第二章第一節(jié)通風(fēng)

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)：

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)：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）空氣的密度

單位體積空氣所具有的質(zhì)量稱(chēng)為空氣的密度，用ρ來(lái)表示。即：

（3-1）式中

ρ——空氣的密度，kg/m3；

M——空氣的質(zhì)量，kg；

V——空氣的體積，m3。在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀況下（P＝101325Pa，t＝O℃，

φ

＝0%）

，

干空氣的密度為1.293kg/m3。

濕空氣密度的計(jì)算公式為：

ρ濕＝0.003484（1－0.378

式中P——空氣的壓力，Pa；

T——熱力學(xué)溫度（T＝273+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(jiàn)，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)，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(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)礦井空氣，其密度為1.2kg/m3。

（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υ（m3/kg）表示，比容和密度互為倒數(shù)，它們是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)的兩種表達(dá)方式。即：

（三）空氣的壓力（壓強(qiáng)）

氣體作用在單位面積上的力稱(chēng)為空氣的壓力，用P表示。

空氣壓力的單位為帕斯卡（Pa），簡(jiǎn)稱(chēng)帕，1Pa=1N/m2。壓力較大時(shí)還有千帕（KPa）、兆帕（MPa），1MPa=103KPa=106Pa。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(chēng)為大氣壓。由于地球周?chē)髿鈱拥暮穸雀哌_(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，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(chēng)為流體的粘性。在礦井通風(fēng)中，用動(dòng)力粘性系數(shù)μ和運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)ν（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)μ=1.808×10-5Pa·s；運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)ν=1.501×10-5m2/s。二、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。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。

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(guò)壓力來(lái)體現(xiàn)，也就是說(shuō)井巷任一通風(fēng)斷面上存在的靜壓能、動(dòng)能和位能可用靜壓、動(dòng)壓、位壓來(lái)呈現(xiàn)。

（一）靜壓能—靜壓1、靜壓能與靜壓的概念由分子熱運(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(wú)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)械能量叫靜壓能，用E靜表示（J/m3）?？諝夥肿訜徇\(yùn)動(dòng)不斷地撞擊器壁所呈現(xiàn)的壓力（壓強(qiáng)）稱(chēng)為靜壓力，簡(jiǎn)稱(chēng)靜壓，用P靜表示（N/m2，即Pa）。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，所以在數(shù)值上大小相等，靜壓是靜壓能的等效表示值。

2、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、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(chēng)為絕對(duì)壓力，用P表示。由于以真空為零點(diǎn)，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(chēng)為相對(duì)壓力，用h表示。對(duì)于礦井空氣來(lái)說(shuō)，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—?jiǎng)訅?、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(chēng)為動(dòng)壓（或速壓），用h動(dòng)（或h速）表示，單位Pa。2、動(dòng)壓的計(jì)算式

設(shè)某點(diǎn)空氣密度為ρ（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)＝

Pa

3、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(wú)絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力之分，總是大于零。

（三）位能—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(shuō)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)面所具有的能量或呈現(xiàn)的壓力。2、位壓的計(jì)算式

＝ρ12gZ12，Pa3、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(lái)。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(guò)測(cè)定靜壓差來(lái)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)于下斷面的位壓總是存在的。

（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(chēng)為全壓；將某點(diǎn)的靜壓與位壓之和稱(chēng)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(chēng)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

（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(lèi)：1）測(cè)量絕對(duì)壓力的氣壓計(jì)；2）是測(cè)量相對(duì)壓力的壓差計(jì)和皮托管；3）可同時(shí)測(cè)定絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力的精密氣壓計(jì)或

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80000～108000Pa，最小分度為10Pa，經(jīng)過(guò)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、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(lái)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)等。1）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)2）U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)3）單管傾斜壓差計(jì)

單管傾斜壓差計(jì)的外部結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2-6所示。它由一個(gè)大斷面的容器10（面積為F1）和一個(gè)小斷面的傾斜測(cè)壓管8（面積為F2）及標(biāo)尺等組成。大容器10和測(cè)壓管8互相連通，并在其中裝有用工業(yè)酒精和蒸餾水配成的密度為0.81kg/m的工作液。兩斷面之比（F1/F2）為250～300。儀器固定在裝有兩個(gè)調(diào)平螺釘9和水準(zhǔn)指示器2的底座1上，弧形支架3可以根據(jù)測(cè)量范圍的不同將傾斜測(cè)壓管固定在5個(gè)不同的位置上，刻在支架上的數(shù)字即為校正系數(shù)。大容器通過(guò)膠管與儀器的“+”接頭相通，傾斜測(cè)壓管的上端通過(guò)膠皮管與儀器的“-”接頭相連，當(dāng)“+”接頭的壓力高于“-”接頭的壓力時(shí)，雖然大容器內(nèi)液面下降甚微，但測(cè)壓管端的液面上升十分明顯，經(jīng)過(guò)下式計(jì)算相對(duì)壓力或壓差h：

