礦井通風(fēng)安全工程

1、第三章井巷通風(fēng)阻力本章重點(diǎn)和難點(diǎn)：摩擦阻力和局部阻力產(chǎn)生的原因和測(cè)算當(dāng)空氣沿井巷運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于風(fēng)流的粘滯性和慣性以及井巷壁面等對(duì)風(fēng)流的阻滯、 擾動(dòng)作用而形成通風(fēng)阻力，它是造成風(fēng)流能量損失的原因。井巷通風(fēng)阻力可分為兩類: 摩擦阻力（也稱為沿程阻力）和局部阻力。第一節(jié)井巷斷面上風(fēng)速分布一、風(fēng)流流態(tài)1管道流同一流體在同一管道中流動(dòng)時(shí)， 不同的流速，會(huì)形成不同的流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)流速較 低時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)互不混雜，沿著與管軸平行的方向作層狀運(yùn)動(dòng)，稱為 層流（或滯流）。 當(dāng)流速較大時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度在大小和方向上都隨時(shí)發(fā)生變化， 成為互相混雜 的紊亂流動(dòng)，稱為 紊流（或湍流）。v dRe（1）雷諾數(shù)Re式中：平

2、均流速v、管道直徑d和流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)丫。在實(shí)際工程計(jì)算中，為簡便起見，通常以Re=2300作為管道流動(dòng)流態(tài)的判定準(zhǔn)數(shù)，即：Re 2300紊流（2）當(dāng)量直徑對(duì)于非圓形斷面的井巷，Re數(shù)中的管道直徑d應(yīng)以井巷斷面的當(dāng)量直徑de來表示：Sde = 4U因此，非圓形斷面井巷的雷諾數(shù)可用下式表示:4vSU對(duì)于不同形狀的井巷斷面，其周長 U與斷面積S的關(guān)系，可用下式表示:U二C S式中：C斷面形狀系數(shù)：梯形C=4.16;三心拱C=3.85;半圓拱C=3.90。(舉例見P38)2、孔隙介質(zhì)流在采空區(qū)和煤層等多孔介質(zhì)中風(fēng)流的流態(tài)判別準(zhǔn)數(shù)為:式中:Re =vKlK 冒落帶滲流系數(shù)，m2;l 濾流帶粗糙度系數(shù)

3、，m層流，Re2.5;過渡流 0.25Re2300,紊流巷道條件同上，Re=2300層流臨界風(fēng)速：V=RX UX v /4S=2300X 4.16 X 3X 15X 10-6 /(4 X 9)=0.012m/s0.15、井巷斷面上風(fēng)速分布(1) 紊流脈動(dòng)風(fēng)流中各點(diǎn)的流速、壓力等物理參數(shù)隨時(shí)間作不規(guī)則變化。(2) 時(shí)均速度瞬時(shí)速度VX隨時(shí)間T的變化。其值雖然不斷變化，但在一足夠長的時(shí)間段T*內(nèi)，流速Vx總是圍繞著某 一平均值上下波動(dòng)。(3) 巷道風(fēng)速分布由于空氣的粘性和井巷壁面摩擦影響，井巷斷面上風(fēng)速分布是不均勻的層流邊層：在貼近壁面處仍存在層流運(yùn)動(dòng) 薄層，即層流邊層。其厚度S隨Re增加而變薄,

4、 它的存在對(duì)流動(dòng)阻力、傳熱和傳質(zhì)過程有較大 影響。在層流邊層以外，從巷壁向巷道軸心方向， 風(fēng)速逐漸增大，呈拋物線分布。平均風(fēng)速:式中：1vS VidSSVidS巷道通過風(fēng)量Q。貝U: Q= V x S風(fēng)速分布系數(shù)：斷面上平均風(fēng)速V與最大風(fēng)速Vmax的比值稱為風(fēng)速分布系數(shù)（速度 場(chǎng)系數(shù)），用Kv表示：vm ax巷壁愈光滑，Kv值愈大，即斷面上風(fēng)速分布愈均勻砌碹巷道，Kv=0.80.86;木棚支護(hù)巷道，Kv=0.680.82;無支護(hù)巷道，Kv=0.740.81。第二節(jié)摩擦風(fēng)阻與阻力、摩擦阻力風(fēng)流在井巷中作沿程流動(dòng)時(shí)，由于流體層間的摩擦和流體與井巷壁面之間的摩擦 所形成的阻力稱為摩擦阻力（也叫沿程阻

