MineVentilationandSafety礦井通風(fēng)與安全第3章礦井通風(fēng)阻力3.1風(fēng)流的流動(dòng)狀態(tài)3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通風(fēng)阻力定律和特性3.5通風(fēng)阻力測(cè)量風(fēng)流流動(dòng)時(shí)，必須具有一定的能量(通風(fēng)壓力)，用以克服井巷及空氣分子之間的摩擦對(duì)風(fēng)流所產(chǎn)生的阻力。通風(fēng)壓力克服通風(fēng)阻力，兩者因次相同，數(shù)值相等，方向相反。知道通風(fēng)阻力的大小就能確定所需通風(fēng)壓力的大小。在礦井通風(fēng)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(cè)定方法以及降低措施等，從而作為選擇通風(fēng)設(shè)備，進(jìn)行通風(fēng)管理與設(shè)計(jì)的依據(jù)。這在通風(fēng)設(shè)計(jì)中尤其重要。另一種是流體流動(dòng)時(shí)，各部分流體強(qiáng)烈地互相混合，流體質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)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(shí)而產(chǎn)生時(shí)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(yàn)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ρ、絕對(duì)粘性系數(shù)μ，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，ν——運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，m2/s。當(dāng)Re≤2000時(shí)，流體呈層流流動(dòng)；當(dāng)Re＞2000時(shí)，液流開始向紊流流動(dòng)過渡；當(dāng)Re＞10000時(shí)，流體完全呈現(xiàn)為紊流。礦井巷道很少為圓形，對(duì)于非圓形通風(fēng)巷道，以4S/U(水力直徑)代替上式中的d，即：U——巷道周界長(zhǎng)度，m。C——斷面形狀系數(shù)，梯形斷面4.16；三心拱3.85；半圓拱3.90；圓斷面3.54。第2節(jié)摩擦阻力1、摩擦阻力及影響因素風(fēng)流在井巷中作均勻流動(dòng)時(shí)，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(dòng)是指風(fēng)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(fēng)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(fēng)阻力的80%～90%，它是礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)，選擇扇風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)，也是生產(chǎn)中分析與改善礦井通風(fēng)工作的主要對(duì)象。前人實(shí)驗(yàn)得出水流在圓管中的沿程阻力公式（達(dá)西公式）是：式中λ——實(shí)驗(yàn)比例系數(shù)，無因次；ρ——水流的密度，kg/m3；L——圓管的長(zhǎng)度，m；d——圓管的直徑，m；V——管內(nèi)水流的平均速度，m/s。尼古拉茲在壁面分別膠結(jié)各種粗細(xì)砂粒的圓管中，實(shí)驗(yàn)得出了流態(tài)不同的水流λ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)水流速度，結(jié)果如圖所示。當(dāng)Re≥100000時(shí)，流體成為紊流流動(dòng)。λ與Re無關(guān)，只和管壁的粗糙度有關(guān)。管壁的粗糙度越大，λ系數(shù)就越大。其試驗(yàn)式為：礦井巷道中的風(fēng)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(shí)，便開始由層流變?yōu)槲闪?；此外，由于大多?shù)礦井巷道風(fēng)流的Re均大于100000，故λ值僅決定于井巷壁的相對(duì)粗糙度，而與Re無關(guān)。在一定時(shí)期內(nèi)，各井巷壁的相對(duì)粗糙度可認(rèn)為不變，因之λ值即為常量。2、井巷摩擦阻力計(jì)算公式由于礦井巷道極少為圓形，可用當(dāng)量直徑d＝4S/U代入沿程阻力公式得：令：α是巷道的摩擦阻力系數(shù)，與巷道幫壁的粗糙程度有關(guān)。則：由于礦井中巷道的長(zhǎng)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(fēng)阻。這時(shí)：這就是完全紊流情況下的摩擦阻力定律。當(dāng)巷道風(fēng)阻一定時(shí)，摩擦阻力與風(fēng)量的平方成正比。4、降低井巷摩擦阻力的措施井巷通風(fēng)阻力是引起風(fēng)壓損失的主要根源，因此降低井巷通風(fēng)阻力，特別是降低摩擦阻力就能用較少的風(fēng)壓消耗而通過較多的風(fēng)量。許多原來是阻力大，通風(fēng)困難的礦井，經(jīng)降低阻力后即變?yōu)樽枇π　⑼L(fēng)容易的礦井。根據(jù)hfr＝(αLU/S3)Q2的關(guān)系式可以看出，保證一定風(fēng)量，降低摩擦阻力的方法就是降低摩擦風(fēng)阻，根據(jù)影響Rfr的各因素，降低摩擦阻力的主要措施有：Rfr與α成正比，而α主要決定于巷道粗糙度，因此降低α，就應(yīng)盡量使巷道光滑。當(dāng)采用棚子支護(hù)巷道時(shí)，要很好地剎幫背頂，在無支護(hù)的巷道，要注意盡可能把頂?shù)装寮皟蓭托拚?；?duì)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(hù)技術(shù)時(shí)，更能有效地使α系數(shù)減小。因Rfr與S3成反比，所以擴(kuò)大巷道斷面有時(shí)成為降低摩擦阻力的主要措施。由于摩擦阻力又與風(fēng)量的平方成正比，因此在采用這種措施時(shí)，應(yīng)抓主要矛盾，即首先應(yīng)考慮風(fēng)量大、斷面小的總回風(fēng)道的擴(kuò)大，其次再考慮其它巷道的擴(kuò)大。Rfr與U成正比，在斷面積相等的條件下，選用周長(zhǎng)較小的拱形斷面比周長(zhǎng)較大的梯形斷面好。Rfr與L成正比，進(jìn)行開拓設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)在滿足開采需要的條件下，盡可能縮短風(fēng)路的長(zhǎng)度。例如，當(dāng)采用中央并列式通風(fēng)系統(tǒng)，如阻力過大時(shí)，即可將其改為兩翼式通風(fēng)系統(tǒng)以縮短回風(fēng)路線。降低摩擦阻力，還應(yīng)同時(shí)結(jié)合井巷的其它用途與經(jīng)濟(jì)等因素進(jìn)行綜合考慮。如斷面過大，不但不經(jīng)濟(jì)，而且也不好維護(hù)，反而不如選用雙巷。2、局部阻力定律實(shí)驗(yàn)證明，在完全紊流狀態(tài)下，不論井巷局部地點(diǎn)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(diǎn)的前面或后面斷面上的hv1或hv2成正比：ξ1、ξ2——局部阻力系數(shù)，無因次，分別對(duì)應(yīng)于hv1、hv2?？蛇x用其中一個(gè)系數(shù)和相應(yīng)的速壓計(jì)算；若通過局部地點(diǎn)的風(fēng)量是Q(m3/s)，前后兩個(gè)斷面積是S1和S2(m2)，則兩個(gè)斷面上的平均風(fēng)速為：

