中国矿业大学矿井通风与安全笔记第3章.docx

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中国矿业大学矿井通风与安全笔记第中国矿业大学矿井通风与安全笔记第3章章矿井通风与安全课堂笔记3章第三章第三章井巷通风阻力井巷通风阻力本章重点和难点：

摩擦阻力和局部阻力产生的原因和测算当空气沿井巷运动时，由于风流的粘滞性和惯性以及井巷壁面等对风流的当空气沿井巷运动时，由于风流的粘滞性和惯性以及井巷壁面等对风流的阻滞、扰动作用而形成通风阻力，它是造成风流能量损失的原因。

井巷通阻滞、扰动作用而形成通风阻力，它是造成风流能量损失的原因。

井巷通风阻力可分为两类：

摩擦阻力风阻力可分为两类：

摩擦阻力（也称为沿程阻力也称为沿程阻力）和局部阻力。

和局部阻力。

第一节第一节井巷断面上风速分布井巷断面上风速分布一、风流流态一、风流流态1、管道流、管道流同一流体在同一管道中流动时，不同的流速，会形成不同的流动状态。

当同一流体在同一管道中流动时，不同的流速，会形成不同的流动状态。

当流速较低时，流体质点互不混杂，沿着与管轴平行的方向作层状运动，称流速较低时，流体质点互不混杂，沿着与管轴平行的方向作层状运动，称为层流为层流（或滞流或滞流）。

当流速较大时，流体质点的运动速度在大小和方向上都。

当流速较大时，流体质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化，成为互相混杂的紊乱流动，称为紊流随时发生变化，成为互相混杂的紊乱流动，称为紊流（或湍流或湍流）。

（）雷诺数Re式中：

平均流速式中：

平均流速v、管道直径、管道直径d和流体的运动粘性系数和流体的运动粘性系数。

在实际工程计算中，为简便起见，通常以在实际工程计算中，为简便起见，通常以Re=2300作为管道流动流态的作为管道流动流态的判定准数，即：

判定准数，即：

Re2300层流，层流，Re2300紊流紊流（）当量直径（）当量直径对于非圆形断面的井巷，Re数中的管道直径d应以井巷断面的当量直径de来表示：

因此，非圆形断面井巷的雷诺数可用下式表示：

因此，非圆形断面井巷的雷诺数可用下式表示：

对于不同形状的井巷断面，其周长对于不同形状的井巷断面，其周长U与断面积与断面积S的关系，可用下式表的关系，可用下式表示：

示：

式中：

式中：

C断面形状系数：

梯形断面形状系数：

梯形C=4.16；三心拱；三心拱C=3.85；半圆拱；半圆拱C=3.90。

（举例见。

（举例见P38）2、孔隙介质流、孔隙介质流在采空区和煤层等多孔介质中风流的流态判别准数为：

式中：

式中：

K冒落带渗流系数，冒落带渗流系数，m2；l滤流带粗糙度系数，滤流带粗糙度系数，m。

层流，层流，Re0.25；紊流，紊流，Re2.5；过渡流过渡流0.25Re，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心中，故，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心中，故Re对对值的影响极小，略去不计，相对糙度成为值的影响极小，略去不计，相对糙度成为的唯一影响因素。

故在该区的唯一影响因素。

故在该区段，段，与与Re无关，而只与相对糙度有关。

摩擦阻力与流速平方成正比，无关，而只与相对糙度有关。

摩擦阻力与流速平方成正比，故称为阻力故称为阻力平方区，尼古拉兹公式：

平方区，尼古拉兹公式：

2层流摩擦阻力层流摩擦阻力当流体在圆形管道中作层流流动时，从理论上可以导出摩擦阻力计算式：

=可得圆管层流时的沿程阻力系数：

古拉兹实验所得到的层流时古拉兹实验所得到的层流时与与Re的关系，与理论分析得到的关系完的关系，与理论分析得到的关系完全相同，理论与实验的正确性得到相互的验证。

全相同，理论与实验的正确性得到相互的验证。

层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。

层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。

3、紊流摩擦阻力、紊流摩擦阻力对于紊流运动，对于紊流运动，=f（Re，/r），关系比较复杂。

用当量，关系比较复杂。

用当量直径直径de=4S/U代替代替d，代入阻力通式，则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力，代入阻力通式，则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式：

