讲义 通风安全与照明解读Word下载.docx

1、 1一氧化碳CO2氮氧化物3二氧化硫SO24硫化氢H2S5浮扬粉尘隧道粉尘对人的健康有危害，硫化矿尘可引起人的皮肤发炎；铅、砷、汞尘进人人体会引起中毒；当人体长期吸人含游离二氧化硅（Si02）的矿尘时，会导致矽肺病。矿尘中游离二氧化硅含量越高，对人体危害越大。一般金属非金属矿山游离二氧化硅含量在30-70，也有高达90以上的。第三节 隧道气候一、隧道气候条件及其对人体热平衡的影响隧道气候条件是指隧道空气温度、湿度、大气压力和风速等参数所反映的综合状态，反映的是人体对隧道环境的热感受。人不论在休息或在工作时，身体不断地产生热量和散失热量，以保持热平衡，人体产生热量的多少取决于体质、年龄和劳动强度

2、的大小。劳动强度越大，产生热量越多，成年人进行轻微劳动时每小时产生的热量约为500KJ，进行繁重劳动时每小时产生的热量约为1100KJ。人体产生热量的一部分用来维持人体自身的生理机能活动以及满足对外做功的需要，其余部分必须通过散热的方式排出体外。人体散热主要是通过人体皮肤表面与外界的对流、辐射和汗液蒸发这三种形式进行的，呼吸和排泄也散发少量的热。对流散热主要取决于周围空气的温度和流速；辐射散热主要取决于周围环境的温度；蒸发散热主要取决于周围空气的相对湿度，人体每蒸发1克汗液，可以散热2.42KJ。当空气的温度达到人的皮肤温度（3334）时，出汗蒸发几乎成为人体唯一的散热方式。即工作环境的温度、

3、湿度和风速三者的综合状态决定着人体的散热条件。三者在一定的范围内，人体能够依靠自身的调节机能，使散热量和产热量之间保持相对平衡，体温保持在36.537之间，维持人的正常生理活动。在隧道生产的劳动强度情况下，比较适宜的空气温度为20左右，风速为1m/s左右。此条件适合人体的对流和辐射散热，人的感觉会比较舒适。空气温度超过25将不利于劳动状态下人体的散热。空气的湿度决定着蒸发的效果。湿度低于30%，属于干燥空气，蒸发过快，会感到干燥；湿度高于80%，属于高湿空气，蒸发困难；湿度达到100%，蒸发停止，人体感觉适宜的湿度为5060%。隧道环境中，空气的湿度难以调节，往往是通过温度和风速的合理调节给工

4、作环境创造一个比较舒适的工作气候条件，这也是隧道通风的一个基本任务。当隧道气候条件不能满足人体的产热和散热的平衡时，则会对人体产生危害。比如，寒冷地区，气温低、风速大的环境，潮湿空气会带走人体过多的热量，人体就会发冷，甚至感冒。而高温、高湿的空气，会使人感到闷热。当温湿度过高的时候，会使人体的对流和辐射和蒸发散热大大减低，人体的热量不能及时散出，甚至超过人体的热承受能力，会给人体健康和隧道安全生产带来危害即所谓的隧道热害。 隧道高温热环境的危害主要表现在人长时间处在高温热环境中生理调节机能将发生障碍，出现体温升高，代谢紊乱，心跳加快，心律失常，血压升高等现象，甚至虚脱中暑，严重时可导致昏迷或死

5、亡。高温高湿的作业环境中会使作业人员精神烦躁、疲惫乏力、精力不集中，增加了事故的发生率。影响着作业人员劳动生产效率。易引发其它灾害，如增大瓦斯涌出量，煤层自然着火危险性增加等。第二章 隧道空气流动的基本理论本章的重点：1、空气的物理参数-T、P、；2、风流的能量与点压力-静压，静压能；动压、动能；位能；全压；抽出式和压入式相对静压、相对全压与动压的关系3、能量方程连续性方程；单位质量能量方程、单位体积能量方程4、能量方程在隧道中的应用-边界条件、压力坡度图本章的难点：点压力之间的关系能量方程及其在隧道中的应用主要研究内容：隧道空气沿隧道流动过程中宏观力学参数的变化规律以及能量的转换关系。介绍空

6、气的主要物理参数、性质，讨论空气在流动过程中所具有的能量（压力）及其能量的变化。根据热力学第一定律和能量守恒及转换定律，结合隧道风流流动的特点，推导了隧道空气流动过程中的能量方程，介绍了能量方程在隧道通风中的应用。第一节 隧道空气流动规律1.1 空气的主要物理参数 一、温度 温度是描述物体冷热状态的物理量。隧道表示气候条件的主要参数之一。热力学绝对温标的单位K，摄式温标：T=273.15+t 二、压力（压强） 1、定义：空气的压力也称为空气的静压，用符号P表示。压强在隧道通风中习惯称为压力。它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。 三、湿度 表示空气中所含水蒸汽量的多少或潮湿程度。 表示空气湿

