礦井通風與安全(中國礦業(yè)大學課件)第三章井巷通風阻力.ppt

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1、,,,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，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(shè)備，進行通風管理與設(shè)計的依據(jù)。這在通風設(shè)計中尤其重要。,第三章 井巷通風阻力,第一節(jié) 風流的流態(tài) 流體產(chǎn)生的阻力與流體流動過程中的狀態(tài)有關(guān)。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)稱為層流。在流速很小，管徑很

2、小，或粘性較大的流體流動時會發(fā)生層流。,,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。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。,,試驗證明，層流與紊流彼此間的轉(zhuǎn)變關(guān)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。,雷諾數(shù),,當Re2000時，流體呈層流流動；當Re2000時，液流開始向紊流流動過渡，當Re10000時，流體完全呈現(xiàn)為紊流。 礦

3、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。,,,,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。,,第二節(jié) 摩 擦 阻 力 一、摩擦阻力及影響因

4、素 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(shè)計，選擇扇風機的主要參數(shù)，也是生產(chǎn)中分析與改善礦井通風工作的主要對象。,,前人實驗得出水流在圓管中的沿程阻力公式（達西公式）是： 式中 實驗比例系數(shù)，無因次； 水流的密度，kg/m3 ；L圓管的長度，m； d圓管的直徑，m；V管內(nèi)水流的平均速度，m/s； 上式是礦井風流摩擦阻力計算式的基

5、礎(chǔ)，它對于不同流態(tài)的風流都能應(yīng)用，只是流態(tài)不同時，式中的實驗式不同。,,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(guān)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)水流的速度，實驗結(jié)果如圖所示。,,試驗結(jié)果可分以下幾種情況： 1) 在lgRe3.3(Re2320)時，即當液體作層流流動，由左邊斜線可以看出，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(guān)，這時與Re的關(guān)系式為： 64/Re 2) 在3.3<1gRe<5.0(2320Re10

6、0000)的范圍內(nèi)，流體由層流向紊流過渡，系數(shù)既和Re有關(guān)，也和管壁的粗糙度有關(guān)。,,3) 當Re100000時，流體成為紊流流動。與Re無關(guān)，只和管壁的粗糙度有關(guān)。管壁的粗糙度越大， 系數(shù)就越大。其試驗式為：,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)槲闪鳎淮送?，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(guān)。在一定時期內(nèi)，各井巷壁的相對粗糙度可認為不變，因之值即為常量。,,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

7、阻力系數(shù)，與巷道幫壁的粗糙程度有關(guān)。則：,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：,Rfr為巷道的摩擦風阻。 這時： 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。,,三、井巷摩擦阻力的計算 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8.3m，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? 解： 答：該巷道的摩擦阻力為119.5Pa。 應(yīng)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：

8、,,四、降低井巷摩擦阻力的措施 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。 根據(jù)hfr(LU/S3)Q2的關(guān)系式可以看出，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：,,1降低 Rfr與成正比，而主要決定于巷道粗糙度，因此降低，就應(yīng)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

9、是采用錨桿支護技術(shù)時，更能有效地使系數(shù)減小。 2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(yīng)抓主要矛盾，即首先應(yīng)考慮風量大、斷面小的總回風道的擴大，其次再考慮其它巷道的擴大。,,3減少周界長U Rfr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。 4. 減少巷道長L Rfr與L成正比，進行開拓設(shè)計時，就應(yīng)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。 降低摩擦阻力，還應(yīng)同

10、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。,,第三節(jié) 局部阻力 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，由于速度或方向發(fā)生突然的變化，導(dǎo)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：,1、2局部阻力系數(shù)，無因次，分別對應(yīng)于hv1、hv2?？蛇x用其中一

11、個系數(shù)和相應(yīng)的速壓計算；,,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/s 代入上式： 令 式中Rer叫做局部風阻。由此得到： herRerQ2，Pa 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。,,三、局部阻力的計算方法 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(yīng)風速V進行計算。,,,三、降低局部阻力的措施 由于局部阻力是風流在局部阻力

12、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： 1在容易發(fā)生局部阻力的地點，應(yīng)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。 2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； 3局部阻力與V2成正比，故應(yīng)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。,,第四節(jié) 井巷風阻與等積孔 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：

13、 hRQ2,,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(shè)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(shè)當空氣自左向右流經(jīng)此孔時，無阻力，無能量損失，并設(shè)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

14、壓能全部轉(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：,,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：,,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

15、風量增加到70m3/s，故阻力增加到： hRQ20.47021960 Pa,,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，取0.5。,,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,Qm

16、1(1Le1)Qf1(14%)6057.6m3/s Qm2(1Le2)Qf2(15%)7066.5m3/s,率分別是Le14%；Le25%。則兩翼不包括漏風的風量分別是：,,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：,,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：,,全礦不包括外部漏風的總等積孔是：,對于用多臺主扇通風的礦井，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(shè)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：,,第五節(jié) 井巷通風阻力測定 一、阻力測定的內(nèi)容與意義 1.測算風阻 2. 測算摩擦阻力系數(shù) 3. 測量通風阻力的分配情況,,二、阻力測定方法與原理 測定方法： 壓差計法 氣壓計法 測定原理：,通風阻力測量儀器、儀表和用品,測風點巷道斷面及風速測量記錄表,,誤差計算,,式中：hr系統(tǒng)實測通風阻力，Pa； 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。,,,