课程名称：《矿井通风与安全》摘要第三章矿井通风阻力第一节风流运动状态第二节摩擦阻力授课题目（章、节）第三节局部阻力第四节通风阻力定律和特性第五节通风阻力测量本讲目的要求及重点难点：【目的要求】通过本章的学习，要求学生了解和掌握矿并通风阻力及应用。【重点】风流的摩擦阻力其应用。【难］点】通风阻力定律。内容【本讲课程的引入】大家学习过流体力学，在流体力学中有一个较为重要的实验，水在圆管中流动，通过调节侧管带有颜色水的流量，在主管中心会出现一条有规则的流线；继续调节流量，流线开始变得不规则、直至完全紊乱。这也就是层流和紊流的演示实验。在通风中，风流也有此性质【本讲课程内容】第三章矿井通风阻力第一节矿井风流运动状态风流的流动状态有层流和紊流两种：层流：指流体各层的质点互不混合，质点流动的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。素流：指流体的质点强烈互相混合，质点的流动轨迹极不规则，除了岩流动总方向发生位移外，还有垂直于流动总方向的位移且在流体内部存在着时而产生，时而消失的漩涡。井下风流多数是完全紊流，只有一部分风流处于向完全紊流过渡的状态，只有风速很小的漏风风流才可能出现层流。第二节摩擦阻力一、摩擦阻力的意义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
课程名称：《矿井通风与安全》 摘 要 授课题目（章、节） 第三章 矿井通风阻力 第一节 风流运动状态 第二节 摩擦阻力 第三节 局部阻力 第四节 通风阻力定律和特性 第五节 通风阻力测量 本讲目的要求及重点难点： 【目的要求】通过本章的学习，要求学生了解和掌握矿井通风阻力及应用。 【重 点】风流的摩擦阻力其应用。 【难 点】通风阻力定律。 内 容 【本讲课程的引入】 大家学习过流体力学，在流体力学中有一个较为重要的实验，水在圆管 中流动，通过调节侧管带有颜色水的流量，在主管中心会出现一条有规则的 流线；继续调节流量，流线开始变得不规则、直至完全紊乱。这也就是层流 和紊流的演示实验。在通风中，风流也有此性质。 【本讲课程内容】 第三章 矿井通风阻力 第一节 矿井风流运动状态 风流的流动状态有层流和紊流两种： 层流：指流体各层的质点互不混合，质点流动的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：指流体的质点强烈互相混合，质点的流动轨迹极不规则，除了岩 流动总方向发生位移外，还有垂直于流动总方向的位移且在流体内部存在着 时而产生，时而消失的漩涡。 井下风流多数是完全紊流，只有一部分风流处于向完全紊流过渡的状态， 只有风速很小的漏风风流才可能出现层流。 第二节 摩擦阻力 一、摩擦阻力的意义 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。二、完全紊流状态下摩擦阻力定律流体的流动状态受流体的速度，粘度和管道尺寸等影响，流体速度越大，粘度越小，管道尺寸越大，则流体越易成为紊流，反之，则易成为层流。般用无因次参数一雷诺数表示。(3-1)对于圆形管道：Re=vd/vV一管道中的流体的平均速度m/sd一圆形管道的直径mU—流体的运动粘性系数，对于矿井风流v=14.4×10-m2/s设位流体的水力半径，指流体的断面积s（m）与流体的周界U之比即：=s/U（m）在直径为d的圆形管道中，风流的水力半径为：(3-2)=（元d2/4）/（元d）=d/4，m将（3-2）代入（3-1）得非圆形巷道风流雷诺数的计算式：(3-3)Re=4VS/(uv)式中：S----巷道的断面m?U.-..-巷道的周界m将（3-2）代入（3-4）得：hg=（2ULV2）/8gs=（2UpLV2）/8s(3-5)Pa因为矿井重率或密度p变化不大，而对于尺寸和支护已定型的井巷，其壁面的相对光滑度是定数。