Vl＝Q/S1；V2＝Q/S2，m/s代入上式：令：式中Rer叫做局部風(fēng)阻。由此得到：her＝RerQ2，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(dāng)Rer一定時(shí)，her和Q的平方成正比。3、局部阻力的計(jì)算方法計(jì)算局部阻力時(shí)，先要根據(jù)井巷局部地點(diǎn)的特征，對(duì)照前人實(shí)驗(yàn)查出局部阻力系數(shù)ξ，然后用其指定的相應(yīng)風(fēng)速V進(jìn)行計(jì)算：4、降低局部阻力的措施由于局部阻力是風(fēng)流在局部阻力地點(diǎn)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：在容易發(fā)生局部阻力的地點(diǎn)，應(yīng)盡量減少局部風(fēng)阻值ξ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(shí)，轉(zhuǎn)角β愈小愈好。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(fēng)橋，避免在主要巷道內(nèi)任意停放礦車、堆積木材、器材等；局部阻力與V2成正比，故應(yīng)特別注意降低總回風(fēng)道和風(fēng)峒的局部阻力，及時(shí)清掃風(fēng)峒內(nèi)的堆積物，在井筒與風(fēng)峒的轉(zhuǎn)彎處做成圓滑的壁面。第4節(jié)通風(fēng)阻力定律和特性1、井巷風(fēng)阻及其阻力特性在礦井巷道中，任何井巷的通風(fēng)阻力，不管它是摩擦阻力、局部阻力或系兩者同時(shí)具有的阻力，其阻力公式均可寫成通式：h＝RQ2

