第六章井巷通風阻力

1、w 本章重點和難點：本章重點和難點：w 摩擦阻力和局部阻力產(chǎn)生的原因和測算摩擦阻力和局部阻力產(chǎn)生的原因和測算當空氣沿井巷運動時，由于風流的粘滯性和慣性以及井巷壁面當空氣沿井巷運動時，由于風流的粘滯性和慣性以及井巷壁面等對風流的阻滯、擾動作用而形成通風阻力，它是造成風流能等對風流的阻滯、擾動作用而形成通風阻力，它是造成風流能量損失的原因。井巷通風阻力可分為兩類：摩擦阻力量損失的原因。井巷通風阻力可分為兩類：摩擦阻力(也稱為沿也稱為沿程阻力程阻力)和局部阻力。本章將討論通風阻力產(chǎn)生的原因、計算方和局部阻力。本章將討論通風阻力產(chǎn)生的原因、計算方法以及降低通風阻力的措施，這是進行礦井通風設(shè)計、加強礦法

2、以及降低通風阻力的措施，這是進行礦井通風設(shè)計、加強礦井通風管理和改善通風狀況的技術(shù)基礎(chǔ)。井通風管理和改善通風狀況的技術(shù)基礎(chǔ)。 第一節(jié)第一節(jié) 井巷斷面上風速分布井巷斷面上風速分布一、風流流態(tài)一、風流流態(tài)1、管道流、管道流1883年英國物理學家雷諾年英國物理學家雷諾(OReynolds)通過實驗發(fā)現(xiàn)，同一流通過實驗發(fā)現(xiàn)，同一流體在同一管道中流動時，不同的流速，會形成不同的流動狀體在同一管道中流動時，不同的流速，會形成不同的流動狀態(tài)。當流速較低時，流體質(zhì)點互不混雜，沿著與管軸平行的方態(tài)。當流速較低時，流體質(zhì)點互不混雜，沿著與管軸平行的方向作層狀運動，稱為層流向作層狀運動，稱為層流(或滯流或滯流)。當

3、流速較大時，流體質(zhì)點的。當流速較大時，流體質(zhì)點的運動速度在大小和方向上都隨時發(fā)生變化，成為互相混雜的紊運動速度在大小和方向上都隨時發(fā)生變化，成為互相混雜的紊亂流動，稱為紊流亂流動，稱為紊流(或湍流或湍流)。 雷諾曾用各種流體在不同直徑的管路中進行了大量實驗，發(fā)現(xiàn)雷諾曾用各種流體在不同直徑的管路中進行了大量實驗，發(fā)現(xiàn)流體的流動狀態(tài)與平均流速流體的流動狀態(tài)與平均流速v、管道直徑管道直徑d和流體的運動粘性系和流體的運動粘性系數(shù)數(shù) 有關(guān)?？捎靡粋€無因次準數(shù)來判別流體的流動狀態(tài)，這個有關(guān)?？捎靡粋€無因次準數(shù)來判別流體的流動狀態(tài)，這個無因次準數(shù)就叫雷諾數(shù)，用無因次準數(shù)就叫雷諾數(shù)，用Re表示，有表示，有 v

4、dRe 實驗表明，流體在直圓管內(nèi)流動時，當實驗表明，流體在直圓管內(nèi)流動時，當Re2320(下臨界雷諾下臨界雷諾數(shù)數(shù))時，流動狀態(tài)為層流；當時，流動狀態(tài)為層流；當Re4000(上臨界雷諾數(shù)上臨界雷諾數(shù))時，流動時，流動狀態(tài)為紊流；在狀態(tài)為紊流；在Re=23204000的區(qū)域內(nèi)，流動狀態(tài)不是固定的區(qū)域內(nèi)，流動狀態(tài)不是固定的，由管壁的粗糙程度，流體進入管道的情況等外部條件而的，由管壁的粗糙程度，流體進入管道的情況等外部條件而定，只要稍有干擾，流態(tài)就會發(fā)生變化，因此稱為不穩(wěn)定的定，只要稍有干擾，流態(tài)就會發(fā)生變化，因此稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)。在實際工程計算中，為簡便起見，通常以過渡區(qū)。在實際工程計算中，為簡

