矿井通风阻力的测定.doc

兰州资源环境职业技术学院教师授课教案 学习情境 学习情境二矿井通风阻力测定 任务名称 任务一测定矿井通风阻力 子任务一压差计法测定矿井通风阻力 授课时间 年 月 日 第 周 授课教师 授课班级 授课时数 4学时 授课方法 学训 教学内容 1、风流的流动状态； 2、矿井摩擦阻力、矿井局部阻力； 3、阻力测量原理。 知识目标 1、了解通风阻力的概念、成因，风阻的概念； 2、理解通风阻力、风阻、摩擦阻力系数的计算； 3、掌握压差计法测定矿井通风阻力的方法。 技能目标 1、会用压差计法测算大巷通风阻力； 2、会测算巷道的风阻； 3、会测算摩擦阻力系数。 教学重点和 难 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、掌握压差计法测定矿井通风阻力的方法 4、矿井通风难易程度评价指标 导入新课 介绍矿井风流流动状态和特点、阻力的形式及影响因素等，从而为这一章的学习打下基础。 巩固复习 举例来巩固复习矿井风流的流动状态，矿井摩擦阻力和矿井局部阻力，阻力测量原理的原理方法，重点复习压差计法矿井阻力测定的原理、所用设备、步骤。 布置作业 教学效果分析 教学步骤、教学内容和教学方法 备 注 一、咨 询 【任务内容及要求】 1、了解通风阻力的概念、成因，风阻的概念； 2、理解通风阻力、风阻、摩擦阻力系数的计算； 3、掌握压差计法测定矿井通风阻力的方法。 【相关知识】 1.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。流体以不同的流动状态运动时，其速度在断面上的分布和阻力形式也完全不同。 （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 1883年英国物理学家雷诺通过实验证明流体的流动状态取决于管道的平均流速、管道的直径和流体的运动粘性系数。这三个因素的综合影响可用一个无因次参数来表示，这个无因次参数叫雷诺数（用Re表示）。对于圆形管道，雷诺数为 Re （2-1） 式中 v 管道中流体的平均流速，m/s； d 圆形管道的直径， m； 流体的运动粘性系数，矿井通风中一般用平均值 ＝1.501－5m2/s 当流速很小、管径很细、流体的运动粘度较大时，流体呈层流运动，反之，为紊流流动。 许多学者经过对圆形管道水流的大量实验证明当Re＜2320时，水流呈层流状态，叫下临界值；当Re＞100000时，水流呈完全紊流状态，叫上临界值；Re＝2320～100000时，为层流和紊流不稳定过渡区。为方便起见，在实际工程计算中，通常以Re＝2300作为管道流动流态的判别系数，即 Re≤2300为层流 Re＝2300～100000时，为层流和紊流过渡 Re＞100000为完全紊流 对于非圆形断面的管道，要用水力学中的水力半径的概念，把非圆形断面折算成圆形断面。所谓水力半径Rw（也叫当量直径）就是流过断面面积S和湿润周界（即流体在管道断面上与管壁接触的周长U之比。对于圆形断面有 Rw＝ （2-2 用水力半径代替圆形管道直径就会得到非圆形管道的雷诺判别系数，即 Re （2-3 式中 S 非圆形管道面积，m2； U 非圆形管道断面周长，m； 其它符号意义同前。 对于不同形状的断面，其周长U与断面S的关系，可用下式表示 U 式中C断面形状系数；梯形C4.16；三心拱C3.85；半圆拱C3.90 （3）井巷中风流的流动状态 井巷中空气的流动，近似于水在管道中的流动，井下除了竖井以外，大部分巷道都为非圆形巷道，而且它充满整个井巷，故湿润周界就是断面的周长。可用式（2-3）计算雷诺数近似判别井巷中风流的流动状态。 例2-1 某梯形巷道的断面积S9m2,巷道中的风量为360m3/min,试判别风流流态。 解Re＝ 128120＞2300 故巷道中的风流流态为紊流。 