5、力）由流體力學(xué)可知，無論層流還是紊流，以風(fēng)流壓能損失來反映的摩擦阻力可用下式來計(jì)算：(Pa)Lv2hfd2入-無因次系數(shù)，即摩擦阻力系數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)求得。d圓形風(fēng)管直徑，非圓形管用當(dāng)量直徑；1 .尼古拉茲實(shí)驗(yàn)實(shí)際流體在流動(dòng)過程中，沿程能量損失一方面（內(nèi)因）取決于粘滯力和慣性力的 比值，用雷諾數(shù)Re來衡量；另一方面（外因）是固體壁面對(duì)流體流動(dòng)的阻礙作用，故 沿程能量損失又與管道長度、斷面形狀及大小、壁面粗糙度有關(guān)。其中壁面粗糙度的 影響通過入值來反映。19321933年間，尼古拉茲把經(jīng)過篩分、粒徑為&的砂粒均勻粘貼于管壁。砂粒 的直徑&就是管壁凸起的高度，稱為絕對(duì)糙度；絕對(duì)糙度 &與管道半徑r的比

6、值& /r 稱為相對(duì)糙度。以水作為流動(dòng)介質(zhì)、對(duì)相對(duì)糙度分別為1/15、1/30.6、1/60、1/126、1/256、1/507六種不同的管道進(jìn)行試驗(yàn)研究。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，在對(duì)數(shù)坐標(biāo) 紙上畫出入與Re的關(guān)系曲線，如圖所示。結(jié)論分析：I區(qū)一一層流區(qū)。當(dāng)Re2320(即IgRev3.36)時(shí)，不論管道粗糙度如何，其實(shí)驗(yàn) 結(jié)果都集中分布于直線I上。這表明入與相對(duì)糙度& /r無關(guān)，只與Re有關(guān)，且入=64/Rq 與相對(duì)粗糙度無關(guān)U區(qū) 過渡流區(qū)。2320W Re 4000(即3.36 IgRe 4000)，但在一定的雷諾數(shù)下，當(dāng)層流邊層的厚度S大于管道的絕對(duì)糙度& (稱為水力光滑管)時(shí)，其實(shí)驗(yàn)點(diǎn)

7、均集中在直線川上，表明入與&仍然無關(guān)，而只與Re有關(guān)。隨著Re的增大，相對(duì)糙度大的管道，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)在較低Re時(shí)就偏離直線叭 而相對(duì)糙度小 的管道要在Re較大時(shí)才偏離直線川。W區(qū)一一紊流過渡區(qū)，即圖中W所示區(qū)段。在這個(gè)區(qū)段內(nèi)，各種不同相對(duì)糙度的 實(shí)驗(yàn)點(diǎn)各自分散呈一波狀曲線，入值既與Re有關(guān)，也與& /r有關(guān)。V區(qū)一一水力粗糙管區(qū)。在該區(qū)段，Re值較大，管內(nèi)液流的層流邊層已變得極薄， 有& 3，砂粒凸起高度幾乎全暴露在紊流核心中，故 Re對(duì)入值的影響極小，略去 不計(jì)，相對(duì)糙度成為入的唯一影響因素。故在該區(qū)段，入與Re無關(guān)，而只與相對(duì)糙度 有關(guān)。摩擦阻力與流速平方成正比，故稱為阻力平方區(qū)，尼古拉茲公式：

8、1r1.74 + 2lg z)2 層流摩擦阻力當(dāng)流體在圓形管道中作層流流動(dòng)時(shí)，從理論上可以導(dǎo)出摩擦阻力計(jì)算式:ReVdV2LU 2 vS3Q264Re可得圓管層流時(shí)的沿程阻力系數(shù):64扎=Re古拉茲實(shí)驗(yàn)所得到的層流時(shí) 入與Re的關(guān)系，與理論分析得到的關(guān)系完全相同，理論與實(shí)驗(yàn)的正確性得到相互的驗(yàn)證。層流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。3、紊流摩擦阻力對(duì)于紊流運(yùn)動(dòng)，入=f (Re, & /r)，關(guān)系比較復(fù)雜。用當(dāng)量直徑de=4S/U代替d,代入阻力通式，則得到紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計(jì)算式:、摩擦阻力系數(shù)與摩擦風(fēng)阻1 摩擦阻力系數(shù)a礦井中大多數(shù)通風(fēng)井巷風(fēng)流的Re值已進(jìn)入阻力平方區(qū),入值只與相對(duì)糙