即入=常数令α=（2）/8g=（2p）/8N.S2/m*或Kg/m2称为摩擦阻力系数(3-6)完全紊流状态下，α只受入，或p的影响。若定型井巷α只与或p成正比 Pa(3-7)则有h=（αULV2）/s3对于定型的井巷它的L，U，S各项都为已知数，而α又只与或p成正比，故把上式中的（αUL）/s3项用R来表示，即R=（αUL）/s3NS2/m*或Kg/m(3-8)Rfr一井巷的摩擦风阻，它反映的是井巷的特征，只受L，U，S和α的影(Pa)响：h=R.Q2此即风流在完全紊流状态下的摩擦阻力定律，当摩擦风阻一定时，摩擦阻力和风量的平方成正比。三、层流状态下的摩擦阻力定律在层流状态下：入=64/Re。将入以及（3-2）、（3-3）式代入（3-4）时，得：h-2mrV_2mpy用V=Q/s代如上式，则gs2s2-2vrLu'Q_2vpLu'g(3-10)hfsgs3表示2vr/g=2vpNS/m2或kg/（s.m）α一层流状态下的摩擦阻力系数。αLU?aLU20所以有h用RR叫层流状态下的摩擦风阻。s33则hf=RfQ即风流在层流状态下的摩擦阻力定律，当Rf一定时，hfr
摩擦，因而产生阻力，这种阻力叫做摩擦阻力。 二、完全紊流状态下摩擦阻力定律 流体的流动状态受流体的速度，粘度和管道尺寸等影响，流体速度越大， 粘度越小，管道尺寸越大，则流体越易成为紊流，反之，则易成为层流。一 般用无因次参数—雷诺数表示。 对于圆形管道： Re = vd / （3-1） V—管道中的流体的平均速度 m/s d—圆形管道的直径 m υ—流体的运动粘性系数，对于矿井风流 υ=14.4×10-6 m2 /s 设 γ 位流体的水力半径，指流体的断面积 s（m2）与流体的周界 U 之比 即：γ=s/U（m） 在直径为 d 的圆形管道中，风流的水力半径为： γ=（πd2 /4）/（πd）=d/4， m （3-2） 将（3-2）代入（3-1）得非圆形巷道风流雷诺数的计算式： Re=4VS/（uυ） （3-3） 式中：S-巷道的断面 m2 U-巷道的周界 m 将（3-2）代入（3-4）得： hfr=（λUγLV2）/8gs=（λUρLV2）/8s Pa （3-5） 因为矿井重率 γ 或密度 ρ 变化不大，而对于尺寸和支护已定型的井巷， 其壁面的相对光滑度是定数。即 λ=常数 令 α=（λγ）/8g=（λρ）/8 N.S2 /m4 或 Kg/m3 称为摩擦阻力系数 （3-6） 完全紊流状态下，α 只受 λ，γ 或 ρ 的影响。若定型井巷 α 只与 γ 或 ρ 成 正比 则有 hfr=（αULV2）/s3 Pa （3-7） 对于定型的井巷它的 L，U，S 各项都为已知数，而 α 又只与 γ 或 ρ 成正 比，故把上式中的（αUL）/s3 项用 Rfr来表示， 即 Rfr=（αUL）/s3 NS2 /m8 或 Kg/m7 （3-8） Rfr—井巷的摩擦风阻，它反映的是井巷的特征，只受 L，U，S 和 α 的影 响：hfr=Rfr.Q2 （Pa） 此即风流在完全紊流状态下的摩擦阻力定律，当摩擦风阻一定时，摩擦 阻力和风量的平方成正比。 三、层流状态下的摩擦阻力定律 在层流状态下：λ=64/Re。将 λ 以及（3-2）、（3-3）式代入（3-4）时，得： 2 2 2 2 2 2 s v Lu V gs vrLu V hfr = = 用 V=Q/s 代如上式，则： 3 2 3 2 2 2 s v Lu Q gs vrLu Q hfr = = （3-10） 表示 2vr/g=2vρ NS/m2 或 kg/（s.m） α—层流状态下的摩擦阻力系数。 所以有 3 2 s LU h Q fr = 用 3 2 s LU R fr = Rfr叫层流状态下的摩擦风阻。 则 hfr = RfrQ 即风流在层流状态下的摩擦阻力定律，当 Rfr 一定时，hfr
