第三章+井巷通风阻力.ppt

安徽理工大学能源与安全学院安全工程系,,通风安全学第三章井巷通风阻力,本章主要内容,第一节井巷断面上风速分布一、风流流动状态二、井巷断面上风速分布第二节摩擦阻力一、摩擦阻力二、摩擦阻力系数与摩擦风阻三、井巷摩擦阻力计算方法第三节局部阻力一、局部阻力及其计算二、局部阻力系数和局部风阻,,本章主要内容,第四节矿井总风阻与等级孔一、井巷阻力特性二、矿井总风阻三、矿井等级孔第五节井巷通风阻力测算一、通风阻力hR测算二、局部阻力测算三、井筒阻力测算四、测算结果分析第六节降低矿井通风阻力措施一、降低井巷摩擦阻力的措施二、降低局部阻力措施,,本章主要内容,本章重点和难点摩擦阻力和局部阻力产生的原因和测算,,第三章井巷通风阻力,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，它是造成风流能量损失的原因。井巷通风阻力可分为两类,,摩擦阻力也称为沿程阻力和局部阻力。,第一节井巷断面上风速分布,第一节井巷断面上风速分布,,,一、风流流态1、管道流层流同一流体在同一管道中流动时，不同的流速，会形成不同的流动状态。当流速较低时，流体质点互不混杂，沿着与管轴平行的方向作层状运动，称为层流或滞流。,,,,第一节井巷断面上风速分布,,,紊流当流速较大时，流体质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化，成为互相混杂的紊乱流动，称为紊流或湍流。,,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。,第一节井巷断面上风速分布,,,风流流态判断,（１）雷诺数－Re平均流速v、管道直径d和流体的运动粘性系数。在实际工程计算中，通常以Re2300作为管道流动流态的判定准数，即Re≤2300层流，Re＞2300紊流,第一节井巷断面上风速分布,,,（２）当量直径对于非圆形断面的井巷，Re数中的管道直径d应以井巷断面的当量直径de来表示非圆形断面井巷的雷诺数对于不同形状的井巷断面，其周长U与断面积S的关系，可用下式表示C断面形状系数梯形C4.16；三心拱C3.85；半圆拱C3.90。,第一节井巷断面上风速分布,,,（3）、孔隙介质流在采空区和煤层等多孔介质中风流的流态判别准数为式中K冒落带渗流系数，m2；l滤流带粗糙度系数，m。层流，Re≤0.25；紊流，Re＞2.5；过渡流0.252300,紊流巷道条件同上，Re2300层流临界风速VReUν/4S23004.1631510-6/490.012m/s0.15,,,,,,第一节井巷断面上风速分布,,,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0.25m/S以上，所以说井巷中的风流大部为紊流，很少为层流。,第一节井巷断面上风速分布,,,二、井巷断面上风速分布（１）紊流脉动风流中各点的流速、压力等物理参数随时间作不规则（２）时均速度瞬时速度vx随时间τ的变化。其值虽然不断变化，但在一足够长的时间段T内，流速vx总是围绕着某一平均值上下波动。,第一节井巷断面上风速分布,,,３）巷道风速分布由于空气的粘性和井巷壁面摩擦影响，井巷断面上风速分布是不均匀的。层流边层在贴近壁面处仍存在层流运动薄层，即层流边层。其厚度δ随Re增加而变薄，它的存在对流动阻力、传热和传质过程有较大影响。,第一节井巷断面上风速分布,,,在层流边层以外，从巷壁向巷道轴心方向，风速逐渐增大，呈抛物线分布。,,δ,,vmax,,vmax,,第一节井巷断面上风速分布,,平均风速式中巷道通过风量Q。则Q＝VS风速分布系数断面上平均风速v与最大风速vmax的比值称为风速分布系数速度场系数，用Kv表示巷壁愈光滑，Kv值愈大，即断面上风速分布愈均匀。砌碹巷道，Kv0.8～0.86；木棚支护巷道，Kv0.68～0.82；无支护巷道，Kv0.74～0.81。,速度分布不对称最大风速不在轴线上,,第三章井巷通风阻力,,第二节摩擦风阻与阻力,第二节摩擦风阻与阻力,,,一、摩擦阻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，以风流压能损失来反映的摩擦阻力可用下式来计算Paλ－无因次系数，即摩擦阻力系数，通过实验求得。d－圆形风管直径，非圆形管用当量直径；,第二节摩擦风阻与阻力,,,1．