矿井通风阻力及其测定.docx
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矿井通风阻力及其测定
矿井通风与安全
第三章井巷通风阻力
本章目录
第一节风流的流动状态
第二节摩擦阻力
一、摩擦阻力的意义和理论基础
二、完全紊流状态下的摩擦阻力定律
三、层流状态下的摩擦阻力定律
四、摩擦阻力的计算方法
五、降低摩擦阻力的措施
第三节局部阻力
一、局部阻力的概念
二、局部阻力定律
三、局部阻力的计算方法
四、降低局部阻力的措施
第四节通风阻力定律和特性
一、通风阻力定律
二、井巷的通风特性
三、风流的功率与电耗
第五节通风阻力测量
一、通风阻力测量的内容与意义
二、阻力测定方法与原理
三、测算矿井的通风总阻力和总风阻
四、通风阻力测定的方法及步骤
五、数据处理及可靠性检查
六、矿井通风阻力测定报告的编写
第三章井巷通风阻力
风流流动时，必须具有一定的能量（通风压力），用以克服井巷及空气分子之间的摩擦对风流所产生的阻力。
通风压力克服通风阻力，两者因次相同，数值相等，方向相反。
知道通风阻力的大小就能确定所需通风压力的大小。
在矿井通风中，存在着摩擦阻力和局部阻力，必须分析研究它们的特性、测定方法以及降低措施等，从而作为选择通风设备，进行通风管理与设计的依据。
这在通风设计中尤其重要。
3.1风流的流态
流体产生的阻力与流体流动过程中的状态有关。
流体流动时有两种状态；一种是流体呈层状流动，各层间流体互不混合，流体质点流动的轨迹为直线或有规则的平滑曲线，这一状态称为层流。
在流速很小、管径很小、或粘性较大的流体流动时会发生层流
另一种是流体流动时，各部分流体强烈地互相混合，流体质点的流动轨迹是极不规则的。
除了有沿流体总方向的位移外，还有垂直于液流总方向的位移，流体内部存在着时而产生时而消灭的漩涡，这种状态称为紊流。
研究层流与紊流的主要意义在于两种流态有着不同的阻力定律
雷诺数
试验证明，层流与紊流彼此间的转变关系决定于液体的密度ρ、绝对粘性系数μ，流体的平均速度V与管道水力直径d，这些因素的综合影响可以用雷诺数来表示为：
式中，ν——运动粘性系数，m2/s。
当Re≤2000时，流体呈层流流动；
当Re＞2000时，液流开始向紊流流动过渡；
当Re＞10000时，流体完全呈现为紊流。
矿井巷道很少为圆形，对于非圆形通风巷道，以4S/U（水力直径）代替上式中的d，即：
式中，U——巷道周界长度，m。
c—断面形状系数，梯形断面c=4.16；三心拱c=3.85；半圆拱c=3.90；圆断面，c=3.54。
例：
某巷道的断面S＝2.5m2，周界U＝6.58m，风流的ν＝14.4×10－6m2/s，试计算出风流开始出现紊流时的平均风速？
解：
当风流开始出现紊流时，则其Re＝2000，当完全紊流时，Re＝10000，因此：
由于煤矿中大部分巷道的断面均大于2.5m2，井下巷道中的最低风速均在0.25米/秒以上，所以说井巷中的风流大部为紊流，很少为层流。
3.2摩擦阻力
一、摩擦阻力及影响因素
风流在井巷中作均匀流动时，沿程受到井巷固定壁面的限制，引起内外摩擦，因而产生阻力，这种阻力，叫做摩擦阻力。
所谓均匀流动是指风流沿程的速度和方向都不变，而且各断面上的速度分布相同。
流态不同的风流，摩擦阻力hfr的产生情况和大小也不同。
一般情况下，摩擦阻力要占能量方程中通风阻力的80～90％，它是矿井通风设计，选择扇风机的主要参数，也是生产中分析与改善矿井通风工作的主要对象。
前人实验得出水流在圆管中的沿程阻力公式（达西公式）是：
式中λ——实验比例系数，无因次；
