井巷通风阻力

1、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：本章重点和难点： 摩擦阻力和局部阻力产生的原因和测算摩擦阻力和局部阻力产生的原因和测算第三章第三章 井巷通风阻力井巷通风阻力 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：摩擦阻力巷通风阻力可分为两类：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

2、分布 一、风流流态一、风流流态1 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。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，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，称为称为层流层流( (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。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，称为上都随时发生变化，成为互相混杂的紊乱流动，称为紊流紊流( (或湍流或湍流) )。 （）雷诺数（）雷诺数Re Re 式

3、中：平均流速式中：平均流速v v、管道直径、管道直径d d和流体的运动粘性系数和流体的运动粘性系数 。vdRe 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R Re e=2300=2300作为管道流动流态作为管道流动流态的判定准数，即：的判定准数，即： R Re e2300 2300 层流，层流， R Re e2300 2300 紊流紊流（）当量直径（）当量直径 对于非圆形断面的井巷，对于非圆形断面的井巷，ReRe数中的管道直径数中的管道直径d d应以井巷断面的当量直应以井巷断面的当量直径径dede来表示：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

4、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 U与断面积与断面积S S的关系，可用下式表的关系，可用下式表示：示： 式中：式中：C C断面形状系数：断面形状系数：梯形梯形C C=4.16=4.16；三心拱；三心拱C C=3.85=3.85；半圆拱；半圆拱C C=3.90=3.90。 （举例见（举例见P38P38）USde4UvSRe4SCU 2 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：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 K冒落带渗流系数，冒落带渗流系数，m m2 2；l l滤

5、流带粗糙度系数，滤流带粗糙度系数，m m。 层流层流，R Re e0.250.25； 紊流，紊流，R Re e2.52.5； 过渡流过渡流 0.250.25R Re e2.5，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心中，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心中，故故ReRe对对值的影响极小值的影响极小，略去不计，相对糙度成为，略去不计，相对糙度成为的唯一影响的唯一影响因素。故在该区段，因素。故在该区段，与与ReRe无关，而只与相对糙度有关。摩擦阻无关，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：力与流速平方成正比，故称为阻力平方区，尼古拉兹公式：2lg274.11r2 2层

6、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：式： = = 可得圆管层流时的沿程阻力系数：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ReRe的关系，与理论分析得到的关系的关系，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。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。层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。3 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=f (Re，/r)

7、/r)，关系比较复杂。用当量直径，关系比较复杂。用当量直径dede=4=4S S/ /U U代替代替d 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：vdLhf232VdRe 2 642vdLRehfRe6423288QSLUvSLUhf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 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ReRe值已进入阻力平方区，值已进入阻力平方区，值只与相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，对糙度有关，对于几何尺寸和支护已定型的井

8、巷，相对糙度一定，则则可视为定值；在标准状态下空气密度可视为定值；在标准状态下空气密度=1.2kg/m=1.2kg/m3 3。 对上式，对上式， 令：令： 称为摩擦阻力系数称为摩擦阻力系数，单位为，单位为 kg/mkg/m3 3 或或 N.sN.s2 2/m/m4 4。 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：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（通过大量实验和实测所得的、在标准状态（0 0=1.2kg/m=1.2kg/m3 3）条件下的）条件下的井巷的摩擦阻力系数，井巷的摩擦阻力系数，即所谓标准值即所谓标准值

9、0 0值值，当井巷中空气密度，当井巷中空气密度1.2kg/m1.2kg/m3 3时，其时，其值应按下式修正：值应按下式修正：823QSLUhf2.102 2摩擦风阻摩擦风阻R Rf f 对于已给定的井巷，对于已给定的井巷，L L、U U、S 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 L、U U、S S 归结为一个参数归结为一个参数R Rf f： R Rf f 称为巷道的摩擦风阻，其单位为：称为巷道的摩擦风阻，其单位为：kg/mkg/m7 7 或或 N.sN.s2 2/m/m8 8。 工程单位：工程单位：kgfkgf .s .s2 2/m/m8 8 ，或写成：，或写成：kk。1

10、 N.s1 N.s2 2/m/m8 8= 9.8 k= 9.8 k R Rf ff ( ,S,U,L)f ( ,S,U,L) 。在正常条件下当某一段井巷中的空气密。在正常条件下当某一段井巷中的空气密度度一般变化不大时，可将一般变化不大时，可将R R f f 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： 此式就是完全紊流此式就是完全紊流( (进入阻力平方区进入阻力平方区) )下的摩擦阻力定律。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0

11、0 R Rf f h hf f 生产矿井：生产矿井：h hf f R Rf f 0 0 3SLURf2QRhff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 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。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、两断面的风速、大气其中：右侧的第二项为动压差，通过测定、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，