尼古拉兹实验能量损失原因内因取决于粘滞力和惯性力的比值，用雷诺数Re来衡量；外因是固体壁面对流体流动的阻碍作用，与管道长度、断面形状及大小、壁面粗糙度有关。壁面粗糙度的影响通过λ值来反映。绝对糙度砂粒的直径ε就是管壁凸起的高度，相对糙度绝对糙度ε与管道半径r的比值ε/r,第二节摩擦风阻与阻力,,,1．尼古拉兹实验1932～1933年间，尼古拉兹把经过筛分、粒径为ε的砂粒均匀粘贴于管壁。水作为流动介质、对相对糙度分别为1/15、1/30.6、1/60、1/126、1/256、1/507六种不同的管道进行试验研究。对实验数据进行分析整理，在对数坐标纸上画出λ与Re的关系曲线，如图下页所示书中图3-2-1。,,第二节摩擦风阻与阻力,,,,,,,,,,,Ⅰ区层流区当Re＜2320即lgRe＜3.36时,只与Re有关，且λ64/Re。与ε/r无关;,Ⅱ区过渡流区。2320≤Re≤4000即3.36≤lgRe≤3.6，不同的管内流体由层流转变为紊流。λ随Re增大而增大，与ε/r无明显关系。,Ⅲ区水力光滑管区。紊流状态Re＞4000λ与ε仍然无关，只与Re有关,Ⅳ区紊流过渡区，各种不同相对糙度的实验点各自分散呈一波状曲线，λ值既与Re有关，也与ε/r有关。,第二节摩擦风阻与阻力,,,2．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∵μρν∴可得圆管层流时的沿程阻力。层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。,第二节摩擦风阻与阻力,,,3、紊流摩擦阻力对于紊流运动，λfRe，ε/r，关系比较复杂。用当量直径de4S/U代替d，代入阻力通式，则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式,第二节摩擦风阻与阻力,,,二、摩擦阻力系数与摩擦风阻1．摩擦阻力系数α大多数通风井巷风流的Re值已进入阻力平方区，λ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λ可视为定值；在标准状态下空气密度ρ1.2kg/m3。令α称为摩擦阻力系数，单位为kg/m3或N.s2/m4。,第二节摩擦风阻与阻力,,,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（ρ01.2kg/m3）条件下的井巷的摩擦阻力系数，即所谓标准值α0值，井巷中空气密度ρ≠1.2kg/m3时，α值应修正则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为,第二节摩擦风阻与阻力,,,α系数影响因素对于砌碹、锚喷巷道只考虑横断面上方向相对粗糙度；对于木棚、工字钢、U型棚等还要考虑纵口径Δl/d0,工字钢支架在巷道中流动状态,α随Δ变化实验曲线,第二节摩擦风阻与阻力,,,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α、L、U、S归结为一个参数RfRf称为巷道的摩擦风阻，其单位为kg/m7或N.s2/m8。工程单位kgf.s2/m8，或写成kμ,1N.s2/m89.8kμ,第二节摩擦风阻与阻力,,,Rf＝fρ,ε,S,U,L。在正常条件下当某一段井巷中的空气密度ρ一般变化不大时，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此式就是完全紊流进入阻力平方区下的摩擦阻力定律。,Rf与hf区别Rf是风流流动的阻抗参数；hf是流动过程能量损失。,第二节摩擦风阻与阻力,,,三、井巷摩擦阻力计算方法新建矿井查表得α0→计算α→计算Rf→计算hf→计算总阻力损失→选择通风设备生产矿井测得hf→计算Rf→计算α→计算α0→指导生产,第二节摩擦风阻与阻力,,,例题3-3某设计巷道为梯形断面，S8m2，L1000m，采用工字钢棚支护，支架截面高度d014cm，纵口径Δ5，计划通过风量Q1200m3/min，预计巷道中空气密度ρ1.25kg/m3，求该段巷道的通风阻力。解根据所给的d0、Δ、S值，由附录4附表4-4查得α0284.210－40.880.025Ns2/m4实际摩擦阻力系数Ns2／m4巷道摩擦风阻巷道摩擦阻力,第二节摩擦风阻与阻力,,,四、通风阻力功耗和电耗,设主要通风机效率η60，为了克服这段阻力，一年耗多少度电,,第三章井巷通风阻力,,第三节局部风阻与阻力,第三节局部风阻与阻力,,,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，造成风流能量损失，这种阻力称为局部阻力。