与Q的一次方成正比四、摩擦阻力的计算进行矿井通风设计时，需要计算完全紊流状态下井巷的摩擦阻力。即根据你所设计的井巷长度、周界、井断面积、支护方式和要求通过的风量，以及其中有无提升运输设备等进行计算。α值在不同情况时可查表求出，再根据h,=aLUg或h，=R,O"计算出来。S3例如：某设计巷道的木桩直径d=16mm，纵口径4=4，净断面s=4m2，周界=8m，长度1=300m，计划通过的风量Q=1440m/minm，则α可用表3-3查出，由d和4可查出α=161.7×10-再根据s=4，查表校正系数为0.93αlU=0.562Ns-/m8所以-0.0170.9-001N/mR号hf=R,Q2=0.5625*（1440/60）2=324Pa投产后，若巷道内实际密度为p=1.26kg/m，则摩擦阻力系数变为α=gx。=0.01575NS2/m8pR,l-×Re=0.05906NS$ /mph,'- ×hn = 340.2Pa五、降低摩擦阻力的措施降低矿井通风阻力，无论对安全和经济都有重要意义.由于摩擦阻力式矿并通风阻力的主要组成部分，因此以降低摩擦阻力为重点Apha=aLug?入只决定与管壁的光滑度α==s381、降低摩擦阻力系数a）选择摩擦阻力较小的支护方式b）尽可能使井巷平整光滑2、扩大巷道断面因hαs25即断面的扩大，会使摩擦阻力显著减少，在改造通风困难的矿井时，几乎都要选用这种措施，但在进行设计时，要根据使用年限，井掘费、维护费和通电费等因素，综合分析，选取最合适的经济断面。3、选用周界较小的井巷：在断面相同的情况下以圆形断面的周长最小，拱形次之，梯形最大。故井筒采用圆形断面，主要巷道采用拱形断面，服务时间短的巷道可采用梯形。4、减小巷道的长度：进行通风系统设计时在满足开采需要的情况下，要尽可能缩短风路的长度。5、避免巷道内风量过大：hrαcQ，因此，若巷道内风量过大，就会使巷道内摩擦阻力大大增加，应尽可能实矿井的总进风早分开，并可能使矿井的总回风晚闭合。第三节局部阻力
与 Q 的一次方成正比 四、摩擦阻力的计算 进行矿井通风设计时，需要计算完全紊流状态下井巷的摩擦阻力。即根 据你所设计的井巷长度、周界、井断面积、支护方式和要求通过的风量，以 及其中有无提升运输设备等进行计算。α 值在不同情况时可查表求出，再根 据 3 2 s LUQ hfr = 或 2 hfr = RfrQ 计算出来。 例如：某设计巷道的木桩直径 d=16mm，纵口径⊿=4，净断面 s=4m2，周 界=8m，长度 l=300m，计划通过的风量 Q=1440m3 /minm，则 α 可用表 3-3 查 出，由 d 和⊿可查出 α＇=161.7×１０-４再根据ｓ＝４，查表校正系数为０.93. 所以 α=0.01617*0.93=0.015Ns2 /m2 = = 3 S lU Rfr 0.562 Ns2 /m8 2 hfr = RfrQ =0.5625*（1440/60）2 =324Pa 投产后，若巷道内实际密度为 ρ＇=1.26kg/m3，则摩擦阻力系数变为 ' = ' =0.01575NS2/m8 2 8 0.05906 / ' Rfr ' = Rfr = NS m hfr hfr 340.2Pa ' ' = = 五、降低摩擦阻力的措施 降低矿井通风阻力，无论对安全和经济都有重要意义.由于摩擦阻力式矿 井通风阻力的主要组成部分，因此以降低摩擦阻力为重点 3 2 s LUQ hfr = 8 = λ 只决定与管壁的光滑度. 1、降低摩擦阻力系数 a）选择摩擦阻力较小的支护方式 b）尽可能使井巷平整光滑 2、扩大巷道断面 因 2.5 h s fr 即断面的扩大，会使摩擦阻力显著减少，在改造通风困难的 矿井时，几乎都要选用这种措施，但在进行设计时，要根据使用年限，井掘 费、维护费和通电费等因素，综合分析，选取最合适的经济断面。 3、选用周界较小的井巷：在断面相同的情况下以圆形断面的周长最小， 拱形次之，梯形最大。故井筒采用圆形断面，主要巷道采用拱形断面，服务 时间短的巷道可采用梯形。 4、减小巷道的长度：进行通风系统设计时在满足开采需要的情况下，要 尽可能缩短风路的长度。 5、避免巷道内风量过大： 2 hfr Q ，因此，若巷道内风量过大，就会 使巷道内摩擦阻力大大增加，应尽可能实矿井的总进风早分开，并可能使矿 井的总回风晚闭合。 第三节 局部阻力