ρ——水流的密度，kg/m3；
L——圆管的长度，m；
d——圆管的直径，m；
V——管内水流的平均速度，m/s。
尼古拉兹在壁面分别胶结各种粗细砂粒的圆管中，实验得出了流态不同的水流λ系数同管壁的粗糙程度、雷诺数的关系。
管壁的粗糙程度用管道的直径d（m）和管壁平均突起的高度（即砂粒的平均直径）k（m）之比来表示。
并用阀门不断改变管内水流速度，结果如图所示。
试验结果可分以下几种情况：
1）在lgRe≤3.3（Re≤2320）时，即当液体作层流流动，由左边斜线可以看出，所有试验点都分布于其上，λ随Re的增加而减小，且与管道的相对粗糙度无关，这时λ与Re的关系式为：
λ＝64/Re
2）在3.3<1gRe<5.0（2320＜Re≤100000）的范围内，流体由层流向紊流过渡，λ系数既和Re有关，也和管壁的粗糙度有关。
3）当Re≥100000时，流体成为紊流流动。
λ与Re无关，只和管壁的粗糙度有关。
管壁的粗糙度越大，λ系数就越大。
其试验式为：
矿井巷道中的风流，其性质与上面完全一样，所不同的是矿井巷道的粗糙度较大，在较小的Re时，便开始由层流变为紊流；此外，由于大多数矿井巷道风流的Re均大于100000，故λ值仅决定于井巷壁的相对粗糙度，而与Re无关。
在一定时期内，各井巷壁的相对粗糙度可认为不变，因之λ值即为常量。
二、井巷摩擦阻力计算公式
由于矿井巷道极少为圆形，可用当量直径d＝4S/U代入沿程阻力公式得：
令：
α是巷道的摩擦阻力系数，与巷道帮壁的粗糙程度有关。
则：
由于矿井中巷道的长度，周界及摩擦阻力系数在巷道形成后一般变化较小，可看作常数。
再令：
Rfr——为巷道的摩擦风阻。
这时：
这就是完全紊流情况下的摩擦阻力定律。
当巷道风阻一定时，摩擦阻力与风量的平方成正比。
三、井巷摩擦阻力的计算
[例1]某梯形木支架煤巷，长200米，断面积为4m2，沿断面的周长为8.3m，巷道摩擦阻力系数α通过查表得到的标准值为0.018N·s2/m4，若通过巷通的风量为960m3/min，试求其摩擦阻力?
解：
答：
该巷道的摩擦阻力为119.5Pa。
应当注意，巷道的α值随ρ的改变而改变，在高原地区，空气稀薄，当地的α值需进行校正。
校正式如下：
四、降低井巷摩擦阻力的措施
井巷通风阻力是引起风压损失的主要根源，因此降低井巷通风阻力，特别是降低摩擦阻力就能用较少的风压消耗而通过较多的风量。
许多原来是阻力大，通风困难的矿井，经降低阻力后即变为阻力小、通风容易的矿井。
根据hfr＝（αLU/S3）Q2的关系式可以看出，保证一定风量，降低摩擦阻力的方法就是降低摩擦风阻，根据影响Rfr的各因素，降低摩擦阻力的主要措施有：
降低井巷摩擦阻力的措施
1）降低α Rfr与α成正比，而α主要决定于巷道粗糙度，因此降低α，就应尽量使巷道光滑。
当采用棚子支护巷道时，要很好地刹帮背顶，在无支护的巷道，要注意尽可能把顶底板及两帮修整好；对于井下的主要巷道，在采用料石或混凝土砌璇，特别是采用锚杆支护技术时，更能有效地使α系数减小。
2）扩大巷道断面S 因Rfr与S3成反比，所以扩大巷道断面有时成为降低摩擦阻力的主要措施。
由于摩擦阻力又与风量的平方成正比，因此在采用这种措施时，应抓主要矛盾，即首先应考虑风量大、断面小的总回风道的扩大，其次再考虑其它巷道的扩大。
3）减少周界长U Rfr与U成正比，在断面积相等的条件下，选用周长较小的拱形断面比周长较大的梯形断面好。
4）减少巷道长L Rfr与L成正比，进行开拓设计时，就应在满足开采需要的条件下，尽可能缩短风路的长度。
