第4章井巷通風(fēng)阻力

(Ch4Fictionlossofshaft)本章重點和難點：摩擦阻力和局部阻力產(chǎn)生的原因和測算9/27/2023第4章井巷通風(fēng)阻力

(Ch4Fictionloss1第一節(jié)概述

當(dāng)空氣沿井巷運動時，由于風(fēng)流的粘滯性和慣性以及井巷壁面等對風(fēng)流的阻滯、擾動作用而形成通風(fēng)阻力，它是造成風(fēng)流能量損失的原因。井巷通風(fēng)阻力可分為三類：摩擦阻力(也稱為沿程阻力)、局部阻力和正面阻力。

9/27/2023第一節(jié)概述8/4/20232一、重要概念1通風(fēng)阻力在通風(fēng)工程中，空氣沿著井巷流動時，井巷對風(fēng)流呈現(xiàn)的阻力，統(tǒng)稱為井巷通風(fēng)阻力。2風(fēng)壓損失單位體積風(fēng)流的能量損失稱為風(fēng)壓損失或風(fēng)壓降。9/27/2023一、重要概念8/4/20233二、阻力分類1摩擦阻力（frictionloss）發(fā)生在風(fēng)流沿井巷流動的全部流程上的摩擦阻力，用于克服摩擦阻力而造成的風(fēng)流能員損失，稱為摩擦損失.2局部阻力(convenergyloss)由風(fēng)流邊界狀況的總則改變(如突然擴(kuò)大、突然縮小等)所引起的阻力，稱為局部阻力。用于克服局部阻力而造成的風(fēng)流能量損失稱為局部損失。3正面阻力（shockingloss)由于風(fēng)流繞過井巷中的某些物體(如礦車、電機(jī)車)時所產(chǎn)生的阻力。9/27/2023二、阻力分類8/4/20234第二節(jié)摩擦風(fēng)阻與阻力一、摩擦阻力風(fēng)流在井巷中作沿程流動時，由于流體層間的摩擦和流體與井巷壁面之間的摩擦所形成的阻力稱為摩擦阻力(也叫沿程阻力)。由流體力學(xué)可知，無論層流還是紊流，以風(fēng)流壓能損失來反映的摩擦阻力可用下式來計算：

Pa

λ－無因次系數(shù)，即摩擦阻力系數(shù)，通過實驗求得。d—圓形風(fēng)管直徑，非圓形管用當(dāng)量直徑；9/27/20238/4/202351、層流摩擦阻力當(dāng)流體在圓形管道中作層流流動時，從理論上可以導(dǎo)出摩擦阻力計算式：

層流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。9/27/20231、層流摩擦阻力8/4/202362、紊流摩擦阻力

空氣沿井巷流動時，由于空氣與并巷周壁間的摩擦以及空氣微團(tuán)相互間的摩擦而產(chǎn)生的阻力，稱為摩擦阻力。根據(jù)水力學(xué)上計算紊流狀態(tài)下沿程阻力的達(dá)西公式，可以推導(dǎo)出礦井通風(fēng)上計算風(fēng)流在紊流狀態(tài)下的摩擦阻力的公式。達(dá)西公式是9/27/20232、紊流摩擦阻力8/4/20237流體實際占有的管道斷面面積與濕周長度之比，叫水力半徑。9/27/2023流體實際占有的管道斷面面積與濕周長度之比，叫水力半徑。8/489/27/20238/4/20239二、摩擦阻力系數(shù)與摩擦風(fēng)阻1．摩擦阻力系數(shù)α礦井中大多數(shù)通風(fēng)井巷風(fēng)流的Re值已進(jìn)入阻力平方區(qū)，λ值只與相對糙度有關(guān)，對于幾何尺寸和支護(hù)已定型的井巷，相對糙度一定，則λ可視為定值；在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度ρ=1.2kg/m3。對上式，令：α稱為摩擦阻力系數(shù)，單位為kg/m3或N.s2/m4。則得到紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計算式寫為：

9/27/2023二、摩擦阻力系數(shù)與摩擦風(fēng)阻8/4/202310標(biāo)準(zhǔn)摩擦阻力系數(shù)：通過大量實驗和實測所得的、在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（ρ0=1.2kg/m3）條件下的井巷的摩擦阻力系數(shù)，即所謂標(biāo)準(zhǔn)值α0值，當(dāng)井巷中空氣密度ρ≠1.2kg/m3時，其α值應(yīng)按下式修正：9/27/2023標(biāo)準(zhǔn)摩擦阻力系數(shù)：8/4/2023112．摩擦風(fēng)阻Rf對于已給定的井巷，L、U、S都為已知數(shù)，故可把上式中的α、L、U、S歸結(jié)為一個參數(shù)Rf：：

