矿井通风主要参数及测量方法.ppt

矿井通风,MineVentilation,采矿工程系,一、教学内容1、空气的主要物理参数；2、风流的能量与点压力；3、压力测算基准、测量方法以及压力之间的关系；4、矿井通风能量方程及其应用。二、难点重点1、风流的能量与压力之间的关系；2、压力测算基准、测量方法以及压力之间的关系；3、矿井通风能量方程及其应用。三、教学要求1、了解风流能量与压力之间的关系；2、掌握风流的三种点压力的性质、测量方法以及不同压力测算基准下压力之间的关系；3、掌握矿井通风能量方程，会应用方程解决风流方向的判定以及不同断面之间阻力的计算。,第一节空气的主要物理参数,一、空气的密度单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用ρ来表示。即（2-1）在标准大气状况下（P＝101325Pa，t＝0℃，＝0），干空气的密度为1.293kg/m3。湿空气密度的计算公式为ρ湿＝0.003484（1－0.378）2-2当压力和温度一定时，湿空气的密度总是小于干空气的密度。一般将空气压力为101325Pa，温度为20℃，相对湿度为60的矿井空气称为标准矿井空气，其密度为1.2kg/m3。,,,二、空气的比容单位质量空气所占有的体积叫空气的比容，用υ（m3/kg）表示，比容和密度互为倒数，它们是一个状态参数的两种表达方式。即（2-3）三、空气的压力（压强）矿井通风中，习惯将压强称为空气的压力。理想气体作用于容器壁的空气压力关系式为P＝（2-4）地面空气压力习惯称为大气压。越靠近地表大气压力也越大。此外，大气压力还与当地的气候条件有关，即便是同一地区，也会随季节不同而变化，甚至一昼夜内都有波动。,,,四、空气的粘性任何流体都有粘性。当流体以任一流速在管道中流动时，相邻两流层之间的接触面上便产生粘性阻力（内摩擦力），以阻止其相对运动。流体具有的这一性质，称为流体的粘性。根据牛顿内摩擦力定律，流体分层间的内摩擦力为FμS（2-5）不论流体是否流动，流体具有粘性的性质是不变的。在矿井通风中，除了用动力粘性系数μ表示空气粘性大小外，还常用运动粘性系数ν（m2/s）来表示，与动力粘性系数的关系为（2-6）流体的粘性随温度和压力的变化而变化。对空气而言，粘性系数随温度的升高而增大，压力对粘性系数的影响可以忽略。当温度为20℃，压力为0.1MPa时，空气的动力粘性系数μ1.80810-5Pas；运动粘性系数ν1.50110-5m2/s。,,,第二节风流的能量与压力,风流在井巷断面上所具有的总机械能（包括静压能、动能和位能）及内能之和叫做风流的能量。风流之所以能够流动，其根本原因是系统中存在着能量差，所以风流的能量是风流流动的动力。单位体积空气所具有的能够对外做功的机械能就是压力。能量与压力即有区别又有联系，除了内能是以热的形式存在于风流中外，其它三种能量一般通过压力来体现，也就是说井巷任一通风断面上存在的静压能、动能和位能可用静压、动压、位压来呈现。,一、静压能静压1、静压能与静压的概念由空气分子热运动而使单位体积空气具有的对外做功的机械能量叫静压能，用E静表示（J/m3）。空气分子热运动不断地撞击器壁所呈现的压力（压强）称为静压力，简称静压，用P静表示（N/m2，即Pa）。静压和静压能在数值上大小相等，静压是静压能的等效表示值。2、静压的特点（1）只要有空气存在，不论是否流动都会呈现静压；（2）由于空气分子向器壁撞击的机率是相同的，所以风流中任一点的静压各向同值，且垂直作用于器壁；（3）静压是可以用仪器测量的，大气压力就是地面空气的静压值；（4）静压的大小反映了单位体积空气具有的静压能。