例2-2 巷道条件同前，求相应于Re2300的层流临界风速 解 v 0.01197m/s 例2-3 巷道条件同前，求相应于Re100000的完全紊流临界风速 解 v 0.52034m/s 因为规程规定，井巷中最低允许风速为0.15m/s,而井下巷道的风速都远远大于上述数值，所以井巷风流的流动状态多数是完全紊流，只有风速很小的漏风风流，才有可能出现层流。 2.矿井通风阻力 矿井通风阻力产生的根本原因是风流流动过程的黏性和惯性（内因），以及井巷壁面对风流的阻滞作用和扰动作用（外因）。井巷风流在流动过程中，克服内部相对运动造成的机械能量损失就叫矿井通风阻力。通风阻力包括摩擦阻力和局部阻力两大类，其中摩擦阻力是井巷通风阻力的主要组成部分。 （1）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）达西公式 在水力学中，用来计算圆形管道沿程阻力的计算式叫做达西公式，即 h摩＝，Pa （2-4） 式中 h摩摩擦阻力，Pa； 实验系数，无因次； L管道的长度，m； d管道的直径, m； 流体的密度，kg/m3； 管道内流体的平均流速，m/s； 上式对于层流和紊流状态都适用,但流态不同，实验的无因次系数大不相同，所以，计算的沿程阻力也大不相同。著名的尼古拉兹实验明确了流动状态和实验系数的关系。 在水力学上，尼古拉兹实验比较完整地反映了 的变化规律，揭示了 的主要影响因素，解决了水在管道中沿程阻力计算问题。而空气在井巷中的流动和水在管道中的流动很相似，所以，可以把流体力学计算水流沿程阻力的达西公式应用于矿井通风中，作为计算井巷摩擦阻力的理论基础。因此把公式（2-4）作为满流井巷矿井摩擦阻力计算的普遍公式。 2）层流摩擦阻力 从尼古拉兹实验的结果可以知道，流体在层流状态时，实验系数 只与雷诺数Re有关，故将式＝64/ Re代入达西公式（2-4）中，得 h摩，Pa （2-5） 再将雷诺数Re和式代入式（2-5）中，得 （2-6） 将式（2-2）及 Q/S代入式（2-6）就可得到层流状态下井巷摩擦阻力计算式 （2-7） 式中 空气的动力粘性系数，Pa.s； Q井巷风量，m3/s； 其它符号意义同前。 上式说明，层流状态下摩擦阻力与风流速度和风量的一次方成正比。由于井巷中的风流大多数都为紊流状态，所以层流摩擦阻力计算公式在实际工作中很少用。 3）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。故将式（2-2）代入公式（2-4）得到应用于矿井通风工程上的紊流摩擦阻力计算公式 Pa； （2-8） 从前面分析可知，流体在完全紊流状态时，对于确定的粗糙度，值是确定的，所以对矿井通风的井巷来说，当井巷掘成以后，井巷的几何尺寸和支护形式是确定的，井巷壁面的相对粗糙度变化不大，因而在矿井条件下值被视为常数。而矿井空气的密度变化不大，也可以视为常数，故令 （2-9） 称为摩擦阻力系数。因为是无因次量，故具有与空气密度相同的因次，即Kg/m3。 将式（2-9）及vQ/S代入（2-8）得 Pa （2-10） 式中井巷的摩擦阻力系数，Kg/m3或/m4； 式中其它符号意义同前。 4）摩擦阻力系数与摩擦风阻 ①摩擦阻力系数 在应用公式（2-10）计算矿井通风紊流摩擦阻力时，关键在于如何确定摩擦阻力系数值。从式（2-9）看，摩擦阻力系数值，取决于空气密度和实验系数值，而矿井空气密度一般变化不大，因此值主要取决于值，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。不同的井巷、不同的支护形式值也不同。确定值方法有查表和实测两种方法。 查表确定值 在新矿井通风设计时，需要计算完全紊流状态下井巷的摩擦阻力，即按照所设计的井巷长度、周长、净断面、支护形式和通过的风量，选定该井巷的摩擦阻力系数值，然后用公式（2-10）来计算该井巷的摩擦阻力。查表确定值法，就是根据所设计的井巷特征（指支护形式、净断面积、有无提升设备和其它设施等），通过附录一查出适合该井巷的标准值。附录一所列录的摩擦阻力系数值，是前人在标准状态（0＝1.2Kg/m3）条件下，通过大量模型实验和实测得到的。 