生時而消滅的漩渦，這種狀態(tài)稱為紊流紊流。研究層流與紊流的主要意義在于兩種流態(tài)有著不同的阻力定律。雷諾數(shù)雷諾數(shù)n試驗證明，層流與紊流彼此間的轉(zhuǎn)變關系決定于液體的密度、絕對粘性系數(shù)，流體的平均速度V與管道水力直徑d，這些因素的綜合影響可以用雷諾數(shù)來表示為： 式中，運動粘性系數(shù)，m2/s。VdVdRen當Re2000時，流體呈層流流動；n當Re2000時，液流開始向紊流流動過渡

4、；n當Re10000時，流體完全呈現(xiàn)為紊流。 礦井巷道很少為圓形，對于非圓形通風巷道，以4S/U(水力直徑)代替上式中的d，即： 式中，U巷道周界長度，m。 c斷面形狀系數(shù)，梯形斷面c=4.16；三心拱c=3.85；半圓拱c=3.90；圓斷面，c=3.54。USV4Re ScU BBHS)173. 0(半圓拱：BBHS)0867. 0(三心拱： 例：某巷道的斷面S2.5m2，周界U6.58m，風流的14.4106m2/s，試計算出風流開始出現(xiàn)紊流時的平均風速？解：當風流開始出現(xiàn)紊流時，則其Re2000，當完全紊流時， Re10000，因此：由于煤礦中大部分巷道的斷面均大于2.5m2，井下巷道中

5、的最低風速均在0.25米/秒以上，所以說井巷中的風流大部為紊流，很少為層流。 smSUV/19.05.24104.1458.620004Re6smSUV/95.05.24104.1458.6100004Re63.2 摩摩 擦擦 阻阻 力力n一、摩擦阻力及影響因素n風流在井巷中作均勻流動時，沿程受到井巷固定壁面的限制，引起內(nèi)外摩擦，因而產(chǎn)生阻力，這種阻力，叫做摩摩擦阻力擦阻力。所謂均勻流動是指風流沿程的速度和方向都不變，而且各斷面上的速度分布相同。流態(tài)不同的風流，摩擦阻力hfr的產(chǎn)生情況和大小也不同。一般情況下，摩擦阻力要占能量方程中通風阻力的8090，它是礦井通風設計，選擇扇風機的主要參數(shù)，也

6、是生產(chǎn)中分析與改善礦井通風工作的主要對象。n前人實驗得出水流在圓管中的沿程阻力公式（達西公式）是：n式中 實驗比例系數(shù)，無因次；n 水流的密度，kg/m3 ；n L圓管的長度，m； n d圓管的直徑，m；n V管內(nèi)水流的平均速度，m/s。n 尼古拉茲在壁面分別膠結(jié)各種粗細砂粒的圓管中，實驗得出了流態(tài)不同的水流系數(shù)同管壁的粗糙程度、雷諾數(shù)的關系。管壁的粗糙程度用管道的直徑 d (m)和管壁平均突起的高度(即砂粒的平均直徑) k (m)之比來表示。并用閥門不斷改變管內(nèi)水流速度，結(jié)果如圖所示。n試驗結(jié)果可分以下幾種情況：n1) 在lgRe3.3(Re2320)時，即當液體作層流流動，由左邊斜線可以看

7、出，所有試驗點都分布于其上，隨Re的增加而減小，且與管道的相對粗糙度無關，這時與Re的關系式為：64/Ren2) 在3.31gRe5.0(2320Re100000)的范圍內(nèi)，流體由層流向紊流過渡，系數(shù)既和Re有關，也和管壁的粗糙度有關。 n3) 當Re100000時，流體成為紊流流動。與Re無關，只和管壁的粗糙度有關。管壁的粗糙度越大， 系數(shù)就越大。其試驗式為：n礦井巷道中的風流，其性質(zhì)與上面完全一樣，所不同的是礦井巷道的粗糙度較大，在較小的Re時，便開始由層流變?yōu)槲闪?；此外，由于大多?shù)礦井巷道風流的Re均大于100000，故值僅決定于井巷壁的相對粗糙度，而與Re無關。在一定時期內(nèi)，各井巷壁的

8、相對粗糙度可認為不變，因之值即為常量。2)lg74. 1 (1kd二、井巷摩擦阻力計算公式由于礦井巷道極少為圓形，可用當量直徑d4S/U代入沿程阻力公式得：令：是巷道的摩擦阻力系數(shù)，與巷道幫壁的粗糙程度有關。則：23222QSLUSQSLUSLUVhfrn由于礦井中巷道的長度，周界及摩擦阻力系數(shù)在巷道形成后一般變化較小，可看作常數(shù)。再令：nRfr為巷道的摩擦風阻。n這時：n這就是完全紊流情況下的摩擦阻力定律。當巷道風阻一定時，摩擦阻力與風量的平方成正比。823,msNSLURfrPaQRhfrfr,2三、井巷摩擦阻力的計算n例1 某梯形木支架煤巷，長200米，斷面積為4m2，沿斷面的周長為8.

