矿井通风阻力3.docx

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矿井通风阻力3

课题：

矿井通风阻力

一、难点重点：

1、矿井通风阻力的计算；

2、降低矿井通风阻力的具体措施；

3、矿井通风难易程度评价指标。

二、教学要求：

1、了解矿井通风阻力产生的原因以及矿井通风阻力测定方法；

2、掌握矿井通风阻力计算方法、降阻措施、矿井通风难易程度评价指标的概念和计算。

三、教学内容

第一节摩擦阻力与局部阻力

一、风流的流动状态

流体在运动中有两种不同的状态，即层流流动和紊流流动。

1、层流和紊流

层流：

指流体各层的质点相互不混合，呈流束状，为有秩序地流动，各流束的质点没有能量交换。

质点的流动轨迹为直线或有规则的平滑曲线，并与管道轴线方向基本平行。

紊流：

紊流和层流相反，流体质点在流动过程中有强烈混合和相互碰撞，质点之间有能量交换，质点的流动轨迹极不规则，除了有总流方向的流动外，还有垂直或斜交总流方向的流动，流体内部存在着时而产生、时而消失的涡流。

2、流动状态的判别

二、摩擦阻力

井下风流沿井巷或管道流动时，由于空气的粘性，受到井巷壁面的限制，造成空气分子之间相互摩擦（内摩擦）以及空气与井巷或管道周壁间的摩擦，从而产生阻力，称这种阻力为摩擦阻力。

1、紊流摩擦阻力

井下巷道的风流大多属于完全紊流状态，所以实验系数值取决于巷道壁面的粗糙程度。

矿井通风工程上的紊流摩擦阻力计算公式：

2、摩擦阻力系数与摩擦风阻

①摩擦阻力系数α值主要取决于λ值，主要决定于井巷的粗糙程度，也就是取决于井下巷道的支护形式。

α值确定方法有查表和实测两种方法。

②摩擦风阻

对于已经确定的井巷，巷道的长度L、周长U、断面S以及巷道的支护形式（摩擦阻力系数）都是确定的，故把公式中的、L、U、S用一个参数R摩来表示，得到下式：

显然R摩是空气密度、巷道的粗糙程度、断面积、断面周长、井巷长度等参数的函数。

当这些参数确定时，摩擦风阻R摩值是固定不变的。

所以，可将R摩看作反映井巷几何特征的参数，它反映的是井巷通风的难易程度。

上式就是完全紊流时摩擦阻力定律，它说明了当摩擦风阻一定时，摩擦阻力与风量的平方成正比。

三、局部阻力

1、局部阻力的概念

在风流运动过程中，由于井巷边壁条件的变化，风流在局部地区受到局部阻力物（如巷道断面突然变化，风流分叉与交汇，断面堵塞等）的影响和破坏，引起风流流速大小、方向和分布的突然变化，导致风流本身产生很强的冲击，形成极为紊乱的涡流，造成风流能量损失，这种均匀稳定风流经过某些局部地点所造成的附加的能量损失，就叫做局部阻力。