如果井巷空气密度不是标准状态条件下的密度，实际应用时，应该对其修正 Kg/m3 （2-11） 由于井巷断面大小、支护形式及支架规格的多样性，从附录一可以看出，不同井巷的相对粗糙度差别很大。 对于砌碹和锚喷巷道，壁面粗糙程度可用尼古拉兹实验的相对粗糙度来表示，可直接查出摩擦阻力系数值。相对支架巷道而言，砌碹和锚喷巷道摩擦阻力系数值不是很大，但随着相对粗糙度的增大而增大。 对于用木棚子、工字钢、U型钢和混凝土棚等支护巷道，要同时考虑支架的间距和支架厚度，其粗糙度用纵口径来表示。如图2-1所示，纵口径是相邻支架中心线之间的距离L（m）与支架直径或厚度d0（m）之比，即 ＝ （2-12） 式中 纵口径，无因次； L支架的间距，m； d0支架直径或厚度, m。 （图2-1 支架巷道的纵口径） （图2-2 纵口径与摩擦阻力系数关系曲线） 图2-2是在平巷模型中试验获得的纵口径与摩擦阻力系数关系曲线图。从图中可看出，当＜5～6时，摩擦阻力系数随纵口径增加而增加；当＝5～6时，摩擦阻力系数达到最大值；当＞5～6时，摩擦阻力系数随纵口径增加而减少。这说明＝5～6时，引起的风流能量损失最大，产生的通风阻力最大，所以，在实际巷道工程支护时，从降低通风阻力出发，一定要合理选用支护密度。 对于支架巷道，应先根据巷道的d0和两个数值在附录表中查出该巷道的初值，再根据该巷道的净断面积S值查出校正系数，对的初值进行断面校正。这是因为在模型试验时用断面的某个值为标准，当实际断面大于标准时，摩擦阻力系数较小，故乘以一个小于1的系数；反之，乘以一个大于1的系数。 实测确定值 在生产矿井中，常常需要掌握各个巷道的实际摩擦阻力系数值，目的是为降低矿井通风阻力，合理调节矿井风量，提供原始的第一手资料。所以，实测摩擦阻力系数值有它一定的现实指导意义。 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（3-10）中的、L、U、S用一个参数R摩来表示，得到下式 R摩 Kg/m7或； （2-13） R摩称为摩擦风阻。其国际单位是 Kg/m7和。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。 将式（2-13）代入公式（2-10）得到公式 h摩R摩Q2，Pa （2-14） 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。 5）摩擦阻力计算 随着计算机技术的发展和普及，在实际工作中，通风阻力测量资料的数据整理可采用Microsoft Excel软件，下面以例题说明其软件实现的方法。 例2-4 用单倾斜压差计与静压管测量某井筒、大巷和石门的通风阻力。各巷道的参数和相关测量数据见表2-1，试计算各巷道的摩擦阻力、摩擦阻力系数和摩擦风阻。 解 1.资料报表的格式 矿井通风管理报表一般包括表头与表体两部分。表头包含主标题和副标题两部分内容，主标题应根据表的内容进行命名；副标题应具体说明制表单位所属集团、矿、井、区、段的名称，还应标明引用参数值的测量日期、制表日期、制表人和表的编号等。表体一般包括列字段名、行记录名和数据。 2.计算表格式的设计 （1）启动Excel，建立一个名为“Excel与矿井通风安全”的工作薄，如图4.8所示。 （2）在该工作薄中选中一个（或插入一个）工作表，双南工作表标签，输入工作表名“阻力测定”。 （3）设计表头，选择A2S2区域，在工具栏上单击合并与居中按钮后，输入“井巷通风阻力测量计算表”；同理，选择A3S3区域，输入副标题内容。 （4）设计表体，要认真分析测点的地点、测得的参数和待求参数之间的内在联系，才能设计出科学合理的表体内容。 3.输入已知数据 在图3-11中输入各测点的摄氏温度、绝对压力、风量、断面积、测点间的距离、倾斜压差计的系数和读数等数据。 4.