9、3m，巷道摩擦阻力系數(shù)通過查表得到的標準值為0.018Ns2/m4，若通過巷通的風量為960m3/min，試求其摩擦阻力?n解：n答：該巷道的摩擦阻力為119.5Pa。n應當注意，巷道的值隨的改變而改變，在高原地區(qū)，空氣稀薄，當?shù)氐闹敌柽M行校正。校正式如下：PaQSLUhfr5 .119)60960(43 . 8200018. 02323四、降低井巷摩擦阻力的措施n井巷通風阻力是引起風壓損失的主要根源，因此降低井巷通風阻力，特別是降低摩擦阻力就能用較少的風壓消耗而通過較多的風量。許多原來是阻力大，通風困難的礦井，經(jīng)降低阻力后即變?yōu)樽枇π?、通風容易的礦井。n 根據(jù)hfr(LU/S3)Q2的關系式

10、可以看出，保證一定風量，降低摩擦阻力的方法就是降低摩擦風阻，根據(jù)影響Rfr的各因素，降低摩擦阻力的主要措施有： 降低井巷摩擦阻力的措施n1）降低Rfr與成正比，而主要決定于巷道粗糙度，因此降低，就應盡量使巷道光滑。當采用棚子支護巷道時，要很好地剎幫背頂，在無支護的巷道，要注意盡可能把頂?shù)装寮皟蓭托拚?；對于井下的主要巷道，在采用料石或混凝土砌璇，特別是采用錨桿支護技術(shù)時，更能有效地使系數(shù)減小。n2）擴大巷道斷面S因Rfr與S3成反比，所以擴大巷道斷面有時成為降低摩擦阻力的主要措施。由于摩擦阻力又與風量的平方成正比，因此在采用這種措施時，應抓主要矛盾，即首先應考慮風量大、斷面小的總回風道的擴大，

11、其次再考慮其它巷道的擴大。降低井巷摩擦阻力的措施n 3）減少周界長URfr與U成正比，在斷面積相等的條件下，選用周長較小的拱形斷面比周長較大的梯形斷面好。n4）減少巷道長LRfr與L成正比，進行開拓設計時，就應在滿足開采需要的條件下，盡可能縮短風路的長度。例如，當采用中央并列式通風系統(tǒng)，如阻力過大時，即可將其改為兩翼式通風系統(tǒng)以縮短回風路線。n 降低摩擦阻力，還應同時結(jié)合井巷的其它用途與經(jīng)濟等因素進行綜合考慮。如斷面過大，不但不經(jīng)濟，而且也不好維護，反而不如選用雙巷。 3.3 局局 部部 阻阻 力力一、局部阻力的產(chǎn)生風流流經(jīng)井巷的某些局部地點突然擴大或縮小、轉(zhuǎn)彎、交岔以及堆積物或礦車等，由于速

12、度或方向發(fā)生突然的變化，導致風流本身產(chǎn)生劇烈的沖擊，形成極為紊亂的渦流，從而損失能量。造成這種沖擊與渦流的阻力即稱為局部阻力。二、局部阻力定律 實驗證明，在完全紊流狀態(tài)下，不論井巷局部地點的斷面、形狀和拐彎如何變化，所產(chǎn)生的局部阻力her，都和局部地點的前面或后面斷面上的hv1或hv2成正比：n 1、2局部阻力系數(shù)，無因次，分別對應于hv1、hv2?？蛇x用其中一個系數(shù)和相應的速壓計算；PaVVhhhvver,222222112211n若通過局部地點的風量是Q(m3/s)，前后兩個斷面積是S1和S2(m2)，則兩個斷面上的平均風速為： VlQ/S1；V2Q/S2，m/sn代入上式： 令：n式中R

13、er叫做局部風阻。由此得到：herRerQ2，Pan 上式表示完全紊流狀態(tài)下的局部阻力定律，和完全紊流狀態(tài)下的摩擦阻力定律一樣，當Rer一定時，her和Q的平方成正比。 PaQSQS2vhh121v1er,2222222211182222211,22msNSSRer三、局部阻力的計算方法三、局部阻力的計算方法n計算局部阻力時，先要根據(jù)井巷局部地點的特征，對照前人實驗查出局部阻力系數(shù)，然后用其指定的相應風速V進行計算：PaVVhhhvver,222222112211四、降低局部阻力的措施四、降低局部阻力的措施n由于局部阻力是風流在局部阻力地點發(fā)生劇烈的沖擊而產(chǎn)生的，故降低局部阻力的措施主要是：n