9、度有關(guān),對(duì)于幾何尺寸和支護(hù)已定型的井巷,空氣密度p =1.2kg/m3。相對(duì)糙度一定，則入可視為定值；在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下對(duì)上式，令：人* Pa =a稱為摩擦阻力系數(shù)，單位為kg/m3 或 N.s2/m4。則得到紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計(jì)算式寫為:標(biāo)準(zhǔn)摩擦阻力系數(shù)：通過大量實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)所得的、在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(p o=1.2kg/m3)條件下的井巷的摩擦阻力系數(shù)，即所謂標(biāo)準(zhǔn)值修正：a o值，當(dāng)井巷中空氣密度卩工1.2kg/m3時(shí)，其a值應(yīng)按下式P-o -1 .2a系數(shù)影響因素對(duì)于砌碹、錨噴巷道一只考慮橫斷面上方向相對(duì)粗糙度；對(duì)于木棚、工字鋼、U型棚等還要考慮縱口徑 =l/doa隨變化實(shí)驗(yàn)曲線工字鋼支架在巷道中

10、流動(dòng)狀態(tài)2.摩擦風(fēng)阻Rf對(duì)于已給定的井巷,L、U、S都為已知數(shù)，故可把上式中的a、L、U、S歸結(jié)RfLUS3為一個(gè)參數(shù)Rf：:Rf稱為巷道的摩擦風(fēng)阻，其單位為：工程單位：kgf .s2/m8，或?qū)懗桑簁kg/m7 或 N.s2/m8。1 N.s2/m8= 9.8 k 卩Rf = f ( p , & ,S,U丄)。在正常條件下當(dāng)某一段井巷中的空氣密度p 一般變化不大時(shí)，可將R f看作是反映井巷幾何特征的參數(shù)則得到紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計(jì)算式寫為：hf = R fQ 2此式就是完全紊流（進(jìn)入阻力平方區(qū)）下的摩擦阻力定律。3 井巷摩擦阻力計(jì)算方法新建礦井：查表得 a 0 fa f Rff hf生產(chǎn)

11、礦井：hf f Rf f a f a o例題3-3某設(shè)計(jì)巷道為梯形斷面，S=8m2, L=100Om,采用工字鋼棚支護(hù)，支架截面 高度do=14cm,縱口徑 =5,計(jì)劃通過風(fēng)量Q=1200m3/min ,預(yù)計(jì)巷道中空氣密度p =1.25kg/m3,求該段巷道的通風(fēng)阻力。解 根據(jù)所給的d。、S值，由附錄4附表4-4查得：42 4a 0 =284.2X 10 4X 0.88=0.025NS/m4則：巷道實(shí)際摩擦阻力系數(shù)Ns2/ m4RfS3： L4-6 S .26 1000 11-7 0.598 Ns2/m8S383hf2=Rf Q = 0.598遜1239平2,容易；A =1 2,中等；A VI

12、困難。例題3-7:某礦井為中央式通風(fēng)系統(tǒng)，測(cè)得礦井通風(fēng)總阻力hRm=2800Pa礦井總風(fēng)量Q=70m3/s，求礦井總風(fēng)阻Rm和等積孔A,評(píng)價(jià)其通風(fēng)難易程度。解hRm/Q2二 2800 /70二 0.571 NsA=1.19/、Rm =1.19/2571 = 1.57m2例3-8:某對(duì)角式通風(fēng)礦井，東風(fēng)井的阻力hR1=280*9.81Pa,風(fēng)量Q仁80m3/s西風(fēng)井 的阻力hR2=100*9.81Pa,風(fēng)量Q2=60m3/s求礦井總等級(jí)孔。解：3/2A719匕Q丿-0.5(hRiQi )i=1二 1.19(80 + 60)3/2280 9.81 80 100 9.81 60二 3.73m對(duì)照表3