7、度的方法：绝对湿度、相对温度和含湿量三种。 、绝对湿度 、相对湿度例如：甲地：t = 18 ， V 0.0107 Kg/m3, 乙地：t = 30 ， V 0.0154 Kg/m3解：查附表 当t为18 ， s 0.0154 Kg/m3, , 当t为 30 ， s 0.03037 Kg/m3, 甲地： V S0.7 70 % V S0.5151 % 乙地的绝对湿度大于甲地，但甲地的相对湿度大于乙地，故乙地的空气吸湿能力强。 露点：将不饱和空气冷却时，随着温度逐渐下降，相对湿度逐渐增大，当达到100时，此时的温度称为露点。 上例 甲地、乙地的露点分别为多少？ 、含湿量隧道空气湿度的变化规律进风线

8、路有可能出现冬干夏湿的现象。进风隧道有淋水的情况除外。在采掘工作面和回风线路上，气温长年不变，湿度也长年不变，一般都接近100，随着隧道排出的污风，每昼夜可从隧道内带走数吨甚至上百吨的地下水。1.2风流的能量与压力 能量与压力是通风工程中两个重要的基本概念，压力可以理解为：单位体积空气所具有的能够对外作功的机械能。 一、风流的能量与压力 1.静压能静压 2、重力位能1.3 隧道通风中的能量方程 当空气在隧道中流动时，将会受到通风阻力的作用，消耗其能量；为保证空气连续不断地流动，就必需有通风动力对空气作功，使得通风阻力和通风动力相平衡。 关于能量方程使用的几点说明 1. 能量方程的意义是，表示1

9、kg（或1m3）空气由1断面流向2断面的过程中所消耗的能量（通风阻力），等于流经1、2断面间空气总机械能（静压能、动压能和位能）的变化量。 2. 风流流动必须是稳定流，即断面上的参数不随时间的变化而变化；所研究的始、末断面要选在缓变流场上。 3. 风流总是从总能量（机械能）大的地方流向总能量小的地方。在判断风流方向时，应用始末两断面上的总能量来进行，而不能只看其中的某一项。如不知风流方向，列能量方程时，应先假设风流方向，如果计算出的能量损失（通风阻力）为正，说明风流方向假设正确；如果为负，则风流方与假设相反。 4. 正确选择求位能时的基准面。 5. 在始、末断面间有压源时，压源的作用方向与风流

10、的方向一致，压源为正，说明压源对风流做功；如果两者方向相反，压源为负，则压源成为通风阻力。 . 应用能量方程时要注意各项单位的一致性。 7、对于流动过程中流量发生变化，则按总能量守恒与转换定律列方程 第二节 隧道断面上的风速分布及通风阻力本节重点和难点：摩擦阻力和局部阻力产生的原因和测算当空气沿隧道运动时，由于风流的粘滞性和惯性以及隧道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。隧道通风阻力可分为两类：摩擦阻力（也称为沿程阻力）和局部阻力。2.1 隧道断面上风速分布一、风流流态1、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。当流速较低时，流体

11、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（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随时发生变化，成为互相混杂的紊乱流动，称为紊流（或湍流）。二、隧道断面上风速分布（1）紊流脉动风流中各点的流速、压力等物理参数随时间作不规则变化。（2）时均速度瞬时速度 vx 随时间的变化。其值虽然不断变化，但在一足够长的时间段 T 内，流速 vx 总是围绕着某一平均值上下波动。（3）隧道风速分布由于空气的粘性和隧道壁面摩擦影响，隧道断面上风速分布是不均匀的。层流边层：在贴近壁面处仍存在层流运动薄层，即层流边层。其厚度随Re增加而变薄，它的存在对流动阻力、传热和传质过程有较大影响。

12、在层流边层以外，从巷壁向隧道轴心方向，风速逐渐增大，呈抛物线分布。2.2 摩擦风阻与阻力一、摩擦阻力风流在隧道中作沿程流动时，由于流体层间的摩擦和流体与隧道壁面之间的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力（也叫沿程阻力）。由流体力学可知，无论层流还是紊流，以风流压能损失来反映的摩擦阻力可用下式来计算：（Pa） 无因次系数，即摩擦阻力系数，通过实验求得。 d圆形风管直径，非圆形管用当量直径；19321933年间，尼古拉兹把经过筛分、粒径为的砂粒均匀粘贴于管壁。砂粒的直径就是管壁凸起的高度，称为绝对糙度；绝对糙度与管道半径r的比值/r 称为相对糙度。以水作为流动介质、对相对糙度分别为1/15、1/30.6、

