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1、矿井通风阻力矿井通风阻力本讲稿第一页，共五十九页2第第3章章 矿井通风阻力矿井通风阻力中国矿业大学多媒体教学课件本讲稿第二页，共五十九页3上一章内容上一章内容第第2章章 矿内空气动力学基础矿内空气动力学基础 2.1 流体的概念流体的概念 2.2 风流能量与能量方程风流能量与能量方程 2.3 风流压力及压力坡度风流压力及压力坡度 本讲稿第三页，共五十九页4上一章内容上一章内容学习目标学习目标学习目标学习目标 1 1、流体的概念、流体的概念、流体的概念、流体的概念 2 2、风流能量与能量方程、风流能量与能量方程、风流能量与能量方程、风流能量与能量方程 3 3、风流压力及压力坡度、风流压力及压力坡度
2、、风流压力及压力坡度、风流压力及压力坡度重点与难点重点与难点重点与难点重点与难点 1 1、点压力之间的关系、点压力之间的关系、点压力之间的关系、点压力之间的关系 2 2、能量方程及其在矿井中的应用、能量方程及其在矿井中的应用、能量方程及其在矿井中的应用、能量方程及其在矿井中的应用本讲稿第四页，共五十九页5第第3章章 矿井通风阻力矿井通风阻力风风流流必必须须具具有有一一定定的的能能量量，用用以以克克服服井井巷巷对对风风流流所所呈呈现现的的通通风风阻阻力力。通通常常矿矿井井通通风风阻阻力力分分为为摩摩擦擦阻阻力力与与局局部部阻阻力力两两类类，它它们们与与风风流流的的流流动动状状态态有有关关。一一般
3、般情情况况下，摩擦阻力是矿井通风总阻力的主要组成部分。下，摩擦阻力是矿井通风总阻力的主要组成部分。本讲稿第五页，共五十九页6第第3章章 矿井通风阻力矿井通风阻力第第3章章 矿井通风阻力矿井通风阻力 3.1 风流的流动状态风流的流动状态 3.2 摩擦阻力摩擦阻力 3.3 局部阻力局部阻力 3.4 通风阻力定律和特性通风阻力定律和特性 3.5 通风阻力测量通风阻力测量 本讲稿第六页，共五十九页7学习目标、重点与难点学习目标、重点与难点学习目标学习目标学习目标学习目标1 1、风流的流动状态风流的流动状态风流的流动状态风流的流动状态2 2、摩擦阻力摩擦阻力摩擦阻力摩擦阻力3 3 、局部阻力、局部阻力、
4、局部阻力、局部阻力4 4 、通风阻力定律和特性、通风阻力定律和特性、通风阻力定律和特性、通风阻力定律和特性5 5、通风阻力测量、通风阻力测量、通风阻力测量、通风阻力测量重点与难点重点与难点重点与难点重点与难点1 1、摩擦阻力产生的原因和测算摩擦阻力产生的原因和测算摩擦阻力产生的原因和测算摩擦阻力产生的原因和测算2 2、局部阻力产生的原因和测算局部阻力产生的原因和测算局部阻力产生的原因和测算局部阻力产生的原因和测算本讲稿第七页，共五十九页83.1 流体的概念流体的概念 风风流流的的流流动动状状态态分分为为层层流流与与紊紊流流。层层流流是是指指流流体体各各层层的的质质点点互互不不混混合合，质质点点
5、流流动动的的轨轨迹迹为为直直线线或或有有规规则则的的平平滑滑曲线，并与管道轴线方向基本平行。曲线，并与管道轴线方向基本平行。紊紊流流是是指指流流体体的的质质点点强强烈烈互互相相混混合合，质质点点的的流流动动轨轨迹迹极极不不规规则则，除除了了沿沿流流动动总总方方向向发发生生位位移移外外，还还有有垂垂直直于于流流动动总总方方向向的的位位移移，且且在在流流体体内内部部存存在在着着时时而而产产生生、时时而而消消失失的的旋涡。旋涡。流体的流动状态受流体的速度、粘性和管道尺寸等影响。流流体的流动状态受流体的速度、粘性和管道尺寸等影响。流体的速度越大，粘性越小，管道的尺寸越大，则流体越易成体的速度越大，粘性
6、越小，管道的尺寸越大，则流体越易成为紊流，反之，越易成为层流。为紊流，反之，越易成为层流。本讲稿第八页，共五十九页9可用一个无因次参数可用一个无因次参数Re（雷诺数）来表示上述三因素的综合（雷诺数）来表示上述三因素的综合作用，对于圆形管道作用，对于圆形管道 （3-1-1）式中式中 V为管道中流体的平均速度，为管道中流体的平均速度，m/s；d为圆形管道的直径，为圆形管道的直径，m；v为流体的运动粘性系数，与流体的温度、压力有关。为流体的运动粘性系数，与流体的温度、压力有关。设设r为流体的水力半径，指流体的断面为流体的水力半径，指流体的断面S（m2）与流体的周界）与流体的周界U（m）之比，即）之比