输入计算公式 （1）计算绝对温度（同一列的相同计算采用复制该公式的方式）E5273D5 （2）计算密度G5（3.46*F5/E5） （3）计算周界长（如果断面形状变化，应用对应的形状系数代替4.1）J54.1*SQRTI5 （4）计算风速K5H5/I5 （5）计算动压O6G5*K52/2-G6*K62/2 （6）计算阻力P6M6*N6*9.81O6 （7）计算测量的摩擦阻力系数Q6P6*I5I6/23/J5J6/2/L6/H62 （8）计算标准摩擦阻力系统R61.2*Q6/G5G6/2 （9）计算标准风阻S6R6*L6*J6/I63 5.计算结果 计算结果见输出表2-1 表2-1 井巷通风阻力测定计算表 矿 井 区 测定日期 年 月 日 制表日期 年 月 日 报表编号 地点 断面 形状 测点 t /℃ T /F P /kPa ρ/ kg/m3 Q/ m3/s S /m2 U /m v/ m/s L/ m K Lr △h动 hR /Pa α/ Ns2/m4 α0 Ns2/m4 井筒 三心拱 1 19.0 292.0 101.325 1.201 80.0 10 12.97 8.00 0 三心拱 2 20.0 293.0 101.325 1.197 80.0 9 12.30 8.89 305 0.4 30 -8.9 108.9 0.00379 0.00379 大巷 梯形 1 22.0 295.0 100.500 1.179 40.0 8 11.77 5.00 0 梯形 2 23.0 296.0 100.300 1.172 40.0 7 11.01 5.71 100 0.4 27 -4.4 101.5 0.02351 0.02400 石门 半圆 1 24.0 297.0 100.100 1.166 25.0 7 10.16 3.57 0 半圆 2 25.0 298.0 99.90 1.160 25.0 7.5 10.52 3.33 400 0.4 24 1.0 95.2 0.01403 0.01448 （2）局部阻力 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。 1）局部阻力的成因与计算 ①局部阻力的成因分析 井下巷道千变万化，产生局部阻力的地点很多，有巷道断面的突然扩大与缩小（如采区车场、井口、调节风窗、风桥、风硐等），巷道的各种拐弯（如各类车场、大巷、采区巷道、工作面巷道等），各类巷道的交叉、交汇（如井底车场、中部车场）等等。在分析产生局部阻力原因时，常将局部阻力分为突变类型和渐变类型（如图2-3所示）两种。图中a、c、e、g、h属于突变类型，b、d、f、属于渐变类型。 （图2-3 巷道的突变与渐变类型） 紊流流体通过突变部位时，由于惯性的作用，不能随从边壁突然变化，出现主流与边壁脱离的现象，在主流与边壁间形成涡流区。产生的大尺度涡流，不断被主流带走，补充进去的流体，又形成新的涡流，因而增加了能量损失，产生局部阻力。 边壁虽然没有突然变化，但如果在沿流动方向出现减速增压现象的地方，也会产生涡流区。如图2-3b，巷道断面渐宽，沿程流速减小，静压不断增加，压差的作用方向与主流的方向相反，使边壁附近很小的流速逐渐减少到零，在这里主流开始与边壁脱离，出现与主流相反的流动，形成涡流区。在图2-3h中，直道上的涡流区，也是由于减速增压过程造成的。 增速减压区，流体质点受到与流动方向一致的正压作用，流速只增不减，所以收缩段一般不会产生涡流。若收缩角很大，在紧接渐缩段之后也会出现涡流区，如图2-3d所示。 在风流经过巷道转弯处，流体质点受到离心力的作用，在外测形成减速增压区，也能出现涡流区。过了拐弯处，如流速较大且转弯曲率半径较小，则由于惯性作用，可在内侧又出现涡流区，它的大小和强度都比外侧的涡流区大，是能量损失的主要部分。 综上所述，局部的能量损失主要和涡流区的存在有关。涡流区越大，能量损失的就越多。仅仅流速分布的改变，能量损失并不太大。在涡流区及其附近，主流的速度梯度增大，也增加能量损失，在涡流被不断带走和扩散的过程中，使下游一定范围内的紊流脉动加剧，增加了能量损失，这段长度称为局部阻力物的影响长度，在它以后，流速分布和紊流脉动才恢复到均匀流动的正常状态。 