第二章第一節(jié)通風

項目三

井下空氣壓力測定與分析任務1—測定并分析空氣壓力能力目標：

1、會測算空氣的密度；2、會計算井下風流中某點的壓力值；3、會測定井巷斷面某一點的各種壓力；4、會利用速壓的物理意義測算井巷的風速和井巷斷面的速度場系數(shù)。知識目標：1、能理解并陳述空氣的密度、比容、壓力（壓強）、黏性等基本概念和表達式；2、能解釋概述風流靜壓能、動能、位能和空氣的靜壓、動壓、位壓的概念，并能解釋其相互關系；3、理解并能解釋抽出式通風、壓入式通風礦井中壓力之間的關系；4、能概述各種測壓儀器的構(gòu)造、原理和使用方法。項目目標項目三

井下空氣壓力測定與分析

一、空氣的主要物理參數(shù)

（一）空氣的密度

單位體積空氣所具有的質(zhì)量稱為空氣的密度，用ρ來表示。即：

（3-1）式中

ρ——空氣的密度，kg/m3；

M——空氣的質(zhì)量，kg；

V——空氣的體積，m3。在標準大氣狀況下（P＝101325Pa，t＝O℃，

φ

＝0%）

，

干空氣的密度為1.293kg/m3。

濕空氣密度的計算公式為：

ρ濕＝0.003484（1－0.378

式中P——空氣的壓力，Pa；

T——熱力學溫度（T＝273+t），K；

t——空氣的溫度，℃；

——相對濕度，%；P飽——溫度為t（℃）時的飽和水蒸氣壓力，pa。由上式可見，壓力越大，溫度越低，空氣密度越大。當壓力和溫度一定時，濕空氣的密度總是小于干空氣的密度。

一般將空氣壓力為101325Pa，溫度為20℃，相對濕度為60%的礦井空氣稱為標準礦井空氣，其密度為1.2kg/m3。

（二）空氣的比容單位質(zhì)量空氣所占有的體積叫空氣的比容，用υ（m3/kg）表示，比容和密度互為倒數(shù)，它們是一個狀態(tài)參數(shù)的兩種表達方式。即：

（三）空氣的壓力（壓強）

氣體作用在單位面積上的力稱為空氣的壓力，用P表示。

空氣壓力的單位為帕斯卡（Pa），簡稱帕，1Pa=1N/m2。壓力較大時還有千帕（KPa）、兆帕（MPa），1MPa=103KPa=106Pa。有的壓力儀器也用百帕（hPa）表示，1hPa=100Pa。

地面空氣壓力習慣稱為大氣壓。由于地球周圍大氣層的厚度高達數(shù)千千米，越靠近地表空氣密度越大，空氣分子數(shù)越多，分子熱運動的平均動能越大，所以大氣壓力也越大。此外，大氣壓力還與當?shù)氐臍夂驐l件有關，即便是同一地區(qū)，也會隨季節(jié)不同而變化，甚至一晝夜內(nèi)都有波動。（四）空氣的粘性當流體以任一流速在管道中流動時，靠近管道中心的流層流速快，靠近管道壁的流層流速慢，相鄰兩流層之間的接觸面上便產(chǎn)生粘性阻力（內(nèi)摩擦力），以阻止其相對運動，流體具有的這一性質(zhì)，稱為流體的粘性。在礦井通風中，用動力粘性系數(shù)μ和運動粘性系數(shù)ν（m2/s）表示空氣粘性大小。流體的粘性隨溫度和壓力的變化而變化。對空氣而言，粘性系數(shù)隨溫度的升高而增大，壓力對粘性系數(shù)的影響可以忽略。當溫度為20℃，壓力為0.1MPa時，空氣的動力粘性系數(shù)μ=1.808×10-5Pa·s；運動粘性系數(shù)ν=1.501×10-5m2/s。二、風流的能量及壓力

礦井通風系統(tǒng)中，風流在井巷某斷面上所具有的總機械能（包括靜壓能、動能和位能）及內(nèi)能之和叫做風流的能量。單位體積空氣所具有的能夠?qū)ν庾龉Φ臋C械能就是壓力。

