第二章--风流性质和能量方程

第二章矿井风流的基本性质§2—1 矿井空气的物理性质一、空气的密度指单位体积空气的质量，用ρ表示，单位：kg/m3。

ρ＝vm式中：v—空气的体积，m3；m—v体积空气的质量，kg。

由理想气态方程，对于干空气：ρ干＝3.484TP对于湿空气：ρ湿＝（3.458~3.473）TP式中：P—空气绝对大气压力，kPa；T—热力学温度，T＝（273.15＋t）K；t—空气的温度，℃。

将标准大气压力P ＝101.325 kPa，t＝0℃，φ＝0代入上式，得ρ干＝1.293 kg/m3。

将标准大气压力P ＝101.325 kPa，t＝20℃，φ＝60%代入上式，得ρ湿＝1.20 kg/m3。

二、空气的重度指单位体积空气的重力，用γ表示，单位：N/m3。

γ＝vW式中：v—空气的体积，m3；W—空气的重力，N。

将W＝mg代入上式，得γ＝ρg N/m3因此，对于干、湿空气γ干＝1.293×9.81＝12.684 （N/m3）γ湿＝1.20×9.81＝11.772 （N/m3）三、空气的比容指单位质量的空气具有的容积，用ν表示，单位：m3/kg。

ν＝V/m＝1/ρ显然，空气的比容与空气的密度互为倒数。

四、空气的比热指质量为1 kg的空气，温度升高（或降低）1℃时，所吸收（或放出）的热量，单位：k.J/kg. ℃。

五、空气的粘性指空气抗拒剪切力的性质，是空气在流动时产生阻力的内在因素。

由于空气的粘性，空气在巷道中流动时靠近巷道轴部流速快，靠近巷道边沿流速慢。

V小V大§2—2 井巷中的风速与测定一、井巷断面风速分布井巷风速指风流单位时间内流过的距离，用V表示，单位：m/s或m/min。

由于空气的粘性，空气在巷道轴部流动速率快，靠近边沿流速慢，我们所说的风速是指巷道的平均风速。

平均风速与最大风速的比值叫风速分布系数，用k速表示，即k速＝V均/V大，一般在0.7~0.9之间。

对于不同的巷道砌碹巷道：k速≈0.83；木棚支护巷道：k速≈0.73；无支护巷道：k速≈0.75。

二、风速的测定《规程》规定，矿井必须建立测风制度，每10d必须进行一次全面测风，采掘工作面和其他用风地点必须根据需要随时测风。

1、风速计测风是用风速计测定的。

按风速计的原理，可分为翼式和电子式。

按测定范围可分为高速风表（V＞10m/s）、中速风表（V＝0.5~10m/s）、低速风表（V ＝0.3~0.5m/s）和微速风表（V＜0.3m/s）。

2、风表校正由于风表制造的缺陷和使用中不断磨损，风表必须定期校正。

风表校正一般可用风表校正仪，即由仪器测出数组实际风速值并读出相应风表反映值，经计算或绘制对应曲线可得。

仪器测得的风速为：V仪＝速h2m/s真风速与表速间的关系为：V 真＝a ＋bV 表 3、测风方法与计算 ⑴测风方法由于风速在巷道断面分布的不均匀性，为了测出风速的平均值，风表不能固定在某一点上。

同时测定人员也影响实际风速。

按风表在巷道断面上移动的路线，可分为线路法和定点法（演示）。

按风表与人体的相对位置，可分为迎面法和侧身法（演示）。

⑵风速计算表速： V 表＝tn真风速： V 真＝a ＋bV 表 巷道实际风速： V 实＝k V 真 式中： n —风表读数，m ；t —测风时间，s 或min ；k —测风方法校正系数。

迎面法时，k ＝1.14；侧身法时，k ＝SS 4.0⑶风量计算Q ＝S V 实⑷测风注意事项由于风速在巷道断面上分布的不均匀性（最大风速一般为平均风速的 1.25倍），正确的测风方法是准确测算风量的前提。