7、，即r S/U，m。因风流充满管道，故在直径为。因风流充满管道，故在直径为d的圆形管道中，风流的水力半径为：的圆形管道中，风流的水力半径为：，或，或 ，m （3-2-2）代入（代入（3-1-1）式，得出用于非圆形巷道风流雷诺数的计算式）式，得出用于非圆形巷道风流雷诺数的计算式为：为：（3-1-3）式中式中 S为巷道的断面，为巷道的断面，m2；U为巷道的周界，为巷道的周界，m。本讲稿第九页，共五十九页10据前人的实验，水流在各种粗糙壁面、平直的圆管内流动，当据前人的实验，水流在各种粗糙壁面、平直的圆管内流动，当时，水流呈层流状态；约在时，水流开始向紊流过渡，故称时，水流呈层流状态；约在时，水流开
8、始向紊流过渡，故称2000为临界雷诺数；当时，水流呈完全紊流。把这些数值近为临界雷诺数；当时，水流呈完全紊流。把这些数值近似应用于风流，便可大致估计出风流在各种流态下的平均风速。似应用于风流，便可大致估计出风流在各种流态下的平均风速。例如某巷道的断面例如某巷道的断面S2.5 m2，周界，周界U6.58 m，风流的，风流的14.4106 m2/s。则用（。则用（3-1-3）式估算出风流开始向紊流过）式估算出风流开始向紊流过渡的平均风速为：渡的平均风速为：井巷中最低风速都在井巷中最低风速都在0.150.25 m/s以上，且大多数井巷的断以上，且大多数井巷的断面都大于面都大于2.5 m2，故大多数井
9、巷中的风流不会出现层流，只，故大多数井巷中的风流不会出现层流，只有风速很小的漏风风流，才可能出现层流。又如在上例中，有风速很小的漏风风流，才可能出现层流。又如在上例中，Re100000时，该巷道内风流呈现完全紊流的平均风速约为：时，该巷道内风流呈现完全紊流的平均风速约为：V1000006.5814.410-6/（42.5）0.95 m/s.本讲稿第十页，共五十九页113.2 摩擦阻力摩擦阻力3.2.1 摩擦阻力的意义和理论基础摩擦阻力的意义和理论基础风流在井巷中作均匀流动时，沿程受到井巷固定壁面的限制，风流在井巷中作均匀流动时，沿程受到井巷固定壁面的限制，引起内外摩擦而产生的阻力称作引起内外摩
10、擦而产生的阻力称作摩擦阻力摩擦阻力。所谓均匀流动是指。所谓均匀流动是指风流沿程的速度和方向都不变，而且各断面上的速度分布相同。风流沿程的速度和方向都不变，而且各断面上的速度分布相同。流态不同的风流，摩擦阻力流态不同的风流，摩擦阻力hf r的产生情况和大小也不同。的产生情况和大小也不同。前人实验得出水流在圆管中的沿程阻力公式是：前人实验得出水流在圆管中的沿程阻力公式是：式中式中为实验比例系数，无因次；为实验比例系数，无因次；为水流的密度，为水流的密度，kg/m3；L为圆管的长度，为圆管的长度，m；d为圆管的直径，为圆管的直径，m；V为圆管内水流的平为圆管内水流的平均速度，均速度，m/s。上式是矿
11、井风流摩擦阻力计算式的基础，它对于不同流态的风上式是矿井风流摩擦阻力计算式的基础，它对于不同流态的风流都能应用，只是流态不同时，式中流都能应用，只是流态不同时，式中的实验表达式不同。的实验表达式不同。本讲稿第十一页，共五十九页12又据前人在壁面能分别胶结各种粗细砂粒的圆管中，实验得出又据前人在壁面能分别胶结各种粗细砂粒的圆管中，实验得出流态不同的水流，流态不同的水流，系数和管壁的粗糙度、系数和管壁的粗糙度、Re的关系。实验是的关系。实验是用管壁平均突起的高度（即砂粒的平均直径）用管壁平均突起的高度（即砂粒的平均直径）k（m）和管道）和管道的直径的直径d（m）之比来表示管壁的相对光滑度。并用阀门
12、不断）之比来表示管壁的相对光滑度。并用阀门不断改变管内水流的速度，实验结果如图改变管内水流的速度，实验结果如图3-2-1所示，图中表明以所示，图中表明以下几种情况：下几种情况：（1）在）在lg Re 3.3（即（即Re 2000）以下，即当流体作层流运）以下，即当流体作层流运动时，由左边斜线可以看出，相对光滑度不同的所有试验点都动时，由左边斜线可以看出，相对光滑度不同的所有试验点都分布于其上，分布于其上，随随Re的增加而减少，且与管道的相对光滑度无的增加而减少，且与管道的相对光滑度无关，此时，关，此时，与与Re的关系式为：的关系式为：=64/Re （3-2-2）（2）在）在3.3 lgRe 5