2、局部阻力计算

ρ——空气密度kg/m3

ξ——局部阻力系数

S——产生局部阻力地点较小断面巷道的断面积m2

Q——通过产生局部阻力地点的风量m3/s

3、局部风阻

在产生局部阻力的区段中ξ、S、ρ都可以视为常数，因此，令：

则

在一般情况下，由于井巷内的风流速压较小，所产生的局部阻力也较小，井下所有的局部阻力之和只占矿井总阻力的10％～20％左右。

故在通风设计中，一般只对摩擦阻力进行计算，对局部阻力不作详细计算，而按经验估算。

第二节矿井总风阻与矿井等积孔

一、矿井通风阻力定律

h阻＝RQ2

二、巷道的通风特性

某一井巷的通风特性就是指该井巷所特有的反映通风难易程度的性能。

1、风阻

R是由井巷中通风阻力物的种类、几何尺寸和壁面粗糙程度等因素决定的，反映井巷的固有特性。

当通过井巷的风量一定时，井巷通风阻力与风阻成正比，因此，风阻值大的井巷其通风阻力也大，反之，风阻值小的通风阻力也小。

可见，井巷风阻值的大小标志着通风难易程度，风阻大时通风困难，风阻小时通风容易。

所以，在矿井通风中把井巷风阻值的大小作为判别矿井通风难易程度的一个重要指标。

曲线越陡、曲率越大，井巷风阻越大，通风越困难。

反之，曲线越缓，通风越容易。

2、矿井等积孔

假定在无限空间有一薄壁，在薄壁上开一面积为A（m2）的孔口，当孔口通过的风量等于矿井总风量Q，而且孔口两侧的风压差等于矿井通风总阻力（p1－p2=h）时，则孔口的面积A值就是该矿井的等积孔。

矿井通风难易程度的分级标准

通风阻力等级

通风难易程度

风阻R

（Ns2/m8）

等积孔A

（m2）

大阻力矿

困难

＞1.42

＜1

中阻力矿

中等

1.42～0.35

1～2

小阻力矿

容易

＜0.35

＞2

第三节降低矿井通风阻力措施

根据我国对617对井口和1023个风井的调查和统计，有40%的矿井通风阻力属于中阻力和大阻力矿井，个别矿井的通风电耗甚至占到了矿井总电耗的50%。

所以，无论是新矿井通风设计还是生产矿井通风管理工作，都要做到尽可能降低矿井通风阻力。

降低矿井通风阻力具体方法如下：

一、降低摩擦阻力的措施

1．减少摩擦阻力系数

矿井通风设计时尽量选用值小的支护方式，如锚喷、砌碹、锚杆、锚锁、钢带等，尤其是服务年限长的主要井巷，一定要选用摩擦阻力较小的支护方式。

施工时一定要保证施工质量，应尽量采用光面爆破技术，尽可能使井巷壁面平整光滑，使井巷壁面的凹凸度不大于50mm。

对于支架巷道，要注意支护质量，支架不仅要整齐一致，有时还要刹帮背顶，并且要注意支护密度。

及时修复被破坏的支架，失修率不大于7%。

在不设支架的巷道，一定注意把顶板、两帮和底板修整好，以减少摩擦阻力。

2．井巷风量要合理

因为摩擦阻力与风量的平方成正比，因此在通风设计和技术管理过程中，不能随意增大风量，各用风地点的风量在保证安全生产要求的条件下，应尽量减少。

掘进初期用局部通风机通风时，要对风量加以控制。

及时调节主通风机的工况，减少矿井富裕总风量。

避免巷道内风量过于集中，要尽可能使矿井的总进风早分开、总回风晚汇合。

3．保证井巷通风断面

因为摩擦阻力与通风断面积的三次方成反比，所以扩大井巷断面能大大降低通风阻力，当井巷通过的风量一定时，井巷断面扩大33%，通风阻力可减少一半，故常用于主要通风路线上高阻力段的减阻措施中。

当受到技术和经济条件的限制，不能任意扩大井巷断面时，可以采用双巷并联通风的方法。

在日常通风管理工作中，要经常修整巷道，减少巷道堵塞物，使巷道清洁、完整、畅通，保持巷道足够断面。

4．减少巷道长度

因为巷道的摩擦阻力和巷道长度成正比，所以在矿井通风设计和通风系统管理时，在满足开拓开采的条件下，要尽量缩短风路长度，及时封闭废弃的旧巷和甩掉那些经过采空区且通风路线很长的巷道，及时对生产矿井通风系统进行改造，选择合理的通风方式。