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。,第三节局部风阻与阻力,,,一、局部阻力及其计算和摩擦阻力类似，局部阻力hl一般也用动压的倍数来表示ξ局部阻力系数，无因次。层流ξ计算局部阻力，关键是局部阻力系数确定，因vQ/S,当ξ确定后，便可用,第三节局部风阻与阻力,,,几种常见的局部阻力产生的类型１、突变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。,第三节局部风阻与阻力,,,２、渐变主要是由于沿流动方向出现减速增压现象，在边壁附近产生涡漩。因为V↓hv↓p，压差的作用方向与流动方向相反，使边壁附近，流速本来就小，趋于0,在这些地方主流与边壁面脱离，出现与主流相反的流动，面涡漩。,第三节局部风阻与阻力,,,３、转弯处流体质点在转弯处受到离心力作用，在外侧出现减速增压，出现涡漩。４、分岔与会合上述的综合。∴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。,,,,,,,第三节局部风阻与阻力,,,二、局部阻力系数和局部风阻一局部阻力系数ξ紊流局部阻力系数ξ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。,第三节局部风阻与阻力,,,1．突然扩大或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；ρm空气平均密度，kg/m3。对于粗糙度较大的井巷，可进行修正,第三节局部风阻与阻力,,,2．突然缩小对应于小断面的动压，ξ值可按下式计算,第三节局部风阻与阻力,,,3．逐渐扩大逐渐扩大的局部阻力比突然扩大小得多，其能量损失可认为由摩擦损失和扩张损失两部分组成。当Θ＜20时，渐扩段的局部阻力系数ξ可用下式求算α风道的摩擦阻力系数，Ns2/m4；n风道大、小断面积之比，即Ｓ2／Ｓ1；θ扩张角。,第三节局部风阻与阻力,,,4．转弯巷道转弯时的局部阻力系数考虑粗糙程度可按下式计算当巷高与巷宽之比H/b0.2～1.0时，当H/b1～2.5时ξ0假定边壁完全光滑时，90转弯的局部阻力系数，其值见教材表3-3-1；α巷道的摩擦阻力系数，N.s2/m4；β巷道转弯角度影响系数，见教材表3-3-2。,第三节局部风阻与阻力,,,5．风流分叉与汇合1风流分叉典型的分叉巷道如图所示，1～2段的局部阻力hl１～2和1～3段的局部阻力hl１～3分别用下式计算,第三节局部风阻与阻力,,,2风流汇合如图所示，1～3段和2～3段的局部阻力hl１～3、hl2～3分别按下式计算,第三节局部风阻与阻力,,,二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,,,,,第三节局部风阻与阻力,,,hRhfhl一般Hf和hl不易分开，对于转弯，Hf和hl可分开；突然扩大，Hf占比重少，局部区段hRhl正面阻力罐笼、矿车、采煤机,第三节局部风阻与阻力,,,例1某巷道突然扩大段，砌碹支护，断面S16m2，S224m2，通过风量Q48m3/s，空气密度ρ1.25kg/m3，求突然扩大局部阻力。解设砌碹巷道α0.005kg/m3ξ1-S1/S221-6/2420.563ξ’ξ1α/0.010.56310.005/0.010.845hLξ’ρV12/2ξ’ρQ/S12/20.8451.2548/62/233.8Pa,第三节局部风阻与阻力,,,例2某回风道，断面高2.8m，宽2.5m，混凝土棚支护，α0.02kg/m3，有一直角转弯，内角没有弧度，求转弯处的局部阻力系数ξ’解表3-3-1，ξ00.93，由表3-3-2，β1.0H/b2.8/2.51.12,ξ’[ξ028αb/H]β[0.93280.022.5/2.8]11.33若V6m/s，ρ1.2kg/m3,则hLξ’ρV2/21.331.266/257Pa,第三节局部风阻与阻力,,,例3某直角分叉巷道，θ20，θ390，α0.015kg/m3，V18m/s,V26m/s,V33m/s,ρ1.25kg/m3,求hL1-2,hL1-3解已知α0.015kg/m3，Kα1.35hL1-2Kαρ/2V12-2V1V2cosθ2V221.351.25/282-2861623.37PahL1-3Kαρ/2V12-2V1V3cosθ3V321.351.25/282-28303271.59Pa,第三节局部风阻与阻力,,,例4某直角汇流巷道，θ10，θ290，α0.015kg/m3，V15m/s,V26m/s,V38m/s,ρ1.25kg/m3,求hL1-3,hL2-3解已知α0.015kg/m3，Kα1.35cosθ11,cosθ20,ωQ1V1cosθ1/Q33.125hL1-3Kαρ/2V12-2V3ωV321.351.25/252-283.1258239PahL2-3Kαρ/2V22-2V3ωV321.351.25/262-2833.1258242Pa,,第三章井巷通风阻力,,第四节矿井总风阻与矿井等积孔,第四节矿井总风阻与矿井等积孔,,,一、井巷阻力特性在紊流条件下，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h＝RQ2Pa。对于特定井巷，R为定值。用纵坐标表示通风阻力或压力，横坐标表示通过风量，当风阻为R时，则每一风量Qi值，便有一阻力hi值与之对应，根据坐标点（Qi,hi）即可画出一条抛物线。这条曲线就叫该井巷的阻力特性曲线。风阻R越大，曲线越陡。,,,,０,Q,h,R,第四节矿井总风阻与矿井等积孔,,,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累加起来，就得到矿井通风总阻力hRm，这就是井巷通风阻力的叠加原则。已知矿井通风总阻力hRm和矿井总风量Q，即可求得矿井总风阻N.s2/m8Rm是反映矿井通风难易程度的一个指标。Rm越大，矿井通风越困难；,,,,,第四节矿井总风阻与矿井等积孔,,,三、矿井等积孔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Am2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。,第四节矿井总风阻与矿井等积孔,,,设风流从I→II，且无能量损失，则有得风流收缩处断面面积A2与孔口面积A之比称为收缩系数φ，由水力学可知，一般φ0.65，故A20.65A。则v2＝Q/A2Q/0.65A，代入上式后并整理得,第四节矿井总风阻与矿井等积孔,,,取ρ1.2kg/m3，则因RmhＲm／Ｑ2，故有,A是Rm的函数，故可以表示矿井通风的难易程度。当A＞２，容易；A＝１2，中等；A＜１困难。,第四节矿井总风阻与矿井等积孔,,,对于多风井通风系统，应根据各风机系统的通风阻力hRi和风量Qi，按风量加权平均求出全矿井总阻力式中n风机台数hRm意义是全矿井各系统平均m3空气所消耗能量。,多风井系统的矿井等级孔A计算式,第四节矿井总风阻与矿井等积孔,,,例1某矿井为中央式通风系统，测得矿井通风总阻力hRm2800Pa，矿井总风量Q70m3/s，求矿井总风阻Rm和等积孔A，评价其通风难易程度。解,第四节矿井总风阻与矿井等积孔,,,例2某对角式通风矿井，东风井的阻力hR1280*9.81Pa，风量Q180m3/s；西风井的阻力hR2100*9.81Pa，风量Q260m3/s；求矿井总等级孔。解,,第三章井巷通风阻力,,第五节井巷通风阻力测定,第五节井巷通风阻力测定,,,一、通风阻力hR测算阻力测定目的1、阻力分布，降阻增风；2、提供阻力系数和R，为设计、网络解算、改造、均压防火；能力核定。1测定路线的选择和测点布置如果测定的目的是为了了解通风系统的阻力分布，则必须选择最大阻力路线；如果测量的目的是为了获取摩擦阻力系数和分支风阻，则应选择不同支护形式、不同类型的典型巷道。,,,,,,,,第五节井巷通风阻力测定,,,测点布置应考虑1、测点间的压差不小于1020Pa；2、尽量避免靠近井筒和风门；3、选择风量较稳定的巷道内；4、局部阻力物前3倍巷宽，后812倍巷宽；5、风流稳定，无汇合交叉，测点前后3m巷道支护完好。2一段巷道的通风阻力hR测算两种方法压差计法和气压计法,,,,,,,,,,,第五节井巷通风阻力测定,,,1压差计法测量原理,用压差计法测定通风阻力的实质测量风流两点间的势能差和动压差,压差计两侧所受压力分别为,则压差计所示测值为,设,且,则,第五节井巷通风阻力测定,,,1压差计法测量原理,则1、2间巷道通风阻力为,该式成立的前提是胶皮管内的空气平均密度与井巷中的空气平均密度相等。,,,为此，在测量前，应将胶皮管放置在巷道相应位置上保存一段时间，或用打气筒将巷道空气转换掉胶皮管中空气。