5、便起見，通常以Re=2300作作為管道流動流態(tài)的判定準數(shù)，即：為管道流動流態(tài)的判定準數(shù)，即： Re2300 層流，層流， Re2300 紊流紊流對于非圓形斷面的井巷，對于非圓形斷面的井巷，Re數(shù)中的管道直徑數(shù)中的管道直徑d應(yīng)以井巷斷面的當應(yīng)以井巷斷面的當量直徑量直徑de來表示：來表示：因此，非圓形斷面井巷的雷諾數(shù)可用下式表示：因此，非圓形斷面井巷的雷諾數(shù)可用下式表示：式中：式中：v 井巷斷面上均風速，井巷斷面上均風速，m/s； 空氣的運動粘性系數(shù)，通常取空氣的運動粘性系數(shù)，通常取1510-6m2/s； S 井巷斷面積，井巷斷面積，m2； U 井巷斷面周長，井巷斷面周長，m。 USde4UvSR

6、e4對于不同形狀的井巷斷面，其周長對于不同形狀的井巷斷面，其周長U與斷面積與斷面積S的關(guān)系，可用下的關(guān)系，可用下式表示：式表示：式中：式中：C斷面形狀系數(shù)：梯形斷面形狀系數(shù)：梯形C=4.16；三心拱三心拱C=3.85；半圓拱半圓拱 C=3.90。SCU 2、孔隙介質(zhì)流、孔隙介質(zhì)流在采空區(qū)和煤層等多孔介質(zhì)中風流的流態(tài)判別準數(shù)為在采空區(qū)和煤層等多孔介質(zhì)中風流的流態(tài)判別準數(shù)為 式中式中 K冒落帶滲流系數(shù)，冒落帶滲流系數(shù)，m2； l濾流帶粗糙度系數(shù)，濾流帶粗糙度系數(shù)，m。層流，層流，Re0.25； 紊流，紊流，Re2.5； 過渡流過渡流 0.25，砂粒凸起高度幾乎全暴露砂粒凸起高度幾乎全暴露在紊流核心

7、中，故在紊流核心中，故Re對對值的影響極小，略去不計，相對糙值的影響極小，略去不計，相對糙度成為度成為的唯一影響因素。故在該區(qū)段，的唯一影響因素。故在該區(qū)段，與與Re無關(guān)，而只無關(guān)，而只與相對糙度有關(guān)與相對糙度有關(guān)。因此，在此區(qū)段，對于一定相對糙度的管。因此，在此區(qū)段，對于一定相對糙度的管道，道，為定值，由為定值，由(3-2-1)式可知，摩擦阻力與流速平方成正式可知，摩擦阻力與流速平方成正比，故此區(qū)又稱為阻力平方區(qū)比，故此區(qū)又稱為阻力平方區(qū)。2 2r r2lg2lg1.741.741 12層流摩擦阻力層流摩擦阻力當流體在圓形管道中作層流流動時，從理論上可以導(dǎo)出摩擦當流體在圓形管道中作層流流動時

8、，從理論上可以導(dǎo)出摩擦阻力計算式（阻力計算式（3-2-3）：）：因因 ，= ；所以所以 因此，因此， 可得圓管層流時的沿程阻力系數(shù)?？傻脠A管層流時的沿程阻力系數(shù)。 vdLhf232vdRe 2 642vdLRehfRe64以當量直徑以當量直徑de=4S/U代替式代替式(3-2-3)中的中的d，則可得到層流狀態(tài)下則可得到層流狀態(tài)下井巷摩擦阻力計算式：井巷摩擦阻力計算式：3紊流摩擦阻力紊流摩擦阻力 紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計算式：紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計算式： QSLUvSLUhf3222 2 223288QSLUvSLUhf二、摩擦阻力系數(shù)與摩擦風阻二、摩擦阻力系數(shù)與摩擦風阻1摩擦阻力系數(shù)摩擦