需要说明的是，在层流条件下，流体经过局部阻力物后仍保持层流，局部阻力仍是由流层之间的粘性切应力引起的，只是由于边壁变化，使流速重新分布，加强了相邻层流间的相对运动，而增加了局部能量损失。层流局部阻力的大小与雷诺数Re 成反比。受局部阻力物影响而仍能保持着层流，只有在 Re小于2000时才有可能，这在矿井通风巷道中极为少见，故不讨论层流局部阻力计算，重点讨论紊流时的局部阻力。 ②局部阻力计算 实验证明，不论井巷局部地点的断面、形状和拐弯如何千变万化，也不管局部阻力是突变类型还是渐变类型，所产生的局部阻力的大小都和局部地点的前面或后面断面上的速压成正比。与摩擦阻力类似，局部阻力h局一般也用速压的倍数来表示。 h局＝ ，Pa （2-15） 式中 h局局部阻力，Pa； 局部阻力系数，无因次； 局部地点前后断面上的平均风速，m/s； 风流的密度，Kg/m3； 如果将＝Q/S，代入式（3-15）后，得到 h局＝ Pa （2-16） 公式（2-15）和（2-16）就是紊流通用局部阻力计算公式。需要说明的是，在查表确定局部阻力系数值时，一定要和局部阻力物的断面S、风量Q、风速相对应。 2）局部阻力系数与局部风阻 ①局部阻力系数 产生局部阻力的过程非常复杂，要确定局部阻力系数也是非常复杂的。大量实验研究表明，紊流局部阻力系数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，但在粗糙程度较大的支架巷道中也需要考虑。 由于产生局部阻力的过程非常复杂，所以系数一般由实验求得，附录二是由前人通过实验得到的部分局部阻力系数，计算局部阻力时查表即可。 例2-5 某水平巷道如图2-4所示，用压差计和胶皮管测得1-2及1-3之间的阻力分别为295Pa和440Pa，巷道的断面积均等于6㎡，周长10m，通过的风量为40，求巷道的摩擦阻力系数及拐弯处的局部阻力系数。 （图2-4 拐弯平巷） 解 （1） 2-3段的阻力为 （2） 摩擦阻力系数为 /m4 （3） 1-2段的摩擦阻力为 （4） 拐弯处的局部阻力为 （5） 巷道中的风速为 （6） 局部阻力系数为 从上题可以看出，局部阻力系数和局部风阻可以查表计算，也可以通过实测的方法来计算确定。即先测定出1～2断面之间的总阻力h1-2,再用公式计算出1～2断面之间的摩擦阻力，减去摩擦阻力，得到局部阻力值，再用公式 （2-15）计算得到局部阻力系数。 ②局部风阻 同摩擦阻力一样，当产生局部阻力的区段形成后， 、S、都可视为确定值，故将公式h局＝中的、S、用一个常量来表示，即有 R局＝ ， Kg/m7或 （2-17） 将上式代入公式 h局＝ 得到局部阻力定律 h局＝R局Q2 （2-18） 上式为完全紊流状态下的局部阻力定律，h局与R摩一样，也可看作局部阻力物的一个特征参数，它反映的是风流通过局部阻力物时通风的难易程度。R局一定时，h局与Q的平方成正比。 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。 （3）矿井总风阻与矿井等积孔 1）矿井通风阻力定律 从前面可知，井下风流在流经一条巷道时产生的总阻力等于各段摩擦阻力和所有的局部阻力之和。即 h阻 （2-19） 当巷道风流为紊流状态时，将公式 和 h局＝以及公式h摩R摩Q2 和h局＝R局Q2 代入上式得到 h阻＝ （2-20） 令R，得到 h阻＝RQ2 ，Pa （2-21） 式中R井巷风阻，Kg/m7或 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。 式（2-21）就是井巷中风流紊流状态下的矿井通风阻力定律，它反映了风阻R一定时，井巷通风总阻力与井巷通过的风量二次方成正比，适用于井下任何巷道。 