一、意义风流在井巷的局部地点，由于速度和方向突然发生变化，导致风流本身产生剧烈的冲击，形成极为紊乱的我流，因而在该局部地点产生一种附加的阻力，称为局部阻力。井下产生局部阻力的地点：拐弯、分叉和汇合处、断面变化处、进风井口何处风井口。二、局部阻力定律在完全紊流的状态下，不论是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，都和局部阻力的地点的前面或后面断面上的速压hui或hvi成正比（图3-4）。图3-4Epy2PV2h=5h=5,h2=9(Pa)5222式中Vi、V2一分别是局部地点前后断面的平均风速，m/s2一局部阻力系数，无因次，与形状和尺寸有关。p一局部地点的空气密度。若通过局部地点的风量为O，断面积分别为St、S2（m2）则有：Vi=Q/siV2=Q/S2代如上式：=令R元元则 her=Rer-Q2(Pa)h.=125=522525?此实际是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。三、局部阻力的计算方法在一般情况下，由于井巷内风流的速压较小，所以产生的局部阻力也较小，并下各处的局部阻力之和只占矿并总阻力的10%～20%左右，因此在进行通风设计工作中不一一计算，只在这两个百分数范围内估计一个数，但对掘进通风用的风量大的井巷要逐一计算计算时，先根据局部特点的特征，从表3-16和表3-17查出局部阻力系数的近似值，然后用图表中制定的相应风速进行计算。各种卷道突然扩大与突然缩小的值（光滑管道）表3-165:/5,10.90.80,70.6I0.50.0+010.010.00.090,25“0,0510,100.1510.30
一、意义 风流在井巷的局部地点，由于速度和方向突然发生变化，导致风流本身 产生剧烈的冲击，形成极为紊乱的我流，因而在该局部地点产生一种附加的 阻力，称为局部阻力。 井下产生局部阻力的地点：拐弯、分叉和汇合处、断面变化处、进风井 口何处风井口。 二、局部阻力定律 在完全紊流的状态下，不论是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，都和局部阻力的地点的前面或后面断面上的速压 hui 或 hvi 成正比（图 3-4）。 2 2 2 2 2 2 1 1 1 2 2 1 v v her hv hv = = = = （Pa） 式中 V1、V2—分别是局部地点前后断面的平均风速，m/s ξ1ξ2—局部阻力系数，无因次，与形状和尺寸有关。 ρ—局部地点的空气密度。 若通过局部地点的风量为 Q，断面积分别为 S1、S2（m2）则有： V1=Q/s1 V2=Q/S2 代如上式： 2 2 2 2 2 1 2 1 2 2s Q s Q her = = 令 2 2 2 2 1 1 2s 2s Rer = = 则 her=Rer·Q2 （Pa） 此实际是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。 三、局部阻力的计算方法 在一般情况下，由于井巷内风流的速压较小，所以产生的局部阻力也较 小，井下各处的局部阻力之和只占矿井总阻力的 10%～20%左右，因此在进 行通风设计工作中不一一计算，只在这两个百分数范围内估计一个数，但对 掘进通风用的风量大的井巷要逐一计算计算时，先根据局部特点的特征，从 表 3-16 和表 3-17 查出局部阻力系数的近似值，然后用图表中制定的相应风速 进行计算