计算式：

二、摩擦阻力系数与摩擦风阻二、摩擦阻力系数与摩擦风阻1摩擦阻力系数摩擦阻力系数矿井中大多数通风井巷风流的矿井中大多数通风井巷风流的Re值已进入阻力平方区，值已进入阻力平方区，值只与相对糙值只与相对糙度有关，对于几何尺寸和支护已定型的井巷，相对糙度一定，则度有关，对于几何尺寸和支护已定型的井巷，相对糙度一定，则可视为可视为定值；在标准状态下空气密度定值；在标准状态下空气密度=1.2kg/m3。

对上式，令：

称为摩擦阻力系数，单位为称为摩擦阻力系数，单位为kg/m3或或N.s2/m4。

则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为：

则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为：

标准摩擦阻力系数：

通过大量实验和实测所得的、在标准状态（0=1.2kg/m3）条件下的井巷的摩擦阻力系数，即所谓标准值0值，当井巷中空气密度1.2kg/m3时，其值应按下式修正：

2摩擦风阻摩擦风阻Rf对于已给定的井巷，对于已给定的井巷，L、U、S都为已知数，故可把上式中的都为已知数，故可把上式中的、L、U、S归结为一个参数归结为一个参数Rf：

Rf称为巷道的摩擦风阻，其单位为：

kg/m7或N.s2/m8。

工程单位：

工程单位：

kgf.s2/m8，或写成：

，或写成：

k。

1N.s2/m8=9.8kRff（,S,U,L）。

在正常条件下当某一段井巷中的空气密度。

在正常条件下当某一段井巷中的空气密度一般变化一般变化不大时，可将不大时，可将Rf看作是反映井巷几何特征的参数。

看作是反映井巷几何特征的参数。

则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为：

则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为：

此式就是完全紊流（进入阻力平方区）下的摩擦阻力定律。

三、井巷摩擦阻力计算方法三、井巷摩擦阻力计算方法新建矿井：

查表得新建矿井：

查表得0Rfhf生产矿井：

生产矿井：

hfRf0四、生产矿井一段巷道阻力测定四、生产矿井一段巷道阻力测定1、压差计法、压差计法用压差计法测定通风阻力的实质是测量风流两点间的势能差用压差计法测定通风阻力的实质是测量风流两点间的势能差和动压差，计算出两测点间的通阻力。

和动压差，计算出两测点间的通阻力。

其中：

右侧的第二项为动压差，通过测定其中：

右侧的第二项为动压差，通过测定1、2两断面的风速、大气压、两断面的风速、大气压、干湿球温度，即可计算出它们的值。

第一项和第三项之和称为势能差，需干湿球温度，即可计算出它们的值。

第一项和第三项之和称为势能差，需通过实际测定。

通过实际测定。

1）布置方式及连接方法布置方式及连接方法）阻力计算）阻力计算压差计“”感受的压力：

压差计压差计“”感受的压力：

感受的压力：

故压差计所示测值：

设且与1、2断面间巷道中空气平均密度相等，则：

式中：

Z12为1、2断面高差，h值即为1、2两断面压能与位能和的差值。

根据能量方程，则1、2巷道段的通风阻力hR12为：

把压差计放在1、2断面之间，测值是否变化？

、气压计法（原理、方法）、气压计法（原理、方法）由能量方程：

由能量方程：

hR12=（P1-P2）+（1v12/2-2v22/2）+m12gZ12用精密气压计分另测得用精密气压计分另测得1，2断面的静压断面的静压P1，P2用干湿球温度计测得用干湿球温度计测得t1,t2,t1,t2,和和1，2，进而计算，进而计算1，2用风表测定用风表测定1，2断面的风速断面的风速v1,v2。

m12为为1，2断面的平均密度，若高差不大，就用算术平均值，若高差断面的平均密度，若高差不大，就用算术平均值，若高差大，则有加权平均值；大，则有加权平均值；Z121，2断面高差，从采掘工程平面图查得。