能量與壓力即有區(qū)別又有聯(lián)系，除了內(nèi)能是以熱的形式存在于風流中外，其它三種能量一般通過壓力來體現(xiàn)，也就是說井巷任一通風斷面上存在的靜壓能、動能和位能可用靜壓、動壓、位壓來呈現(xiàn)。

（一）靜壓能—靜壓1、靜壓能與靜壓的概念由分子熱運動理論可知，不論空氣處于靜止狀態(tài)還是流動狀態(tài)，空氣分子都在做無規(guī)則的熱運動。這種由空氣分子熱運動而使單位體積空氣具有的對外做功的機械能量叫靜壓能，用E靜表示（J/m3）?？諝夥肿訜徇\動不斷地撞擊器壁所呈現(xiàn)的壓力（壓強）稱為靜壓力，簡稱靜壓，用P靜表示（N/m2，即Pa）。由于靜壓是靜壓能的體現(xiàn)，二者分別代表著空氣分子熱運動所具有的外在表現(xiàn)和內(nèi)涵，所以在數(shù)值上大小相等，靜壓是靜壓能的等效表示值。

2、靜壓的特點

（1）只要有空氣存在，不論是否流動都會呈現(xiàn)靜壓；（2）由于空氣分子向器壁撞擊的機率是相同的，所以風流中任一點的靜壓各向同值，且垂直作用于器壁；（3）靜壓是可以用儀器測量的，大氣壓力就是地面空氣的靜壓值.

3、空氣壓力的兩種測算基準（1）絕對壓力：以真空為基準測算的壓力稱為絕對壓力，用P表示。由于以真空為零點，有空氣的地方壓力都大于零，所以絕對壓力總是正值。（2）相對壓力：以當?shù)禺敃r同標高的大氣壓力為基準測算的壓力稱為相對壓力，用h表示。對于礦井空氣來說，井巷中空氣的相對壓力h就是其絕對壓力P與當?shù)禺敃r同標高的地面大氣壓力P0的差值。

（二）動能—動壓1、動能與動壓的概念

空氣做定向流動時具有動能，用E動表示（J/m3），其動能所呈現(xiàn)的壓力稱為動壓（或速壓），用h動（或h速）表示，單位Pa。2、動壓的計算式

設某點空氣密度為ρ（kg/m3），定向流動的流速為v（m/s），則單位體積空氣所具有的動能為E動，E動對外所呈現(xiàn)的動壓為：

h動＝

Pa

3、動壓的特點

（1）只有做定向流動的空氣才呈現(xiàn)出動壓；（2）動壓具有方向性，僅對與風流方向垂直或斜交的平面施加壓力。垂直流動方向的平面承受的動壓最大，平行流動方向的平面承受的動壓為零；（3）在同一流動斷面上，因各點風速不等，其動壓各不相同；（4）動壓無絕對壓力與相對壓力之分，總是大于零。

（三）位能—位壓

1、位能與位壓的概念單位體積空氣在地球引力作用下，由于位置高度不同而具有的一種能量叫位能，用E位（J/m3）表示。位能所呈現(xiàn)的壓力叫位壓，用P位（Pa）表示。需要說明的是，位能和位壓的大小，是相對于某一個參照基準面而言的，是相對于這個基準面所具有的能量或呈現(xiàn)的壓力。2、位壓的計算式

＝ρ12gZ12，Pa3、位壓的特點（1）位壓只相對于基準面存在，是該斷面相對于基準面的位壓差?；鶞拭娴倪x取是任意的，因此位壓可為正值，也可為負值。為了便于計算，一般將基準面設在所研究系統(tǒng)風流的最低水平。（2）位壓是一種潛在的壓力，不能在該斷面上呈現(xiàn)出來。在靜止的空氣中，上斷面相對于下斷面的位壓，就是下斷面比上斷面靜壓的增加值，可通過測定靜壓差來得知。（3）位壓和靜壓可以相互轉(zhuǎn)化。當空氣從高處流向低處時，位壓轉(zhuǎn)換為靜壓；反之，當空氣由低處流向高處時，部分靜壓將轉(zhuǎn)化成位壓。（4）不論空氣是否流動，上斷面相對于下斷面的位壓總是存在的。

