第三章矿井通风阻力.docx
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第三章矿井通风阻力
第三章矿井通风阻力
矿井通风阻力：
矿井风流流动过程中，在风流内部粘滞力和惯性力、井巷壁面的外部阻滞、障碍物的扰动作用下，部分机械能不可逆地转换为热能而引起的机械能损失。
或风流流动过程中的阻滞作用，称通风阻力。
分摩擦阻力和局部阻力。
§3—1摩擦阻力
一、摩擦阻力定律
由于空气具有粘性，空气在流动过程中与井巷四周壁的摩擦以及空气分子之间的相互摩擦而产生的阻碍风流流动的阻力，称摩擦阻力。
摩擦阻力是矿井通风的重要参数。
风流在紊流状态下的摩擦阻力表达式为：
h摩＝
式中：
h摩—井巷的摩擦阻力，Pa；
L—井巷长度
U—井巷断面周长，m。
梯形U＝4.16
；三心拱：
U＝4.1
；
半园拱：
U＝3.84
。
S—井巷断面，m2；
Q—井巷通过的风量，m3/s；
—井巷的摩擦阻力系数（又叫达西系数），
＝
，与井巷的粗糙度（
）、空气的密度（
）有关，见附表。
上式说明：
当井巷通过的风量一定时，摩擦阻力与巷道的长度与断面的周长成正比，与断面的立方成反比；当井巷的参数一定时，通风阻力与井巷通过风量的平方成正比。
因此，当井巷变形，通风阻力很大时，采取扩充巷道断面来降低通风阻力往往是最佳措施；采取分区通风，避免风量过分集中，可取得良好的降阻效果。
对于一定的井巷，其参数在一定时期内是一定的，令R摩＝
——称摩擦风阻，则上式为：
h摩＝R摩Q2
必须注意：
①h摩是1立方米空气在流动过程中的能量损失，R摩是风流流动的阻抗参数，取决于巷道特征；
②h摩＝R摩Q2，即井巷通过风量的变化而变化，R摩＝
，对于特定的井巷是个定值，不随风量变化而变化。
二、降低摩擦阻力的措施
1、扩大井巷断面，是降阻的主要措施；
2、缩短风路，如密闭旧巷等；
3、选用周边长较小的井巷断面；
4、选用粗糙度小的材料支护；
5、避免风量的过度集中等。
例：
某梯形木支护巷道长为400m，断面4.6m2，通过的风量8m3/s，测得h摩＝39.2Pa，求R摩＝？
＝？
若其他条件不变，通过的风量16m3/s时，h摩＝？
解：
R摩＝
＝
＝0.6125
＝
＝
＝0.0167
h摩＝R摩Q2＝0.6125×162＝156.8（Pa）
显然，风量增加1倍，阻力增加了4倍。
上例中，若其他条件不变，断面为6.9m2时，求h摩＝？
h摩＝
＝
＝14.22（Pa）
即断面增加50%，阻力为原来的9.1%。
§3—2局部阻力
因井巷参数的突然变化，导致风流方向的突然改变或冲击，形成风流的紊乱或涡流而产生的阻力叫局部通风阻力。
一、局部通风阻力定律
h局＝
式中：
h局—井巷的局部通风阻力，Pa；
—局部阻力系数，见附表。
—空气密度；kg/m3；
S—井巷断面积，m2；
Q—井巷通过的风量，m3/s。
对于特定的井巷，其参数为一常数，令R局＝
——称局部风阻，则上式为：
h局＝R局Q2
在进行通风设计时，局部阻力一般不计算，一般按摩擦阻力的10%计入，即取摩擦阻力的1.1倍作为矿井通风的总阻力。
二、降低局部阻力的措施
1、避免巷道突然转弯、突然分叉与汇合等。
巷道拐弯要平缓，以弧形过度，并加大曲率半径，尽量避免直角转弯。
根据实验，巷道一个直角转弯的阻力相当于83m长同等断面直线巷道的阻力。
2、避免断面突然变化。
巷道断面突然扩大和缩小的地方风流变化剧烈，风流产生涡流，致使风流受到冲击和阻碍，因此，在掘进巷道时要尽量做到断面一致，需要扩大或缩小时，要通过过渡段，采用逐步扩大或缩小的方式，以减少局部通风阻力。