9、阻力系數(shù)礦井中大多數(shù)通風井巷風流的礦井中大多數(shù)通風井巷風流的Re值已進入阻力平方區(qū)值已進入阻力平方區(qū)(風流處風流處于完全紊流狀態(tài)于完全紊流狀態(tài))，值只與相對糙度有關(guān)值只與相對糙度有關(guān)，對于幾何尺寸和，對于幾何尺寸和支護已定型的井巷，相對糙度一定，則支護已定型的井巷，相對糙度一定，則可視為定值；在標可視為定值；在標準狀態(tài)下空氣密度準狀態(tài)下空氣密度=1.2kg/m3，令上式中令上式中 稱為摩擦阻力系數(shù)，單位為稱為摩擦阻力系數(shù)，單位為kg/m3或或Ns2/m4。8w 通過大量實驗和實測所得的、在標準狀態(tài)（通過大量實驗和實測所得的、在標準狀態(tài)（0 0=1.2kg/m=1.2kg/m3 3）條件下的井巷

10、的摩擦阻力系數(shù)，即所謂標準值條件下的井巷的摩擦阻力系數(shù)，即所謂標準值0 0值，當井巷值，當井巷中空氣密度中空氣密度1.2kg/m1.2kg/m3 3時，其時，其值應(yīng)按下式修正：值應(yīng)按下式修正：2 . 10對于用木棚子、工字鋼、對于用木棚子、工字鋼、U型鋼等支護型鋼等支護的巷道，還要用支架間距的巷道，還要用支架間距(棚距棚距) 與支柱與支柱的直徑或縱向厚度的直徑或縱向厚度之比，即支架的縱之比，即支架的縱口徑口徑來表示巷道的軸向相對糙度，見來表示巷道的軸向相對糙度，見圖圖3-2-2。0 0d dL L 對于不同支護，根據(jù)對于不同支護，根據(jù)和和可由附錄查得摩擦阻力系數(shù)可由附錄查得摩擦阻力系數(shù) 。2摩

11、擦風阻摩擦風阻Rf 對于已給定的井巷，對于已給定的井巷，L、U、S都為已知數(shù)，故可把的都為已知數(shù)，故可把的、L、U、S歸結(jié)為一個參數(shù)歸結(jié)為一個參數(shù)Rf：Rf稱為巷道的摩擦風阻，其單位為：稱為巷道的摩擦風阻，其單位為：kg/m7或或Ns2/m8。Rf是空氣是空氣密度、巷道粗糙程度、斷面、周長、沿程長度諸參數(shù)的函數(shù)。密度、巷道粗糙程度、斷面、周長、沿程長度諸參數(shù)的函數(shù)。在正常條件下當某一段井巷中的空氣密度在正常條件下當某一段井巷中的空氣密度一般變化不大時，一般變化不大時，可將可將Rf看作是反映井巷幾何特征的參數(shù)?？醋魇欠从尘飵缀翁卣鞯膮?shù)。 3SLURf則：則：2QRhff三、井巷摩擦阻力計算方

12、法三、井巷摩擦阻力計算方法在進行新礦井在進行新礦井(或新采區(qū)或新采區(qū))的通風設(shè)計時，需要計算井巷的摩擦的通風設(shè)計時，需要計算井巷的摩擦阻力，即按所設(shè)計的井巷長度、凈斷面積、周長、支護形式阻力，即按所設(shè)計的井巷長度、凈斷面積、周長、支護形式和要求通過的風量，用查表法確定該井巷的摩擦阻力系數(shù)和要求通過的風量，用查表法確定該井巷的摩擦阻力系數(shù)值，然后計算出該井巷的摩擦阻力。值，然后計算出該井巷的摩擦阻力。 新建礦井：查表得新建礦井：查表得0 Rf hf例題例題 1第三節(jié)第三節(jié) 局部風阻與阻力局部風阻與阻力由于井巷斷面、方向變化以及分岔或匯合等原因，使由于井巷斷面、方向變化以及分岔或匯合等原因，使均勻