5．选用周长较小的井巷断面

在井巷断面相同的条件下，圆形断面的周长最小，拱形次之，矩形和梯形的周长较大。

因此，在矿井通风设计时，一般要求立井井筒采用圆形断面，斜井、石门、大巷等主要井巷采用拱型断面，次要巷道及采区内服务年限不长的巷道可以考虑矩形和梯形断面。

二、降低局部阻力的措施

产生局部阻力的直接原因是，由于局部阻力地点巷道断面的变化，引起了井巷风流速度的大小、方向、分布的变化。

因此，降低局部阻力就是改善局部阻力物断面的变化形态，减少风流流经局部阻力物时产生的剧烈冲击和巨大涡流，减少风流能量损失，主要措施如下：

1．最大限度减少局部阻力地点的数量。

井下尽量少使用直径很小的铁风桥，减少调节风窗的数量；应尽量避免井巷断面的突然扩大或突然缩小，断面比值要小。

2．当连接不同断面的巷道时，要把连接的边缘做成斜线或圆弧型。

3．巷道拐弯时，转角越小越好，在拐弯的内侧做成斜线型和圆弧型。

要尽量避免出现直角弯。

巷道尽可能避免突然分叉和突然汇合，在分叉和汇合处的内侧也要做成斜线或圆弧型。

4．减少局部阻力地点的风流速度及巷道的粗糙程度。

5．在风筒或通风机的入风口安装集风器，在出风口安装扩散器。

6．减少井巷正面阻力物，及时清理巷道中的堆积物，采掘工作面所用材料要按需使用，不能集中堆放在井下巷道中。

巷道管理要做到无杂物、无淤泥、无片帮，保证有效通风断面。

在可能的条件下尽量不使成串的矿车长时间地停留在主要通风巷道内，以免阻挡风流，使通风状况恶化。

第四节矿井通风阻力测定

矿井通风阻力测定工作是通风技术管理的重要内容之一，其目的在于检查通风阻力的分布是否合理，某些巷道或区段的阻力是否过大，为改善矿井通风系统，减少通风阻力，降低矿井通风机的电耗以及均压防灭火提供依据。

此外，通过阻力测量，还可求出矿井各类巷道的风阻值和摩擦阻力系数值，以备通风技术管理和通风计算时使用。

通风阻力的测量方法常用的有两种，一为压差计测量法，二为气压计测量法。

一、通风阻力测定的基本内容及要求

1．测算井巷风阻。

井巷风阻是反映井巷通风特性的重要参数，很多通风问题都和这个参数有关。

只要测定出各条井巷的通风阻力和该巷通过的风量，就可以计算出它们的风阻值。

只要井巷断面和支护方式不变，测一次即可；如果发生了变化，则需要重测。

测风阻时，要逐段进行，不能赶时间，力求一次测准。

2．测算摩擦阻力系数。

断面形状和支护方式不同的井巷，其摩擦阻力系数也不同。

只要测出各井巷的阻力、长度、净断面积和通过的风量，代入公式即可计算出摩擦阻力系数。

测摩擦阻力系数时，可以分段、分时间进行测量，不必测量整个巷道的阻力，但测量精度要求高。

3．测算通风阻力的分布情况。

为了掌握全矿井通风系统的阻力分布情况，应沿着通风阻力大的路线测定各段通风阻力，了解整个风路上通风阻力分布情况。

也可分成若干小段，同时测定，这样既可以减少测定阻力的误差，也可以节约时间。

测量全矿井通风阻力时要求连续、快速。

二、通风阻力测定的方法及步骤

（一）测定前的准备工作

1．仪表和人员的准备

根据阻力测定方法和测定内容准备仪表。

每个测定小组必备的仪表有：

1）测量两点间的压差：

用气压计法时，需要准备两台气压计或矿井通风综合参数检测仪；用压差计法时，可备单管倾斜压差计一台，内径4～6mm胶皮管或弹性好的塑料管两根，静压管或皮托管两支，小气筒一个，酒精或乙醇若干，有时为了便于压差计调平，放置皮托管，还常用三角架、小平板等。

2）测量风速：

高、中、低速风表各一只，秒表一块。

3）测量空气密度：

空盒气压计一台，风扇湿度计一台。

（若用矿井通风综合参数检测仪测气压，可以不必准备此项仪器）

4）测量井巷几何参数：

20～30m长皮尺一个，钢卷尺一个，断面测量仪一个。

所有测定仪器都必须附有校正表和校正曲线，精度应能满足测定要求。

测定时由4～5人组成一个小组，事前做好分工，明确任务。

每人都应根据分工掌握所需测定项目的测定方法，熟悉仪表的性能和注意事项。

测定范围很大时，可以分成几个小组同时进行，每组测定一个区段和一个通风系统。

分组测定时，仪表精度应该一致，校正方法和时间一致。

2.选择测量路线和测点

选择测量路线前应对井下通风系统的现实情况做详细的调查研究，并参看全矿通风系统图，根据不同的测量目的选择测量路线。

若为全矿井阻力测定，则首先选择风路最长、风量最大的干线为主要测量路线，然后再决定其他若干条次要路线，以及那些必须测量的局部阻力区段；若为局部区段的阻力测定，则根据需要仅在该区段内选择测量路线。

