1、2023-2-1第4章 井巷通风阻力第第4 4章章 井巷通风阻力井巷通风阻力(Ch4 Fiction loss of shaft)(Ch4 Fiction loss of shaft)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2023-2-1第4章 井巷通风阻力第一节第一节 概概 述述 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。井巷通风阻力可分为三类
2、：摩擦阻力损失的原因。井巷通风阻力可分为三类：摩擦阻力(也称为沿程阻也称为沿程阻力力)、局部阻力和正面阻力。、局部阻力和正面阻力。2023-2-1第4章 井巷通风阻力一、重要概念1通风阻力 在通风工程中，空气沿着井巷流动时，井巷对风流呈现的阻力，统称为井巷通风阻力。2风压损失 单位体积风流的能量损失称为风压损失或风压降。2023-2-1第4章 井巷通风阻力二、阻力分类二、阻力分类1 摩擦阻力摩擦阻力（friction loss）发生在风流沿井巷流动的全部流程上的摩擦阻力，用于克服发生在风流沿井巷流动的全部流程上的摩擦阻力，用于克服摩擦阻力而造成的风流能员损失，称为摩擦损失摩擦阻力而造成的风流能
3、员损失，称为摩擦损失.2 局部阻力局部阻力(convenergy loss)由风流边界状况的总则改变由风流边界状况的总则改变(如突然扩大、突然缩小等如突然扩大、突然缩小等)所引起所引起的阻力，称为局部阻力。用于克服局部阻力而造成的风流能的阻力，称为局部阻力。用于克服局部阻力而造成的风流能量损失称为局部损失。量损失称为局部损失。3 正面阻力（正面阻力（shocking loss)由于风流绕过井巷中的某些物体由于风流绕过井巷中的某些物体(如矿车、电机车如矿车、电机车)时所产生的时所产生的阻力。阻力。2023-2-1第4章 井巷通风阻力第二节第二节 摩擦风阻与阻力摩擦风阻与阻力一、摩擦阻力一、摩擦阻
4、力 风流在井巷中作沿程流动时，由于流体层间的摩擦和流体风流在井巷中作沿程流动时，由于流体层间的摩擦和流体与井巷壁面之间的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力与井巷壁面之间的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力(也叫沿也叫沿程阻力程阻力)。由流体力学可知，无论层流还是紊流，以风流压能损失来由流体力学可知，无论层流还是紊流，以风流压能损失来反映的摩擦阻力可用下式来计算：反映的摩擦阻力可用下式来计算：PaPa 无因次系数，即摩擦阻力系数，通过实验求得。无因次系数，即摩擦阻力系数，通过实验求得。dd圆形风管直径，非圆形管用当量直径；圆形风管直径，非圆形管用当量直径；2 2vdLhf2023-2-1第4章 井巷通风阻力
5、1 1、层流摩擦阻力、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式：层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。vdLhf2322023-2-1第4章 井巷通风阻力2 2、紊流摩擦阻力、紊流摩擦阻力 空气沿井巷流动时，由于空气与并巷周壁间的摩擦以及空空气沿井巷流动时，由于空气与并巷周壁间的摩擦以及空气微团相互间的摩擦而产生的阻力，称为摩擦阻力。根据气微团相互间的摩擦而产生的阻力，称为摩擦阻力。根据水力学上计算紊流状态下沿程阻力的达西公式，可以推导水力学上计算紊流状态下沿程阻力的达西公式，可以推导出矿井通风上计算风流在紊流状态下的摩擦阻力的公式。出矿井通风上计算风流在紊流
6、状态下的摩擦阻力的公式。达西公式是达西公式是PavdLhf,222023-2-1第4章 井巷通风阻力流体实际占有的管道断面面积与湿周长度之比，叫水力半径。42222224/,88).),(8244mSNPavSpLhmpmSPavrLvrLhdddrff，则有：（为井巷净断面的周界长巷净断面为对于矿井风流而言：井，代入上式可得：2023-2-1第4章 井巷通风阻力PaQSPLhsmSQvsmQPavSPLhff,2332，则有为流过井巷的风量2023-2-1第4章 井巷通风阻力二、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
7、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，值只与相对糙度有关，对于几何尺寸和支护已定型的井巷，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，则相对糙度一定，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，单位为称为摩擦阻力系数，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：823QSLPhf2023-2-1第4章 井巷通风阻力标准摩擦阻力系数：
8、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）条件下的井巷的摩擦阻力系数，即所）条件下的井巷的摩擦阻力系数，即所谓标准值谓标准值0 0值，当井巷中空气密度值，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：2.102023-2-1第4章 井巷通风阻力2摩擦风阻Rf 对于已给定的井巷，L、U、S都为已知数，故可把上式中的、L、U、S 归结为一个参数Rf：Rf 称为巷道的摩擦风阻，其单位为：N.s2/m8。工程单位：kgf.s2/m8 ，或写成：k。1 N.s2