由此得到：這就是計(jì)算礦井等積孔常用的公式。計(jì)算出礦井的風(fēng)阻和等積孔后，就可以對(duì)該礦井的通風(fēng)難易程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)如下表：例已知礦井總阻力為1440Pa，風(fēng)量為60m3/s，試求該礦井的風(fēng)阻與等積孔?如生產(chǎn)上要求將風(fēng)量提高到70m3/s，問風(fēng)阻與等積孔之值是否改變?阻力增加到多少?解：當(dāng)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(dòng)時(shí)，則風(fēng)量的增加并不改變等積孔與風(fēng)阻之值。由于風(fēng)量增加到70m3/s，故阻力增加到：h＝RQ2＝0.4×702＝1960Pa3、風(fēng)流的功率與電耗物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功叫做功率，其計(jì)量單位是N·m/s。風(fēng)流的風(fēng)壓h乘風(fēng)量Q的計(jì)量單位就是N/m2×m3/s＝N·m/s。故風(fēng)流功率N的計(jì)算式為N=h·Q/1000，kW礦井一天的通風(fēng)電費(fèi)是：e——每度電的單價(jià)，y/(kW·h)；η——風(fēng)機(jī)、輸電、變電、傳動(dòng)等總效率。直接傳動(dòng)時(shí)，取0.6；間接傳動(dòng)時(shí)，取0.5。例：如圖所示的礦井，左右兩翼的通風(fēng)阻力分別是；hr1＝1274Pa；hr2＝1960Pa通過兩翼主扇的風(fēng)量分別是Qf1＝60m3/s；Qf2＝70m3/s。兩翼的外部漏風(fēng)率分別是Le1＝4%；Le2＝5%。則兩翼不包括漏風(fēng)的風(fēng)量分別是：Qm1＝(1－Le1)Qf1＝(1－4%)×60＝57.6m3/sQm2＝(1－Le2)Qf2＝(1－5%)×70＝66.5m3/s兩翼不包括外部漏風(fēng)的風(fēng)阻分別是：R1＝hr1/Qm12＝1274/(57.6)2＝0.38399N.s2/m8R2＝hr2/Qm22＝1960/(66.5)2＝0.44321N.s2/m8兩翼不包括外部漏風(fēng)的等積孔分別是：為了計(jì)算全礦的總風(fēng)阻和總等積孔，須先求出全礦的總阻力hr，因全礦的風(fēng)流總功率等于左右兩翼風(fēng)流的功率之和，即

hr(Qm1＋Qm2)＝hr1Qm1＋hr2Qm2，W故則全礦不包括外部漏風(fēng)的總風(fēng)阻是：

全礦不包括外部漏風(fēng)的總等積孔是：對(duì)于用多臺(tái)主扇通風(fēng)的礦井，都要用這種方法計(jì)算全礦的總風(fēng)阻和總等積孔。只有hr1＝hr2時(shí)，才能用A＝A1＋A2計(jì)算。設(shè)兩翼主扇的風(fēng)壓分別等于其通風(fēng)阻力。則兩翼的通風(fēng)電費(fèi)分別為：第5節(jié)通風(fēng)阻力測(cè)量1、阻力測(cè)定的內(nèi)容與意義