12、需通过实际测定。为势能差，需通过实际测定。 1 1）布置方式及连接方法）布置方式及连接方法2m21m122212121Rgg2v2vPPhZZz1z2）阻力计算）阻力计算 压差计压差计“”感受的压力：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：故压差计所示测值： 设设 且与且与1 1、2 2断面间巷道中空气平均断面间巷道中空气平均 密度相等，则：密度相等，则： 式中：式中：Z Z1212为为1 1、2 2断面高差，断面高差，h h 值即为值即为1 1、2 2两断面压能与位能和的差两断面压能与位能和的差值。根据能量方程，则值。根据能量方程，则1 1、2 2巷道段的通

13、风阻力巷道段的通风阻力h hR R1212为：为： 把压差计放在把压差计放在1 1、2 2断面之间，测值是否变化？断面之间，测值是否变化？)(2111ZZgPm222ZPm1222211)(ZZZZmmmgZPPhm1221)(vvhhR2222111222)()(2222111gZPZZgPhmm2 2、气压计法、气压计法由能量方程：由能量方程：h hR12R12=(P=(P1 1-P-P2 2)+()+( 1 1v v1 12 2/2- /2- 2 2v v2 22 2/2/2)+ )+ m12m12gZgZ1212用精密气压计分别测得用精密气压计分别测得1 1，2 2断面的静压断面的静压

14、P P1 1，P P2 2用干湿球温度计测得用干湿球温度计测得t t1 1,t,t2 2,t,t1 1,t,t2 2,和和 1 1, , 2 2，进而计算，进而计算 1 1， 2 2用风表测定用风表测定1 1，2 2断面的风速断面的风速v1,v2v1,v2。 m12m12为为1 1，2 2断面的平均密度，若高差不大，就用算术平均值，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；若高差大，则有加权平均值；Z Z12121 1，2 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，然可用逐点测定法，一台仪器在

15、井底车场监视大气压变化，然后对上式进行修正。后对上式进行修正。h hR12R12=(P=(P1 1-P-P2 2)+)+ P P1212（+(+( 1 1v v1 12 2/2- /2- 2 2v v2 22 2/2/2)+ )+ m12m12gZgZ1212例题例题3-33-3某设计巷道为梯形断面，某设计巷道为梯形断面，S S=8m=8m2 2，L L=1000m=1000m，采用工字钢棚支护，支，采用工字钢棚支护，支架截面高度架截面高度d d0 0=14cm=14cm，纵口径，纵口径=5=5，计划通过风量，计划通过风量Q=1200mQ=1200m3 3/min/min，预计，预计巷道中空气

16、密度巷道中空气密度=1.25kg/m=1.25kg/m3 3，求该段巷道的通风阻力。，求该段巷道的通风阻力。解解 根据所给的根据所给的d d0 0、S S值，由附录值，由附录4 4附表附表4-44-4查得查得: : 0 0 =284.2=284.210104 40.88=0.025Ns0.88=0.025Ns2 2/m/m4 4则：巷道实际摩擦阻力系数则：巷道实际摩擦阻力系数 NsNs2 2m m4 4巷道摩擦风阻巷道摩擦风阻巷道摩擦阻力巷道摩擦阻力026. 02 . 125. 1025. 02 . 10Ns2/m8 0.598877.111000026. 06 . 4333SSLSLURfP

17、aQRhff2 .239601200598.022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，这种阻力称为风流的能量损失，这种阻力称为局部阻力局部阻力。 由于局部阻力所产生风流速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。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

18、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h hl l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：式中：局部阻力系数，无因次。层流局部阻力系数，无因次。层流 计算局部阻力计算局部阻力，关键是局部阻力系数确定，因，关键是局部阻力系数确定，因v=Q/S,v=Q/S,当当确定后，便可用确定后，便可用 22vhlReB222QShl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

19、加能量损失。象，在主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。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。因为因为 V hV hv v p p ，压差的作用方向，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，趋于与流动方向相反，使边壁附近，流速本来就小，趋于0, 0, 在这些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。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、转弯处 流体质点在转弯处受到离心力作用，在外侧出现减速增流体质点在转弯处受到离心力作用，在外侧出现减速增压

20、，出现涡漩。压，出现涡漩。、分岔与会合、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，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。能量损失愈多，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。糙程度为次要因素。1 1突然扩大突然扩大或或式中：式中： v v1 1、v v2 2分别为小断面和大断面的平均流速，分别为小断面和大断面的平均流

21、速，m/sm/s； S S1 1、S S2 2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； m m空气平均密度，空气平均密度，kg/mkg/m3 3。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 2211211222122211QSvvSShl2222222222122221QSvvSShl01.012 2突然缩小突然缩小对应于对应于小断面的动压小断面的动压 ，值可按下式计算：值可按下式计算： 3 3逐渐扩大逐渐扩大 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

22、成。损失和扩张损失两部分组成。 当当2020时，渐扩段的局部阻力系数时，渐扩段的局部阻力系数可用下式求算：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，NsNs2 2/m/m4 4； n n风道大、小断面积之比，即风道大、小断面积之比，即2 21 1； 扩张角。扩张角。 2211sin112sinnn222v1215 .0SS013.014 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：当巷高与巷宽之比当巷高与巷宽之比H H/ /b b=0.2=0.21.01.0 时，时， 当当 H H/ /b