3、空气压力的两种测算基准（1）绝对压力以真空为基准测算的压力，用P表示，总是正值。（2）相对压力以当地当时同标高的大气压力为基准测算的压力，用h表示。井巷中空气的相对压力h就是其绝对压力P与当地当时同标高的地面大气压力P0的差值。即h＝P－P0（2-7）,在压入式通风矿井中，井下空气的绝对压力都高于当地当时同标高的大气压力，相对压力是正值，称为正压通风；在抽出式通风矿井中，井下空气的绝对压力都低于当地当时同标高的大气压力，相对压力是负值，又称为负压通风。由此可以看出，相对压力有正压和负压之分。,图2-1绝对压力、相对压力和大气压力之间的关系,二、动能动压1、动能与动压的概念空气做定向流动时具有动能，用E动表示（J/m3），其动能所呈现的压力称为动压（或速压），用h动（或h速）表示，单位Pa。2、动压的计算式则单位体积空气所具有的动能为E动E动＝，J/m3（2-8）E动对外所呈现的动压为h动＝，Pa（2-9）3、动压的特点（1）只有做定向流动的空气才呈现出动压；（2）动压具有方向性，仅对与风流方向垂直或斜交的平面施加压力。垂直流动方向的平面承受的动压最大，平行流动方向的平面承受的动压为零；（3）在同一流动断面上，因各点风速不等，其动压各不相同；（4）动压无绝对压力与相对压力之分，总是大于零。,,,三、位能位压1、位能与位压的概念单位体积空气由于位置高度不同而具有的一种能量叫位能，用E位（J/m3）表示。位能所呈现的压力叫位压，用P位（Pa）表示。位能和位压的大小，是相对于某一个参照基准面而言的。2、位压的计算式E位＝MgZ（2-10）＝ρ12gZ12，Pa（2-11）实际测定时，应在11和22断面之间布置多个测点（如图布置了a、b两个测点），分别测出各点和各段的平均密度（垂距较小时可取算术平均值），再由下式计算11断面相对于22断面的位压。P位12＝ρ1agZ1aρabgZabρb2gZb2＝∑ρijgZij，Pa（2-12）测点布置的越多，测段垂距越小，计算的位压越精确。,,图2-2立井井筒中位压计算图,3、位压的特点（1）位压只相对于基准面存在，是该断面相对于基准面的位压差。基准面的选取是任意的，因此位压可为正值，也可为负值。一般将基准面设在所研究系统风流的最低水平。（2）位压是一种潜在的压力，不能在该断面上呈现出来。（3）位压和静压可以相互转化。当空气从高处流向低处时，位压转换为静压；反之，当空气由低处流向高处时，部分静压将转化成位压。（4）不论空气是否流动，上断面相对于下断面的位压总是存在的。,四、全压、势压和总压力矿井通风中，把风流中某点的静压与动压之和称为全压；将某点的静压与位压之和称为势压；把井巷风流中任一断面（点）的静压、动压、位压之和称为该断面（点）的总压力。井巷风流中两断面上存在的能量差即总压力差是风流之所以能够流动的根本原因，空气的流动方向总是从总压力大处流向总压力小处，而不是取决于单一的静压、动压或位压的大小。,第三节空气压力测量及压力关系,一、测压仪器在矿井通风测量仪器中，测定空气压力的便携式仪器有三类一是测量绝对压力的气压计；二是测量相对压力的压差计和皮托管；三是可同时测定绝对压力、相对压力的精密气压计或矿井通风综合参数检测仪等。,（一）绝对压力测量仪器最常用的是空盒气压计,图2-3空盒气压计内部结构图1、2、3、4传动机构；5拉杆；6波纹真空膜盒；7指针；8弹簧,测压时，将仪器水平放置在测点处，轻轻敲击仪器外壳，以消除传动机构的摩擦误差，放置3～5min待指针变化稳定后读数。读数时，视线与刻度盘平面要保持垂直，同时，还要根据每台仪器出厂时提供的校正表（或曲线），对读数进行刻度、温度及补偿校正。因精度较低，一般只适用于粗略测量和空气密度测算。