选择路线后，按下列原则布置测点：

1）在风路的分叉或汇合地点必须布置测点。

如果在分风点或合风点流出去的风流中布置测点时，测点距分风点或合风点的距离不得小于巷道宽度B的12倍;如果在流入分风点或合风点的风流中布置测点时，测点距分风点或合点的距离一般可为巷道宽度B的3倍。

如图所示。

2）在并联风路中，只沿一条路线测量风压（因为并联风路中各分支的风压相等）,其它各风路只布置测风点，测出风量，以便根据相同的风压来计算各分支巷道的风阻。

3）如巷道很长且漏风较大时，测点的间距宜尽量缩短，以便逐步追查漏风情况。

4）安设皮托管或静压管时，在测点之前至少有3m长的巷道支架良好，没有空顶、空帮、凹凸不平或堆积物等情况。

5）在局部阻力特别大的地方，应在前后设置两个测点进行测量。

但若时间紧急，局部阻力的测量可以留待以后进行，以免影响整个测量工作。

6）测点应按顺序编号并标注明显。

为了减少正式测量时的工作量，可提前将测点间距、巷道断面积测出。

待测量路线和测点位置选好后，要用不同颜色绘成测量路线示意图，并将测点位置、间距、标高和编号注入图中。

3．准备记录表格

为了便于汇总资料和计算阻力，在测量阻力之前应制定好有关原始资料统计表。

主要表格有：

各测点平均风速基础记录表、各测点大气参数记录表、各测点风压基础记录表、各巷道规格基础记录表（参见附录三）。

（二）压差计法测量通风阻力

1．测量仪器

此种测量法一般是用单管倾斜压差计作为显示压差的仪器，传递压力用内径4-6mm的胶皮管，接受压力的仪器用皮托管或静压管。

为了测量动压值，还需用风表、湿度计和气压计。

2．测量阻力原理

欲测某倾斜巷道1、2两断面之间的通风阻力，仪器布置如图所示。

用单管倾斜压差计测出的压差值为1、2两断面的静压差与位压差之和，或叫1、2两断面的势压差。

而且不论将单管倾斜压差计放在2点之后，1点之前或1、2两点之间，其测量结果是相同的。

根据能量方程式，1、2两断面之间的通风阻力为：

3．注意事项

1）在倾斜巷道内，不宜安设测点，始末两点尽量安设在上下水平巷道内。

2）开始测量前，用小气筒将两根胶皮管内原有的空气换成测定地点的空气。

3）测回采面压差时，仪器应安置在运输平巷或回风平巷内、不易被运输干扰的地点，胶皮管沿工作面铺设。

如果该工作面邻近有行人或通风小眼，也可将胶皮管通过这些小眼铺设。

4）测定过程中，如果压差计出现异常现象，必须立即查明原因，排除故障，重新测定。

故障可能是：

（a）胶皮管因积水、污物进入或打折而堵塞；胶皮管被扎有小眼或破裂。

（b）压差计漏气，测压管内或测压管与容器连接处有气泡。

（c）静压管放置在风流的涡流区内。

5）在主要运输巷和主要回风测定时，应尽可能增加两测点的长度，以减少分段测定的积累误差和缩短测定时间。

（三）气压计法测量通风阻力

用气压计测量通风阻力，最核心的问题就是如何测定测点的空气静压，目前在煤矿井下测定通风阻力使用最多的是矿井通风综合参数检测仪。

1．测量阻力原理

根据能量方程，气压计法就是通过气压计测出测点间的绝对静压差，再加上动压差和位压差，以计算通风阻力。

即：

气压计测量通风阻力的方法有逐点测定法和双测点同时测定法。

1）逐点测定法

将一台气压计留在基点作为校正大气压变化使用，另一台作为测压仪器从基点开始测量每一测点的压力。