需要说明的是，由于层流状态下的摩擦阻力、局部阻力与风流速度和风量的一次方成正比，同样可以得到层流状态下的通风阻力定律 h阻＝RQ，Pa （2-22） 容易理解，对于中间过渡流态，风量指数在1～2之间，从而得到一般通风阻力定律 h阻＝RQn ，Pa （2-23） n1时是层流通风阻力定律，n2时是紊流通风阻力定律，n1～2时是中间过渡状态通风阻力定律，式（2-23）就是矿井通风学中最一般的通风阻力定律定律。由于井下只有个别风速很小的地点才有可能用到层流或中间过渡状态下的通风阻力定律，所以紊流通风阻力定律h阻＝RQ2是通风学中应用最广泛、最重要的通风定律。 将紊流通风阻力定律h阻＝RQ2绘制成曲线，即当风阻R值一定时，用横坐标表示井巷通过的风量，用纵坐标表示通风阻力，将风量与对应的阻力（，）绘制于平面坐标系中得到一条二次抛物线如图（2-5）所示，这条曲线就叫做该井巷风阻特性曲线。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。 （图2-5 井巷风阻特性曲线） 井巷风阻特性曲线不但能直观地看出井巷的通风难易程度，而且当用图解法解算简单通风网路和分析通风机工况时，都要应用到井巷风阻特性曲线。故应了解曲线的意义，掌握其绘制方法。 2）矿井总风阻 对于一个确定的矿井通风网路，其总风阻值就叫做矿井总风阻。当矿井通风网路的风量分配后，其总风阻值则是由网路结构、各支路风阻值所决定的。矿井总风阻值可以通过网路解算得到。它和矿井总阻力、矿井总风量的关系是 （2-24 式中 R矿矿井总风阻，Kg/m7或 表示矿井通风的难易程度，是评价矿井通风系统经济性的一个重要指标，也是衡量一个矿井通风安全管理水平的重要尺度。 h矿矿井总阻力，Pa 对于单一进风井和单一出风井， 其值等于从进风井到主要通风机入口，按顺序连接的各段井巷的通风阻力累加起来的值。对于多风井进风或多风井出风的矿井通风系统，矿井总阻力是根据全矿井总功率等于各台通风机工作系统功率之和来确定的。 Q矿矿井总风量，m3/s。 3）矿井等积孔 为了更形象、更具体、更直观地衡量矿井通风难易程度，矿井通风学上用一个假想的、并与矿井风阻值相当的孔的面积作为评价矿井通风难易程度，这个假想孔的面积就叫做矿井等积孔。 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，如图（2-6）所示。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－p2h）时，则孔口的面积A值就是该矿井的等积孔。现用能量方程来寻找矿井等积孔A与矿井总风量Q和矿井总阻力h之间的关系。 （ 图2-6 等积孔） 在薄壁左侧距孔口A足够远处（风速取断面I－I，其静压为p1,在孔口右侧风速收缩断面最小处取断面II－II（面积），其静压为p2，风速为最大。薄壁很薄其阻力忽略不计，则I－I、II－II断面的能量方程式为 p1-（p2）＝0或p1－p2，pa （2-25） 因为 p1-p2h, pa （2-26） 所以 h ， pa （2-27） 由此得 ，m/s （2-28） 风流收缩处断面面积与孔口面积A之比称为收缩系数，由水力学可知，一般＝0.65，故＝0.65A,则该处的风速代入上式，整理得 ， （2-29 若矿井空气密度为标准空气密度，即时，则得 ， （2-30） 将代入公式（2-30）中，得 , （2-31） 公式（2-30）和（2-31）就是矿井等积孔的计算公式，它适用于任何井巷。公式表明，如果矿井的通风阻力h相同，等积孔A大的矿井，风量Q必大，表示通风容易；等积孔A小的矿井，风量Q必小，表示通风困难。所以，矿井等积孔能够反映不同矿井或同一矿井不同时期通风技术管理水平。同时，也可以评判矿井通风设计是否经济。公式（2-31）表明等积孔A与风阻R的平方根成反比，即井巷或矿井的风阻越小时，等积孔A越大，通风越容易；反之，越困难。所以，根据矿井总风阻和矿井等积孔，通常把矿井通风难易程度分为三级，如表2-2所示。 