,（二）相对压力测量仪器测量井巷中（或管道内）某点的相对压力或两点的压力差时，一般需要用皮托管配合压差计来进行。压差计有U形压差计、单管倾斜压差计、补偿式微压计等。1、皮托管,2、U形压差计,3、单管倾斜压差计,图2-6YYT200型单管倾斜压差计结构1底座；2水准指示器；3弧形支架；4加液盖；5零位调整旋钮；6三通阀门柄；7游标；8倾斜测压管；9调平螺钉；10大容器；11多向阀门,仪器的操作和使用方法如下（1）注入工作液。（2）调零。（3）测定。常用的YYB200B型单管倾斜压差计最大测量值为2000Pa，最小分刻度为2Pa，误差不超过最大读数的1.0。单管倾斜压差计是通风测量中应用最广的一种压差计。,4、补偿式微压计,图2-7DJM9型补偿式微压计1小容器；2大容器；3读数盘；4指针；5螺盖；6反射镜；7水准器；8调节螺母；9胶皮管；10调平螺钉；11标尺,仪器的操作和使用方法如下（1）注入蒸馏水并调零。（2）测定。常用的补偿式微压计有DJM9型、YJB-150/250-1型、BWY-150/250型等。其中，DJM9型的测量范围为0～1500Pa，最小分度值为0.1Pa。这类仪器的精度高，可用于微小压差测量，但受压力波动影响大，水准针尖不宜调准，多用于实验室内。,（三）矿井通风综合参数检测仪我国生产的JFY型矿井通风综合参数检测仪，是一种能同时测量空气的绝对压力、相对压力、风速、温度、湿度和时间的精密便携式本质安全型仪器，适用于煤矿井下使用。该仪器由压力传感器、风速传感器、温度传感器、湿度传感器以及智能微机组成。,图2-9JFY型矿井通风参数检测仪面板图1气孔；2电源开关；3电源电压指示灯；4压力记忆开关；5充电插座；6绝对压力键；7压差键；8温度键；9相对湿度键；10风速键；11记风速键；12读平均风速键；13总清键；14备用键；15风速传感器；16温度传感器；17湿度传感器；18液晶显示；19单位显示；20电子表,二、风流点压力的测量及压力关系,（一）风流点压力井巷风流断面上任一点的压力称为风流的点压力。相对于某基准面来说，点压力也有静压、动压和位压；就其形成的特征来说，点压力可分为静压、动压和全压；根据压力的两种测算基准，静压又分为绝对静压（P静）和相对静压（h静）；全压也分为绝对全压（P全）和相对全压（h全）；动压永远为正值，无绝对、相对压力之分，用h动表示。同一断面上，各点的点压力是不等的。在水平面上，各点的静压、位压都相同，动压则是中心处最大；在垂直面上，从上到下，静压逐渐增大，位压逐渐减小，动压也是中心处最大。因此，从断面上的总压力来看，一般中心处的点压力最大，周壁的点压力最小。,（二）绝对压力的测量及其相互关系1、绝对静压P静的测定用空盒气压计、精密气压计或矿井通风综合参数测定仪测定。2、动压h动的测定（1）用风表测出该点的风速，利用式（2-9）计算（2）用皮托管和压差计直接测出。如图2-10所示。,图2-10动压的测定,3、绝对全压的测定测出某点的绝对静压P静和动压h动之后，用下式计算该点的绝对全压P全P全＝P静＋h动（2-15）上式也是绝对压力之间的关系式。即不论抽出式通风还是压入式通风，某一点的绝对全压等于绝对静压与动压的代数和。因动压为正值，所以绝对全压大于绝对静压。,（三）相对压力的测量及其相互关系,就相对压力而言，压入式通风风流中某点的相对全压等于相对静压与动压的代数和。就相对压力而言，抽出式通风风流中某点的相对全压等于相对静压减去动压。