9、/m8=9.8 k可将Rf 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：新建矿井：查表得0 Rf hf 生产矿井：hf Rf 0 3SPLRf2QRhff2023-2-1第4章 井巷通风阻力3 3生产矿井一段巷道阻力测定生产矿井一段巷道阻力测定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。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、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
10、项之大气压、干湿球温度，即可计算出它们的值。第一项和第三项之和称为势能差，需通过实际测定。和称为势能差，需通过实际测定。2m21m122212121Rgg2v2vPPhZZ2023-2-1第4章 井巷通风阻力 1 1）布置方式及连接方法）布置方式及连接方法z1z22023-2-1第4章 井巷通风阻力）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，
11、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)()(2222111gZPZZgPhmm2023-2-1第4章 井巷通风阻力例题例题: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=1000m，采用圆木支护，木柱直，采用圆
12、木支护，木柱直径径d d0 0=200mm=200mm，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，预计巷道中空气，预计巷道中空气密度密度=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，由附录二查得值，由附录二查得:0 0=20.3=20.310103 30.82=0.0165Ns0.82=0.0165Ns2 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
13、力026.02.125.1025.02.10Ns2/m8 0.598877.111000026.06.4333SSLSLURfPaQRhff2.239601200598.0222023-2-1第4章 井巷通风阻力第三节第三节 局部阻力和正面阻力局部阻力和正面阻力 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，这种阻力称为局部阻力。风流的能量损失，这种阻力称为局部阻力。由于局部阻力
14、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。局部阻力系数，无因次。计算局部阻力，关键是局部阻力系数确定，因计算局部阻力，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 22vhlReB222QShl2023-2-1第4章 井巷通风阻力1 1突然扩大局部阻力系数突然
15、扩大局部阻力系数 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，从而增加能量损失。紊流局部阻力系数一般主要取决于局部阻力物的形状，而边壁的粗糙程度为次要因素。v1、v2分别为小断面和大断面的平均流速，m/s；S1、S2分别为小断面和大断面的面积，m；m空气平均密度，kg/m3。211212212211221,2SSvvSSvvvSvSQPavvhse与故2023-2-1第4章 井巷通风阻力力系数称为突然扩大的局部阻2122112112221222222222212,222122211QSvvSShQSvvSShll2023-2-1第4章 井巷通风阻力2
16、 2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，12段的局部阻力hl2和13段的局部阻力hl3分别用下式计算：233213122vvvKhl222212121cos22vvvvKhl231232023-2-1第4章 井巷通风阻力2)2)风流汇合风流汇合 如图所示，13段和23段的局部阻力hl3、hl23分别按下式计算：式中：式中：233223222vvvKhl22321121coscosvQQvQQ12233312131cos22vvvvKhl2023-2-1第4章 井巷通风阻力3 其他类型局部阻力22222211221122221122,2,2QsQshSQ
17、vSQvvhvhll，则有：由或，2023-2-1第4章 井巷通风阻力4 局部风阻在局部阻力计算式中，令 ，则有：式中Rl称为局部风阻，其单位为N.s2/m8或kg/m7。此式表明，在紊流条件下局部阻力也与风量的平方成正比。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。2QRhlllRS222023-2-1第4章 井巷通风阻力二、正面阻力二、正面阻力 井巷内存在某些物体井巷内存在某些物体(如罐道梁、电机车、如罐道梁、电机车、堆积物堆积物)时，流只能在这些物体的周围绕过，使时，流只能在这些物体的周围绕过，使风流受到附加阻力的作用。这种附加阻力，称为风流受到附加阻力的作
18、用。这种附加阻力，称为正面阻力。正面阻力计算公式如下：正面阻力。正面阻力计算公式如下：22mmmcvsssCh2023-2-1第4章 井巷通风阻力 通风阻力通用公式:PaQRhmsNssCSRPaQssCShSSQvCcmmcmmcmm,:/,22282323则有令：，故PaQRh,22023-2-1第4章 井巷通风阻力第四节第四节 降低矿井通风阻力措施降低矿井通风阻力措施降低矿井通风阻力，对保证矿井安全生产和提高经济效益具有重要意义降低矿井通风阻力，对保证矿井安全生产和提高经济效益具有重要意义一、降低井巷摩擦阻力措施一、降低井巷摩擦阻力措施1 1减小摩擦阻力系数减小摩擦阻力系数。2 2保证有