例如，当采用中央并列式通风系统，如阻力过大时，即可将其改为两翼式通风系统以缩短回风路线。
降低摩擦阻力，还应同时结合井巷的其它用途与经济等因素进行综合考虑。
如断面过大，不但不经济，而且也不好维护，反而不如选用双巷。
3.3局部阻力
一、局部阻力的产生
风流流经井巷的某些局部地点——突然扩大或缩小、转弯、交岔以及堆积物或矿车等，由于速度或方向发生突然的变化，导致风流本身产生剧烈的冲击，形成极为紊乱的涡流，从而损失能量。
造成这种冲击与涡流的阻力即称为局部阻力。
二、局部阻力定律
实验证明，在完全紊流状态下，不论井巷局部地点的断面、形状和拐弯如何变化，所产生的局部阻力her，都和局部地点的前面或后面断面上的hv1或hv2成正比：
ξ1、ξ2——局部阻力系数，无因次，分别对应于hv1、hv2。
可选用其中一个系数和相应的速压计算；
若通过局部地点的风量是Q（m3/s），前后两个断面积是S1和S2（m2），则两个断面上的平均风速为：
Vl＝Q/S1；V2＝Q/S2，m/s
代入上式：
令
式中Rer叫做局部风阻。
由此得到：
her＝RerQ2，Pa
上式表示完全紊流状态下的局部阻力定律，和完全紊流状态下的摩擦阻力定律一样，当Rer一定时，her和Q的平方成正比。
三、局部阻力的计算方法
计算局部阻力时，先要根据井巷局部地点的特征，对照前人实验查出局部阻力系数ξ，然后用其指定的相应风速V进行计算：
四、降低局部阻力的措施
由于局部阻力是风流在局部阻力地点发生剧烈的冲击而产生的，故降低局部阻力的措施主要是：
1）在容易发生局部阻力的地点，应尽量减少局部风阻值ξ值。
如采用斜线形或圆弧形连接断面不同的巷道。
巷道转弯时，转角β愈小愈好。
2）尽量减少产生局部阻力的条件，如不用或少用直径很小的铁筒风桥，避免在主要巷道内任意停放矿车、堆积木材、器材等；
3）局部阻力与V2成正比，故应特别注意降低总回风道和风峒的局部阻力，及时清扫风峒内的堆积物，在井筒与风峒的转弯处做成圆滑的壁面。
3.4井巷风阻与等积孔
一、井巷风阻及其阻力特性
在矿井巷道中，任何井巷的通风阻力，不管它是摩擦阻力、局部阻力或系两者同时具有的阻力，其阻力公式均可写成通式：
h＝RQ2
二、井巷等积孔
当研究井巷通风阻力时，为了在概念上更形象化，有时采用井巷等积孔来代替井巷风阻。
等积孔就是用一个与井巷风阻值相当的理想孔的面积值来衡量井巷通风的难易程度。
设想将一个矿井的入风口到出风口，沿着井下主要巷道进行均匀压缩，最后形成一个薄片，在这个薄片上将形成一个孔口，这个孔口面积A使得薄片的两端作用有矿井的风压差P时，通过孔口的风量正好为该矿井的风量Q，这时，该孔口面积即为矿井的等积孔。
设当空气自左向右流经此孔时，无阻力，无能量损失，并设当空气从此孔流出后，在其流线断面最小处（虚线位置）的流速为V（m/s），则这个理想孔左、右两侧的静压差可全部变为速压（静压能全部转化为动能），由此可得：
实验证明，在出口流线断面最小处的面积一般为0.65A（m2），再当流量为Q（m3/s）时，V＝Q/0.65A，以此V值与ρ＝1.2kg/m3代入上式，即得：
由此得到：
这就是计算矿井等积孔常用的公式。
计算出矿井的风阻和等积孔后，就可以对该矿井的通风难易程度进行评价，评价的标准如下表：
对矿井来说，上述公式只能计算单台通风机工作时的矿井等积孔大小，对于多台通风机工作矿井等积孔的计算，应根据全矿井总功率等于各台主要通风机工作系统功率之和的原理计算出总阻力，而总风量等于各台主要通风机风路上的风量之和，代入上公式，即：
[例]已知矿井总阻力为1440Pa，风量为60m3/s，试求该矿井的风阻与等积孔?