,第四节矿井通风中的能量方程及其应用,一、空气流动连续性方程根据质量守恒定律，风流从1断面流向2断面，在流动过程中既无漏风又无补给，则流入1断面的空气质量M1与流出2断面的空气质量M2相等，即M1＝M2，kg/s或ρ1v1S1＝ρ2v2S2,对于不可压缩流体，即ρ1＝ρ2，则有v1S1＝v2S2,二、矿井通风中应用的能量方程,单位质量不可压缩的实际流体从1断面流向2断面的能量方程为单位体积实际流体的能量方程考虑到井下空气密度毕竟有一定的变化，得下式或或（Z1ρ1g－Z2ρ2g）,,,,,,利用公式计算时，应注意动压中ρ1、ρ2与位压中ρ1、ρ2的选取方法。动压中的ρ1、ρ2分别取1、2断面风流的空气密度，位压中的ρ1、ρ2视基准面的选取情况按下述方法计算（1）当1、2断面位于矿井最低水平的同一侧时，如图可将位压的基准面选在较低的2断面，如精度不高时可取ρ12＝（ρ1＋ρ2）/2（ρ1、ρ2为1、2两断面风流的空气密度）。,（2）当1、2断面分别位于矿井最低水平的两侧时，如图应将位压的基准面（00）选在最低水平，当高差不大或精度不高时，可取ρ10＝（ρ1＋ρ0）/2，ρ20＝（ρ2＋ρ0）/2。,能量方程是矿井通风中的基本定律，通过实例分析可以得出以下规律（1）不论在任何条件下，风流总是从总压力大的断面流向总压力小的断面；（2）在水平巷道中，因为位压差等于零，风流将由绝对全压大的断面流向绝对全压小的断面；（3）在等断面的水平巷道中，因为位压差、动压差均等于零，风流将从绝对静压大的断面流向绝对静压小的断面。,三、能量方程在矿井通风中的应用（一）抽出式通风矿井中通风阻力与主通风机风硐断面相对压力之间的关系,h阻＝h静4－h动4H自＝h全4H自，Pa,矿井通风中，按规程要求，都要在主通风机房内安装水柱计，此仪器就是显示风硐断面相对压力的垂直U型压差计，一般是静压水柱计。,（二）压入式通风矿井中通风阻力与主通风机风硐断面相对压力之间的关系,h阻＝（h静2－h动2）＋（h静3＋h动3H自）＝h全2＋h全3H自，Pa,图2-17抽出式通风矿井中风流能量（压力）坡线图,图2-18压入式通风矿井中风流能量（压力）坡线图,,（四）矿井主通风机房内水柱计的安装和作用无论是抽出式还是压入式矿井，矿井通风总阻力可以通过测定风硐断面的相对压力和自然风压值计算出来。实际上，矿井风硐断面的动压值不大，变化也较小；自然风压值变化一般也不大，因此，只要用压差计测出风硐断面的相对静压值，就能近似了解到矿井通风总阻力的大小。此外，利用压差计的读数还能反映主通风机工作风压的大小。,测量风硐断面的相对压力时，压差计的安装按取压方法不同有两种，即壁面取压法和环形管取压法。如图2-19所示。,图2-19静压水柱计的安装方法a壁面取压法b环形管取压法1风硐；2静压管；3三通；4胶管；5环形管,两种方法选择的取压断面都应靠近主通风机入风口（抽出式通风时）的风流稳定处，测压仪器多采用U型水柱计。现不少矿井已经采用电子压差计测量或用负压传感器将数据传送到计算机上，自动监测风硐内的风流压力。水柱计的两个液面一般是稳定的或有微小的波动。若水柱计液面高差突然增大，可能是主要通风巷道发生冒顶或其它堵塞事故，增大了通风阻力；如果液面高差突然变小，可能是控制通风系统的主要风门被打开，或发生了其它风流短路事故，通风阻力变小。通过水柱计可以反映出矿井通风系统的正常状况。因此，在主通风机房内设置压差计，是通风管理中不可缺少的监测手段。,四、本章小结本章结合矿井风流流动的特点，介绍了空气的主要物理参数，风流的能量与压力，压力测量方法及压力之间的关系，重点阐述了矿井通风中的能量方程及其应用。