Rf稱為巷道的摩擦風(fēng)阻，其單位為：N.s2/m8。

工程單位：kgf.s2/m8，或?qū)懗桑簁μ。1N.s2/m8=9.8kμ可將Rf看作是反映井巷幾何特征的參數(shù)。則得到紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計算式寫為：

新建礦井：查表得α0αRfhf生產(chǎn)礦井：hfRfαα0

9/27/20232．摩擦風(fēng)阻Rf8/4/2023123生產(chǎn)礦井一段巷道阻力測定用壓差計法測定通風(fēng)阻力的實質(zhì)是測量風(fēng)流兩點間的勢能差和動壓差，計算出兩測點間的通阻力。其中：右側(cè)的第二項為動壓差，通過測定１、２兩斷面的風(fēng)速、大氣壓、干濕球溫度，即可計算出它們的值。第一項和第三項之和稱為勢能差，需通過實際測定。9/27/20233生產(chǎn)礦井一段巷道阻力測定8/4/2023131）布置方式及連接方法＋－＋－z1z2１２２１9/27/2023＋－＋－z1z2１２２１8/4/202314２）阻力計算壓差計“＋”感受的壓力：壓差計“－”感受的壓力：

故壓差計所示測值：設(shè)且與1、2斷面間巷道中空氣平均密度相等，則：式中：Z12為1、2斷面高差，h值即為1、2兩斷面壓能與位能和的差值。根據(jù)能量方程，則1、2巷道段的通風(fēng)阻力hR12為：把壓差計放在1、2斷面之間，測值是否變化？9/27/2023２）阻力計算8/4/202315例題:某設(shè)計巷道為梯形斷面，S=8m2，L=1000m，采用圓木支護(hù)，木柱直徑d0=200mm，縱口徑Δ=5，計劃通過風(fēng)量Q=1200m3/min，預(yù)計巷道中空氣密度ρ=1.25kg/m3，求該段巷道的通風(fēng)阻力。解根據(jù)所給的d0、Δ、S值，由附錄二查得:α0=20.3×10－3×0.82=0.0165Ns2/m4則：巷道實際摩擦阻力系數(shù)Ns2／m4巷道摩擦風(fēng)阻巷道摩擦阻力 9/27/2023例題:某設(shè)計巷道為梯形斷面，S=8m2，L=1000m，采用16第三節(jié)局部阻力和正面阻力由于井巷斷面、方向變化以及分岔或匯合等原因，使均勻流動在局部地區(qū)受到影響而破壞，從而引起風(fēng)流速度場分布變化和產(chǎn)生渦流等，造成風(fēng)流的能量損失，這種阻力稱為局部阻力。由于局部阻力所產(chǎn)生風(fēng)流速度場分布的變化比較復(fù)雜性，對局部阻力的計算一般采用經(jīng)驗公式。一、局部阻力及其計算和摩擦阻力類似，局部阻力hl一般也用動壓的倍數(shù)來表示：

式中：ξ——局部阻力系數(shù)，無因次。計算局部阻力，關(guān)鍵是局部阻力系數(shù)確定，因v=Q/S,當(dāng)ξ確定后，便可用

9/27/2023第三節(jié)局部阻力和正面阻力8/4/2023171．突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)紊流通過突變部分時，由于慣性作用，出現(xiàn)主流與邊壁脫離的現(xiàn)象，在主流與邊壁之間形成渦漩區(qū)，從而增加能量損失。紊流局部阻力系數(shù)ξ一般主要取決于局部阻力物的形狀，而邊壁的粗糙程度為次要因素。

v1、v2——分別為小斷面和大斷面的平均流速，m/s；S1、S2——分別為小斷面和大斷面的面積，m；ρm——空氣平均密度，kg/m3。

9/27/20231．突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)8/4/2023189/27/20238/4/2023192．風(fēng)流分叉與匯合1)風(fēng)流分叉

典型的分叉巷道如圖所示，1～2段的局部阻力hl１～2和1～3段的局部阻力hl１～3分別用下式計算：θ2θ31239/27/20232．風(fēng)流分叉與匯合θ2θ31238/4/2023202)風(fēng)流匯合

如圖所示，1～3段和2～3段的局部阻力hl１～3、hl2～3分別按下式計算：

式中：１３２θ1θ29/27/2023１３２θ1θ28/4/2023213其他類型局部阻力9/27/20233其他類型局部阻力8/4/2023224局部風(fēng)阻在局部阻力計算式中，令，