3、要及时清除巷道中的堆积物，避免在风量集中断面较小的巷道内停放矿车、设备、坑木等。
如一个相当于巷道断面积15%～20%矿车的阻力相当于30m长巷道的阻力；若矿车占停放巷道断面的40%时，则相当于120m长的巷道阻力。
因此，巷道中不应放置和堆积无用的东西，如果需要暂时堆放时，也应疏散放置，特别是采煤工作面的上下风巷更应注意。
4、通风机风流入口处要按集风器，风流出口要按扩散器；局部通风的风筒要吊挂平直等。
§3—3通风阻力定律
一、矿井通风阻力定律
1、矿井通风阻力定律
矿井通风的摩擦阻力、局部阻力以及其他阻力等，构成矿井通风的总阻力，可用下式表示：
h＝
矿井通风多为紊流，即：
h＝RQ2。
由该式可知：
①井巷通过的风量越大，通风阻力越大。
对于特定的巷道要增加风量时，必须提高井巷两端的压力差；
②特定井巷的风量，取决于井巷的风压与风阻以及风阻的匹配情况，即特定井巷的风量并不是任意给的。
2、风阻特性曲线
以纵坐标表示通风阻力，以横坐标表示
通过的风量，所得的二次曲线，称风阻特性
曲线，如图。
（方法：
分别给出风量值，求出对应的阻力值，
在坐标图上找出坐标点，然后用平滑的曲线连接可得）
例：
分别绘制h＝0.1Q2和h＝0.2Q2的风阻特性曲线。
解：
由h＝0.1Q2和h＝0.2Q2，当分别给出不同的风量值时，对应的风压值如表。
Q
0
10
20
30
40
h＝0.1Q2
0
10
40
90
160
h＝0.2Q2
0
20
80
180
320
显然，井巷风阻越大，曲线越陡；
井巷风阻越小，曲线越平缓。
风阻曲线可图解法解算通风网路，如求矿井主要通风机的工作点等。
二、井巷通风特性
1、风阻
风阻反映了井巷的固有特性，其大小与巷道参数有关。
因此，风阻可反映矿井通风难易程度。
风阻越大，相同风压下的供风量越小，通风越困难。
否则相反。
根据风阻值的大小，将矿井通风的难易程度分为三级，如表。
2、等积孔
等积孔：
衡量矿井或风巷通风难易程度的假想薄壁孔口面积值。
即假设一个薄板，其上有一个孔，当通过的风量等于矿井的风量，两侧的压力等于矿井的风压时，其孔口的大小恰好与矿井风阻相当，该孔口的面积就称为该矿井（井巷）的等积孔，单位，m2。
等积孔与风阻、风量与风压的关系为：
A＝1.19
m2
将h＝RQ2代入上式得：
A＝
m2
上式说明：
①井巷风阻越大，等积孔越小，井巷通风越困难；否则相反；②对于一定的等积孔，在压力一定时，产生的风量是一定的。
根据矿井通风等积孔大小，将矿井通风的难易程度分为三级，如表。
矿井通风难易程度划分
矿井通风阻力等级
通风难易程度
风阻值
等积孔
大阻力矿井
困难
＞1.42
＜1
中阻力矿井
中等
1.42～0.35
1～2
小阻力矿井
容易
＜0.35
＞2
例1、某矿井的风量为100m3/s，风压2158Pa，分析矿井的通风难易程度并绘制风阻特性曲线。
解：
由h＝RQ2得
R＝
＝
＝0.2158＜0.35
A＝1.19
＝1.19
＝2.56＞2（m2）
或：
A＝
＝
＝2.56（m2）
（作图略）
答：
由于R＝0.2158＜0.35（或：
A＝2.56＞2）所以矿井通风容易。
3、应注意的问题
⑴等积孔是实际中不存在的、形象化替代风阻的表达值；
⑵等积孔可反映矿井通风的难易程度，但不能反映矿井通风的状况；
⑶多个风井通风时，应分别计算；
⑷计算时要主义单位；
⑸等积孔的大小要注意合理性，等积孔的建议值为：
等积孔的建议值
小型矿井
中型矿井
大型矿井
特大型矿井