13、.0（即（即2000Re100000）的范围内，）的范围内，即当流体由层流到紊流再到完全紊流的中间过渡状态时，即当流体由层流到紊流再到完全紊流的中间过渡状态时，系系数既和数既和Re有关，又和管壁的相对光滑度有关。有关，又和管壁的相对光滑度有关。本讲稿第十二页，共五十九页13（3）在）在lgRe5.0（即（即Re100000）以上，即当流体作完全紊）以上，即当流体作完全紊流状态流动时，流状态流动时，系数和系数和Re无关，只和管壁的相对光滑度有关，无关，只和管壁的相对光滑度有关，管壁的相对光滑度越大，管壁的相对光滑度越大，值越小。其实验式为值越小。其实验式为 （3-2-3）本讲稿第十三页，共五十九
14、页14图图3-2-1尼古拉茨实验图尼古拉茨实验图 本讲稿第十四页，共五十九页15在紊流状态下，流体的能量损失大大超过层流状态。在层流状在紊流状态下，流体的能量损失大大超过层流状态。在层流状态下，能量只损失在速度不同的流体层间的内摩擦力方面，而态下，能量只损失在速度不同的流体层间的内摩擦力方面，而在紊流状态下，除这种损失外还有消耗在因流体质点相互混杂、在紊流状态下，除这种损失外还有消耗在因流体质点相互混杂、能量交换而引起的附加损失，当雷诺数增加到一定程度时，这能量交换而引起的附加损失，当雷诺数增加到一定程度时，这种附加损失将急剧增大到主导地位。种附加损失将急剧增大到主导地位。如图如图3-2-2所
15、示，紊流的结构可分为层流边层、过渡层和紊流所示，紊流的结构可分为层流边层、过渡层和紊流区三个组成部分。区三个组成部分。紊流区又称紊流核，是紊流的主体，层流区流速很小或接近于紊流区又称紊流核，是紊流的主体，层流区流速很小或接近于零。随着雷诺数增大，层流边层的厚度减薄，以至不能遮盖管零。随着雷诺数增大，层流边层的厚度减薄，以至不能遮盖管壁的突起高度，管壁粗糙度即对流动阻力发生影响。当，流体壁的突起高度，管壁粗糙度即对流动阻力发生影响。当，流体呈完全紊流和层流边层厚度趋于零时，则如（呈完全紊流和层流边层厚度趋于零时，则如（3-2-3）式所示，）式所示，值只决定于管壁的值只决定于管壁的相对粗糙度，而与
16、相对粗糙度，而与Re无关。无关。本讲稿第十五页，共五十九页16 例：某巷道的断面例：某巷道的断面S2.5m2，周界，周界U6.58m，风流的，风流的14.4106m2/s，试计算出风流开始出现紊流时的平，试计算出风流开始出现紊流时的平均风速？均风速？解：当风流开始出现紊流时，则其解：当风流开始出现紊流时，则其Re2000，当完，当完全紊流时，全紊流时，Re100000，因此：，因此：由由于于煤煤矿矿中中大大部部分分巷巷道道的的断断面面均均大大于于2.5m2，井井下下巷巷道道中中的的最最低低风风速速均均在在0.25米米/秒秒以以上上，所所以以说说井井巷巷中中的风流大部为紊流，很少为层流。的风流大
17、部为紊流，很少为层流。本讲稿第十六页，共五十九页173.2 摩擦阻力摩擦阻力3.2.2 完全紊流状态下的摩擦阻力定律完全紊流状态下的摩擦阻力定律 前面谈到，井下多数风流属于完全紊流状态，故下面重点讨论完全紊前面谈到，井下多数风流属于完全紊流状态，故下面重点讨论完全紊流状态下的摩擦阻力。把上面流状态下的摩擦阻力。把上面(3-2-2)式代入式代入(3-2-1)式，得式，得 ，Pa （3-2-4）因矿井空气密度变化不大，而且对于尺度和支护已定型的井巷，其壁面因矿井空气密度变化不大，而且对于尺度和支护已定型的井巷，其壁面的相对光滑度是定值，则在完全紊流状态下，值是常数。把上式中的用的相对光滑度是定值，
18、则在完全紊流状态下，值是常数。把上式中的用一个系数来表示，即一个系数来表示，即 （3-2-5）此系数称为摩擦阻力系数。在完全紊流状态下，井巷的值只受此系数称为摩擦阻力系数。在完全紊流状态下，井巷的值只受 、或或 的影响。对于尺寸和支护已定型的井巷，值只与的影响。对于尺寸和支护已定型的井巷，值只与 或或 成正比。成正比。将（将（3-2-5）代入（）代入（3-2-4）式，得）式，得 ，Pa （3-2-6若通过井巷的风量为若通过井巷的风量为Q（），则（），则V=Q/S，代入上式，得，代入上式，得本讲稿第十七页，共五十九页18由于矿井中巷道的长度，周界及摩擦阻力系数在巷由于矿井中巷道的长度，周界及摩擦
19、阻力系数在巷道形成后一般变化较小，可看作常数。道形成后一般变化较小，可看作常数。再令：再令：Rfr为巷道的摩擦风阻。为巷道的摩擦风阻。这时：这时：这就是完全紊流情况下的摩擦阻力定律。当巷道风阻这就是完全紊流情况下的摩擦阻力定律。当巷道风阻一定时，摩擦阻力与风量的平方成正比。一定时，摩擦阻力与风量的平方成正比。本讲稿第十八页，共五十九页19 井巷摩擦阻力的计算井巷摩擦阻力的计算例例1 某某梯梯形形木木支支架架煤煤巷巷，长长200米米，断断面面积积为为4m2，沿沿断断面面的的周周长长为为8.3m，巷巷道道摩摩擦擦阻阻力力系系数数通通过过查查表表得得到到的的标标准准值值为为0.018Ns2/m4，若