使用风表测风时，应注意下列问题：①翼式风表不得反转，否则刻度盘倒转无法读数，而且易损坏风表。

且风表刻度盘那一面背着风流，测风人员能看到刻度盘；或有传动装置的一端背向风流（右手持风表，刻度盘朝上）。

②风表不能距人体太近，以免引起较大的误差。

测风人员应伸直持表手臂。

③在测风1min 内，风表在测风线路上移动要均匀，以免产生较大误差。

对于较大巷道断面，可适当延长测风时间。

④翼式风表要与风流方向垂直，尤其是在倾斜巷道测风时更应注意。

⑤在同一断面上测风次数不少于3次，每次测量的误差不应超过5%，否则应重新测量，取其平均值作为该测点测定值。

⑥使用的风表与测定的风速要相适应，否则测量结果易产生较大误差或损坏风表。

⑸对测风站的要求为了准确测定巷道中的风量，主要测风地点（如矿井总进风巷、总回风巷、各水平、各翼和各采区的进风巷和回风巷等），都要建立测风站。

测风站的设施质量标准有如下要求：①矿井总进风巷、总回风巷，每一翼或每一水平的总进风巷总回风巷等处的主要测风站长度不得小于5m，采区总进风巷、总回风巷的测风站长度不得小于4m。

②测风站前后10m内无风流分支、汇合点，巷道无拐弯、无障碍，断面无变化。

③测风站断面要规整，能准确计算出测风断面，在砌碹巷道或锚喷巷道内设测风站时，必须在巷壁涂抹一层水泥沙浆或再砌长度不少于25m 的一层碹固定断面。

两端碹壁后要用黄土填实，其长度不少于1m。

在梯形巷道内设置测风站时，必须适当加固帮顶，用背板封严，背板厚度不小于15mm，板缝之间要用黄泥涂抹，测风站两端要钉成喇叭口，两端板后要充填黄土。

④测风站要有明显标志（一般用石灰或白水泥刷浆），站内不应停留矿车，堆积杂物，作到无杂物、无积水、无淤泥等。

⑤测风站内应悬挂记录牌并记录检测结果，内容包括：巷道断面积、风速、风量、CH4和CO2浓度、空气湿度、检测时间、检测人员姓名等。

记录牌应有编号，填写要清楚、齐全、及时。

⑥采煤工作面的进、回风巷和其他不设固定测风站的巷道，必须根据采煤工作面的推进情况，选择适当的地点测风，测风点前后必须在直线段上，巷道支护良好，断面规整，前后基本一致。

⑹对测风员的要求测风是一项技术性很强的工作，应由从事井下采掘工作不少于1年，并经过专门培训，并经过考核合格的人员担任。

测风员应满足下列要求：①应了解矿井通风的基本理论，掌握《规程》有关规定和有关仪器、仪表的工作原理、正确使用方法和一般维修技术。

②熟悉矿井通风系统、通风设施和通风机工作状况，掌握矿井通风系统调整和风量分配方法，会通风阻力、等积孔、风量、通风机性能的计算，能准确绘制矿井通风系统图。

③能合理确定一般通风设施的位置，熟悉通风与安全设施等构筑物的质量标准和管理方法，能准确检查和判断分析矿井漏风及原因，并能采取合理的防治措施。

④熟悉矿井气候条件与通风的关系，掌握防瓦斯、矿尘自然发火的通风安全措施。

⑤掌握矿井瓦斯来源分析方法和矿井瓦斯等级鉴定，并能根据瓦斯平衡情况掌握应采取的通风安全措施。

⑥及时准确测风，掌握测风与风量计算方法，能准确填报各种通风报表。

⑦定期校正通风安全仪器、仪表，对本岗位的安全工作负责。

§2—3 空气的压力与测定一、空气的压力的概念 1、空气的压力通风压力指压强而言，它是研究矿井风流的运动规律的主要参数。

设底面积S （m 2）的水箱，水柱高度为Z （m ），水柱的重率 为ρ（kg/ m 3），则底部的压力P 为：P ＝SZS ＝Z ρ kg / m 2= Z ρg N / m 21N/ m 2称为1帕斯卡，用Pa 表示。

