矿井通风阻力的测定

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=vd（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＝1.50110－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＝4dUS（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=UvS4（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：USC式中C——断面形状系数；梯形C=4.16；三心拱C=3.85；半圆拱C=3.90（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S=9m2,巷道中的风量为360m3/min,试判别风流流态。解：Re=UvS4＝SCQ4=916.410501.16036045=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Re=2300的层流临界风速v解：v=SURe4=9410501.1916.423005=0.01197m/s例2-3巷道条件同前，求相应于Re=100000的完全紊流临界风速v解：v=SURe4=9410501.1916.41000005=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＝22vdL，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；v——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=2642vdLRe，Pa（2-5）再将雷诺数Re=vd和式代入式（2-5）中，得：vdLh232摩（2-6）将式（2-2）及v=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：QSLUh322摩（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：，摩28vSLUh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：8（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v=Q/S代入（2-8）得：，摩23QSLUhPa（2-10）式中——井巷的摩擦阻力系数，Kg/m3或2Ns/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：2.10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：＝0dL（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=,3SULKg/m7或82m/Ns；（2-13）R摩称为摩擦风阻。其国际单位是Kg/m7和82m/Ns。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MicrosoftExcel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