20、若通通过过巷巷通通的的风风量量为为960m3/min，试求其摩擦阻力，试求其摩擦阻力?解：解：答：该巷道的摩擦阻力为答：该巷道的摩擦阻力为119.5Pa。应应当当注注意意，巷巷道道的的值值随随的的改改变变而而改改变变，在在高高原原地地区，空气稀薄，当地的区，空气稀薄，当地的值需进行校正。校正式如下：值需进行校正。校正式如下：本讲稿第十九页，共五十九页203.2.3 层流状态下的摩擦阻力定律层流状态下的摩擦阻力定律本讲稿第二十页，共五十九页213.2.4 摩擦阻力的计算方法摩擦阻力的计算方法 完全紊流状态下井巷的摩擦阻力的计算是新矿井通风设计完全紊流状态下井巷的摩擦阻力的计算是新矿井通风设计的重
21、要依据。的重要依据。即按照所设计的井巷长度、周界、净断面积、支护方式和要求即按照所设计的井巷长度、周界、净断面积、支护方式和要求通过的风量，以及其中有无提升运输设备等，用查表法选定该通过的风量，以及其中有无提升运输设备等，用查表法选定该井巷的摩擦阻力系数值，然后用井巷的摩擦阻力系数值，然后用(3-2-8)或或(3-2-10)式计算该井式计算该井巷的摩擦阻力。巷的摩擦阻力。确定值的查表法是从前人实验或实测所归纳出来的表确定值的查表法是从前人实验或实测所归纳出来的表3-2-1表表3-2-15中查出适合该井巷的标准值中查出适合该井巷的标准值(指空气密度为指空气密度为1.2 kgm3的值，的值，Ns2
22、m4)。对于平原地区的新矿井通风设计，可。对于平原地区的新矿井通风设计，可用此标准值进行计算。用此标准值进行计算。本讲稿第二十一页，共五十九页223.2.5 降低摩擦阻力的措施降低摩擦阻力的措施井巷通风阻力是引起风压损失的主要根源，因此降低井巷通风井巷通风阻力是引起风压损失的主要根源，因此降低井巷通风阻力，特别是降低摩擦阻力就能用较少的风压消耗而通过较多阻力，特别是降低摩擦阻力就能用较少的风压消耗而通过较多的风量。许多原来是阻力大，通风困难的矿井，经降低阻力后的风量。许多原来是阻力大，通风困难的矿井，经降低阻力后即变为阻力小、通风容易的矿井。即变为阻力小、通风容易的矿井。根据根据hfr(LU/
23、S3)Q2的关系式可以看出，保证一定风的关系式可以看出，保证一定风量，降低摩擦阻力的方法就是降低摩擦风阻，根据影响量，降低摩擦阻力的方法就是降低摩擦风阻，根据影响Rfr的的各因素，降低摩擦阻力的主要措施有：各因素，降低摩擦阻力的主要措施有：本讲稿第二十二页，共五十九页23 1降低降低 Rfr与与成正比，而成正比，而主要决定于巷道粗糙度，因此主要决定于巷道粗糙度，因此降低降低，就应尽量使巷道光滑。当采用棚子支护巷道时，要很，就应尽量使巷道光滑。当采用棚子支护巷道时，要很好地刹帮背顶，在无支护的巷道，要注意尽可能把顶底板及两好地刹帮背顶，在无支护的巷道，要注意尽可能把顶底板及两帮修整好；对于井下的
24、主要巷道，在采用料石或混凝土砌璇，帮修整好；对于井下的主要巷道，在采用料石或混凝土砌璇，特别是采用锚杆支护技术时，更能有效地使特别是采用锚杆支护技术时，更能有效地使系数减小。系数减小。2扩大巷道断面扩大巷道断面S 因因Rfr与与S3成反比，所以扩大巷道断面成反比，所以扩大巷道断面有时成为降低摩擦阻力的主要措施。由于摩擦阻力又与风量的有时成为降低摩擦阻力的主要措施。由于摩擦阻力又与风量的平方成正比，因此在采用这种措施时，应抓主要矛盾，即首先平方成正比，因此在采用这种措施时，应抓主要矛盾，即首先应考虑风量大、断面小的总回风道的扩大，其次再考虑其它巷应考虑风量大、断面小的总回风道的扩大，其次再考虑其
25、它巷道的扩大。道的扩大。本讲稿第二十三页，共五十九页24 3减少周界长减少周界长U Rfr与与U成正比，在断面积相等的条件下，成正比，在断面积相等的条件下，选用周长较小的拱形断面比周长较大的梯形断面好。选用周长较小的拱形断面比周长较大的梯形断面好。4.减少巷道长减少巷道长L Rfr与与L成正比，进行开拓设计时，就应在成正比，进行开拓设计时，就应在满足开采需要的条件下，尽可能缩短风路的长度。例如，当采满足开采需要的条件下，尽可能缩短风路的长度。例如，当采用中央并列式通风系统，如阻力过大时，即可将其改为两翼式用中央并列式通风系统，如阻力过大时，即可将其改为两翼式通风系统以缩短回风路线。通风系统以缩
