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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,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。,第三章 井巷通風(fēng)阻力,第一節(jié) 風(fēng)流的流態(tài),流體產(chǎn)生的阻力與流體流動(dòng)過(guò)程中的狀態(tài)有關(guān)。流體流動(dòng)時(shí)有兩種狀態(tài)；一種是流體呈層狀流動(dòng)，各層間流體互不混合，
2、流體質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)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，管徑很小，或粘性較大的流體流動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生層流。,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、絕對(duì)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(lái)表示為：,式中 運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，m,2,/s。,雷諾數(shù),當(dāng)Re2000時(shí)，流體呈層流流動(dòng)；
3、當(dāng)Re2000時(shí)，液流開(kāi)始向紊流流動(dòng)過(guò)渡，當(dāng)Re10000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：,式中 U巷道周界長(zhǎng)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S2.5m,2,，周界U6.58m，風(fēng)流的14.410,6,m,2,/s，試計(jì)算出風(fēng)流開(kāi)始出現(xiàn)紊流時(shí)的平均風(fēng)速？,解：當(dāng)風(fēng)流開(kāi)始出現(xiàn)紊流時(shí)，則其Re2000，當(dāng)完全紊流時(shí)，Re10000，因此：,由于煤礦中大部分巷道的斷面均大于2.5m,2,，井下巷道中的最低風(fēng)速均在0.25米/秒以上
4、，所以說(shuō)井巷中的風(fēng)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h,fr,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8090，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 實(shí)驗(yàn)比例系數(shù)，,無(wú)因次,；水流的密度，kg/m,3,；L圓管的長(zhǎng)
5、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(fēng)流摩擦阻力計(jì)算式的基礎(chǔ)，它對(duì)于不同流態(tài)的風(fēng)流都能應(yīng)用，只是流態(tài)不同時(shí)，式中的實(shí)驗(yàn)式不同。,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(lái)表示。并用閥門(mén)不斷改變管內(nèi)水流的速度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示。,試驗(yàn)結(jié)果可分以下幾種情況：,1)在lgRe3.3(Re2320)時(shí)，即當(dāng)液體作層流流動(dòng)，由左邊斜線可以看出，所有試驗(yàn)點(diǎn)都分布于其上，隨Re的增加而減小，且與管道的相對(duì)粗糙度無(wú)關(guān)，這時(shí)與Re
6、的關(guān)系式為：,64/Re,2)在3.31gRe5.0(2320Re100000)的范圍內(nèi)，流體由層流向紊流過(guò)渡，系數(shù)既和Re有關(guān)，也和管壁的粗糙度有關(guān)。,3)當(dāng)Re100000時(shí)，流體成為紊流流動(dòng)。與Re無(wú)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(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(kāi)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，故值僅決定于井巷壁的相對(duì)粗糙度，而與Re無(wú)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，因之值即為常量。,二、井巷摩擦阻力計(jì)算公式,由于礦井巷道極少為圓形，
7、可用當(dāng)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(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：,R,fr,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。,三、井巷摩擦阻力的計(jì)算,例1 某梯形木支架煤巷，長(zhǎng)200米，斷面積為4m,2,，沿?cái)嗝娴闹荛L(zhǎng)為8.3m，巷道摩擦阻力系數(shù)通過(guò)查表得到的標(biāo)準(zhǔn)值為0.018Ns,2,/m,4,，若通過(guò)巷通的風(fēng)量為960m,3,/min，試求其摩擦阻力?,解：,答：該巷道的摩擦阻力為119.5Pa。,應(yīng)當(dāng)注意
8、，巷道的值隨的改變而改變，在高原地區(qū)，空氣稀薄，當(dāng)?shù)氐闹敌柽M(jìn)行校正。校正式如下：,四、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(guò)較多的風(fēng)量。許多原來(lái)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?、通風(fēng)容易的礦井。,根據(jù)h,fr,(LU/S,3,)Q,2,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R,fr,的各因素，降低摩擦阻力的主要措施有：,1,降低,R,fr,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(dāng)采用棚子支護(hù)巷道時(shí)，要很好地剎幫背頂，在無(wú)支護(hù)
9、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)，更能有效地使系數(shù)減小。,2,擴(kuò)大巷道斷面S,因R,fr,與S,3,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。,3,減少周界長(zhǎng)U,R,fr,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。,4.,減少巷道長(zhǎng)L,R,fr,與L成正比，進(jìn)行開(kāi)拓設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)在滿足開(kāi)采需要的條件下，盡可能縮短風(fēng)路的長(zhǎng)度。例如，