高瓦斯矿
1.5～2.0
2.0～3.5
3.0～4.5
4.5～6.0
低瓦斯矿
1.0～1.5
1.5～2.0
2.0～3.0
3.0～4.0
三、矿井通风阻力应满足的要求
矿井通风系统风量
m3/min
系统飞通风阻力
Pa
＜3000
＜1500
3000～5000
＜2000
5000～10000
＜2500
10000～20000
＜2940
＞20000
＜3920
§3—4通风阻力测量
矿井通风测量：
测定矿井通风参数的工作。
矿井风量测量：
检测矿井井巷中风流流量的工作。
矿井通风阻力测定：
测量矿井井巷中风流的摩擦阻力和局部阻力的工作。
一、测量的内容
1、测算风阻值R
由h＝RQ2得R＝
h＝P1总－P2总
＝（P1＋h速1＋h位1）－（P2＋h速2＋h位2）
Q＝SV
2、测算摩擦阻力系数
由h摩＝
得
＝
所测得的值，必须换算成标准值
＝
3、测定通风阻力与分布
各测量段的阻力计算式子为：
h＝P1总－P2总
＝（P1＋h速1＋h位1）－（P2＋h速2＋h位2）
4、矿井气候条件及风量
内容包括温度、湿度、风速和风量等。
二、测定依据
能量方程
h＝P1总－P2总
＝（P1＋h速1＋h位1）－（P2＋h速2＋h位2）
三、测定方法
1、测定路线和测点的选择
分主要线路和次要线路。
线路最长，需要风量最大的线路为主要线路；除主要线路以外的线路为次要线路。
测点应避开风流分叉与汇合点或巷道断面突然变化等风流流动不稳定处。
若测点布置在分叉与汇合点前时，应距分叉与汇合点（3~4）B；若测点布置在分叉与汇合点后时，应距分叉与汇合点（12~14）B。
2、仪器、工具
⑴记录表格；
⑵皮尺、卷尺（丈量线路长度、巷道参数）
⑶风表、秒表（测量风速、风量）
⑷温度计（温度、湿度、空气密度）
⑸气压计（空盒、精密气压计，绝对压力、空气密度）
⑹湿度计（湿度、温度）
⑺压差计（U型压差计、单管压差计、恒温压差计、补偿式压差计、精密气压计等，测段压差）
3、整理
整理有关数据，编制测定报告。
测定报告的内容包括：
⑴情况说明；
⑵测定矿井概况；
⑶测定的组织工作；
⑷使用的仪器设备和型号、精度等；
⑸测定原理叙述；
⑹数据整理，往往以附表、附图的形式。
⑺误差分析；
⑻存在问题与建议等。
§3—5减少通风阻力的措施
一、降低矿井通风阻力的方法
1、减少摩擦阻力
⑴扩大井巷断面，是降阻的主要措施；
⑵缩短风路，如密闭旧巷等；
⑶选用周边长较小的井巷断面；
⑷选用粗糙度小的材料支护；
⑸避免风量的过度集中等。
2、减少局部阻力
⑴避免巷道突然转弯、突然分叉与汇合等。
巷道拐弯要平缓，以弧形过度，并加大曲率半径，尽量避免直角转弯。
根据实验，巷道一个直角转弯的阻力相当于83m长同等断面直线巷道的阻力。
⑵避免断面突然变化。
巷道断面突然扩大和缩小的地方风流变化剧烈，风流产生涡流，致使风流受到冲击和阻碍，因此，在掘进巷道时要尽量做到断面一致，需要扩大或缩小时，要通过过渡段，采用逐步扩大或缩小的方式，以减少局部通风阻力。
⑶要及时清除巷道中的堆积物，避免在风量集中断面较小的巷道内停放矿车、设备、坑木等。
如一个相当于巷道断面积15%～20%矿车的阻力相当于30m长巷道的阻力；若矿车占停放巷道断面的40%时，则相当于120m长的巷道阻力。
因此，巷道中不应放置和堆积无用的东西，如果需要暂时堆放时，也应疏散放置，特别是采煤工作面的上下风巷更应注意。
⑷通风机风流入口处要按集风器，风流出口要按扩散器；局部通风的风筒要吊挂平直等。
二、经济断面的选择
1、经济性