26、短回风路线。5避免巷道内风量过大。避免巷道内风量过大。摩擦阻力与风量的平方成正比。巷摩擦阻力与风量的平方成正比。巷道内的风量如果过大，摩擦阻力就会大大增加。因此，要尽可道内的风量如果过大，摩擦阻力就会大大增加。因此，要尽可能使矿井的总进风早分开，总回风晚汇合，即风流能使矿井的总进风早分开，总回风晚汇合，即风流“早分晚合早分晚合”。降低摩擦阻力，还应同时结合井巷的其它用途与经济等因素进降低摩擦阻力，还应同时结合井巷的其它用途与经济等因素进行综合考虑。如断面过大，不但不经济，而且也不好维护，反行综合考虑。如断面过大，不但不经济，而且也不好维护，反而不如选用双巷。而不如选用双巷。本讲稿第二十四页，共
27、五十九页253.3 局部阻力局部阻力3.3.1 局部阻力的概念局部阻力的概念 风流在井巷的局部地点，由于速度或方向突然发生变化，风流在井巷的局部地点，由于速度或方向突然发生变化，导致风流本身产生剧烈的冲击，形成极为紊乱的涡流，因而导致风流本身产生剧烈的冲击，形成极为紊乱的涡流，因而在该局部地带产生一种附加的阻力，称为局部阻力。在该局部地带产生一种附加的阻力，称为局部阻力。井下产生局部阻力的地点较多，例如巷道拐弯、分叉和汇井下产生局部阻力的地点较多，例如巷道拐弯、分叉和汇合处，巷道断面变化处，进风井口和回风井口等。合处，巷道断面变化处，进风井口和回风井口等。本讲稿第二十五页，共五十九页263.3
28、.2 局部阻力定律局部阻力定律前人实验证明，在完全紊流状态下，不论井巷局部地点的断面、前人实验证明，在完全紊流状态下，不论井巷局部地点的断面、形状和拐弯如何变化，所产生的局部阻力都和局部地点的前面形状和拐弯如何变化，所产生的局部阻力都和局部地点的前面或后面断面上的速压成正比。例如图或后面断面上的速压成正比。例如图3-3-1所示突然扩大的巷所示突然扩大的巷道，该局部地点的局部阻力为道，该局部地点的局部阻力为式中式中 v1、v2分别是局部地点前后断面上的平均风速，分别是局部地点前后断面上的平均风速，m/s；、局部阻力系数，无因次，分别对应于局部阻力系数，无因次，分别对应于hv1、hv2。对于。对于
29、形状和尺寸已定型的局部地点，这两个系数都是常数，但它们形状和尺寸已定型的局部地点，这两个系数都是常数，但它们彼此不相等。可以任用其中的一个系数和相应的速压计算局部彼此不相等。可以任用其中的一个系数和相应的速压计算局部阻力；阻力；局部地点的空气密度局部地点的空气密度,kg/m3。本讲稿第二十六页，共五十九页27若通过局部地点的风量为若通过局部地点的风量为Q，前后两个断面积是，前后两个断面积是S1和和S2，则，则两个断面上的平均风速为：两个断面上的平均风速为：v1=Q/S1，m/s；v2=Q/S2，m/s代入（代入（3-3-1）式，得）式，得 ，Pa （3-3-2）令令 ，Ns2/m8 （3-3-
30、3）式中式中 Rer称为局部风阻。当局部地点的规格尺寸和空气密度都称为局部风阻。当局部地点的规格尺寸和空气密度都不变时，不变时，Rer是一个常数。将（是一个常数。将（3-3-3）代入（）代入（3-3-2），得），得 ，Pa （3-3-4）上式表示完全紊流状态下的局部阻力定律，和完全紊流状态的上式表示完全紊流状态下的局部阻力定律，和完全紊流状态的摩擦阻力定律一样，当摩擦阻力定律一样，当Rer一定时，一定时，her和和Q平方成正比。平方成正比。本讲稿第二十七页，共五十九页283.3.3 局部阻力的计算方法局部阻力的计算方法在一般情况下，由于矿井内风流的速压较小，所产生的局部风在一般情况下，由于矿井
31、内风流的速压较小，所产生的局部风阻也较小，井下各处的局部阻力之和只占矿井总阻力的阻也较小，井下各处的局部阻力之和只占矿井总阻力的1020%左右。左右。故在通风设计工作中，不逐一计算井下各处的局部阻力，只在故在通风设计工作中，不逐一计算井下各处的局部阻力，只在这个百分数范围内估计一个总数。但对掘进通风用的风筒和风这个百分数范围内估计一个总数。但对掘进通风用的风筒和风量较大的井巷，由于其中风流的速压较大，就要逐一计算局部量较大的井巷，由于其中风流的速压较大，就要逐一计算局部阻力。阻力。计算局部阻力时，用（计算局部阻力时，用（3-3-1）式比较简便。先要根据井巷局）式比较简便。先要根据井巷局部地点的
