井巷通风阻力.doc

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 式中平均流速v、管道直径d和流体的运动粘性系数γ。 在实际工程计算中，为简便起见，通常以Re2300作为管道流动流态的判定准数，即 Re≤2300 层流， Re＞2300 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C4.16；三心拱C3.85；半圆拱C3.90。（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，Re≤0.25； 紊流，Re＞2.5； 过渡流 0.25δ，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心中，故Re对λ值的影响极小，略去不计，相对糙度成为λ的唯一影响因素。故在该区段，λ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 μρν ∴ 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λ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，λf Re，ε/r，关系比较复杂。用当量直径de4S/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α 矿井中大多数通风井巷风流的Re值已进入阻力平方区，λ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λ可视为定值；在标准状态下空气密度ρ1.2kg/m3。 对上式， 令 α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（ρ01.2kg/m3）条件下的井巷的摩擦阻力系数，即所谓标准值α0值，当井巷中空气密度ρ≠1.2kg/m3时，其α值应按下式修正 α系数影响因素 对于砌碹、锚喷巷道只考虑横断面上方向相对粗糙度；对于木棚、工字钢、U型棚等还要考虑纵口径Δl/d0 l d0 工字钢支架在巷道中流动状态 α随Δ变化实验曲线 2．摩擦风阻Rf 对于已给定的井巷，L、U、S都为已知数，故可把上式中的α、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kμ。1 N.s2/m8 9.8 kμ Rf＝f ρ,ε,S,U,L 。在正常条件下当某一段井巷中的空气密度ρ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。 3．井巷摩擦阻力计算方法 新建矿井查表得α0 →α → Rf → hf 生产矿井hf → Rf → α → α0 例题3-3 某设计巷道为梯形断面，S8m2，L1000m，采用工字钢棚支护，支架截面高度d014cm，纵口径Δ5，计划通过风量Q1200m3/min，预计巷道中空气密度ρ1.25kg/m3，求该段巷道的通风阻力。 解 根据所给的d0、Δ、S值，由附录4附表4-4查得 α0 284.210－40.880.025Ns2/m4 则巷道实际摩擦阻力系数 Ns2／m4 巷道摩擦风阻 巷道摩擦阻力 0.598 Ns2／m8 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ξ局部阻力系数，无因次。层流ξ 计算局部阻力，关键是局部阻力系数确定，因vQ/S,当ξ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，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ξ 紊流局部阻力系数ξ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； ρm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，ξ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Θ＜20时，渐扩段的局部阻力系数ξ可用下式求算 式中 α风道的摩擦阻力系数，Ns2/m4； n风道大、小断面积之比，即Ｓ2／Ｓ1； θ扩张角。 4．转弯 巷道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/b0.2～1.0 时， 当 H/b1～2.5 时 式中 ξ0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； α巷道的摩擦阻力系数，N.s2/m4； β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，1～2段的局部阻力hl１～2和1～3段的局部阻力hl１～3分别用下式计算 2 风流汇合 如图所示，1～3段和2～3段的局部阻力hl１～3、hl2～3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，在紊流条件下局部阻力也与风量的平方成正比 三 井巷通风总风阻 其中井巷通风总阻力； 沿程通风阻力； 局部通风阻力； 一般Hf和hl不易分开，对于转弯， Hf和hl可分开； 巷道断面突然扩大处， Hf占比重少，局部区段hR hl 正面阻力罐笼、矿车、采煤机 例题 例3-3某巷道突然扩大段，砌碹支护，断面S16m2，S224m2，通过风量Q48m3/s，空气密度ρ1.25kg/m3，求突然扩大局部阻力。 解设砌碹巷道α0.005kg/m3 ξ1-S1/S221-6/2420.563 ξ’ξ 1α/0.010.56310.005/0.010.845 hLξ’ ρV12/2 ξ’ ρQ/S12/2 0.8451.2548/62/233.8Pa 例3-4某回风道，断面高2.8m，宽2.5m，混凝土棚支护，α0.02kg/m3，有一直角转弯，内角没有弧度，求转弯处的局部阻力系数ξ’ 解表3-3-1， ξ00.93，由表3-3-2，β1.0 H/b2.8/2.51.12, ξ’[ξ028αb/H] β [0.93280.02 2.5/2.8] 11.33 若V6m/s，ρ1.2kg/m3, 则hLξ’ρV2/21.331.266/257Pa θ2 θ3 1 2 3 例3-5某直角分叉巷道，θ20， θ390， α0.015kg/m3，V18m/s, V26m/s, V33m/s, ρ1.25kg/m3,求hL1-2, hL1-3 解已知α0.015kg/m3，Kα1.35 hL1-2Kαρ/2 V12-2V1 V2cosθ2 V22 1.351.25/282-2861 62 3.37Pa hL1-3Kαρ/2 V12-2V1 V3cosθ3 V32 1.351.25/282-2830 32 71.59Pa １ ３ ２ θ1 θ2 