断面高差，从采掘工程平面图查得。

可用逐点测定法，一台仪器在井底车场监视大气压变化，然后对上式进行可用逐点测定法，一台仪器在井底车场监视大气压变化，然后对上式进行修正。

修正。

hR12=（P1-P2）+P12（+（1v12/2-2v22/2）+m12gZ12例题例题3-3某设计巷道为梯形断面，某设计巷道为梯形断面，S=8m2，L=1000m，采用工字钢棚支，采用工字钢棚支护，支架截面高度护，支架截面高度d0=14cm，纵口径，纵口径=5，计划通过风量，计划通过风量Q=1200m3/min，预计巷道中空气密度，预计巷道中空气密度=1.25kg/m3，求该段巷道的通风，求该段巷道的通风阻力。

阻力。

解解根据所给的根据所给的d0、S值，由附录值，由附录4附表附表4-4查得：

查得：

0=284.21040.88=0.025Ns2/m4则：

巷道实际摩擦阻力系数Ns2m4巷道摩擦风阻巷道摩擦风阻0.598Ns2m8巷道摩擦阻力巷道摩擦阻力第三节第三节局部风阻与阻力局部风阻与阻力由于井巷断面、方向变化以及分岔或汇合等原因，使均匀流动在局部地区由于井巷断面、方向变化以及分岔或汇合等原因，使均匀流动在局部地区受到影响而破坏，从而引起风流速度场分布变化和产生涡流等，造成风流受到影响而破坏，从而引起风流速度场分布变化和产生涡流等，造成风流的能量损失，这种阻力称为局部阻力。

的能量损失，这种阻力称为局部阻力。

由于局部阻力所产生风流速度场分由于局部阻力所产生风流速度场分布的变化比较复杂性，对局部阻力的计算一般采用经验公式。

布的变化比较复杂性，对局部阻力的计算一般采用经验公式。

一、局部阻力及其计算一、局部阻力及其计算和摩擦阻力类似，局部阻力和摩擦阻力类似，局部阻力hl一般也用动压的倍数来表示：

一般也用动压的倍数来表示：

式中：

局部阻力系数，无因次。

层流计算局部阻力，关键是局部阻力系数确定，因v=Q/S,当确定后，便可用几种常见的局部阻力产生的类型：

几种常见的局部阻力产生的类型：

、突变、突变紊流通过突变部分时，由于惯性作用，出现主流与边壁脱离的现象，在主紊流通过突变部分时，由于惯性作用，出现主流与边壁脱离的现象，在主流与边壁之间形成涡漩区，从而增加能量损失。

流与边壁之间形成涡漩区，从而增加能量损失。

、渐变、渐变主要是由于沿流动方向出现减速增压现象，在边壁附近产生涡漩。

因为主要是由于沿流动方向出现减速增压现象，在边壁附近产生涡漩。

因为Vhvp，压差的作用方向与流动方向相反，使边壁附近，流速本来就小，趋，压差的作用方向与流动方向相反，使边壁附近，流速本来就小，趋于于0,在这些地方主流与边壁面脱离，出现与主流相反的流动，面涡漩。

在这些地方主流与边壁面脱离，出现与主流相反的流动，面涡漩。

、转弯处流体质点在转弯处受到离心力作用，在外侧出现减速增压，出现涡漩。

流体质点在转弯处受到离心力作用，在外侧出现减速增压，出现涡漩。

、分岔与会合上述的综合。

上述的综合。

局部阻力的产生主要是与涡漩区有关，涡漩区愈大，能量损失愈多，局部阻力的产生主要是与涡漩区有关，涡漩区愈大，能量损失愈多，局部阻力愈大。

局部阻力愈大。

二、局部阻力系数和局部风阻二、局部阻力系数和局部风阻（一一）局部阻力系数局部阻力系数紊流局部阻力系数紊流局部阻力系数一般主要取决于局部阻力物的形状，而边壁的粗糙程一般主要取决于局部阻力物的形状，而边壁的粗糙程度为次要因素。

度为次要因素。

1突然扩大突然扩大式中：

v1、v2分别为小断面和大断面的平均流速，m/s；S1、S2分别为小断面和大断面的面积，分别为小断面和大断面的面积，m；m空气平均密度，空气平均密度，kg/m3。