13、1/60、1/126、1/256、1/507六种不同的管道进行试验研究。对实验数据进行分析整理，在对数坐标纸上画出与Re的关系曲线，如图所示。结论分析：区层流区。当Re2320（即lgRe3.36）时，不论管道粗糙度如何，其实验结果都集中分布于直线上。这表明与相对糙度/r无关，只与Re有关，且=64/Re。与相对粗糙度无关区过渡流区。2320Re4000（即3.36lgRe3.6），在此区间内，不同相对糙度的管内流体的流态由层流转变为紊流。所有的实验点几乎都集中在线段上。随Re增大而增大，与相对糙度无明显关系。区水力光滑管区。在此区段内，管内流动虽然都已处于紊流状态（Re4000），但在一定的

14、雷诺数下，当层流边层的厚度大于管道的绝对糙度（称为水力光滑管）时，其实验点均集中在直线上，表明与仍然无关，而只与Re有关。随着Re的增大，相对糙度大的管道，实验点在较低Re时就偏离直线，而相对糙度小的管道要在Re较大时才偏离直线。区紊流过渡区，即图中所示区段。在这个区段内，各种不同相对糙度的实验点各自分散呈一波状曲线，值既与Re有关，也与/r有关。区水力粗糙管区。在该区段，Re值较大，管内液流的层流边层已变得极薄，有，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心中，故Re对值的影响极小，略去不计，相对糙度成为的唯一影响因素。故在该区段，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，故称为阻力平

15、方区，尼古拉兹公式：2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与Re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。层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。二、摩擦阻力系数与摩擦风阻1摩擦阻力系数隧道中大多数通风隧道风流的Re值已进入阻力平方区，值只与相对糙度有关，对于几何尺寸和支护已定型的隧道，相对糙度一定，则可视为定值；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 kg/m3 或 N.s2/m4。则得到紊流状态下隧道的摩擦阻力计算式写为

16、：第三节 局部风阻与阻力 由于隧道断面、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、局部阻力及其计算和摩擦阻力类似，局部阻力hl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：1、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，在主流与边壁之间形成涡漩区，从而增加能量损失。2、渐变

17、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 V hv p ，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。3、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。4、分岔与会合上述的综合。 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 二、局部阻力系数和局部风阻 （一） 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，而边壁的粗糙程度为次要因素。1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

18、的面积，m； m空气平均密度，kg/m3。对于粗糙度较大的隧道，可进行修正2突然缩小对应于小断面的动压，值可按下式计算：3逐渐扩大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 风道的摩擦阻力系数，Ns2/m4； n风道大、小断面积之比，即21； 扩张角。4转弯隧道转弯时的局部阻力系数（考虑隧道粗糙程度）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 0假定边壁完全光滑时，90转弯的局部阻力系数，其值见表3-3-1； 隧道的摩擦阻力系数，N.s2/m4； 隧道转弯角度

19、影响系数。5风流分叉与汇合（二） 局部风阻例3-3：某隧道突然扩大段，砌碹支护，断面S1=6m2，S2=24m2，通过风量Q=48m3/s，空气密度=1.25kg/m3，求突然扩大局部阻力。设砌碹隧道=0.005kg/m3 =（1-S1/S2）2=（1-6/24）2=0.563 =（ 1+/0.01）=0.563（1+0.005/0.01）=0.845 hL= V12/2= （Q/S1）2/2 = 0.8451.25（48/6）2/2=33.8Pa例3-4：某回风道，断面高2.8m，宽2.5m，混凝土棚支护，=0.02kg/m3，有一直角转弯，内角没有弧度，求转弯处的局部阻力系数表3-3-1，

20、 0=0.93，由表3-3-2，=1.0 H/b=2.8/2.5=1.12, =（0+28）b/H =（0.93+280.02） 2.5/2.8 1=1.33 若V=6m/s，=1.2kg/m3, 则：hL=V2/2=1.331.266/2=57Pa例3-5：某直角分叉隧道，2=0， 3=90， =0.015kg/m3，V1=8m/s, V2=6m/s, V3=3m/s, =1.25kg/m3,求hL1-2, hL1-3已知=0.015kg/m3，K=1.35 hL1-2=K/2 （V12-2V1 V2cos2+ V22） =1.351.25/2（82-281 +62） =3.37Pa hL1

21、-3=K/2 （V12-2V1 V3cos3+ V32）30 +32） =71.59Pa例3-6：某直角汇流隧道，1=0，2=90，=0.015kg/m3， V1=5m/s, V2=6m/s, V3=8m/s, =1.25kg/m3, 求hL1-3, hL2-3cos1=1, cos2=0,=Q1V1cos1/Q3=3.125 hL1-3=K/2 （V12-2V3 + V32） = 1.351.25/2（52-23.125 +82）=39PahL2-3=K/2 （V22-2 V3 + V32） 1.25/2（62-233.125 +82） =42Pa第四节 降低隧道通风阻力措施降低隧道通风阻力