13、流動在局部地區(qū)受到影響而破壞，從而引起風流均勻流動在局部地區(qū)受到影響而破壞，從而引起風流速度場分布變化和產(chǎn)生渦流等，造成風流的能量損失，速度場分布變化和產(chǎn)生渦流等，造成風流的能量損失，這種阻力稱為這種阻力稱為局部阻力局部阻力。一、局部阻力及其計算一、局部阻力及其計算 和摩擦阻力類似，局部阻力和摩擦阻力類似，局部阻力h hl l一般也用動壓的倍數(shù)來表示：一般也用動壓的倍數(shù)來表示： 式中：式中：局部阻力系數(shù)，無因次。局部阻力系數(shù)，無因次。 計算局部阻力計算局部阻力關(guān)鍵是局部阻力系數(shù)確定，因關(guān)鍵是局部阻力系數(shù)確定，因v=Q/Sv=Q/S, ,當當確定后，便確定后，便可用以下計算公式進行計算：可用以下

14、計算公式進行計算： 22vhl222QShl對于層流，通過實驗表明：對于層流，通過實驗表明：局部阻力系數(shù)局部阻力系數(shù)與與Re成反比成反比，即，即式中：式中：B因局部阻力物形式不同而異的常數(shù)。因局部阻力物形式不同而異的常數(shù)。受局部阻力物影響而仍能保持層流者，只有在受局部阻力物影響而仍能保持層流者，只有在Re小于小于2000時時才才有可能，在礦井井巷中是少見的。有可能，在礦井井巷中是少見的。因此重點討論紊流時的局部阻力。因此重點討論紊流時的局部阻力。ReB幾種常見的局部阻力產(chǎn)生的類型：幾種常見的局部阻力產(chǎn)生的類型：、突變、突變 紊流通過突變部分時，由于慣性作用，出現(xiàn)主流與邊壁脫離的現(xiàn)象，紊流通過突

15、變部分時，由于慣性作用，出現(xiàn)主流與邊壁脫離的現(xiàn)象，在主流與邊壁之間形成渦漩區(qū)，從而增加能量損失。在主流與邊壁之間形成渦漩區(qū)，從而增加能量損失。、漸變、漸變 主要是由于沿流動方向出現(xiàn)主要是由于沿流動方向出現(xiàn)減速增壓減速增壓現(xiàn)象，在邊壁附近產(chǎn)生渦漩。壓差現(xiàn)象，在邊壁附近產(chǎn)生渦漩。壓差的作用方向與流動方向相反，使邊壁附近，流速本來就小，趨于的作用方向與流動方向相反，使邊壁附近，流速本來就小，趨于0, 0, 在這些地方主流與邊壁面脫離，出現(xiàn)與主流相反的流動，形成渦漩。在這些地方主流與邊壁面脫離，出現(xiàn)與主流相反的流動，形成渦漩。 、轉(zhuǎn)彎處、轉(zhuǎn)彎處流體質(zhì)點在轉(zhuǎn)彎處受到離心力作用，在外側(cè)出現(xiàn)減速增壓，出現(xiàn)流

16、體質(zhì)點在轉(zhuǎn)彎處受到離心力作用，在外側(cè)出現(xiàn)減速增壓，出現(xiàn)渦漩。渦漩。、分岔與會合、分岔與會合 在分叉直道上的渦漩區(qū)，是由于減速增壓過程造成的。在分叉直道上的渦漩區(qū)，是由于減速增壓過程造成的。綜上所述：綜上所述：局部阻力的產(chǎn)生主要是與渦漩區(qū)有關(guān)，渦漩區(qū)愈大，能量損失愈局部阻力的產(chǎn)生主要是與渦漩區(qū)有關(guān)，渦漩區(qū)愈大，能量損失愈多，局部阻力愈大。多，局部阻力愈大。2211211222122211QSvvSShl2222222222122221QSvvSShl二、局部阻力系數(shù)和局部風阻二、局部阻力系數(shù)和局部風阻( (一一) ) 局部阻力系數(shù)局部阻力系數(shù)紊流局部阻力系數(shù)紊流局部阻力系數(shù)一般主要取決于局部阻力