空气柱对地面的压力称大气压力。

大气压力与海拔高度、气象条件有关。

当温度为0℃时，取北纬45°海平面的大气压力为基准(即一个标准大气压)，记作P 0，则其压力值为101.325 kPa （760mmHg ），则P 0＝101.325 kPa2、空气压力的单位我国法制单位为帕斯卡，简称帕，用Pa 表示，或千帕（kPa ）或兆帕（MPa ）1Mpa ＝1000 kPa ＝106Pa此外，常用单位还有毫米水柱（mmH 2O ）、毫米汞柱（mmHg ）等，显然1mmHg ＝13.6 mmH 2O 1mmH 2O ＝1kg/m 2＝9.8Pa不同压力的换算见P282表4。

3、压力测算基准根据压力的基准不同，压力可分为绝对压力和相对压力。

⑴绝对压力以绝对真空为基准的压力，叫绝对压力，用P 表示，如P 0、P A 、P B 等。

绝对压力恒为正值。

⑵相对压力以同标高大气压力为基准测算的压力，叫相对压力，用h 表示。

如h a 、h b 等。

显然，相对压力有正负之分。

如压入式通风（正压通风）、抽出式通风（负压通风），就是根据矿井井下压力相对于地面空气压力而确定的，如图。

4、压力与能量的关系能量是物体做功的本领。

单位体积空气所具有的能量，用其做功的大小来度量，单位：N.m/m 3。

显然，空气的能量与压力具有同样的单位：N /m 2。

但是二者是完全不同的概念，二者在数值上相等，是等效表达值。

二、任一风流断面的三种压力（能量）能量分静压能、动能、位能，三种能量可用静压、动压（速压）和位压来表示。

1、静压空气对容器壁单位面积上施加的压力，称静压，用P 静表示，单位：N /m 2。

静压的特点是：压力垂直于容器壁，且各向同值。

如井巷任一断面，一般认为静压相等，且只要有空气存在，无论流动与否，都会呈现静压。

2、动压（速压）风流定向流动时呈现的压力，叫速压，用P 速（或h 速）表示，单位：N /m 2。

设1m 3的空气，质量m （kg ），流动速度为V （m/s ），其速压为：h 速＝21m V 2＝21ρV 2 N /m 2速压的特点是：速压只对与风流方向垂直或有一定角度的平面施加压力，作用方向永远与风流方向一致，即永远为正（无绝对与相对之分），其大小取决于风流速度的大小。

3、位压由于空气位置高度不同二呈现的压力，即断面对基准面上单位面积上呈现的压力。

由 E 位＝Z.m.g N.m/m 3 得 P 位＝Z.ρ.g N/m 2 4、点压力与平均压力风流断面任何一点的压力，称点压力，包括：P 静、P 位、h 速。

显然，由于风速在巷道断面的不均匀性，风流任一断面上各点的压力是不同的。

风流断面各点压力的平均值，称平均压力。

由于巷道高度（Z ）变化不大，空气密度（ρ）的变化较小，其断面压力的平均值一般按该断面的静压与平均速压之和计算。

5、通风压力与压力差井巷中风流借以流动的能量（压力），称矿井通风压力。

矿井通风的压力是矿井主要通风机（或自然风压）造成的。

风流总是从总压力大的地方流向总压力小的地方。

因此，压力差是造成风流流动的根本原因。

风流流动过程中因阻力而引起的能量损失，称压力差（或压降，或压力损失），可分为总压差、静压差、速压差、位压差。

三、压力测量 1、绝对压力测量绝对压力可用水银气压计、空盒气压计或精密气压计等测量。

（结合实物讲） 2、相对压力测量相对压力可用毕托管与“U 型”压差计、倾斜压差计、单管压差计、补偿式微压计、精密气压计等测量。

（结合实物讲）3、测压方法及相互关系⑴P 静、h 速、P 全的测量与相互关系 将气压计放置于测点可直接读出P 静；用风表测出该点的平均风速代入公式h 速＝21ρV 2可得h 速；P 全可用下式计算：P 全＝P 静＋h 速⑵h 静、h 速、h 全的测量与相互关系对于正压、负压通风，其测压布置如图。