对于粗糙度较大的井巷，可进行修正对于粗糙度较大的井巷，可进行修正2突然缩小对应于小断面的动压，对应于小断面的动压，值可按下式计算：

值可按下式计算：

3逐渐扩大逐渐扩逐渐扩大的局部阻力比突然扩大小得多，其能量损失可认为由摩擦损失和大的局部阻力比突然扩大小得多，其能量损失可认为由摩擦损失和扩张损失两部分组成。

扩张损失两部分组成。

当20时，渐扩段的局部阻力系数可用下式求算：

式中式中风道的摩擦阻力系数，风道的摩擦阻力系数，Ns2/m4；n风道大、小断面积之比，即风道大、小断面积之比，即21；扩张角。

扩张角。

4转弯转弯巷道转弯时的局部阻力系数巷道转弯时的局部阻力系数（考虑巷道粗糙程度考虑巷道粗糙程度）可按下式计算：

可按下式计算：

当巷高与巷宽之比H/b=0.21.0时，当H/b=12.5时式中式中0假定边壁完全光滑时，假定边壁完全光滑时，90转弯的局部阻力系数，其值见表转弯的局部阻力系数，其值见表3-3-1；巷道的摩擦阻力系数，巷道的摩擦阻力系数，N.s2/m4；巷道转弯角度影响系数，见表巷道转弯角度影响系数，见表3-3-2。

5风流分叉与汇合风流分叉与汇合1）风流分叉风流分叉典型的分叉巷道如图所示，12段的局部阻力hl2和13段的局部阻力hl3分别用下式计算：

2）风流汇合如图所示，13段和23段的局部阻力hl3、hl23分别按下式计算：

式中：

（二）局部风阻在局部阻力计算式中，令在局部阻力计算式中，令，则有：

式中式中Rl称为局部风阻，其单位为称为局部风阻，其单位为N.s2/m8或或kg/m7。

此式表明，在紊流条件下局部阻力也与风量的平方成正比此式表明，在紊流条件下局部阻力也与风量的平方成正比第四节第四节矿井总风阻与矿井等积孔矿井总风阻与矿井等积孔一、井巷阻力特性一、井巷阻力特性在紊流条件下，摩擦阻力和局部阻力均与风量的平方成正比。

故可写成一在紊流条件下，摩擦阻力和局部阻力均与风量的平方成正比。

故可写成一般形式：

般形式：

hRQ2Pa。

对于特定井巷，R为定值。

用纵坐标表示通风阻力（或压力），横坐标表示通过风量，当风阻为R时，则每一风量Qi值，便有一阻力hi值与之对应，根据坐标点（Qi,hi）即可画出一条抛物线。

这条曲线就叫该井巷的阻力特性曲线。

风阻R越大，曲线越陡。

二、矿井总风阻二、矿井总风阻从入风井口到主要通风机入口，把顺序连接的各段井巷的通风阻力累加起从入风井口到主要通风机入口，把顺序连接的各段井巷的通风阻力累加起来，就得到矿井通风总阻力来，就得到矿井通风总阻力hRm，这就是井巷通风阻力的叠加原则。

，这就是井巷通风阻力的叠加原则。

已知矿井通风总阻力已知矿井通风总阻力hRm和矿井总风量和矿井总风量Q，即可求得矿井总风阻：

，即可求得矿井总风阻：

N.s2/m8Rm是反映矿井通风难易程度的一个指标。

是反映矿井通风难易程度的一个指标。

Rm越大，矿井通风越困难；越大，矿井通风越困难；三、矿井等积孔三、矿井等积孔我国常用矿井等积孔作为衡量矿井通风难易程度的指标。

我国常用矿井等积孔作为衡量矿井通风难易程度的指标。

假定在无限空间有一薄壁，在薄壁上开一面积为在薄壁上开一面积为A（m2）的孔口。

的孔口。

当孔口通过的风量等于矿井风量，当孔口通过的风量等于矿井风量，而且孔口两侧的风压差等于矿井而且孔口两侧的风压差等于矿井通风阻力时，则通风阻力时，则孔口面积孔口面积A称为该称为该矿井的等积孔。