23、 b=1=12.5 2.5 时时 式中式中 0 0假定边壁完全光滑时，假定边壁完全光滑时，9090转弯的局部阻力系数，其值见转弯的局部阻力系数，其值见表表3-3-13-3-1； 巷道的摩擦阻力系数，巷道的摩擦阻力系数，N.sN.s2 2/m/m4 4； 巷道转弯角度影响系数，见表巷道转弯角度影响系数，见表3-3-23-3-2。 Hb280bH65.035.012805 5风流分叉与汇合风流分叉与汇合1) 1) 风流分叉风流分叉 典型的分叉巷道如图所示，典型的分叉巷道如图所示，1 12 2段的局部阻力段的局部阻力h hl l2 2和和1 13 3段的局部阻力段的局部阻力h hl l3 3分别用下

24、式计算：分别用下式计算：2) 2) 风流汇合风流汇合 如图所示，如图所示，1 13 3段和段和2 23 3段的局部阻力段的局部阻力h hl l3 3、h hl l2 23 3分别按下式计算：分别按下式计算： 式中：式中：233213122vvvKhl233223222vvvKhl22321121coscosvQQvQQ12222212121cos22vvvvKhl233312131cos22vvvvKhl23123( (二二) ) 局部风阻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：则有： 式中式中R Rl l称为局部风阻，其单位为称为局部风阻，其单位为N.sN.s2 2/

25、m/m8 8或或kg/mkg/m7 7。 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2QRhlllRS22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：可写成一般形式：h hRQRQ2 2 Pa Pa 。 对于特定井巷，对于特定井巷，R R为定值。用纵坐标表示通风阻力为定值。用纵坐标表示通风阻力( (或压力或压力) )，横，横坐标表示通过风量，当风阻为坐标表示通过

26、风量，当风阻为R R时，则每一风量时，则每一风量Q Qi i值，便有一阻力值，便有一阻力h hi i值与之对应，根据坐标点（值与之对应，根据坐标点（Q Qi i,h,hi i）即可画出一条抛物线。）即可画出一条抛物线。这条这条曲线就叫该井巷的曲线就叫该井巷的阻力特性曲线。风阻阻力特性曲线。风阻R R越大，曲线越陡。越大，曲线越陡。QhR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累加起来，就得到矿井通风总阻力h hRmRm，这就是井巷通风阻力的叠加，这就是井巷通风

27、阻力的叠加原则。原则。 已知矿井通风总阻力已知矿井通风总阻力h hRmRm和矿井总风量和矿井总风量Q Q，即可求得矿井总风阻：，即可求得矿井总风阻： N.sN.s2 2/m/m8 8 R Rm m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。R Rm m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假定在无限空间有一薄壁，在薄壁上开一面积为A A(m(m2 2) )的孔口。当孔口通过的风量等于矿井风量，的孔

28、口。当孔口通过的风量等于矿井风量，且孔口两侧的风压差等于矿井通风阻力时，则且孔口两侧的风压差等于矿井通风阻力时，则孔口面积孔口面积A A称为该矿井的等积孔。称为该矿井的等积孔。2QhRRmmAIIIP2,v2P2,v2设风流从设风流从I III II，且无能量损失，且无能量损失， 则有：则有：得：得： 风流收缩处断面面积风流收缩处断面面积A A2 2与孔口面积与孔口面积A A之比称为之比称为收缩系数收缩系数，由水力学可，由水力学可知，一般知，一般=0.65=0.65，故，故A A2 2=0.65=0.65A A。则。则v v2 2Q/AQ/A2 2=Q/0.65=Q/0.65A A，代入上式后

29、并整，代入上式后并整理得：理得： 取取=1.2kg/m=1.2kg/m3 3，则：，则： 因因R Rm m= =h hm m2 2，故有，故有 由此可见，由此可见，A A是是R Rm m的函数，的函数，故可以表示矿井通风的难易程度。故可以表示矿井通风的难易程度。 当当A A，容易；，容易；A A 2 2，中等；，中等；A A困难。困难。22221122vPvPRmRmhvhvPP/2 ,222221RmhQA/265. 0RmhQA19. 1mRA19.1例题例题3-73-7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h hRmRm=2800Pa=280

30、0Pa，矿井总风量矿井总风量Q Q=70m=70m3 3/s/s，求矿井总风阻，求矿井总风阻R Rm m和等积孔和等积孔A A，评价其通风难，评价其通风难易程度。易程度。解解 对照表对照表3-4-13-4-1可知，该矿通风难易程度属中等。可知，该矿通风难易程度属中等。1 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、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。析评价。2 2、必须指出，表、必须指出，表3-4-13-4-1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18731873年缪尔格年缪尔格(Murgue(Murgue) )根据当时的生产