,五、复习思考题,思考题2-1什么是空气的密度压力和温度相同时，为什么湿空气比干空气轻2-2什么叫空气的压力单位是什么地面的大气压力与哪些因素有关2-3什么叫空气的粘性用什么参数表示粘性大小粘性对空气流动起什么作用2-4何谓空气的静压、动压、位压各有何特点2-5什么叫绝对压力相对压力正压通风负压通风2-6什么叫全压、势压和总压力2-7在同一通风断面上，各点的静压、动压、位压是否相同通常哪一点的总压力最大2-8为什么在压入式通风中某点的相对全压大于相对静压；而在抽出式通风中某点的相对全压小于相对静压,2-9矿井通风中的能量方程是什么从能量和压力观点讲，分别代表什么含义2-10为什么从单位质量不可压缩流体的能量方程可以推导出矿井通风中的能量方程矿井风流应满足什么条件2-11为什么说风流在有高差变化的井巷中流动时，其静压和位压之间可以相互转化2-12能量方程式中动压和位压项中空气密度是否一样如何确定2-13通风系统中风流压力坡线图有何作用如何绘制如何从图上了解某段通风阻力的大小2-14在抽出式和压入式通风矿井中，主通风机房内的U型水柱计读数与矿井通风总阻力各有何关系2-15为什么说主通风机房内安装压差计是通风管理中不可缺少的监测手段,习题2-1井下某地点有两道单扇风门，测得每道风门内外压差为800Pa，风门门扇的尺寸高为1.5m，宽为0.8m，门扇把手距门轴0.7m，问至少用多大的力才能把门扇拉开（548.6N）2-2测得某回风巷的温度为20℃，相对湿度为90，绝对静压为102500Pa，求该回风巷空气的密度和比容。（1.21kg/m3；0.83m3/kg）2-3用皮托管和压差计测得通风管道内某点的相对静压h静＝250Pa，相对全压h全＝200Pa。已知管道内的空气密度ρ＝1.22kg/m3，试判断管道内的通风方式并求出该点的风速。（抽出式；9.1m/s）2-4在压入式通风管道中，测得某点的相对静压h静＝550Pa，动压h动＝100Pa，管道外同标高的绝对压力P0＝98200Pa。求该点的相对全压和绝对全压。（650Pa；98850Pa）,2-5两个不同的管道通风系统如题图2-1a、b所示，试判断它们的通风方式，区别各压差计的压力种类并填涂液面高差和读数。（a抽出式；b压入式）,题图2-1通风管道中相对压力的测定,2-6已知某一进风立井井口断面的大气压P静1＝99800Pa，井深Z＝500m，井筒内空气的平均密度ρ＝1.18kg/m3，井筒的通风阻力为h阻85Pa，问立井井底的绝对静压P静2有多大（105497Pa）2-7如题图2-2所示断面不等的水平通风巷道中，测得1断面的绝对静压P静1＝96170Pa，断面积S1＝4m2，2断面的绝对静压P静2＝96200Pa，断面积S2＝8m2，通过的风量Q＝40m3/s，空气密度ρ1＝ρ2＝1.16kg/m3，试判断巷道风流方向并求其通风阻力h阻。若巷道断面都是4m2，其它测定参数不变，结果又如何（方向1→2，43.5Pa；方向2→1，30Pa）,题图2-2断面不等的水平通风巷道,2-8如图2-15所示的抽出式通风矿井中，已知矿井的通风总阻力为1840Pa，自然风压80Pa（反对通风机工作）；风硐的断面积为4m2，通过的总回风量为50m3/s，空气密度1.2kg/m3。问主通风机房内静压水柱计的读数为多大（2014Pa）2-9如图2-16所示的压入式通风矿井中，已知主通风机吸风段2断面与风硐3断面的静压水柱计读数分别为h静2＝162Pa，h静3＝1468Pa；测得两断面的动压分别为h动2＝110Pa，h动3＝88Pa；地面大气压力P0＝101324Pa，自然风压H自＝100Pa，自然风压的作用方向与主通风机风流方向相同。试求2、3断面的绝对静压、绝对全压、相对全压和矿井的通风阻力各为多大（P静2＝101162Pa，P静3＝102792Pa；P全2＝101272Pa，P全3＝102880Pa；h全2＝52Pa，h全3＝1556Pa；h阻＝1708Pa）,