10、當(dāng)采用中央并列式通風(fēng)系統(tǒng)，如阻力過(guò)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(guò)大，不但不經(jīng)濟(jì)，而且也不好維護(hù)，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(fēng)流流經(jīng)井巷的某些局部地點(diǎn)突然擴(kuò)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(fēng)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(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h,er,，都和局部地點(diǎn)的前面或后面
11、斷面上的h,v1,或h,v2,成正比：,1,、,2,局部阻力系數(shù)，無(wú)因次，分別對(duì)應(yīng)于h,v1,、h,v2,。可選用其中一個(gè)系數(shù)和相應(yīng)的速壓計(jì)算；,若通過(guò)局部地點(diǎn)的風(fēng)量是Q(m,3,/s)，前后兩個(gè)斷面積是S,1,和S,2,(m,2,)，則兩個(gè)斷面上的平均風(fēng)速為：,V,l,Q/S,1,；V,2,Q/S,2,，m/s,代入上式：,令,式中R,er,叫做局部風(fēng)阻。由此得到：,h,er,R,er,Q,2,，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)R,er,一定時(shí)，h,er,和Q的平方成正比。,三、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，
12、對(duì)照前人實(shí)驗(yàn)查出局部阻力系數(shù)，然后用其指定的相應(yīng)風(fēng)速V進(jìn)行計(jì)算。,三、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：,1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(fēng)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V,2,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。,第四節(jié) 井巷風(fēng)阻與等積孔,一、井巷風(fēng)阻及其阻力特性,在礦井巷
13、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(xiě)成通式：,hRQ,2,二、井巷等積孔,當(dāng)研究井巷通風(fēng)阻力時(shí)，為了在概念上更形象化，有時(shí)采用井巷等積孔來(lái)代替井巷風(fēng)阻。,等積孔就是用一個(gè)與井巷風(fēng)阻值相當(dāng)?shù)睦硐肟椎拿娣e值來(lái)衡量井巷通風(fēng)的難易程度。,設(shè)想將一個(gè)礦井的入風(fēng)口到出風(fēng)口，沿著井下主要巷道進(jìn)行均勻壓縮，最后形成一個(gè)薄片，在這個(gè)薄片上將形,成一個(gè)孔口，這個(gè)孔口面積A使得薄片的兩端作用有礦井的風(fēng)壓差P時(shí)，通過(guò)孔口的風(fēng)量正好為該礦井的風(fēng)量Q，這時(shí)，該孔口面積即為礦井的等積孔。,設(shè)當(dāng)空氣自左向右流經(jīng)此孔時(shí)，無(wú)阻力，無(wú)能量損失，并設(shè)當(dāng)空氣從此孔流出后，在其流線
14、斷面最小處(虛線位置)的流速為V(m/s)，則這個(gè)理想孔左、右兩側(cè)的靜壓差可全部變?yōu)樗賶?靜壓能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能)，由此可得：,實(shí)驗(yàn)證明，在出口流線斷面最小處的面積一般為0.65A(m,2,)，再當(dāng)流量為Q(m,3,/s)時(shí)，VQ/0.65A，以此V值與1.2 kg/m,3,代入上式，即得：,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60m,3,/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70m,3,/s，問(wèn)風(fēng)阻與等積孔之值是否改變?阻力增加到多少?,解：,
15、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(méi)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70m,3,/s，故阻力增加到：,hRQ,2,0.470,2,1960 Pa,三、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Nm/s。風(fēng)流的風(fēng)壓h乘風(fēng)量Q的計(jì)量單位就是N/m,2,m,3,/s Nm/s。故風(fēng)流功率N的計(jì)算式為，,N=hQ/1000，kW,礦井一天的通風(fēng)電費(fèi)是：,式中 e每度電的單價(jià)，y/(kWh)；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；,h,r1,1274Pa；
16、h,r2,1960Pa,通過(guò)兩翼主扇的風(fēng)量分別是Q,f1,60m,3,/s；Q,f2,70m,3,/s。兩翼的外部漏風(fēng),Q,m1,(1Le1)Q,f1,(14%)6057.6m,3,/s,Q,m2,(1Le2)Q,f2,(15%)7066.5m,3,/s,率分別是L,e1,4%；L,e2,5%。則兩翼不包括漏風(fēng)的風(fēng)量分別是：,兩翼不包括外部漏風(fēng)的風(fēng)阻分別是：,R,1,h,r1,/Q,m1,2,1274/(57.6),2,2,/m,8,R,2,h,r2,/Q,m2,2,1960/(66.5),2,2,/m,8,兩翼不包括外部漏風(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h,r,，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,h,r,(Q,m1,Q,m2,)h,r1,Q,m1,h,r2,Q,m2,，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h,r1,h,r2,時(shí)，才能用AA,1,A,2,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
礦井通風(fēng)與安全中國(guó)礦業(yè)大學(xué)課件第三章井巷通風(fēng)阻力