如果在测量时间内大气压和通风状况没有变化，那么两测点的绝对压力差就是气压计在两测点的仪器读数差值。

即：

但是，地面大气压和矿井通风状况都可能发生变化，因此，井下任一点的绝对静压也随之变化。

这就必须根据基点设置的气压计读数，对这两测点的绝对静压进行校正。

即：

则两点间的通风阻力为;

2）双测点同时测定法

它是用两台气压计（I、II号）同时放在1号测点定基点，然后将II号仪器带到2号测点，约定时间同时读取两台仪器的读数后，再把I号仪器移到3测点，II号仪器留在2测点不动，再同时读数。

如此循环前进，直到测定完毕。

此法因为两个测点的静压值是同时读取的，所以不需要进行大气压变化的校正，但是测定时比较麻烦。

用气压计法测定通风阻力主要以逐点测定法为主。

2．井下测量步骤

1）将两台仪器同放于基点处，将电源开关拨至“通”位置，等待15～20min后，按“总清”键，记录基点绝对压力值。

2）按“差压”键，并将记忆开关拨于“记忆”位置，再将仪器的时间对准。

3）将一台仪器留于基点处测量基点的大气压力变化情况，并每逢5的倍数每隔5min记录一次。

4）另一台仪器沿着测量路线逐点测定各测点的压力，测定时将仪器平放于测点底板上，每个测点读数三次，也是逢5的倍数每隔5min记录一次。

5）测定时先测测点的相对压力，然后测巷道断面平均风速和断面尺寸，最后测温度与湿度，分别记录如此逐点进行，直到将测点测完为止。

3．注意事项

1）由于矿井的通风状态是变化的，井下大气压的变化有时滞后于地面大气压的变化，在同一时间内变化幅度也与地面不同，所以校正用的气压计最好放在井底车场附近。

2）用矿井通风综合参数检测仪测定平均风速和湿度时，由于受井下环境的影响较大，所以测得的结果往往误差较大，故在实际测定通风阻力时，一般用机械风表和湿度计测测点的巷道断面平均风速和湿度。

3）测定最好选在天气晴朗、气压变化较小和通风状况比较稳定的时间内进行。

（四）测定方法的选择

用压差计法测量通风阻力时，只测定压差计读数和动压差值，就可以测量出该段通风阻力，不需要测算位压，数据整理比较简单，测量的结果比较精确，一般不会返工，所以，在标定井巷风阻和计算摩擦阻力系数时，多采用压差计法。

但这种方法收放胶皮管的工作量很大，费时较多，尤其是在回采工作面、井筒内或者行人困难井巷及特长距离巷道，不宜采用此方法。

用气压计法测量通风阻力，不需要收放胶皮管和静压管，测定简单。

由于仪器有记忆功能（矿井通风综合参数检测仪），在井下用一台数字气压计就可以将阻力测量的所有参数测出，省时省力，操作简单，但位压很难准确测算，精度较差，故一般适用于无法收放胶皮管或大范围测量矿井通风阻力分布的场合。

本章小结：

本章从通风阻力产生的根本原因入手，阐明矿井通风阻力的计算方法、测定方法以及降低通风阻力的具体措施。

本章是进行矿井通风系统设计、矿井风量调节、矿井通风系统管理和安全评价的理论基础。

五、思考复习题：

思考题

1、风流流入断面突然扩大的阻力损失与流入断面突然缩小的阻力损失相比较，哪一个更大？

为什么？

2、“阻力”与“风阻”是不是同一个概念？

其相互关系如何？

各受什么因素影响？

3、等积孔的含义是什么？

等积孔与风阻有哪些异同与联系？

如何衡量矿井通风难易程度？

4、为什么要减少通风阻力？

用什么方法减少通风阻力？

5、通风阻力测定方法有几种？

各有何优缺点？