22、，对保证隧道安全生产和提高经济效益都具有重要意义。无论是隧道通风设计还是生产隧道通风技术管理工作，都要尽可能地降低隧道通风阻力。应该强调的是，由于隧道通风系统的阻力等于该系统最大阻力路线上的歌分支的摩擦阻力和局部阻力之和，因此，降阻之前必须首先确定通风系统的最大阻力路线，通过阻力测定调查最大阻力路线上阻力分布，找出阻力超常的分支，对其实施降低摩擦阻力和局部阻力措施。如果不在最大阻力路线上降阻是无效的，有时甚至是有害的。摩擦阻力是隧道通风在阻力的主要组成部分，因此要以降低隧道摩擦阻力为重点，同时注意降低某些风量大的隧道的局部阻力。一、降低隧道摩擦阻力措施1减小摩擦阻力系数。在隧道建设时尽量选用实

23、施较小的支护方式，施工时要注意保证施工质量，尽可能使隧道壁面光滑平整。砌碹隧道的值一般只有支架隧道的30%-40%，因此，对于服务年限长的主要隧道，应尽可能采用砌碹支护方式。锚喷支护的隧道，应尽量采用光爆工艺，使隧道壁面的凹凸度不大于50mm。对于支架隧道，也要尽可能使支架整齐，必要时用背板等背好帮顶。2保证有足够大的隧道断面。在其它参数不变时，隧道断面扩大33%，Rf值可减少50%。3选用周长较小的隧道。在隧道断面相同的条件下，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。因此，立井井筒断面采用圆形断面，斜井、石门、大巷等主要采用拱形断面，次要隧道以及采区内服务时间不长的隧道才

24、采用梯形断面。4减少隧道长度。 因隧道的摩擦阻力和隧道长度成正比，故在进行通风系统设计和改善通风系统时，在满足开采需要的前提下，要尽可能缩短风路的长度。5避免隧道内风量过于集中。 隧道摩擦阻力与风量的平方成正比，隧道内风量过于集中时，摩擦阻力就会大大增加。因此，要尽可能使隧道的总进风早分开，使隧道的总回风晚汇合。二、降低局部阻力措施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，应尽量避免隧道断面的突然扩大或突然缩小，断面大小悬殊的隧道，其连接处断面应逐渐变化。尽可能避免隧道直角转弯或大于90的转弯，主要隧道内不得随意停放车辆、堆积木料等。要加强隧道总回风道的维护和管理，对冒顶、

25、片帮和积水处要及时处理。 第五节 隧道通风动力空气在隧道中流动需要克服通风阻力，必须提供通风动力以克服空气阻力，才能促使空气在隧道中流动，实现隧道通风。隧道通风动力有由自然条件形成的自然风压和由通风机提供的机械风压两种。一、自然风压及其变化规律1、自然风压 如图4-1所示，该隧道的自然风压为：H自=，Pa式中 Z隧道最高点到最低点间的距离，m； g重力加速度，m/s2； 1、2分别为0-1-2和5-4-3隧道中dz段空气密度，kg/m3。 由于空气密度与高度Z有着复杂的函数关系，因此用式（4-1）计算自然风压比较困难。为了简化计算，一般先测算出0-1-2和5-4-3隧道中空气密度的平均值均进、

26、均回，分别代替式（4-1）中的1和2，则式（4-1）可写为：自（均进均回）g，Pa自然风压具有如下几种性质：1.形成隧道自然风压的主要原因是隧道进、出风井两侧的空气柱重量差。不论有无机械通风，只要隧道进、出风井两侧存在空气柱重量差，就一定存在自然风压。2.隧道自然风压的大小和方向，取决于隧道进、出风两侧空气柱的重量差的大小和方向。这个重量差，又受进、出风井两侧的空气柱的密度和高度影响，而空气柱的密度取决于大气压力、空气温度和湿度。由于自然风压受上述因素的影响，所以自然风压的大小和方向会随季节变化，甚至昼夜之间也可能发生变化，单独用自然风压通风是不可靠的。因此规程规定，每一个生产隧道必须采用机械通风。3.隧道自然风压与井深成正比；隧道自然风压与空气柱的密度成正比，因而与隧道空气大气压力成正比，与温度成反比。地面气温对自然风压的影响比较显著。地面气温与矿区地形、开拓方式、井深以及是否机械通风有关。一般来说，由于隧道出风侧气温常年变化不大，而浅井进风侧气温受地面气温变化影响较大，深井进风流气温受地面气温变化的影响较小，所以隧道进、出风井井口的标高差越大，隧道越浅，隧道自然风压受地面气