14、1）在容易發(fā)生局部阻力的地點，應盡量減少局部風阻值值。如采用斜線形或圓弧形連接斷面不同的巷道。巷道轉(zhuǎn)彎時，轉(zhuǎn)角愈小愈好。降低局部阻力的措施降低局部阻力的措施n2）盡量減少產(chǎn)生局部阻力的條件，如不用或少用直徑很小的鐵筒風橋，避免在主要巷道內(nèi)任意停放礦車、堆積木材、器材等；n3）局部阻力與V2成正比，故應特別注意降低總回風道和風峒的局部阻力，及時清掃風峒內(nèi)的堆積物，在井筒與風峒的轉(zhuǎn)彎處做成圓滑的壁面。 3.4 井巷風阻與等積孔井巷風阻與等積孔 一、井巷風阻及其阻力特性一、井巷風阻及其阻力特性 在礦井巷道中，任何井巷的通風阻力，不管它是摩擦阻力、局部阻力或系兩者同時具有的阻力，其阻力公式均可寫成通式

15、： hRQ2 二、井巷等積孔二、井巷等積孔當研究井巷通風阻力時，為了在概念上更形象化，有時采用井巷等積孔來代替井巷風阻。等積孔就是用一個與井巷風阻值相當?shù)睦硐肟椎拿娣e值來衡量井巷通風的難易程度。設想將一個礦井的入風口到出風口，沿著井下主要巷道進行均勻壓縮，最后形成一個薄片，在這個薄片上將形成一個孔口，這個孔口面積A使得薄片的兩端作用有礦井的風壓差P時，通過孔口的風量正好為該礦井的風量Q，這時，該孔口面積即為礦井的等積孔。 設當空氣自左向右流經(jīng)此孔時，無阻力，無能量損失，并設當空氣從此孔流出后，在其流線斷面最小處(虛線位置)的流速為V(m/s)，則這個理想孔左、右兩側(cè)的靜壓差可全部變?yōu)樗賶?靜壓

16、能全部轉(zhuǎn)化為動能)，由此可得： 實驗證明，在出口流線斷面最小處的面積一般為0.65A(m2)，再當流量為Q(m3/s)時，VQ/0.65A，以此V值與1.2 kg/m3代入上式，即得：2,2VhPa22221.21.42,2 (0.65 )hQQ PaAA由此得到：這就是計算礦井等積孔常用的公式。計算出礦井的風阻和等積孔后，就可以對該礦井的通風難易程度進行評價，評價的標準如下表：2,1917. 1mhQA n例 已知礦井總阻力為1440Pa，風量為60m3/s，試求該礦井的風阻與等積孔?如生產(chǎn)上要求將風量提高到70m3/s ，問風阻與等積孔之值是否改變?阻力增加到多少? 解： 當井巷的規(guī)格尺寸

17、與連接形式?jīng)]有改變及采掘工作面沒有移動時，則風量的增加并不改變等積孔與風阻之值。由于風量增加到70m3/s，故阻力增加到： hRQ20.47021960 Pa2884. 11440601917. 11917. 1mhQA82224 . 0601440msNQhR 三、風流的功率與電耗三、風流的功率與電耗物體在單位時間內(nèi)所做的功叫做功率，其計量單位是Nm/s。風流的風壓h乘風量Q的計量單位就是N/m2m3/s Nm/s。故風流功率N的計算式為 N=hQ/1000，kW 礦井一天的通風電費是：式中，e每度電的單價，y/(kWh)； 風機、輸電、變電、傳動等總效率。直接傳 動時，取0.6；間接傳動時

18、，取0.5。dyeQhCff,100024n例：如圖所示的礦井，左右兩翼的通風阻力分別是； hr11274Pa；hr21960Pa通過兩翼主扇的風量分別是Qf160m3/s；Qf270m3/s。兩翼的外部漏風率分別是Le14%；Le25%。則兩翼不包括漏風的風量分別是： Qm1(1Le1)Qf1(14%)6057.6m3/s Qm2(1Le2)Qf2(15%)7066.5m3/s 兩翼不包括外部漏風的風阻分別是： R1hr1/Qm121274/(57.6)20.38399N.s2/m8 R2hr2/Qm221960/(66.5)20.44321N.s2/m8 兩翼不包括外部漏風的等積孔分別是：