則有：

式中Rl稱為局部風(fēng)阻，其單位為N.s2/m8或kg/m7。此式表明，在紊流條件下局部阻力也與風(fēng)量的平方成正比。局部阻力的產(chǎn)生主要是與渦漩區(qū)有關(guān)，渦漩區(qū)愈大，能量損失愈多，局部阻力愈大。9/27/20234局部風(fēng)阻8/4/202323二、正面阻力井巷內(nèi)存在某些物體(如罐道梁、電機(jī)車、堆積物)時，流只能在這些物體的周圍繞過，使風(fēng)流受到附加阻力的作用。這種附加阻力，稱為正面阻力。正面阻力計算公式如下：9/27/2023二、正面阻力8/4/202324通風(fēng)阻力通用公式:9/27/20238/4/202325第四節(jié)降低礦井通風(fēng)阻力措施降低礦井通風(fēng)阻力，對保證礦井安全生產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義一、降低井巷摩擦阻力措施1．減小摩擦阻力系數(shù)α。2．保證有足夠大的井巷斷面。在其它參數(shù)不變時，井巷斷面擴(kuò)大33%，Rf值可減少50%。3．選用周長較小的井巷。在井巷斷面相同的條件下，圓形斷面的周長最小，拱形斷面次之，矩形、梯形斷面的周長較大。4．減少巷道長度。5．避免巷道內(nèi)風(fēng)量過于集中。9/27/2023第四節(jié)降低礦井通風(fēng)阻力措施8/4/202326二、降低局部阻力措施局部阻力與ξ值成正比，與斷面的平方成反比。因此，為降低局部阻力，應(yīng)盡量避免井巷斷面的突然擴(kuò)大或突然縮小，斷面大小懸殊的井巷，其連接處斷面應(yīng)逐漸變化。盡可能避免井巷直角轉(zhuǎn)彎或小于90°的轉(zhuǎn)彎，主要巷道內(nèi)不得隨意停放車輛、堆積木料等。要加強(qiáng)礦井總回風(fēng)道的維護(hù)和管理，對冒頂、片幫和積水處要及時處理。9/27/2023二、降低局部阻力措施8/4/202327第五節(jié)礦井總風(fēng)阻與礦井等積孔

一、井巷阻力特性曲線在紊流條件下，摩擦阻力和局部阻力均與風(fēng)量的平方成正比。故可寫成一般形式：h＝RQ2Pa。對于特定井巷，R為定值。用縱坐標(biāo)表示通風(fēng)阻力(或壓力)，橫坐標(biāo)表示通過風(fēng)量，當(dāng)風(fēng)阻為R時，則每一風(fēng)量Qi值，便有一阻力hi值與之對應(yīng)，根據(jù)坐標(biāo)點（Qi,hi）即可畫出一條拋物線。這條曲線就叫該井巷的阻力特性曲線。風(fēng)阻R越大，曲線越陡。０QhR9/27/2023第五節(jié)礦井總風(fēng)阻與礦井等積孔０QhR8/4/202328二、礦井總風(fēng)阻從入風(fēng)井口到主要通風(fēng)機(jī)入口，把順序連接的各段井巷的通風(fēng)阻力累加起來，就得到礦井通風(fēng)總阻力hRm，這就是井巷通風(fēng)阻力的疊加原則。已知礦井通風(fēng)總阻力hRm和礦井總風(fēng)量Q，即可求得礦井總風(fēng)阻：N.s2/m8

Rm是反映礦井通風(fēng)難易程度的一個指標(biāo)。Rm越大，礦井通風(fēng)越困難；9/27/2023二、礦井總風(fēng)阻8/4/202329三、礦井等積孔我國常用礦井等積孔作為衡量礦井通風(fēng)難易程度的指標(biāo)。假定在無限空間有一薄壁，在薄壁上開一面積為A(m2)的孔口。當(dāng)孔口通過的風(fēng)量等于礦井風(fēng)量，且孔口兩側(cè)的風(fēng)壓差等于礦井通風(fēng)阻力時，則孔口面積A稱為該礦井的等積孔。9/27/20238/4/202330設(shè)風(fēng)流從I→II，且無能量損失，則有：得：風(fēng)流收縮處斷面面積A2與孔口面積A之比稱為收縮系數(shù)φ，由水力學(xué)可知，一般φ=0.65，故A2=0.65A。則v2＝Q/A2=Q/0.65A，代入上式后并整理得：9/27/2023設(shè)風(fēng)流從I→II，且無能量損失，則有：8/4/202331取ρ=1.2kg/m3，則：因Rm=hＲm／Ｑ2，故有

礦井阻力等級等積孔值(m2)風(fēng)阻值(Ns2/m8)大阻力礦A<1R>1.42中阻力礦A=1-2R=0.355-1.42小阻力礦A>2R<0.3559/27/2023取ρ=1.2kg/m3，則：礦井阻力等級等積孔值(m2)風(fēng)32(2)對于多臺主扇通風(fēng)的礦井，礦井等積孔的計算公式為：9/27/2023(2)對于多臺主扇通風(fēng)的礦井，礦井等積孔的計算公式為：8