13、-4-1可知，該礦通風(fēng)難易程度屬中等。1、對(duì)于多風(fēng)機(jī)工作的礦井，應(yīng)根據(jù)各主要通風(fēng)機(jī)工作系統(tǒng)的通風(fēng)阻力和風(fēng)量, 分別計(jì)算各主要通風(fēng)機(jī)所擔(dān)負(fù)系統(tǒng)的等積孔，進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。2、必須指出，表 3-4-1所列衡量礦井通風(fēng)難易程度的等積孔值，是 1873年繆爾格 (Murgue)根據(jù)當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)情況提出的：3：, 一直沿用至今。由于現(xiàn)代的礦井規(guī)模、開 采方法、機(jī)械化程度和通風(fēng)機(jī)能力等較以前已有很大的發(fā)展和提高， 表中的數(shù)據(jù)對(duì)小 型礦井還有一定的參考價(jià)值， 對(duì)大型礦井或多風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的礦井， 衡量通風(fēng)難易程 度的指標(biāo)還有待研究。第五節(jié) 井巷通風(fēng)阻力測(cè)定阻力測(cè)定目的：1、了解和掌握阻力分布，降阻增風(fēng)；2、提供阻力

14、系數(shù)和R,為設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)解算、 改造、均壓防火；能力核定。測(cè)定路線的選擇和測(cè)點(diǎn)布置： 如果測(cè)定的目的是為了了解通風(fēng)系統(tǒng)的阻力分布，則必須選擇最大阻力路線； 如果測(cè)量的目的是為了獲取摩擦阻力系數(shù)和分支風(fēng)阻，則應(yīng)選擇不同支護(hù)形式、 不同類型的典型巷道。測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)考慮：1 、測(cè)點(diǎn)間的壓差不小于 1020Pa；2 、盡量避免靠近井筒和風(fēng)門；3 、選擇風(fēng)量較穩(wěn)定的巷道內(nèi)；4 、局部阻力物前 3倍巷寬，后 812倍巷寬；5、風(fēng)流穩(wěn)定，無匯合交叉，測(cè)點(diǎn)前后 3m巷道支護(hù)完好。一段巷道的通風(fēng)阻力hR測(cè)算方法：兩種方法：壓差計(jì)法和氣壓計(jì)法生產(chǎn)礦井一段巷道阻力測(cè)定1、壓差計(jì)法 用壓差計(jì)法測(cè)定通風(fēng)阻力的實(shí)質(zhì)是測(cè)量風(fēng)流

15、兩點(diǎn)間的勢(shì)能差和動(dòng) 壓差，計(jì)算出兩測(cè)點(diǎn)間的通阻力2 、心2丿g ml Z1 g m2 Z2其中：右側(cè)的第二項(xiàng)為動(dòng)壓差，通過測(cè)定1、2兩斷面的風(fēng)速、大氣壓、干濕球溫度，即可計(jì)算出它們的值。第一項(xiàng)和第三項(xiàng)之和稱為勢(shì)能差，需通過實(shí)際測(cè)定。1) 布置方式及連接方法如圖所示2) 阻力計(jì)算壓差計(jì) ?！备惺艿膲毫Γ?mig(Z! - Z2)壓差計(jì)”感受的壓力：P 2? m 2 Z 2故壓差計(jì)所示測(cè)值：h = P + Plmg(乙 + Z2)一 (P2+ P2mgZ2)ml且與1、2斷面間巷道中空氣平均密度相等，則:h = (Pi - P2) zjmg式中：乙2為1、2斷面高差，h值即為1、2兩斷面壓能與位能

16、和的差值。根據(jù)能量方程，則1、2巷道段的通風(fēng)阻力hR12為:該式成立的前提是：膠皮管內(nèi)的空氣平均密度與井巷中的空氣平均密度相等為此，在測(cè)量前，應(yīng)將膠皮管放置在巷道相應(yīng)位置上保存一段時(shí)間，或用打氣筒將巷道空氣轉(zhuǎn)換掉膠皮管中空氣。單管氣壓計(jì)放置位置對(duì)測(cè)量效果的影響：Z2訂2mi現(xiàn)假設(shè)單管氣壓計(jì)放置在兩測(cè)點(diǎn)中間，如圖所示，貝左右側(cè)液面承壓分別為：則壓差計(jì)計(jì)數(shù)為：h = P - P2 + g(ZiPmi+ Zm2)IPlmlgZiIP2 m2gZ2同理:乙則1、2間巷道通風(fēng)阻力為:hRi2 二 h2. 氣壓計(jì)法（原理、方法）由能量方程：2nhRl2=(Pl-P2)+ ( iVi /2- : 2V2 /

