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1、精选优质文档-倾情为你奉上第三章 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(也称为沿程阻力)和局部阻力。第一节 井巷断面上风速分布一、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)。（1）雷诺数Re式
2、中：平均流速v、管道直径d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Re=2300作为管道流动流态的判定准数，即： Re2300 层流， Re2300 紊流（2）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：对于不同形状的井巷断面，其周长U与断面积S的关系，可用下式表示： 式中：C断面形状系数：梯形C=4.16；三心拱C=3.85；半圆拱C=3.90。（举例见P38）2.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：K冒落带渗流系数，m2； l滤流带粗糙度系数，m。 层流，R
3、e0.25； 紊流，Re2.5； 过渡流 0.25Re，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。3.紊流摩擦阻力 对于紊流运动，=f (Re，/r)，关系比较复杂。用当量直径de=4S
4、/U代替d，代入阻力通式，则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式：二、摩擦阻力系数与摩擦风阻1.摩擦阻力系数矿井中大多数通风井巷风流的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井巷，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Rf对于已给定的井巷，
5、L、U、S都为已知数，故可把上式中的、L、U、S 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：kgf .s2/m8 ，或写成：k。1 N.s2/m8= 9.8 kRff ( ,S,U,L) 。在正常条件下当某一段井巷中的空气密度一般变化不大时，可将R f 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： 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新建矿井：查表得0 Rf hf生产矿井：hf Rf 0 四、生产矿井一段巷道阻力测定1.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
6、的势能差和动压差，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1、2两断面的风速、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，需通过实际测定。1）布置方式及连接方法2）阻力计算压差计“”感受的压力：压差计“”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？2.气压计法（原理、方法）由能量方程：hR12=(P1-P2)+(r1v12/2- r2v22/2)+ r
7、m12gZ12用精密气压计分另测得1，2断面的静压P1，P2用干湿球温度计测得t1,t2,t1,t2,和j1， j2，进而计算r1， r2用风表测定1，2断面的风速v1,v2。rm12为1，2断面的平均密度，若高差不大，就用算术平均值，若高差大，则有加权平均值；Z121，2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，然后对上式进行修正。hR12=(P1-P2)+DP12（+(r1v12/2- r2v22/2)+ rm12gZ12例题3-3 某设计巷道为梯形断面，S=8m2，L=1000m，采用工字钢棚支护，支架截面高度d0=14cm，纵口径=5，计划通过风
8、量Q=1200m3/min，预计巷道中空气密度=1.25kg/m3，求该段巷道的通风阻力。解：根据所给的d0、S值，由附录4附表4-4查得：0=284.21040.88=0.025Ns2/m4则：巷道实际摩擦阻力系数巷道摩擦风阻 巷道摩擦阻力第三节 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
9、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
10、，局部阻力愈大。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的面积，m； m空气平均密度，kg/m3。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 ，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.转弯巷道
11、转弯时的局部阻力系数(考虑巷道粗糙程度)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； 巷道的摩擦阻力系数，N.s2/m4； 巷道转弯角度影响系数，见表3-3-2。5.风流分叉与汇合1）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 ，则有： 式中：Rl称为局部风阻，其单位为N.s2/m8或kg/m7。 此式表明，在紊流
12、条件下局部阻力也与风量的平方成正比第四节 矿井总风阻与矿井等积孔一、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。故可写成一般形式：hRQ2，Pa 。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hRm，这就是井巷通风阻力的叠加原则。已知矿井通风总阻力hRm和矿井总风量Q，即可求得矿井总风
13、阻：Rm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；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。假定在无限空间有一薄壁，在薄壁上开一面积为A(m2)的孔口。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通风阻力时，则孔口面积A称为该矿井的等积孔。 设风流从I II，且无能量损失， 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A
14、，容易；A 1 2，中等；A困难。例题3-7 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Q=70m3/s，求矿井总风阻Rm和等积孔A，评价其通风难易程度。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3-4-1所列衡量矿井通风难易程度的等积孔值，是1873年缪尔格(Murgue)根据当时的生产情况提出的3，一直沿用至今。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大的发展和提高，表中的数据对小型矿
15、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。第五节 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义。一、降低井巷摩擦阻力措施1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33%，Rf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。5避免巷道内风量过于集中。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90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理，对冒顶、片帮和积水处要及时处理。专心-专注-专业