矿井的等积孔。

设风流从设风流从III，且无能量损失，且无能量损失，则有：

则有：

得：

风流收缩处断面面积A2与孔口面积A之比称为收缩系数，由水力学可知，一般=0.65，故A2=0.65A。

则v2Q/A2=Q/0.65A，代入上式后并整理得：

取=1.2kg/m3，则：

因Rm=hm2，故有由此可见，A是Rm的函数，故可以表示矿井通风的难易程度。

当当A，容易；，容易；A2，中等；，中等；A困难。

困难。

例题例题3-7某矿井为中央式通风系统，测得矿井通风总阻力某矿井为中央式通风系统，测得矿井通风总阻力hRm=2800Pa，矿井总风量矿井总风量Q=70m3/s，求矿井总风阻，求矿井总风阻Rm和等积孔和等积孔A，评价其通风难易，评价其通风难易程度。

程度。

解解对照表3-4-1可知，该矿通风难易程度属中等。

1、对于多风机工作的矿井，应根据各主要通风机工作系统的通风阻力和、对于多风机工作的矿井，应根据各主要通风机工作系统的通风阻力和风量，分别计算各主要通风机所担负系统的等积孔，进行分析评价。

风量，分别计算各主要通风机所担负系统的等积孔，进行分析评价。

2、必须指出，表、必须指出，表3-4-1所列衡量矿井通风难易程度的等积孔值，是所列衡量矿井通风难易程度的等积孔值，是1873年缪尔格年缪尔格（Murgue）根据当时的生产情况提出的根据当时的生产情况提出的3，一直沿用至今。

由，一直沿用至今。

由于现代的矿井规模、开采方法、机械化程度和通风机能力等较以前已有很于现代的矿井规模、开采方法、机械化程度和通风机能力等较以前已有很大的发展和提高，表中的数据大的发展和提高，表中的数据对小型矿井还有一定的参考价值，对大型矿对小型矿井还有一定的参考价值，对大型矿井或多风机通风系统的矿井，衡量通风难易程度的指标还有待研究。

井或多风机通风系统的矿井，衡量通风难易程度的指标还有待研究。

第五节第五节降低矿井通风阻力措施降低矿井通风阻力措施降低矿井通风阻力，对保证矿井安全生产和提高经济效益都具有重要意降低矿井通风阻力，对保证矿井安全生产和提高经济效益都具有重要意义。

义。

一、降低井巷摩擦阻力措施一、降低井巷摩擦阻力措施1减小摩擦阻力系数减小摩擦阻力系数。

2保证有足够大的井巷断面。

在其它参数不变时，井巷断面扩大保证有足够大的井巷断面。

在其它参数不变时，井巷断面扩大33%，Rf值可减少值可减少50%。

3选用周长较小的井巷。

在井巷断面相同的条件下，圆形断面的周长最选用周长较小的井巷。

在井巷断面相同的条件下，圆形断面的周长最小，拱形断面次之，矩形、梯形断面的周长较大。

小，拱形断面次之，矩形、梯形断面的周长较大。

4减少巷道长度。

减少巷道长度。

5避免巷道内风量过于集中。

避免巷道内风量过于集中。

二、降低局部阻力措施二、降低局部阻力措施局部阻力与局部阻力与值成正比，与断面的平方成反比。

因此，为降低局部阻力，值成正比，与断面的平方成反比。

因此，为降低局部阻力，应尽量避免井巷断面的突然扩大或突然缩小，断面大小悬殊的井巷，其连应尽量避免井巷断面的突然扩大或突然缩小，断面大小悬殊的井巷，其连接处断面应逐渐变化。

尽可能避免井巷直角转弯或大于接处断面应逐渐变化。

尽可能避免井巷直角转弯或大于90的转弯，主要的转弯，主要巷道内不得随意停放车辆、堆积木料等。

要加强矿井总回风道的维护和管巷道内不得随意停放车辆、堆积木料等。

要加强矿井总回风道的维护和管理，对冒顶、片帮和积水处要及时处理。

理，对冒顶、片帮和积水处要及时处理。