17、2)+ m12gZi2用精密氣壓計(jì)分另測(cè)得1, 2斷面的靜壓Pi, P2用干濕球溫度計(jì)測(cè)得t1,t2,t1和囚1, 92,進(jìn)而計(jì)算Pi, P2用風(fēng)表測(cè)定1, 2斷面的風(fēng)速v1,v2。:m12為1 , 2斷面的平均密度，若高差不大，就用算術(shù)平均值，若高差大，則有加 權(quán)平均值；Z121, 2斷面高差，從采掘工程平面圖查得?？捎弥瘘c(diǎn)測(cè)定法，一臺(tái)儀器在井底車場(chǎng)監(jiān)視大氣壓變化，然后對(duì)上式進(jìn)行修正。2 2hR12=(P1-P2)+=P12 ( +(“V1 /2-2V2 /2)+ Jm12gZ122.摩擦阻力系數(shù)測(cè)算(1) 測(cè)試方法一壓差計(jì)法；(2) 支護(hù)方式和測(cè)段一致，無變化；(3) 測(cè)點(diǎn)位置在局部阻力物

18、前35巷寬，后812倍;(4) 系統(tǒng)穩(wěn)定(5) h f和Q測(cè)準(zhǔn)Rf=hf/Q2a 二FfSp/LU二局部阻力測(cè)算用壓差計(jì)測(cè)出1-2段阻力hR1-2和1-3段阻力hR1-3,若斷面一致，則hf與長度L成正比。則單純巷道轉(zhuǎn)彎的局部阻力hL=hR1-3- h R1-2L13/L 12R_=hL/Q2E =2$R_/ p12111I三、井筒通風(fēng)阻力測(cè)定1、進(jìn)風(fēng)井筒阻力測(cè)定1)壓差計(jì)法一吊測(cè)法分別取 h1 , h 2 , h 3 ,h 4, h 5為50m,單管壓差計(jì)井筒80m,100m,120m,150mHf=a+bHhR=hf+2hL2）氣壓計(jì)法從地表開始，每隔50m測(cè)量p, t, t 并計(jì)算出p靜

19、壓差 Pi，高差Z則：hR= E A Pi+ p m Zg-0.5 p V2、回風(fēng)井筒阻力測(cè)定1）壓差計(jì)法-吊測(cè)法防爆蓋上打孔；或在安全門內(nèi)測(cè)，方法同進(jìn)風(fēng)井筒測(cè)定方法2）氣壓計(jì)法在井底用氣壓計(jì)讀出相對(duì)壓力，在安全門內(nèi)再讀出相對(duì)壓力，兩者差值A(chǔ) P,hR= A P+ P m Zg +.5 P *底-.5 P *井筒單管壓差計(jì)井筒”膠皮管/ 靜壓重錘3、風(fēng)峒阻力測(cè)定氣壓計(jì)法：在安全門內(nèi)再讀出相對(duì)壓力，再接水柱計(jì) 讀出相對(duì)壓力，兩者差值 P,hR= p+ Pm Zg +0.5 p V 井筒-0.5 p G 風(fēng)機(jī)入口四、測(cè)定結(jié)果分析1、誤差分析ephr hnH0%hr = h H n - hvhrhr 礦井實(shí)際通風(fēng)阻力，Pa；h風(fēng)機(jī)房水柱計(jì)讀數(shù)，Pa;H測(cè)定系統(tǒng)的自然風(fēng)壓，Pa；hv風(fēng)峒內(nèi)安裝水柱計(jì)處斷面的平均動(dòng)壓，Pa;hr礦井實(shí)測(cè)通風(fēng)阻力，Pa。2、礦井總阻力及等級(jí)孔3、阻力測(cè)定期間實(shí)測(cè)礦井總風(fēng)量、總阻力和自然風(fēng)壓4、礦井阻力分布東風(fēng)井西風(fēng)井總回風(fēng)/m3/s平均總阻力/Pa自然風(fēng)壓/Pa總回風(fēng)/m3/s平均總阻力/Pa自然風(fēng)壓/Pa224.12876272233.1330527416001421處理結(jié)果示例:14001200100080060040020001242432區(qū)段3216%比分百力阻繫占50.12424323216區(qū)段30.20.O-0a a600500 p 400/丿