32、特征，对照前人实验所得表部地点的特征，对照前人实验所得表3-3-1和表和表3-3-2，查出局，查出局部阻力系数的近似值，然后用图表中所指定的相应风速进行计部阻力系数的近似值，然后用图表中所指定的相应风速进行计算。算。（3-3-1）本讲稿第二十八页，共五十九页29几种局部阻力的几种局部阻力的值值 本讲稿第二十九页，共五十九页30表表3-3-1表示巷道局部地点小断面表示巷道局部地点小断面S1和大断面和大断面S2的比值的比值相同时，相同时，突然缩小比突然扩大突然缩小比突然扩大的局部阻力系数要小；的局部阻力系数要小；表表3-3-2第一项所示的进风口比最后一项所示的出风口第一项所示的进风口比最后一项所示
33、的出风口的局部阻力系数也要小。这是因为风流突然缩小时，所的局部阻力系数也要小。这是因为风流突然缩小时，所产生的冲击现象没有风流突然扩大时那样急剧的缘故。产生的冲击现象没有风流突然扩大时那样急剧的缘故。本讲稿第三十页，共五十九页31例如，某进风井内的风速例如，某进风井内的风速8ms，井口空气密度是，井口空气密度是1.2 kgm3，井口的净断面，井口的净断面S12.6 m2，查表，查表3-3-2知该井口风流突知该井口风流突然收缩的局部阻力系数是然收缩的局部阻力系数是0.6，则该井口的局部阻力和局部风，则该井口的局部阻力和局部风阻为阻为 （Pa）（Ns2/m8）如果上列是条件相同的回风井口，查表如果
34、上列是条件相同的回风井口，查表3-3-2知该井口风流突知该井口风流突然扩大的局部阻力系数是然扩大的局部阻力系数是l，则该井口的局部阻力和局部风阻，则该井口的局部阻力和局部风阻分别为分别为 （Pa），Ns2/m8以上计算结果是：以上计算结果是：；本讲稿第三十一页，共五十九页323.3.4 降低局部阻力的措施降低局部阻力的措施由于局部阻力与风速的平方或风量的平方成正比。故对于风速由于局部阻力与风速的平方或风量的平方成正比。故对于风速高、风量大的井巷，更要注意降低局部阻力，即在这些井巷内，高、风量大的井巷，更要注意降低局部阻力，即在这些井巷内，要尽可能避免断面的突然扩大或突然缩小；要尽可能避免断面的
35、突然扩大或突然缩小；尽可能避免拐的弯，在拐弯处的内侧和外侧要做成斜面或圆弧尽可能避免拐的弯，在拐弯处的内侧和外侧要做成斜面或圆弧形，拐弯的弯曲半径尽可能加大，还可设置导风板；形，拐弯的弯曲半径尽可能加大，还可设置导风板；尽可能避免突然分叉和突然汇合，在分叉和汇合处的内侧要做尽可能避免突然分叉和突然汇合，在分叉和汇合处的内侧要做成斜面或圆弧形。成斜面或圆弧形。对于风速大的风筒，要悬挂平直，拐弯的弯曲半径要尽可能加对于风速大的风筒，要悬挂平直，拐弯的弯曲半径要尽可能加大。大。此外，在主要巷道内不得随意停放车辆、堆积木材或器材；必此外，在主要巷道内不得随意停放车辆、堆积木材或器材；必要时，宜把正对风
36、流的固定物体要时，宜把正对风流的固定物体(例如罐道梁例如罐道梁)做成流线形。做成流线形。本讲稿第三十二页，共五十九页333.4 通风阻力定律和特性通风阻力定律和特性3.4.1 通风阻力定律通风阻力定律所谓通风阻力定律，就是前面所述的摩擦阻力定律和局部阻力所谓通风阻力定律，就是前面所述的摩擦阻力定律和局部阻力定律的结合，也就是通风阻力、风阻和风量三个参数相互依存定律的结合，也就是通风阻力、风阻和风量三个参数相互依存的规律。的规律。在完全紊流状态下，通风阻力定律是：在完全紊流状态下，通风阻力定律是：hRQ2，Pa，（3-4-1）即即h和和R(Ns2/m8)的一次方成正比，和的一次方成正比，和Q（m
37、3/s）的平方成正）的平方成正比。比。若某一井巷通过一定风量，同时产生摩擦阻力和局部阻力，则若某一井巷通过一定风量，同时产生摩擦阻力和局部阻力，则h和和R分别是该井巷的通风阻力和总风阻。对于一个矿井来说，分别是该井巷的通风阻力和总风阻。对于一个矿井来说，h、R和和Q 分别代表该矿井的通风阻力、总风阻和总风量。分别代表该矿井的通风阻力、总风阻和总风量。本讲稿第三十三页，共五十九页34在层流状态下，通风阻力定律是：在层流状态下，通风阻力定律是：h=RQ （3-4-2）即即h和和R(Ns2/m8)的一次方成正比，和的一次方成正比，和Q（m3/s）的一次方成）的一次方成正比。正比。在中间过渡状态下，通