h＝LKg，Pa（2-14）式中L——傾斜測(cè)壓管的讀數(shù)，mm；

K——儀器的校正系數(shù)（又稱(chēng)常數(shù)因子），測(cè)壓時(shí)傾斜測(cè)壓管在弧形支架上的相應(yīng)數(shù)字。

圖2-6YYT—200型單管傾斜壓差計(jì)結(jié)構(gòu)1—底座；2—水準(zhǔn)指示器；3—弧形支架；4—加液蓋；5—零位調(diào)整旋鈕；6—三通閥門(mén)柄；7—游標(biāo)；8—傾斜測(cè)壓管；9—調(diào)平螺釘；10—大容器；11—多向閥門(mén)儀器的操作和使用方法如下：（1）注入工作液。將零位調(diào)整旋鈕5調(diào)整到中間位置，測(cè)壓管固定在弧形支架的適當(dāng)位置，旋開(kāi)加液蓋4，緩緩注入預(yù)先配置好的密度為0.81kg/m的工作液，直到液面位于傾斜測(cè)壓管的“0”刻度線(xiàn)附近，然后旋緊加液蓋，再用膠皮管將多向閥門(mén)11中間的接頭與傾斜測(cè)量管的上端連通。將三通閥門(mén)柄6撥在儀器的“測(cè)壓”位置，用嘴輕輕從“+”端吹氣，使酒精液面沿測(cè)壓管緩慢上升，察看液柱內(nèi)有無(wú)氣泡，如有氣泡，應(yīng)反復(fù)吹吸多次，直至氣泡消除為止。

（2）調(diào)零。首先調(diào)整儀器底座上的兩個(gè)調(diào)平螺釘9，觀察水準(zhǔn)指示器內(nèi)的氣泡是否居中，使儀器處于水平。順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)三通閥門(mén)柄6到“校正”位置，使大容器和傾斜測(cè)壓管分別與“+”接頭和“-”接頭隔斷，而與大氣相通。旋動(dòng)零位調(diào)整旋鈕5，使測(cè)壓管的酒精液面對(duì)準(zhǔn)“0”刻度線(xiàn)。

（3）測(cè)定。根據(jù)待測(cè)壓差的大小，將傾斜測(cè)壓管固定在弧形支架相應(yīng)的位置上，用膠皮管將較大的壓力接到儀器的“+”接頭，較小的壓力接到儀器的“-”接頭。逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)三通閥門(mén)柄6到“測(cè)壓”位置，讀取測(cè)壓管上酒精液面的讀數(shù)和弧形支架的K值，用式（2-14）計(jì)算壓差值或相對(duì)壓力。常用的YYB—200B型單管傾斜壓差計(jì)最大測(cè)量值為2000Pa，最小分刻度為2Pa，誤差不超過(guò)最大讀數(shù)的1.0%。單管傾斜壓差計(jì)是通風(fēng)測(cè)量中應(yīng)用最廣的一種壓差計(jì)。補(bǔ)償式微壓計(jì)4）補(bǔ)償式微壓計(jì)礦井通風(fēng)參數(shù)檢測(cè)儀3、礦井通風(fēng)綜合參數(shù)檢測(cè)儀技術(shù)參數(shù)

測(cè)量范圍

測(cè)量分辨率

測(cè)量精度

絕對(duì)壓力（Pa）80000～120000

10

±100

壓差（Pa）2923

0.98

9.8

溫度（℃）-30～+40

0.1

±0.5

相對(duì)濕度（%）50～99

1.0

±4.0

風(fēng)速（m/s）0.6～15

0.1

0.6～4±(0.2＋2%風(fēng)速值)

4～15±(0.5＋2%風(fēng)速值)

時(shí)間月、日、時(shí)、分、秒

JFY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1、風(fēng)流點(diǎn)壓力

點(diǎn)壓力靜壓動(dòng)壓全壓絕對(duì)靜壓（P靜)相對(duì)靜壓（h靜）h動(dòng)（無(wú)絕對(duì)、相對(duì)之分）絕對(duì)全壓（P全）相對(duì)全壓（h全）

2、絕對(duì)壓力的測(cè)量及其相互關(guān)系1）絕對(duì)靜壓P靜的測(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）動(dòng)壓h動(dòng)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）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全＝P靜＋h動(dòng)3、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）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)全壓等于相對(duì)靜壓與動(dòng)壓的代數(shù)和。2）抽出式通風(fēng)中相對(duì)壓力的測(cè)量及相互關(guān)系h靜＝P0－P靜或-h靜＝P靜－P0h全＝P0－P全或-h全＝P全－P0h動(dòng)＝P全－P靜

h全＝P0－P全＝P0－（P靜＋h動(dòng)）＝（P0－P靜）－h(huán)動(dòng)＝h靜－h(huán)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)的相對(duì)靜壓h靜＝1200Pa，動(dòng)壓h動(dòng)＝100Pa，風(fēng)筒外與該點(diǎn)同標(biāo)高的大氣壓力P0＝98000Pa，求該點(diǎn)的P靜、h全、P全分別是多少？解：（1）P靜＝P0－h(huán)靜＝98000－1200＝96800Pa（2）h全＝h靜－h(huán)動(dòng)＝1200－100＝1100Pa（3