第3章通风阻力解析

3．减少周界长U Rfr与U成正比，在断面积相等 的条件下，选用周长较小的拱形断面比周长较大的 梯形断面好。
4. 减少巷道长L Rfr与L成正比，进行开拓设计时， 就应在满足开采需要的条件下，尽可能缩短风路的 长度。例如，当采用中央并列式通风系统，如阻力 过大时，即可将其改为两翼式通风系统以缩短回风 路线。 降低摩擦阻力，还应同时结合井巷的其它用途 与经济等因素进行综合考虑。如断面过大，不但不 经济，而且也不好维护，反而不如选用双巷。
尼古拉兹在壁面分别胶结各种粗细砂粒的圆 管中，实验得出了流态不同的水流 λ 系数同管壁 的粗糙程度、雷诺数的关系。管壁的粗糙程度用 管道的直径 d (m)和管壁平均突起的高度(即砂粒 的平均直径) k (m)之比来表示。并用阀门不断改 变管内水流的速度，实验结果如图所示。
试验结果可分以下几种情况： 1) 在 lgRe≤3.3(Re≤2320) 时，即当液体作层流流 动，由左边斜线可以看出，所有试验点都分布于 其上， λ 随 Re 的增加而减小，且与管道的相对粗 糙度无关，这时λ与Re的关系式为： λ＝64/Re
雷诺数
试验证明，层流与紊流彼此间的转变关系 决定于液体的密度 ρ、绝对粘性系数 μ，流体的 平均速度V与管道水力直径d，这些因素的综合 影响可以用雷诺数来表示为：
Vd Vd Re
式中 ν——运动粘性系数，m2/s。
当 Re≤2000 时，流体呈层流流动；当 Re ＞ 2000 时，液流开始向紊流流动过渡，当 Re ＞ 10000时，流体完全呈现为紊流。 矿井巷道很少为圆形，对于非圆形通风巷道， 以4S/U(水力直径)代替上式中的d，即：
在矿井巷道中，任何井巷的通 风阻力，不管它是摩擦阻力、局部 阻力或系两者同时具有的阻力，其 阻力公式均可写成通式：
h＝RQ2
二、井巷等积孔
当研究井巷通风阻力时，为了在概念上更形 象化，有时采用井巷等积孔来代替井巷风阻。等 积孔就是用一个与井巷风阻值相当的理想孔的面 积值来衡量井巷通风的难易程度。设想将一个矿 井的入风口到出风口，沿着井下主要巷道进行均 匀压缩，最后形成一个薄片，在这个薄片上将形 成一个孔口，这个孔口面 积 A 使得薄片的两端作用 有矿井的风压差 P 时，通 过孔口的风量正好为该矿 井的风量 Q ，这时，该孔 口面积即为矿井的等积孔。
解： h fr
LU
S3 0.018 200 8.3 960 2 Q ( ) 119 .5Pa 3 4 60
2
答：该巷道的摩擦阻力为119.5Pa。 应当注意，巷道的α值随ρ的改变而改变，在高 原地区，空气稀薄，当地的α值需进行校正。校正 式如下：
四、降低井巷摩擦阻力的措施 井巷通风阻力是引起风压损失的主要根源，因 此降低井巷通风阻力，特别是降低摩擦阻力就能用 较少的风压消耗而通过较多的风量。许多原来是阻 力大，通风困难的矿井，经降低阻力后即变为阻力 小、通风容易的矿井。
设当空气自左向右流经此孔时，无阻力，无能 量损失，并设当空气从此孔流出后，在其流线断面 最小处(虚线位置)的流速为V(m/s)，则这个理想孔 左、右两侧的静压差可全部变为速压 ( 静压能全部 转化为动能)，由此可得：
V h , Pa 2
2
实验证明，在出口流线断面最小处的面积一般 为0.65A(m2) ，再当流量为 Q(m3/s) 时， V ＝Q/0.65A ， 以此V值与ρ＝1.2 kg/m3代入上式，即得：
由于矿井巷道极少为圆形，可用当量直径d＝ 4S/U代入沿程阻力公式得：
令： α是巷道的摩擦阻力系数，与巷道帮壁的粗糙程 度有关。则：
h fr
LUV 2
S