（四）全壓、勢壓和總壓力

礦井通風中，為了研究方便，常把風流中某點的靜壓與動壓之和稱為全壓；將某點的靜壓與位壓之和稱為勢壓；把井巷風流中任一斷面（點）的靜壓、動壓、位壓之和稱為該斷面（點）的總壓力。井巷風流中兩斷面上存在的能量差即總壓力差是風流之所以能夠流動的根本原因，空氣的流動方向總是從總壓力大處流向總壓力小處，而不是取決于單一的靜壓、動壓或位壓的大小。三、空氣壓力的測定

（一）測壓儀器在礦井通風測量儀器中，測定空氣壓力的便攜式儀器有三類：1）測量絕對壓力的氣壓計；2）是測量相對壓力的壓差計和皮托管；3）可同時測定絕對壓力、相對壓力的精密氣壓計或

礦井通風綜合參數(shù)檢測儀等。1、絕對壓力測量儀器

最常用的是空盒氣壓計

空盒氣壓計常用的DYM3型空盒氣壓計的測壓范圍為80000～108000Pa，最小分度為10Pa，經(jīng)過校正后的測量誤差不大于200Pa。因精度較低，一般只適用于粗略測量和空氣密度測算。2、相對壓力測量儀器

測量井巷中（或管道內(nèi)）某點的相對壓力或兩點的壓力差時，一般需要用皮托管配合壓差計來進行。壓差計有U形壓差計、單管傾斜壓差計、補償式微壓計等。1）皮托管皮托管是承受和傳遞壓力的工具。它由兩個同心圓管相套組成，其結(jié)構(gòu)如圖所示。內(nèi)管前端有中心孔，與標有“+”號的接頭相通；外管前端側(cè)壁上分布有一組小孔，與標有“-”號的接頭相通，內(nèi)外管互不相通。

U型傾斜壓差計2）U形壓差計有U形垂直壓差計和U形傾斜壓差計兩種，構(gòu)造如圖所示。單管傾斜壓差計3）單管傾斜壓差計

單管傾斜壓差計的外部結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2-6所示。它由一個大斷面的容器10（面積為F1）和一個小斷面的傾斜測壓管8（面積為F2）及標尺等組成。大容器10和測壓管8互相連通，并在其中裝有用工業(yè)酒精和蒸餾水配成的密度為0.81kg/m的工作液。兩斷面之比（F1/F2）為250～300。儀器固定在裝有兩個調(diào)平螺釘9和水準指示器2的底座1上，弧形支架3可以根據(jù)測量范圍的不同將傾斜測壓管固定在5個不同的位置上，刻在支架上的數(shù)字即為校正系數(shù)。大容器通過膠管與儀器的“+”接頭相通，傾斜測壓管的上端通過膠皮管與儀器的“-”接頭相連，當“+”接頭的壓力高于“-”接頭的壓力時，雖然大容器內(nèi)液面下降甚微，但測壓管端的液面上升十分明顯，經(jīng)過下式計算相對壓力或壓差h：

h＝LKg，Pa（2-14）式中L——傾斜測壓管的讀數(shù)，mm；

K——儀器的校正系數(shù)（又稱常數(shù)因子），測壓時傾斜測壓管在弧形支架上的相應數(shù)字。

圖2-6YYT—200型單管傾斜壓差計結(jié)構(gòu)1—底座；2—水準指示器；3—弧形支架；4—加液蓋；5—零位調(diào)整旋鈕；6—三通閥門柄；7—游標；8—傾斜測壓管；9—調(diào)平螺釘；10—大容器；11—多向閥門儀器的操作和使用方法如下：（1）注入工作液。將零位調(diào)整旋鈕5調(diào)整到中間位置，測壓管固定在弧形支架的適當位置，旋開加液蓋4，緩緩注入預先配置好的密度為0.81kg/m的工作液，直到液面位于傾斜測壓管的“0”刻度線附近，然后旋緊加液蓋，再用膠皮管將多向閥門11中間的接頭與傾斜測量管的上端連通。將三通閥門柄6撥在儀器的“測壓”位置，用嘴輕輕從“+”端吹氣，使酒精液面沿測壓管緩慢上升，察看液柱內(nèi)有無氣泡，如有氣泡，應反復吹吸多次，直至氣泡消除為止。