38、风阻力定律是：在中间过渡状态下，通风阻力定律是：h=RQx （3-4-3）即即h和和R(Nsx/m2+3x)的一次方成正比，和的一次方成正比，和Q（m3/s）的）的x方方成正比。指数成正比。指数x大于大于1而小于而小于2。上述通风阻力定律是矿井通风学科中最基本的定律。只有井下上述通风阻力定律是矿井通风学科中最基本的定律。只有井下个别风速较小的地方才可能用到层流或中间过渡态下的通风阻个别风速较小的地方才可能用到层流或中间过渡态下的通风阻力定律。力定律。本讲稿第三十四页，共五十九页353.4.2 井巷的通风特性井巷的通风特性某一井巷或矿井的通风特性就是该矿井或井巷所特有的某一井巷或矿井的通风特性就
39、是该矿井或井巷所特有的反映通风难易程度或通风能力大小的性能。这种特性可反映通风难易程度或通风能力大小的性能。这种特性可用该井巷或矿井的风阻值的大小来表示。用该井巷或矿井的风阻值的大小来表示。通风阻力相同时，通风阻力相同时，风阻风阻大的井巷或矿井，风量必小，表大的井巷或矿井，风量必小，表示通风困难通风能力小；反之，风阻小的井巷或矿井，示通风困难通风能力小；反之，风阻小的井巷或矿井，风量必大，表示通风容易，通风能力大。所以，井巷或风量必大，表示通风容易，通风能力大。所以，井巷或矿井的通风特性又名风阻特性。矿井的通风特性又名风阻特性。本讲稿第三十五页，共五十九页36为了形象化，习惯引用一个和风阻的数
40、值相当、意义相同的假为了形象化，习惯引用一个和风阻的数值相当、意义相同的假想的面积值（想的面积值（m2）来表示井巷或矿井的通风难易程度。这个）来表示井巷或矿井的通风难易程度。这个假想的孔口称作井巷或矿井的等积孔（又称当量孔）。假想的孔口称作井巷或矿井的等积孔（又称当量孔）。等积孔就是用一个与井巷风阻值相当的理想孔的面积值来衡等积孔就是用一个与井巷风阻值相当的理想孔的面积值来衡量井巷通风的难易程度。量井巷通风的难易程度。由于等积孔不是实物，宜用一种假想的模型由于等积孔不是实物，宜用一种假想的模型(图图3-4-1)来说明来说明（3-4-4）式的来源：假设压气缸内的静压）式的来源：假设压气缸内的静压
41、P，速压等于零；孔，速压等于零；孔口外气流收缩最小处的静压为口外气流收缩最小处的静压为P，速压为，速压为V2/2，式中，式中V为收为收缩最小处的速度，缩最小处的速度，为空气的密度。当孔口的面积为空气的密度。当孔口的面积A值一定时，值一定时，P与与P之差值越大，孔口流出的风量之差值越大，孔口流出的风量Q就越大。这种关系好比就越大。这种关系好比某一井巷或矿井的风阻值一定时，通风阻力某一井巷或矿井的风阻值一定时，通风阻力h越大，通过该井越大，通过该井巷或矿井的风量就越大，巷或矿井的风量就越大，因此，需要找出因此，需要找出h s、A和和Q的关系式来模拟井巷或矿井的通风的关系式来模拟井巷或矿井的通风阻力
42、定律。阻力定律。本讲稿第三十六页，共五十九页37 设设当当空空气气自自左左向向右右流流经经此此孔孔时时，无无阻阻力力，无无能能量量损损失失，并并设设当当空空气气从从此此孔孔流流出出后后，在在其其流流线线断断面面最最小小处处(虚虚线线位位置置)的的流流速速为为V(m/s)，则则这这个个理理想想孔孔左左、右右两两侧侧的的静静压压差差可可全全部部变变为为速速压压(静静压压能能全全部部转转化化为为动能动能)，由此可得：，由此可得：实实验验证证明明，在在出出口口流流线线断断面面最最小小处处的的面面积积一一般般为为0.65A(m2)，再再当当流流量量为为Q(m3/s)时时，VQ/0.65A，以以此此V值与
43、值与1.2 kg/m3代入上式，即得：代入上式，即得：本讲稿第三十七页，共五十九页38 由此得到：由此得到：上上式式表表示示A和和R成成反反比比。即即井井巷巷或或矿矿井井的的R值值大大，相相当当的的A值值就就小小，表表示示该该矿矿井井或或井井巷巷通通风风困困难难；反反之之亦亦然然。计计算算出出矿矿井井的的风风阻阻和和等等积积孔孔后后，就就可可以以对对该该矿矿井井的通风难易程度进行评价，评价的标准如下表：的通风难易程度进行评价，评价的标准如下表：本讲稿第三十八页，共五十九页39用矿井等积孔用矿井等积孔A 和矿井风阻和矿井风阻R表示矿井通风的难易程度实质上表示矿井通风的难易程度实质上一样，只是矿井
44、等积孔比矿井风阻更形象化。一样，只是矿井等积孔比矿井风阻更形象化。值得指出的是，矿井等积孔仅仅是评定矿井通风难易程度的一值得指出的是，矿井等积孔仅仅是评定矿井通风难易程度的一个指标，它并不能全面地反映矿井通风难易程度。矿井通风难个指标，它并不能全面地反映矿井通风难易程度。矿井通风难易程度的评判应当从矿井通风的根本目的（供给井下充足的新易程度的评判应当从矿井通风的根本目的（供给井下充足的新鲜空气，冲淡有毒有害气体，创造良好的生产环境）入手，具鲜空气，冲淡有毒有害气体，创造良好的生产环境）入手，具体应考虑：体应考虑：(1)矿井总风量是否满足需要；矿井总风量是否满足需要；(2)井下各用风区域间的风量