断面扩大后，矿井通风容易，通风费用降低，但是巷道掘进费用、维护费用升高。
因此，在扩大巷道断面时，应进行综合经济比较；
2、合理性
即做到安全上可靠。
巷道断面应满足运输、
行人、通风、设备安装与检修、施工、风速的
限制等的要求；
3、技术上可行
即在目前施工技术水平上能够满足的断面。
目前条件下：
料石砌碹水平巷道：
S≯16m2；
料石砌碹倾斜巷道：
S≯12m2；
棚支护巷道：
S≯7m2。
附录A
矿井通风阻力测定方法
A．1仪器准备
矿井通风阻力测定应准备下列仪器，并在检验有效期内。
⑴普通型空盒气压计：
测量范围80～107kPa（相当于600～800mmHg），最小分度值50Pa。
⑵倾斜压差计或矿用通风参数仪：
测量范围0～3000kPa，最小分度值10Pa。
⑶精密气压计：
测量范围83.6～114kPa，最小分度值25Pa。
⑷通风干湿温度计：
测量范围-25℃+50℃，最小分度值0.2℃。
⑸皮托管：
校正系数0.998～1.004。
⑹低速风速表：
测量范围0.2～5m/s，启动风速≤0.2m/s。
⑺中速风速表：
测量范围0.4～10m/s，启动风速≤0.4m/s。
⑻高速风速表：
叶轮式，测量范围0.8～25m/s，启动风速≤0.5m/s。
杯式，测量范围1.0～30m/s，启动风速≤0.8m/s。
⑼秒表：
最小分度值1s。
⑽钢卷尺：
2m钢卷尺，测量范围0～2m，最小分度值1.0mm。
30m钢卷尺，测量范围0～30m，最小分度值1.0mm。
⑾橡胶管（或塑胶管）：
内径4～5mm。
⑿橡胶管接头：
内径3～4mm，外径5～6mm，长度50～80mm。
A．2测定步骤
A．2．1测定路线选择
在通风系统图上选择测定的主要路线和次要路线。
同时，要考虑一个工作班内将该路线测完；当测定路线较长时，可分段、分组测定。
A．2．2测点选择
首先在通风系统图上按选定测定路线布置测点，并按顺序编号。
然后再按井下实际情况确定测点位置，并作标记。
选择测点时应满足下列要求：
⑴测点应在分风点或合风点前（或后）处选定。
选在前方不得小于巷道宽度的3倍；选在后方不得小于巷道宽度的8倍；
⑵需要在巷道转弯处、断面变化大的地方选点时，选在前方不得小于巷道宽度的3倍；选在后方不得小于巷道宽度的8倍；
⑶测点前、后3m内巷道应支护良好，巷道内无堆积物；
⑷两测点间的压差应不小于20Pa。
A．2．3压差计法
A．2．3．1风压测量
从测点1开始，在测点1、2两处各设置一个皮托管，一般在测点2的下风侧6～8m处安设压差计。
皮托管应设置在风流稳定的地点，正对风流。
压差计应靠近巷道壁安设平稳，调零或记下初读数。
橡胶管要防止折叠和被水、污物等堵塞，待橡胶管内的空气温度等于巷道内的空气温度后，将两个橡胶管安在压差计上，待压差计液面稳定后读数，及时进行记录。
测点1、2测完后，压差计可以不动，进行测点2、3的测量。
依次按测点的顺序测量，直至全路线测完为止。
测量顺序也可逆风流方向进行。
A．2．3．2风速测量
用风速表测量风速，需测量三次，取其平均风速值。
A．2．3．3大气物理参数测量
用空盒气压计测量大气压力；用通风干湿温度计测量空气的干球温度和湿球温度。
A．2．3．4巷道断面积和周长参数测量
按测点巷道断面形状，用钢卷尺进行测量。
A．2．3．5测点间距离测量
用钢卷尺测量两测点的距离。
A．2．4气压计法
A．2．4．1风压测量
逐点测量法：
在井口或井底车场调好两台精密气压计（Ⅰ、Ⅱ），并记录初读数。
仪器Ⅰ留在原地监视大气压力变化，每隔10～15min记录一次读数，仪器Ⅱ按测点顺序分别测出各测点风流的绝对静压。