測(cè)算風(fēng)阻測(cè)算摩擦阻力系數(shù)測(cè)量通風(fēng)阻力的分配情況測(cè)算風(fēng)阻是通過測(cè)量各巷道的通風(fēng)阻力和風(fēng)量以標(biāo)定它們的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)阻值(指井下平均空氣密度的風(fēng)阻值)，并編輯成表，作為基本資料。這種測(cè)量?jī)?nèi)容不受風(fēng)壓和風(fēng)量變化的影響，但精度要求較高，故可用一個(gè)小組(4～5人)逐段進(jìn)行，不趕時(shí)間，力求測(cè)準(zhǔn)。只要井巷的斷面和支護(hù)方式不發(fā)生變化，測(cè)一次即可，發(fā)生變化時(shí)，才需重測(cè)。對(duì)于掘進(jìn)通風(fēng)用的各種風(fēng)筒，也要標(biāo)定出標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)阻表以備用。為了檢查或分析比較，有時(shí)還要測(cè)算各采區(qū)、各水平和全礦井的總風(fēng)阻或總等積孔。

測(cè)算摩擦阻力系數(shù)為了適應(yīng)礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)工作的需要，須通過測(cè)量通風(fēng)阻力和風(fēng)量以標(biāo)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(xiàng)精度要求較高，以小組人力進(jìn)行的細(xì)致工作。各種風(fēng)筒的摩擦阻力系數(shù)也要進(jìn)行標(biāo)定。

測(cè)量通風(fēng)阻力的分配情況為了尋求和分析問題，有時(shí)需要沿著通風(fēng)阻力大的路線，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)，連續(xù)測(cè)量各個(gè)區(qū)段的通風(fēng)阻力，以得出整個(gè)路線上通風(fēng)阻力的分配情況。由于各區(qū)段的通風(fēng)阻力難免有波動(dòng)，故要根據(jù)測(cè)量路線的長(zhǎng)短，分成若干小組，分段同時(shí)進(jìn)行。2、阻力測(cè)定方法與原理測(cè)定方法：壓差計(jì)法氣壓計(jì)法測(cè)定原理：通風(fēng)阻力測(cè)量?jī)x器、儀表和用品序號(hào)名稱型號(hào)數(shù)量用途1精密氣壓計(jì)1測(cè)氣壓2干濕溫度計(jì)1測(cè)干濕溫度3高、中、低速風(fēng)表3測(cè)風(fēng)速4秒表1測(cè)風(fēng)計(jì)時(shí)5皮尺5m1測(cè)斷面尺寸6手表機(jī)械表1記錄測(cè)量時(shí)間7竹竿2m1輔助測(cè)量8記錄表格自制若干測(cè)風(fēng)和測(cè)壓記錄測(cè)風(fēng)點(diǎn)巷道斷面及風(fēng)速測(cè)量記錄表測(cè)點(diǎn)風(fēng)表讀數(shù)風(fēng)表號(hào)全高(m)凈寬(m)巷道形狀支護(hù)方式測(cè)點(diǎn)附近巷道素描12高中微ABCDE

誤差計(jì)算式中：hr——系統(tǒng)實(shí)測(cè)通風(fēng)阻力，Pa；hr’——由通風(fēng)機(jī)房水柱計(jì)讀數(shù)計(jì)算出的系統(tǒng)理論通風(fēng)阻力，Pa。3、測(cè)算礦井的通風(fēng)總阻力和總風(fēng)阻（1）對(duì)于抽出式通風(fēng)的礦井如圖所示，風(fēng)流自靜止的地表大氣(其絕對(duì)靜壓是P0，速壓等于零)開始，經(jīng)過進(jìn)風(fēng)口l沿井巷到主通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)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(fēng)的礦井通風(fēng)總阻力hr。據(jù)能量方程可知：2斷面的相對(duì)靜壓是：該礦井的自然風(fēng)壓是：因2斷面的相對(duì)全壓是：所示的方法測(cè)量hs2，