,,,第五节井巷通风阻力测定,,,单管气压计放置位置对测量效果的影响,现假设单管气压计放置在两测点中间,则左右侧液面承压分别为,则1、2间巷道通风阻力为,第五节井巷通风阻力测定,,,2气压计法原理用此方法测定通风阻力，实质是用精密气压计测出测点间的绝对静压差，再加上动压差和位能差，以计算通风阻力。用气压计测绝对静压P1、P2，同时测定t1、t2和φ1、φ2；用风表测每断面平均风速v1、v2；查测点标高Z1、Z2；P1-P2测准，两台温漂相同仪器同时测量，逐点和双测点测定,,,,,第五节井巷通风阻力测定,,,气压计法的测定步骤1、在1号测点A、B仪器同时PA1、PB1；2、A仪器不动，B仪器移到2，3、同时约定时间同时读数，PA2、PB24、P1-P2PB1-PB2PA2-PA1,5、将P1-P2代入上页公式即可。,思考1、为什么要用两台气压计用一台气压计先测1号点，再测2号点不行吗,第五节井巷通风阻力测定,,,3摩擦阻力系数测算1测试方法压差计法；2支护方式和测段一致，无变化；3测点位置在局部阻力物前35巷宽，后812倍；4系统稳定5hf和Q测准Rfhf/Q2αRfS3/LU,第五节井巷通风阻力测定,,,二、局部阻力测算,用压差计测出1-2段阻力hR1-2和1-3段阻力hR1-3,若断面一致，则hf与长度L成正比。则单纯巷道转弯的局部阻力hL。hLhR1-3-hR1-2L13/L12RLhL/Q2ξ2S2RL/ρ,第五节井巷通风阻力测定,,,三、井筒通风阻力测定,1、进风井筒阻力测定1压差计法吊测法50m,80m,100m,120m,150m,Hh1,h2,h3,h4,h5HfabHhRhf2hL2气压计法从地表开始，每隔50m，测量P，t,t’→ρ静压差ΔPi，高差Z，hR∑ΔPiρmZg-0.5ρV2,第五节井巷通风阻力测定,,,2、回风井筒阻力测定1压差计法--吊测法防爆盖上打孔；或在安全门内2气压计法在井底用气压计读出相对压力，在安全门内再读出相对压力，两者差值ΔP，hRΔPρmZg0.5ρV2底-0.5ρV2井筒,第五节井巷通风阻力测定,,,3、风峒阻力测定1压差计法2气压计法在安全门内再读出相对压力，再接水柱计读出相对压力，两者差值ΔP，hRΔPρmZg0.5ρV2井筒-0.5ρV2风机入口,第五节井巷通风阻力测定,,,四、测定结果分析,1、误差分析hr矿井实际通风阻力，；h风机房水柱计读数，Pa；Hn测定系统的自然风压，Pa；hv风峒内安装水柱计处断面的平均动压，Pa；hr’矿井实测通风阻力，Pa。,第五节井巷通风阻力测定,,,2、矿井总阻力及等级孔3、阻力测定期间实测矿井总风量、总阻力和自然风压4、矿井阻力分布,第五节井巷通风阻力测定,,,第五节井巷通风阻力测定,,,6、最大阻力路线西翼系统的最大阻力路线为经过1242（1）工作面，即副井（－610m）→副井（－720m）→-720西一轨道大巷→-720m11-2轨道上山→12421工作面→11-2回风上山→C1组回风石门→C组总回→西风井。7、主要通风巷道摩擦阻力系数,,第三章井巷通风阻力,,第六节降低矿井通风阻力措施,第六节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。一、降低井巷摩擦阻力措施减小摩擦阻力系数α。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，Rf值可减少50。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。减少巷道长度。避免巷道内风量过于集中。,第六节降低矿井通风阻力措施,,,二、降低局部阻力措施局部阻力与ξ值成正比，与断面的平方成反比。1、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化。2、尽可能避免井巷直角转弯或大于90的转弯。3、主要巷道内不得随意停放车辆、堆积木料等。4、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理。,第六节降低矿井通风阻力措施,,,例谢二矿风硐L50m,5个弯，h1098Pa,28.2；L7m，S8.4m2,阻力减少了539Pa，增加Q405m3/min,功率下降28.5kW,每年可节约电费37000元，而改造投资1500元,第三章通风阻力,,,本章习题,3-23-63-73-83-103-11,谢谢,本章内容结束,,