从表3-16可以看出，在局部地点小断面Si和大断面S2的比值相同时，突然缩小比突然扩大的局部阻力要小，这是因为风流突然缩小时，所产生的冲击现象没有风流突然扩大时那样急剧。例：已知，进风井内V=8m/s，井口密度p=1.2kg/m3井口的净断面积S=12.6m2求该井口的局部阻力和局部风阻。解：由表3-17可以看出，当井口风流突然收缩使局部阻力系数为0.6，则：.vp.82×1.22 =23.04Pa=0.6×h.=221.2NS2/m8R=SP=0.002268=0.6x2×12.62252若上述时出风井口，则=1.0。1.21x1.2=0.003779NS?/mh=1x82×=38.4PaRer'22×12.62其它几种局部阻力的值（光滑管道）表3-17<-EYVR-0.1D1-b,R:=-6.Rt-+b,0.75有号版0.20.61R1-b.0,20.10.6无导风板1.6R：-b,0.52-16,03WEF131FV111,51.52.01.03.6,当S2 -5s,1.0当风速为V时当风速为Y1时当风速为V：时当V1=V，时Va=V时四、降低局部阻力的措施heαV2或Q2，对于风速高，放大的井巷，更要注意。1、要尽可能避免断面的突然扩大或突然缩小。2、尽可能避免拐90°的弯，在拐弯处的内侧和外侧要做成斜面和圆弧形，拐弯的曲线半径尽可能的大，还可设置导风板。3、尽可能避免突然分叉和突然汇合，在分叉和汇合处的内侧要做成斜面或圆弧形。4、对风速大的风筒，要悬挂平直，拐弯时曲率半径尽可能加大。5、在主要巷道内不得随意停放车辆和材料。6、把正对风流的固定物体做成流线形。第四节通风阻力定律和特征一、通风阻力定律通风阻力定律就是摩擦阻力定律和局部阻力的综合，是通风阻力、风阻和风量三参数相互依存的规律。1、在完全紊流的状态下，通风阻力定律h=RQ2，即h和R的一次方成正比，和Q的平方成正比。若某一井巷通过一定风量，同时产生摩擦阻力和局部阻力，则h和R分
从表 3-16 可以看出，在局部地点小断面 S1 和大断面 S2 的比值相同时， 突然缩小比突然扩大的局部阻力要小，这是因为风流突然缩小时，所产生的 冲击现象没有风流突然扩大时那样急剧。 例：已知，进风井内 V=8m/s，井口密度 ρ=1.2kg/m3 井口的净断面积 s=12.6m2 求该井口的局部阻力和局部风阻。 解：由表 3-17 可以看出，当井口风流突然收缩使局部阻力系数为 0.6， 则： 23.04 2 8 1.2 0.6 2 2 2 = = = V her Pa 0.002268 2 12.6 1.2 0.6 2 2 2 = = = S Rer NS2 /m8 若上述时出风井口，则 ξ=1.0。 her 38.4Pa 2 1.2 ' 1 8 2 = = 0.003779 2 12.6 1 1.2 ' 2 = Rer = NS2 /m8 四、降低局部阻力的措施 2 2 her V 或Q ，对于风速高，放大的井巷，更要注意。 1、要尽可能避免断面的突然扩大或突然缩小。 2、尽可能避免拐 90º的弯，在拐弯处的内侧和外侧要做成斜面和圆弧形， 拐弯的曲线半径尽可能的大，还可设置导风板。 3、尽可能避免突然分叉和突然汇合，在分叉和汇合处的内侧要做成斜面 或圆弧形。 4、对风速大的风筒，要悬挂平直，拐弯时曲率半径尽可能加大。 5、在主要巷道内不得随意停放车辆和材料。 6、把正对风流的固定物体做成流线形。 第四节 通风阻力定律和特征 一、通风阻力定律 通风阻力定律就是摩擦阻力定律和局部阻力的综合，是通风阻力、风阻 和风量三参数相互依存的规律。 1、在完全紊流的状态下，通风阻力定律 h=RQ2，即 h 和 R 的一次方成 正比，和 Q 的平方成正比。 若某一井巷通过一定风量，同时产生摩擦阻力和局部阻力，则 h 和 R 分