如生产上要求将风量提高到70m3/s，问风阻与等积孔之值是否改变?
阻力增加到多少?
解：
当井巷的规格尺寸与连接形式没有改变及采掘工作面没有移动时，则风量的增加并不改变等积孔与风阻之值。
由于风量增加到70m3/s，故阻力增加到：
h＝RQ2＝0.4×702＝1960Pa
物体在单位时间内所做的功叫做功率，其计量单位是N·m/s。
风流的风压h乘风量Q的计量单位就是N/m2×m3/s＝N·m/s。
故风流功率N的计算式为
N=h·Q/1000，kW
矿井一天的通风电费是：
式中，e——每度电的单价，y/（kW·h）；
η——风机、输电、变电、传动等总效率。
直接传动时，取0.6；间接传动时，取0.5。
例：
如图所示的矿井，左右两翼的通风阻力分别是；
hr1＝1274Pa；hr2＝1960Pa
通过两翼主扇的风量分别是Qf1＝60m3/s；Qf2＝70m3/s。
两翼的外部漏风率分别是Le1＝4%；Le2＝5%。
则两翼不包括漏风的风量分别是：
Qm1＝（1－Le1）Qf1＝（1－4%）×60＝57.6m3/s
Qm2＝（1－Le2）Qf2＝（1－5%）×70＝66.5m3/s
两翼不包括外部漏风的风阻分别是：
R1＝hr1/Qm12＝1274/（57.6）2＝0.38399N.s2/m8
R2＝hr2/Qm22＝1960/（66.5）2＝0.44321N.s2/m8
两翼不包括外部漏风的等积孔分别是：
为了计算全矿的总风阻和总等积孔，须先求出全矿的总阻力hr，因全矿的风流总功率等于左右两翼风流的功率之和，即
hr（Qm1＋Qm2）＝hr1Qm1＋hr2Qm2，W
故
则全矿不包括外部漏风的总风阻是：
全矿不包括外部漏风的总等积孔是：
对于用多台主扇通风的矿井，都要用这种方法计算全矿的总风阻和总等积孔。
只有hr1＝hr2时，才能用A＝A1＋A2计算。
设两翼主扇的风压分别等于其通风阻力。
则两翼的通风电费分别为：
3.5井巷通风阻力测定
一、阻力测定的内容与意义
1.测算风阻
2.测算摩擦阻力系数
3.测量通风阻力的分配情况
测算风阻
是通过测量各巷道的通风阻力和风量以标定它们的标准风阻值（指井下平均空气密度的风阻值），并编辑成表，作为基本资料。
这种测量内容不受风压和风量变化的影响，但精度要求较高，故可用一个小组（4～5人）逐段进行，不赶时间，力求测准。
只要井巷的断面和支护方式不发生变化，测一次即可，发生变化时，才需重测。
对于掘进通风用的各种风筒，也要标定出标准风阻表以备用。
为了检查或分析比较，有时还要测算各采区、各水平和全矿井的总风阻或总等积孔。
测算摩擦阻力系数
为了适应矿井通风设计工作的需要，须通过测量通风阻力和风量以标定各种类型的井巷的摩擦阻力系数，编集成表。
这也是一项精度要求较高，以小组人力进行的细致工作。
各种风筒的摩擦阻力系数也要进行标定。
测量通风阻力的分配情况
为了寻求和分析问题，有时需要沿着通风阻力大的路线，在尽可能短的时间内，连续测量各个区段的通风阻力，以得出整个路线上通风阻力的分配情况。
由于各区段的通风阻力难免有波动，故要根据测量路线的长短，分成若干小组，分段同时进行。
二、阻力测定方法与原理
测定方法：
压差计法
气压计法
测定原理：
通风阻力测量仪器、仪表和用品
序号
名称
型号
数量
用途
1
精密气压计
1
测气压
2
干湿温度计
1
测干湿温度
3
高、中、低速风表
3
测风速
4
秒表
1
测风计时
5
皮尺
5m
1
测断面尺寸
6
手表
机械表
1