双测点同时测量法：
在测点1处，调好两台精密气压计（Ⅰ、Ⅱ），并记录初读数。
然后仪器Ⅰ留在原地不动，仪器Ⅱ放置在测点2，在约定时间内两台仪器同时读数。
再把仪器Ⅰ移至2点，同时读数，仪器Ⅰ不动，再把仪器Ⅱ移至3点，再在约定时间内两台仪器同时读数。
如此前进直至测完。
A．2．4．2风速测量同A．2．3．2
A．2．4．3大气物理参数测量同A．2．3．3
A．2．4．4巷道断面积和周长参数测量同A．2．3．4
A．2．4．5测点间距测量同A．2．3．5
A．2．4．6测点标高测量
由矿地测部门给出各点标高。
A．3测定结果计算
A．3．1空气密度计算
空气密度按下式计算：
式中ρ——空气密度，kg／m3；
P0——测点的大气压力，Pa；
ψ——空气相对湿度，％；
Psh——测点温度为t℃时，空气的绝对饱和水蒸气压力，Pa；
t——空气温度，℃。
A．3．2巷道断面积和周长计算
按巷道断面形状，计算其断面积和周长。
A．3．3平均风速计算
每测点取三次实际风速值的算术平均值。
A．3．4风量计算
风量按下式计算：
式中qv——测点风量，m3／s；
S——测风处巷道断面积，m2；
V——测风断面的平均风速，m／s。
A．3．5动压计算
动压按下式计算：
式中hd——测点的动压，Pa。
ρ——空气密度，kg／m3；
V——测风断面的平均风速，m／s。
A．3．6通风阻力计算
A．3．6．1两测点间通风阻力
压差计法按下式计算：
式中hxij——两测点间的通风阻力，Pa；
hij——两测点间的压差值，Pa；
hdi——测点i的动压值，Pa；
hdj——测点j的动压值，Pa。
气压计法：
⑴逐点测定法。
按下式计算：
式中k′、k″——气压计（I、Ⅱ）的校正系数；
hi′、hj′——气压计在测点i、j的读数，Pa；
hi″、hj″——测hi′、hj′时，气压计（Ⅱ）的读数，Pa；
Zi、Zj——测点i、j的标高，m；
ρij——测点i、j空气密度的平均值，kg／m3；
g——重力加速度，m／s2。
⑵双测点同时测定法。
按下式计算：
式中hi′、hj′——气压计（Ⅱ）在测点i、j的读数，Pa；
A．3．7测量路线总阻力计算
测量路线的总阻力按下式计算：
式中htr——测量路线的总阻力，Pa；
hrij——在测量路线上的各段阻力之和，Pa；
A．3．8巷道风阻
A．3．8．1两测点阻力计算
两测点风阻按下式计算：
Rij——测点i、j间的风阻，N.s2／m8；
qvij——测点i、j风量的算术平均值，m3／s。
A．3．8．2两点间的标准风阻计算
两点间的标准风阻按下式计算：
式中Rsij——标准空气密度下的测点n、n+l间的标准风阻，N.s2／m8。
A．3．8．3巷道百米标准风阻计算
巷道百米标准风阻按下式计算：
式中R100——巷道百米标准风阻，N.s2／m8；
Lij——测点i、j间的距离，m。
A．4测定结果处理
对选定的测定路线作通风阻力测定时，还需同时作必要的补充测定，以便对通风网络的风量平衡和阻力平衡校核。
同时，按风量不同中相对静压测值与自然风压值校验全矿阻力测定值的读善判定可靠性。
测定结果计算后，应编制矿井通风阻力测定报告，报告内容主要包括：
测定时间、测定目的和要求、当时的矿井通风和生产情况、测定路线选择、人员组织、使用仪器、测量方法、测定结果、矿井通风阻力分布、绘制阻力分布曲线及分析和改善矿井通风状况的建议等。
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