19、足够大的井巷断面。在其它参数不变时，井巷断面扩大保证有足够大的井巷断面。在其它参数不变时，井巷断面扩大33%33%，R Rf f值可减少值可减少50%50%。3 3选用周长较小的井巷。在井巷断面相同的条件下，圆形断面的周长最选用周长较小的井巷。在井巷断面相同的条件下，圆形断面的周长最小，拱形断面次之，矩形、梯形断面的周长较大。小，拱形断面次之，矩形、梯形断面的周长较大。4 4减少巷道长度。减少巷道长度。5 5避免巷道内风量过于集中。避免巷道内风量过于集中。2023-2-1第4章 井巷通风阻力二、降低局部阻力措施二、降低局部阻力措施 局部阻力与局部阻力与值成正比，与断面的平方成反比。因此，值成正
20、比，与断面的平方成反比。因此，为降低局部阻力，应尽量避免井巷断面的突然扩大或突为降低局部阻力，应尽量避免井巷断面的突然扩大或突然缩小，断面大小悬殊的井巷，其连接处断面应逐渐变然缩小，断面大小悬殊的井巷，其连接处断面应逐渐变化。尽可能避免井巷直角转弯或小于化。尽可能避免井巷直角转弯或小于9090的转弯，主要的转弯，主要巷道内不得随意停放车辆、堆积木料等。要加强矿井总巷道内不得随意停放车辆、堆积木料等。要加强矿井总回风道的维护和管理，对冒顶、片帮和积水处要及时处回风道的维护和管理，对冒顶、片帮和积水处要及时处理。理。2023-2-1第4章 井巷通风阻力第五节第五节 矿井总风阻与矿井等积孔矿井总风阻
21、与矿井等积孔 一、井巷阻力特性曲线一、井巷阻力特性曲线 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。这条）即可画出一条
22、抛物线。这条曲线就叫该井巷的阻力特性曲线。风阻曲线就叫该井巷的阻力特性曲线。风阻R R越大，曲线越陡。越大，曲线越陡。QhR2023-2-1第4章 井巷通风阻力二、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原，这就是井巷通风阻力的叠加原则。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
23、 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；2QhRRmm2023-2-1第4章 井巷通风阻力三、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。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风量，且孔口两侧的风压差等于矿井通风阻力时，则孔口面积A称为该矿井的等积孔。2023-2-1第4章 井巷通风阻力设风流从设风流从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与孔口面与孔口面积积A
24、 A之比称为收缩系数之比称为收缩系数，由水，由水力学可知，一般力学可知，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，代入上式后并整理得：代入上式后并整理得：0221222211vvPvP，/2 ,222221hvhvPPRmhQA/265.02023-2-1第4章 井巷通风阻力取取=1.2kg/m=1.2kg/m3 3，则：，则：因因R Rm m=h hm m2 2，故有，故有 mRA19.1RmhQA19.1矿井阻力等级等积孔值(m2)风 阻 值(N s2/m8)大阻力矿A1.42中阻力矿A=
25、1-2R=0.355-1.42小阻力矿A2R0.3552023-2-1第4章 井巷通风阻力(2)对于多台主扇通风的矿井，矿井等积孔的计算公式为：21,19.12123mhQQAniii2023-2-1第4章 井巷通风阻力例题例题4-74-7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=2800Pa，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 8222/571.070/2800/mNsQhRmRm257.1
26、571.0/19.1/19.1mRAm2023-2-1第4章 井巷通风阻力例题某矿简化后的通风系统如题图所示，已知R1-2=0.039Ns2/m8,R2-3=1.177Ns2/m8,R2-4=1.079Ns2/m8,Q2-3=35,Q2-4=25,试求矿井的总阻力、总风阻和总等积孔各为多少？2023-2-1第4章 井巷通风阻力参考答案:h总=1262.5Pa,R总=0.351 Ns2/m8，A总=2m22023-2-1第4章 井巷通风阻力本章习题本章习题4-74-74-94-94-124-124-184-184-204-202023-2-1第4章 井巷通风阻力4-1 摩擦阻力系数与哪些因素有关？摩擦阻力系数与哪些因素有关？4-2 局部阻力形式主要有哪些？造成能量损局部阻力形式主要有哪些？造成能量损失的原因是什么？失的原因是什么？4-3“阻力阻力”与与“风阻风阻”是不是同一个概念？是不是同一个概念？其相互关系如何？各受什么因素影响？其相互关系如何？各受什么因素影响？4-4 等积孔的含义是什么？等积孔与风阻有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哪些异同与联系？如何衡量矿井通风难易程度？程度？4-5 为什么要减少通风阻力？用什么方法减为什么要减少通风阻力？用什么方法减少通风阻力？少通风阻力？