记录测量时间
7
竹竿
2m
1
辅助测量
8
记录表格
自制
若干
测风和测压记录
测风点巷道断面及风速测量记录表
测点
风表读数
风表号
全高
（m）
净宽
（m）
巷道
形状
支护
方式
测点附近
巷道素描
1
2
高
中
微
A
B
C
D
E
误差计算
式中：
hr——系统实测通风阻力，Pa；
hr’——由通风机房水柱计读数计算出的系统理论通风阻力，Pa。
三、测算矿井的通风总阻力和总风阻
1.对于抽出式通风的矿井
如图所示，风流自静止的地表大气（其绝对静压是P0，速压等于零）开始，经过进风口l沿井巷到主通风机进风口2，沿途所遇到的摩擦阻力与局部阻力的总和就是抽出式通风的矿井通风总阻力hr。
据能量方程可知：
2断面的相对静压是：
该矿井的自然风压是：
因2断面的相对全压是：
因此，
所示的方法测量hs2，即靠近2断面的周壁固定一圈外径4～6mm的铜管，等距离钻8个垂直于风流方向的小眼（直径1～2mm），再用一根铜管和这一圈铜管连通，并穿出风硐壁和胶皮管相联，胶皮管另一端和主通风机房内的压差计相联。
2.对于压入式通风的矿井
2、对于压入式的轴流主要通风机，其风路一般分为抽风段1-2和压风段3-4，实际上的又抽又压式。
因抽风段内的空气密度无变化，则如前述，可得该段的通风总阻力为：
为了提高压入式的矿井通风能力，节省电耗，图中的抽风段要设法取消，让该主要通风机的进风口2直接和地表大气相通。
压入式矿井的通风总阻力hr就只是上述压风段的总阻力。
四、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3-11）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。
（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。
静压管如图3-12所示，它是由流线形的中空管1与管接头3组成。
在管的侧壁径向开小孔2，静压从此传递。
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3-13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：
用单管倾斜压差计测量阻力的计算公式为：
3．井下测量步骤
1）井下测量时仪器的布置如图3-13所示，用胶皮管将静压管与压差计相连。
2）读取压差计的夜面读数L读和仪器校正系数K，记录于附表3-3中。
3）与此同时，其他人员测量测点的风速、干湿球温度、大气压、巷道断面尺寸及测点间距，分别记录于附表3-1、附表3-2和附表3-4中。
4）当1、2两测点测完后，顺着风流方向将1测点的静压管移至测点3，进行与上述相同的测量工作，如此继续循环进行，直到测完为止。
4．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：
（1）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。
（2）压差计漏气，测压管内或测压管与容器连接处有气泡。
（3）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：
将式（3-43）代入式（3-40），则两点间的通风阻力为;
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