17、物的形狀，而邊壁的粗糙一般主要取決于局部阻力物的形狀，而邊壁的粗糙程度為次要因素。程度為次要因素。1 1突然擴大突然擴大或或式中：式中： v v1 1、v v2 2分別為小斷面和大斷面的平均流速，分別為小斷面和大斷面的平均流速，m/sm/s； S S1 1、S S2 2分別為小斷面和大斷面的面積，分別為小斷面和大斷面的面積，m m； m m空氣平均密度，空氣平均密度，kg/mkg/m3 3。 對于粗糙度較大的井巷，可進行修正：對于粗糙度較大的井巷，可進行修正：01. 012 2突然縮小突然縮小對應(yīng)于對應(yīng)于小斷面的動壓小斷面的動壓 ，值可按下式計算：值可按下式計算： 修正：修正：3 3逐漸擴大逐

18、漸擴大逐漸擴大的局部阻力比突然擴大小得多，其能量損失可認為由摩擦損失逐漸擴大的局部阻力比突然擴大小得多，其能量損失可認為由摩擦損失和擴張損失兩部分組成。當和擴張損失兩部分組成。當2020時，漸擴段的局部阻力系數(shù)時，漸擴段的局部阻力系數(shù)可用可用下式求算：下式求算：式中式中: :風道的摩擦阻力系數(shù)風道的摩擦阻力系數(shù)，NsNs2 2/m/m4 4；n n風道大、小斷面積之風道大、小斷面積之 比，即比，即2 21 1；擴張角。擴張角。 222v1215 .0SS2211sin112sinnn013. 014 4轉(zhuǎn)彎轉(zhuǎn)彎巷道轉(zhuǎn)彎時的局部阻力系數(shù)巷道轉(zhuǎn)彎時的局部阻力系數(shù)( (考慮巷道粗糙程度考慮巷道粗糙程

19、度) )可按下式計算：可按下式計算：當巷高與巷寬之比當巷高與巷寬之比H H/ /b b=0.2=0.21.01.0 時，時， 當當 H H/ /b b=1=12.52.5 時時式中式中 0 0假定邊壁完全光滑時，假定邊壁完全光滑時，9090轉(zhuǎn)彎的局部阻力系數(shù)轉(zhuǎn)彎的局部阻力系數(shù); ; 巷道的摩擦阻力系數(shù)，巷道的摩擦阻力系數(shù)，N.sN.s2 2/m/m4 4； 巷道轉(zhuǎn)彎角度影響系數(shù)。巷道轉(zhuǎn)彎角度影響系數(shù)。bH65.035.01280Hb2805 5風流分叉與匯合風流分叉與匯合1) 1) 風流分叉風流分叉 典型的分叉巷道如圖所示，典型的分叉巷道如圖所示，1 12 2段的局部阻力段的局部阻力h hl

20、l2 2和和1 13 3段的局部阻力段的局部阻力h hl l3 3分別用下式計算：分別用下式計算：222212121cos22vvvvKhl233213122vvvKhl231232) 2) 風流匯合風流匯合如圖所示，如圖所示，1 13 3段和段和2 23 3段的局部阻力段的局部阻力h hl l3 3、h hl l2 23 3分別按下式分別按下式計算：計算： 式中：式中：233312131cos22vvvvKhl233223222vvvKhl1222321121coscosvQQvQQ( (二二) ) 局部風阻局部風阻在局部阻力計算式中，令在局部阻力計算式中，令 ， 則有：則有： 式中式中 R

21、 Rl l 稱為局部風阻，其單位為稱為局部風阻，其單位為N.sN.s2 2/m/m8 8或或kg/mkg/m7 7。 此式表明，在紊流條件下局部阻力也與風量的平方成正比此式表明，在紊流條件下局部阻力也與風量的平方成正比lRS222QRhll第四節(jié)第四節(jié) 礦井總風阻與礦井等積孔礦井總風阻與礦井等積孔 一、井巷阻力特性一、井巷阻力特性 在紊流條件下，摩擦阻力和局部阻力均與風量的平方成正比。故可寫成一般形式：對于特定井巷，當空氣密度和和磨擦阻力系數(shù)不變時，其風阻R為定值。 2RQh 用縱坐標表示通風阻力用縱坐標表示通風阻力(或壓力或壓力)，橫坐標表示通過風量，當風阻，橫坐標表示通過風量，當風阻為為R