（2）調(diào)零。首先調(diào)整儀器底座上的兩個調(diào)平螺釘9，觀察水準指示器內(nèi)的氣泡是否居中，使儀器處于水平。順時針轉(zhuǎn)動三通閥門柄6到“校正”位置，使大容器和傾斜測壓管分別與“+”接頭和“-”接頭隔斷，而與大氣相通。旋動零位調(diào)整旋鈕5，使測壓管的酒精液面對準“0”刻度線。

（3）測定。根據(jù)待測壓差的大小，將傾斜測壓管固定在弧形支架相應的位置上，用膠皮管將較大的壓力接到儀器的“+”接頭，較小的壓力接到儀器的“-”接頭。逆時針轉(zhuǎn)動三通閥門柄6到“測壓”位置，讀取測壓管上酒精液面的讀數(shù)和弧形支架的K值，用式（2-14）計算壓差值或相對壓力。常用的YYB—200B型單管傾斜壓差計最大測量值為2000Pa，最小分刻度為2Pa，誤差不超過最大讀數(shù)的1.0%。單管傾斜壓差計是通風測量中應用最廣的一種壓差計。補償式微壓計4）補償式微壓計礦井通風參數(shù)檢測儀3、礦井通風綜合參數(shù)檢測儀技術參數(shù)

測量范圍

測量分辨率

測量精度

絕對壓力（Pa）80000～120000

10

±100

壓差（Pa）2923

0.98

9.8

溫度（℃）-30～+40

0.1

±0.5

相對濕度（%）50～99

1.0

±4.0

風速（m/s）0.6～15

0.1

0.6～4±(0.2＋2%風速值)

4～15±(0.5＋2%風速值)

時間月、日、時、分、秒

JFY型礦井通風綜合參數(shù)檢測儀技術參數(shù)表

（二）風流點壓力的測量及壓力關系1、風流點壓力

點壓力靜壓動壓全壓絕對靜壓（P靜)相對靜壓（h靜）h動（無絕對、相對之分）絕對全壓（P全）相對全壓（h全）

2、絕對壓力的測量及其相互關系1）絕對靜壓P靜的測定井巷風流中某點的絕對靜壓一般用空盒氣壓計、精密氣壓計或礦井通風綜合參數(shù)測定儀測定。

2）動壓h動的測定

有兩種方法：（1）在通風井巷中，一般用風表測出該點的風速，利用式（2-9）計算動壓。（2）在通風管道中，可利用皮托管和壓差計直接測出該點的動壓。如圖所示。3）絕對全壓的測定測出某點的絕對靜壓P靜和動壓h動之后，用下式計算該點的絕對全壓P全：

不論抽出式通風還是壓入式通風，某一點的絕對全壓等于絕對靜壓與動壓的代數(shù)和。因動壓為正值，所以絕對全壓大于絕對靜壓。

P全＝P靜＋h動3、相對壓力的測量及其相互關系風流中某點的相對壓力常用皮托管和壓差計測定，其布置方法如圖所示。左圖為壓入式通風，右圖為抽出式通風。

1）壓入式通風中相對壓力的測量及相互關系相對靜壓：h靜＝P靜－P0

相對全壓：h全＝P全－P0

動壓：h動＝P全－P靜

相對全壓：h全＝P全－P0＝（P靜＋h動）－P0＝（P靜－P0）＋h動

＝h靜＋h動

結(jié)論：就相對壓力而言，壓入式通風風流中某點的相對全壓等于相對靜壓與動壓的代數(shù)和。2）抽出式通風中相對壓力的測量及相互關系h靜＝P0－P靜或-h靜＝P靜－P0h全＝P0－P全或-h全＝P全－P0h動＝P全－P靜

h全＝P0－P全＝P0－（P靜＋h動）＝（P0－P靜）－h(huán)動＝h靜－h(huán)動

結(jié)論：就相對壓力而言，抽出式通風風流中某點的相對全壓等于相對靜壓減去動壓。例1、在壓入式通風風筒中，測得風流中某點的相對靜壓h靜＝1200Pa，動壓h動＝100Pa，風筒外與該點同標高的大氣壓力P0＝98000Pa，求該點的P靜、h全、P全分別是多少？解：（1）P靜＝P0－h(huán)靜＝98000－1200＝96800Pa（2）h全＝h靜－h(huán)動＝1200－100＝1100Pa（3