LU Q 2
S S2

LU
S3
Q2
由于矿井中巷道的长度，周界及摩擦阻力系数 在巷道形成后一般变化较小，可看作常数。再 令： LU 2 8
根据hfr＝(αLU/S3)Q2的关系式可以看出，保证 一定风量，降低摩擦阻力的方法就是降低摩擦风阻， 根据影响 Rfr 的各因素，降低摩擦阻力的主要措施 有：
1．降低α Rfr与α成正比，而α主要决定于巷道粗糙度， 因此降低 α ，就应尽量使巷道光滑。当采用棚子支护巷 道时，要很好地刹帮背顶，在无支护的巷道，要注意尽 可能把顶底板及两帮修整好；对于井下的主要巷道，在 采用料石或混凝土砌璇，特别是采用锚杆支护技术时， 更能有效地使α系数减小。 2．扩大巷道断面S 因Rfr与S3成反比，所以扩大巷道 断面有时成为降低摩擦阻力的主要措施。由于摩擦阻力 又与风量的平方成正比，因此在采用这种措施时，应抓 主要矛盾，即首先应考虑风量大、断面小的总回风道的 扩大，其次再考虑其它巷道的扩大。
2) 在3.3<1gRe<5.0(2320＜Re≤100000)的范围内， 流体由层流向紊流过渡， λ 系数既和 Re 有关，也 和管壁的粗糙度有关。
3) 当Re≥100000时，流体成为紊流流动。λ与Re无 关，只和管壁的粗糙度有关。管壁的粗糙度越大， λ系数就越大。其试验式为： 1 d 2 (1.74 lg ) k
h
h 1440 2 8 R 2 0 . 4 N s m Q 602
her 1hv1 2hv 2 1
V12
2
2
V22
2
, Pa
ξ1 、 ξ2—— 局部阻力系数，无因次， 分别对应于hv1、hv2。可选用其中 一个系数和相应的速压计算；
若通过局部地点的风量是 Q(m3/s) ，前后两个 断面积是S1和S2(m2)，则两个断面上的平均风速为： Vl＝Q/S1；V2＝Q/S2，m/s
第三章 井巷通风阻力
风流流动时，必须具有一定的能量 ( 通风压 力 ) ，用以克服井巷及空气分子之间的摩擦对风 流所产生的阻力。通风压力克服通风阻力，两者 因次相同，数值相等，方向相反。知道通风阻力 的大小就能确定所需通风压力的大小。在矿井通 风中，存在着摩擦阻力和局部阻力，必须分析研 究它们的特性、测定方法以及降低措施等，从而 作为选择通风设备，进行通风管理与设计的依据。 这在通风设计中尤其重要。
2．尽量减少产生局部阻力的条件，如不用或少 用直径很小的铁筒风桥，避免在主要巷道内任意停 放矿车、堆积木材、器材等； 3．局部阻力与 V2成正比，故应特别注意降低总 回风道和风峒的局部阻力，及时清扫风峒内的堆积 物，在井筒与风峒的转弯处做成圆滑的壁面。
Hale Waihona Puke 第四节 井巷风阻与等积孔一、井巷风阻及其阻力特性
代入上式：
令
her 1hv1 1
Rer 1
v1
2
2
2
1



2S1
2 Q 2 2

2S 2
2 Q , Pa 2
2 S12 2 S2 式中Rer叫做局部风阻。由此得到：
2 8 , N s m 2
her＝RerQ2，Pa 上式表示完全紊流状态下的局部阻力定律，和 完全紊流状态下的摩擦阻力定律一样，当 Rer 一定 时，her和Q的平方成正比。
第二节 摩 擦 阻 力
一、摩擦阻力及影响因素 风流在井巷中作均匀流动时，沿程受到井 巷固定壁面的限制，引起内外摩擦，因而产生阻 力，这种阻力，叫做摩擦阻力。所谓均匀流动是 指风流沿程的速度和方向都不变，而且各断面上 的速度分布相同。流态不同的风流，摩擦阻力hfr 的产生情况和大小也不同。一般情况下，摩擦阻 力要占能量方程中通风阻力的80～90％，它是矿 井通风设计，选择扇风机的主要参数，也是生产 中分析与改善矿井通风工作的主要对象。
矿井巷道中的风流，其性质与上面完全一样， 所不同的是矿井巷道的粗糙度较大，在较小的 Re 时，便开始由层流变为紊流；此外，由于大多数矿 井巷道风流的Re均大于100000，故λ值仅决定于井 巷壁的相对粗糙度，而与 Re 无关。在一定时期内， 各井巷壁的相对粗糙度可认为不变，因之λ值即为 常量。
二、井巷摩擦阻力计算公式
V 4S 4 2.5 0.19m / s ReU 10000 6.58 14.4 106 V 0.95m / s 4S 4 2.5
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0.25米/秒以上，所以说 井巷中的风流大部为紊流，很少为层流。
第一节 风流的流态
流体产生的阻力与流体 流动过程中的状态有关。流 体流动时有两种状态；一种 是流体呈层状流动，各层间 流体互不混合，流体质点流 动的轨迹为直线或有规则的 平滑曲线，这一状态称为层流。在流速很小，管 径很小，或粘性较大的流体流动时会发生层流。
另一种是流体流动时，各部分流体强烈地互 相混合，流体质点的流动轨迹是极不规则的。 除了有沿流体总方向的位移外，还有垂直于液 流总方向的位移，流体内部存在着时而产生时 而消灭的漩涡，这种状态称为紊流。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。
R fr S
3
,N s m
Rfr——为巷道的摩擦风阻。
这时：
h fr R frQ , Pa
2
这就是完全紊流情况下的摩擦阻力定律。当巷 道风阻一定时，摩擦阻力与风量的平方成正比。
三、井巷摩擦阻力的计算
[例1] 某梯形木支架煤巷，长200米，断面积为4m2， 沿断面的周长为 8.3m，巷道摩擦阻力系数 α通过查 表得到的标准值为0.018N·s2/m4，若通过巷通的风 量为960m3/min，试求其摩擦阻力?
第三节 局部阻力
一、局部阻力的产生
风流流经井巷的某些局部地点 —— 突然 扩大或缩小、转弯、交岔以及堆积物或矿车 等，由于速度或方向发生突然的变化，导致 风流本身产生剧烈的冲击，形成极为紊乱的 涡流，从而损失能量。造成这种冲击与涡流 的阻力即称为局部阻力。
二、局部阻力定律
实验证明，在完全紊流状态下，不论井巷局 部地点的断面、形状和拐弯如何变化，所产生的 局部阻力her，都和局部地点的前面或后面断面上 的hv1或hv2成正比：