表2-2 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（） 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 必须指出，表2-2所列衡量矿井通风难易程度的等积孔值，是1873年缪尔格根据当时的生产情况提出的，一直沿用至今。由于现代化矿井开采规模、开采方法、机械化程度和通风能力等较以前有很大的发展和提高，表中的标准对小型矿井还有一定的参考价值，对于大型矿井或多风机通风矿井应参照表2-3。该表是由煤科院抚顺分院提出，根据煤炭产量及瓦斯等级确定的矿井通风难易程度的分级标准。 表2-3矿井等积孔分类表 年产量 （Mt/a） 低瓦斯矿井 高瓦斯矿井 附注 A的最小值（m2） R的最大值（） A的最小值（m2） R的最大值（） 0.1 0.2 0.3 0.45 0.6 0.9 1.2 1.8 2.4 3.0 1.0 1.5 1.5 2.0 2.0 2.0 2.5 2.5 2.5 2.5 1.42 0.63 0.63 0.35 0.35 0.35 0.23 0.23 0.23 0.23 1.0 2.0 2.0 3.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 7.0 1.42 0.35 0.35 0.16 0.16 0.09 0.06 0.04 0.03 0.03 外部漏风允许10％时，A的最小值减5,R的最大值加10％；外部漏风允许15％时，A的最小值减10％，R的最大值加20％，即为矿井A的最小值，R 的最大值。 对矿井来说，上述公式（2-30）和（2-31）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，代入公式（2-30）即 （2-32） （2-33） （2-34） （2-35） 式（2-35）就是多台主要通风机矿井等积孔的计算公式。 式中 各台主要通风机系统的通风阻力，Pa； 各台主要通风机系统的风量，m3/s ； （4）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，特别是降低井巷的摩擦阻力对减少风压损失、减低通风电耗、减少通风费用和保证矿井安全生产、追求最大经济效益都具有特别的实际意义。 降低矿井通风阻力是一项非常庞大的系统工程，要综合考虑诸多方面因素。首先要保证通风系统运行安全可靠，矿井主要通风机要在经济、合理、高效区运转，及时调节矿井总风量，尽量避免通风机风量过剩和不足；通风网络要合理、简单、稳定；通风方法和通风方式要适应降阻的要求（如抽出式通风要比压入式的通风阻力大，中央并列式通风路线要长）；减少局部风量调节（主要是增阻调节法）的地点和数量，使调节后的总风阻接近不加调节风窗时的风阻，调节幅度要小、质量要高。降低矿井通风阻力的重点在最大阻力路线上的公共段通风阻力。由于矿井通风系统的总阻力等于该系统最大阻力路线上的各分支的摩擦阻力和局部阻力之和，因此在降阻之前首先要确定通风系统的最大阻力路线，通过阻力测定，了解最大阻力路线上的阻力分布状况，找出阻力较大的分支，对其实施降阻措施。具体方法如下 1）降低摩擦阻力的措施 摩擦阻力是矿井通风阻力的主要部分，因此降低井巷摩擦阻力是通风技术管理的重要工作。由公式可知，降低摩擦阻力的措施有 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、锚索、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，如砌碹巷道的值仅有支架巷道的30～40。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，有时还要刷帮挑顶，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，保持巷道断面足够。 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。 2）降低局部阻力的措施