例3-6某直角汇流巷道，θ10，θ290，α0.015kg/m3， V15m/s, V26m/s, V38m/s, ρ1.25kg/m3, 求hL1-3, hL2-3 解已知α0.015kg/m3，Kα1.35 cosθ11, cosθ20,ωQ1V1cosθ1/Q33.125 hL1-3Kαρ/2 V12-2V3 ω V32 1.351.25/252-283.125 8239Pa hL2-3Kαρ/2 V22-2 V3ω V32 1.351.25/262-2833.125 82 42Pa 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h＝RQ2 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，即可求得矿井总风阻 N.s2/m8 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Am2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φ，由水力学可知，一般φ0.65，故A20.65A。则v2＝Q/A2Q/0.65A，代入上式后并整理得 取ρ1.2kg/m3，则 因RmhＲm／Ｑ2，故有 对于多风井通风系统，应根据各风机系统的通风阻力hRi和风量Qi，按风量加权平均求出全矿井总阻力 式中n风机台数 hRm意义是全矿井各系统平均1m3空气所消耗能量。 多风井系统的矿井等级孔A计算式 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＞２，容易；A ＝１ 2，中等；A＜１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hRm2800Pa，矿井总风量Q70m3/s，求矿井总风阻Rm和等积孔A，评价其通风难易程度。 解 例3-8某对角式通风矿井，东风井的阻力hR1280*9.81Pa，风量Q180m3/s；西风井的阻力hR2100*9.81Pa，风量Q260m3/s；求矿井总等级孔。 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 井巷通风阻力测定 阻力测定目的 1、了解和掌握阻力分布，降阻增风；2、提供阻力系数和R，为设计、网络解算、改造、均压防火；能力核定。 测定路线的选择和测点布置 如果测定的目的是为了了解通风系统的阻力分布，则必须选择最大阻力路线； 如果测量的目的是为了获取摩擦阻力系数和分支风阻，则应选择不同支护形式、不同类型的典型巷道。 测点布置应考虑 1、测点间的压差不小于1020Pa； 2、尽量避免靠近井筒和风门； 3、选择风量较稳定的巷道内； 4、局部阻力物前3倍巷宽，后812倍巷宽； 5、风流稳定，无汇合交叉，测点前后3m巷道支护完好。 一段巷道的通风阻力hR测算方法 两种方法压差计法和气压计法 一．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如图所示 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 该式成立的前提是胶皮管内的空气平均密度与井巷中的空气平均密度相等。 为此，在测量前，应将胶皮管放置在巷道相应位置上保存一段时间，或用打气筒将巷道空气转换掉胶皮管中空气。 单管气压计放置位置对测量效果的影响 现假设单管气压计放置在两测点中间，如图所示，则左右侧液面承压分别为 则压差计计数为 同理 则1、2间巷道通风阻力为 Z1 Z2 1 2 2. 气压计法（原理、方法） 由能量方程 hR12P1-P2r1v12/2- r2v22/2 rm12gZ12 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。 hR12P1-P2DP12（r1v12/2- r2v22/2 rm12gZ12 2. 摩擦阻力系数测算 1测试方法压差计法； 2支护方式和测段一致，无变化； 3测点位置在局部阻力物前35巷宽，后812倍； 4系统稳定 5hf和Q测准 Rfhf/Q2 αRfS3/LU 二．局部阻力测算 1 2 3 用压差计测出1-2段阻力hR1-2和1-3段阻力hR1-3,若断面一致，则 hf与长度L成正比。则单纯巷道转弯的局部阻力hL。 hLhR1-3- hR1-2L13/L12 RLhL/Q2 ξ2S2RL/ρ 井筒 单管压差计 测绳 胶皮管 静压重锤 三、井筒通风阻力测定 1、进风井筒阻力测定 1压差计法吊测法 分别取h1 , h2 , h3 ,h4, h5为50m, 80m,100m,120m,150m HfabH hRhf2hL 2气压计法 从地表开始，每隔50m，测量P，t，t’并计算出ρ 静压差ΔPi，高差Z， 则hR ∑ΔPi ρm Zg-0.5 ρV2 2、回风井筒阻力测定 1压差计法--吊测法 防爆盖上打孔；或在安全门内测，方法同进风井筒测定方法。 2气压计法 在井底用气压计读出相对压力，在安全门内再读出相对压力，两者差值ΔP， hR ΔP ρm Zg 0.5 ρV2底-0.5 ρV2井筒 井筒 单管压差计 测绳 胶皮管 静压重锤 3、风峒阻力测定 气压计法 在安全门内再读出相对压力，再接水柱计 读出相对压力，两者差值ΔP， hR ΔP ρm Zg 0.5 ρV2井筒-0.5 ρV2风机入口 四、测定结果分析 1、误差分析 hr矿井实际通风阻力，Pa； h风机房水柱计读数， Pa； Hn测定系统的自然风压，Pa； hv风峒内安装水柱计处断面的平均动压， Pa； hr’矿井实测通风阻力，Pa。 2、矿井总阻力及等级孔 3、阻力测定期间实测矿井总风量、总阻力和自然风压 4、矿井阻力分布 处理结果示例 东风井 西风井 总回风 /m3/s 平均总阻力/Pa 自然风压/Pa 总回风 /m3/s 平均总阻力/Pa 自然风压/Pa 224.1 2876 272 233.1 3305 274 5、最大阻力路线 例西翼系统的最大阻力路线为经过1242（1）工作面，即副井（－610m）→副井（－720m）→-720西一轨道大巷→-720m11-2轨道上山→12421工作面→11-2回风上山→C1组回风石门→C组总回→西风井。 6、主要通风巷道摩擦阻力系数 系统 巷道名称 支护 形状 阻力系数/Ns2/m4*104 西翼系统 副井 砌碹 圆形 310 西一轨道石门 U型钢 半圆 138199 西一轨道石门 锚喷 半圆 177 西B组轨道石门 U型钢 半圆 65 西B组轨道上山 U型钢 半圆 86190 12118下顺槽 锚网 梯形 398 12118工作面 综采支架 梯形 438 12118上顺槽 锚网 梯形 224 第六节 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α。 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ξ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。 25