19、2111923.112746 .571917.11917.1mhQArm222279.119605.661917.11917.1mhQArmn為了計算全礦的總風阻和總等積孔，須先求出全礦的總阻力hr，因全礦的風流總功率等于左右兩翼風流的功率之和，即hr(Qm1Qm2)hr1Qm1hr2Qm2，W 故 則全礦不包括外部漏風的總風阻是： PaQQQhQhhmmmrmrr6 .16415 .666 .575 .6619606 .5712742122118222110659. 0)5 .666 .57(6 .1641msNQQhRmmr全礦不包括外部漏風的總等積孔總等積孔是： n 對于用多臺主扇通風的

20、礦井，都要用這種方法計算全礦的總風阻和總等積孔。只有hr1hr2時，才能用AA1A2計算。設兩翼主扇的風壓分別等于其通風阻力。則兩翼的通風電費分別為：22165. 36 .16415 .666 .571917. 1)(1917. 1mhQQArmmdy526112eQhCff.6.01000.024601274100024111dy610972eQhCff.6 .01000.0247019601000242223.5 井巷通風阻力測定井巷通風阻力測定一、阻力測定的內(nèi)容與意義 n1. 測算風阻n2. 測算摩擦阻力系數(shù) n3. 測量通風阻力的分配情況測算風阻n是通過測量各巷道的通風阻力和風量以標定

21、它們的標準風阻值(指井下平均空氣密度的風阻值)，并編輯成表，作為基本資料。這種測量內(nèi)容不受風壓和風量變化的影響，但精度要求較高，故可用一個小組(45人)逐段進行，不趕時間，力求測準。只要井巷的斷面和支護方式不發(fā)生變化，測一次即可，發(fā)生變化時，才需重測。對于掘進通風用的各種風筒，也要標定出標準風阻表以備用。為了檢查或分析比較，有時還要測算各采區(qū)、各水平和全礦井的總風阻或總等積孔。 測算摩擦阻力系數(shù)n為了適應礦井通風設計工作的需要，須通過測量通風阻力和風量以標定各種類型的井巷的摩擦阻力系數(shù)，編集成表。這也是一項精度要求較高，以小組人力進行的細致工作。各種風筒的摩擦阻力系數(shù)也要進行標定。 測量通風阻

22、力的分配情況n為了尋求和分析問題，有時需要沿著通風阻力大的路線，在盡可能短的時間內(nèi)，連續(xù)測量各個區(qū)段的通風阻力，以得出整個路線上通風阻力的分配情況。由于各區(qū)段的通風阻力難免有波動，故要根據(jù)測量路線的長短，分成若干小組，分段同時進行。 二、阻力測定方法與原理n測定方法： 壓差計法 氣壓計法n測定原理：)22()()22221111121VVZZgPPh222f（ 通風阻力測量儀器、儀表和用品序號名 稱型 號數(shù) 量用 途1精密氣壓計1測氣壓2干濕溫度計1測干濕溫度3高、中、低速風表3測風速4秒表1測風計時5皮尺5 m1測斷面尺寸6手表機械表1記錄測量時間7竹竿2 m1輔助測量8記錄表格自制若干測風

23、和測壓記錄測風點巷道斷面及風速測量記錄表測點風表讀數(shù)風表號全高(m)凈寬(m)巷道形狀支護方式測點附近巷道素描12高 中 微ABCDE 誤差計算n式中：hr系統(tǒng)實測通風阻力，Pa；n hr由通風機房水柱計讀數(shù)計算出的系統(tǒng)理論通風阻力，Pa。% h hhrrr100三、測算礦井的通風總阻力和總風阻 n 1. 對于抽出式通風的礦井 如圖所示，風流自靜止的地表大氣(其絕對靜壓是P0，速壓等于零)開始，經(jīng)過進風口l沿井巷到主通風機進風口2，沿途所遇到的摩擦阻力與局部阻力的總和就是抽出式通風的礦井通風總阻力hr。據(jù)能量方程可知：02212()(0)()rshPPhZgZg2斷面的相對靜壓是： 22soshPP該礦井的自然風壓是：12nhZgZg22rsnhhhh因2斷面的相對全壓是： 因此，222tshhh2rtnhhh所示的方法測量hs2，即靠近2斷面的周壁固定一圈外徑46mm的銅管，等距離鉆8個垂直于風流方向的小眼(直徑12mm)，再用一根銅管和這一圈銅管連通，并穿出風硐壁和膠皮管相聯(lián)，膠皮管另一端和主通風機房內(nèi)的壓差計相聯(lián)