22、時，則每一風量時，則每一風量Qi值，便有一阻力值，便有一阻力hi值與之對應(yīng)，根據(jù)坐標值與之對應(yīng)，根據(jù)坐標點（點（Qi,hi）即可畫出一條拋物線，如圖即可畫出一條拋物線，如圖3-4-1所示。這條曲線就所示。這條曲線就叫該井巷的阻力特性曲線。叫該井巷的阻力特性曲線。風阻風阻R越大，曲線越陡越大，曲線越陡。 二、礦井總風阻二、礦井總風阻 從入風井口到主要通風機入口，把順序連接的各段井巷的通風從入風井口到主要通風機入口，把順序連接的各段井巷的通風阻力累加起來，就得到礦井通風總阻力阻力累加起來，就得到礦井通風總阻力hRm，這就是井巷通風阻這就是井巷通風阻力的疊加原則。已知礦井通風總阻力力的疊加原則。已知

23、礦井通風總阻力hRm和礦井總風量和礦井總風量Q，即可即可求得礦井總風阻求得礦井總風阻Rm：顯然顯然Rm是反映礦井通風難易程度的一個指標。是反映礦井通風難易程度的一個指標。Rm越大，礦井通越大，礦井通風越困難；反之，則較容易風越困難；反之，則較容易。其值受風網(wǎng)結(jié)構(gòu)、井巷風阻、風。其值受風網(wǎng)結(jié)構(gòu)、井巷風阻、風量分配及總風量等多種因素影響。量分配及總風量等多種因素影響。 2QhRRmm三、礦井等積孔三、礦井等積孔 用礦井總風阻來表示礦井通風難易程度，不夠形象，且單位又用礦井總風阻來表示礦井通風難易程度，不夠形象，且單位又復(fù)雜。因此，我國煤礦通風報表中常用礦井等積孔作為衡量礦復(fù)雜。因此，我國煤礦通風報

24、表中常用礦井等積孔作為衡量礦井通風難易程度的指標。井通風難易程度的指標。假定在無限空間有一薄壁，在薄壁上開一面積為假定在無限空間有一薄壁，在薄壁上開一面積為A(m2)的孔口，的孔口，如圖如圖3-4-2所示。當孔口通過的風量等于礦井風量，而且孔口兩所示。當孔口通過的風量等于礦井風量，而且孔口兩側(cè)的風壓差等于礦井通風阻力時，則孔口面積側(cè)的風壓差等于礦井通風阻力時，則孔口面積A稱為該稱為該礦井的礦井的等積孔等積孔。 22221122vPvPRmRmhvhvPP/2 ,222221 設(shè)風流從設(shè)風流從I II，且無能量損失，且無能量損失， 則有：則有： 得：得： 風流收縮處斷面面積風流收縮處斷面面積A2

25、與孔口面積與孔口面積A之比稱為收縮之比稱為收縮系數(shù)系數(shù)，由水力學可知，一般，由水力學可知，一般=0.65，故，故A2=0.65A。則則v2Q/A2=Q/0.65A，代入上式后并整理得：，代入上式后并整理得：RmhQA/265. 0取取=1.2kg/m=1.2kg/m3 3，則：，則：由此可見，由此可見，A是是Rm的函數(shù)，故可以表示礦井通風的難易程度，的函數(shù)，故可以表示礦井通風的難易程度，且單位簡單，又比較形象。根據(jù)礦井總風阻或等積孔，通常把且單位簡單，又比較形象。根據(jù)礦井總風阻或等積孔，通常把礦井按通風難易程度分為三級，如表礦井按通風難易程度分為三級，如表3-4-1所示。所示。 mRA19. 1礦井通風難易程度礦井通風難易程度 礦井總風阻礦井總風阻Rm/ Ns2/m8 等積孔等積孔A/ m2 容易容易2 中等中等 0.8581.412 12 困難困難 1.412 1 表表3-4-1 礦井通風難易程度分級礦井通風難易程度分級第五