45、调配是否容易；井下各用风区域间的风量调配是否容易；(3)矿井瓦斯涌出量的大小；矿井瓦斯涌出量的大小；(4)矿井开采强度；矿井开采强度；(5)采煤方法等方面内容。采煤方法等方面内容。本讲稿第三十九页，共五十九页40 例例 已已知知矿矿井井总总阻阻力力为为1440Pa，风风量量为为60m3/s，试试求求该该矿矿井井的的风风阻阻与与等等积积孔孔?如如生生产产上上要要求求将将风风量量提提高高到到70m3/s，问问风风阻阻与与等等积积孔孔之之值值是是否否改改变变?阻阻力力增增加加到到多多少少?解：解：当当井井巷巷的的规规格格尺尺寸寸与与连连接接形形式式没没有有改改变变及及采采掘掘工工作作面面没没有有移移
46、动动时时，则则风风量量的的增增加加并并不不改改变变等等积积孔孔与与风风阻阻之之值值。由由于于风风量量增增加加到到70m3/s，故故阻阻力力增增加加到到：hRQ20.47021960 Pa本讲稿第四十页，共五十九页41 3.4.3 风流的功率与电耗风流的功率与电耗 物物体体在在单单位位时时间间内内所所做做的的功功叫叫做做功功率率，其其计计量量单单位位是是Nm/s。风风流流的的风风压压h乘乘风风量量Q的的计计量量单单位位就就是是N/m2m3/s Nm/s。故风流功率。故风流功率N的计算式为，的计算式为，N=hQ/1000，kW 矿井一天的通风电费是：矿井一天的通风电费是：式式中中 e每每度度电电的
47、的单单价价，y/(kWh)；风风机机、输输电电、变变电电、传传动动等等总总效效率率。直直接接传传动动时时，取取0.6；间间接接传动时，取传动时，取0.5。本讲稿第四十一页，共五十九页42 例：如图所示的矿井，左右两翼的通风阻力分别是；例：如图所示的矿井，左右两翼的通风阻力分别是；hr11274Pa；hr21960Pa通通过过两两翼翼主主扇扇的的风风量量分分别别是是Qf160m3/s；Qf270m3/s。两翼的外部漏风两翼的外部漏风Qm1(1Le1)Qf1(14%)6057.6m3/s Qm2(1Le2)Qf2(15%)7066.5m3/s率率分分别别是是Le14%；Le25%。则则两两翼翼不不
48、包包括括漏风的风量分别是：漏风的风量分别是：本讲稿第四十二页，共五十九页43 两翼不包括外部漏风的风阻分别是：两翼不包括外部漏风的风阻分别是：R1hr1/Qm121274/(57.6)20.38399N.s2/m8 R2hr2/Qm221960/(66.5)20.44321N.s2/m8两翼不包括外部漏风的等积孔分别是：两翼不包括外部漏风的等积孔分别是：本讲稿第四十三页，共五十九页44 为为了了计计算算全全矿矿的的总总风风阻阻和和总总等等积积孔孔，须须先先求求出出全全矿矿的的总总阻阻力力hr，因因全全矿矿的的风风流流总总功功率率等等于于左左右右两两翼翼风风流流的的功率之和，即功率之和，即 hr
49、(Qm1Qm2)hr1Qm1hr2Qm2，W 故故 则全矿不包括外部漏风的总风阻是：则全矿不包括外部漏风的总风阻是：本讲稿第四十四页，共五十九页45 全矿不包括外部漏风的总等积孔是：全矿不包括外部漏风的总等积孔是：对对于于用用多多台台主主扇扇通通风风的的矿矿井井，都都要要用用这这种种方方法法计计算算全全矿矿的的总总风风阻阻和和总总等等积积孔孔。只只有有hr1hr2时时，才才能能用用AA1A2计计算算。设设两两翼翼主主扇扇的的风风压压分分别别等等于于其通风阻力。则两翼的通风电费分别为：其通风阻力。则两翼的通风电费分别为：全矿一天的通风电费是全矿一天的通风电费是 （元（元/天）天）本讲稿第四十五页
50、，共五十九页463.5 通风阻力测量通风阻力测量（一）阻力测定方法与原理（一）阻力测定方法与原理测定方法：测定方法：压差计法压差计法 气压计法气压计法测定原理：测定原理：本讲稿第四十六页，共五十九页473.5 通风阻力测量通风阻力测量（二）通风阻力测量的内容包括：（二）通风阻力测量的内容包括：1.测算风阻。测算风阻。井巷的风阻是反映井巷通风特性的重要参数，分析任何通风问井巷的风阻是反映井巷通风特性的重要参数，分析任何通风问题都和这个参数有关。题都和这个参数有关。故通风阻力测量的主要内容，是通过测量各巷道的通风阻力和故通风阻力测量的主要内容，是通过测量各巷道的通风阻力和风量以标定它们的标准风阻值