第3章 通风阻力

转弯处做成圆滑的壁面。
第 4 节 通风阻力定律和特性
1、井巷风阻及其阻力特性
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
2、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
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。
3、井巷摩擦阻力的计算 例 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·2/m4，若通过巷通的风量为960m3/min，试求 s 其摩擦阻力?
解：
LU 2 0.018 200 8.3 960 2 h fr 3 Q ( ) 119 .5Pa 3 S 4 60


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：
4 SV Re U c S U U——巷道周界长度，m。
三心拱：S ( H 0.0867B) B
半圆拱： ( H 0.173B) B S
C——断面形状系数，梯形断面4.16；三心拱3.85；半圆拱 3.90；圆断面3.54。
的风阻与等积孔?如生产上要求将风量提高到70m3/s ，问风 阻与等积孔之值是否改变?阻力增加到多少?
解：
A 1.1917
Q 60 1.1917 1.884m2 h 1440
h 1440 R 2 2 0.4 N s 2 m8 Q 60
当井巷的规格尺寸与连接形式没有改变及采掘工作面没有移 动时，则风量的增加并不改变等积孔与风阻之值。由于风量 增加到70m3/s，故阻力增加到： h＝RQ2＝0.4×702＝1960 Pa
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：
her 1hv1 2hv 2 1
V12
2
2
V22
2
, Pa
ξ1、ξ2——局部阻力系数，无因次，Leabharlann Baidu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
璇，特别是采用锚杆支护技术时，更能有效地使α系数减小。

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。

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。
1.2 1.42 2 2 h Q 2 Q , Pa 2 2 (0.65 A) A
V2 h , Pa 2
由此得到：
A 1.1917 Q , m2 h
这就是计算矿井等积孔常用的公式。计算出矿井的风阻
和等积孔后，就可以对该矿井的通风难易程度进行评价，评 价的标准如下表：
例 已知矿井总阻力为1440Pa，风量为60m3/s，试求该矿井
第 1 节 风流的流动状态
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。
例：某巷道的断面S＝2.5m2，周界U＝6.58m，风流的ν＝ 14.4×10－6m2/s，试计算出风流开始出现紊流时的平均风速？ 解：当风流开始出现紊流时，则其Re＝2000，当完全紊流时， Re＝10000，因此：
Re U 2000 6.58 14.4 106 V 0.19m / s 4S 4 2.5 Re U 10000 6.58 14.4 106 V 0.95m / s 4S 4 2.5
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：
4、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。
3、风流的功率与电耗
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。
2、井巷摩擦阻力计算公式
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：
LUV 2
S
h fr

LU Q 2

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。

在容易发生局部阻力的地点，应尽量减少局部风阻值ξ值。 如采用斜线形或圆弧形连接断面不同的巷道。巷道转弯时，
转角β愈小愈好。

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；

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

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 (1.74 lg )2 k

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
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 R fr 3 , N s 2 m8 S 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。

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：

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
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2节摩擦阻力
1、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。
前人实验得出水流在圆管中的沿程阻力公式（达西公式）是：
式中 λ——实验比例系数，无因次；
ρ——水流的密度，kg/m3 ；
L——圆管的长度，m；
d——圆管的直径，m；
V——管内水流的平均速度，m/s。

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
3、局部阻力的计算方法
计算局部阻力时，先要根据井巷局部地点的特征，对照前人
实验查出局部阻力系数ξ，然后用其指定的相应风速V进行计
算：
V12 V22 her 1hv1 2hv 2 1 2 , Pa 2 2
4、降低局部阻力的措施
由于局部阻力是风流在局部阻力地点发生剧烈的冲击而产 生的，故降低局部阻力的措施主要是：
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。
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：
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：
第3节局部阻力
1、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。
2、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、

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；
S2(m2)，则两个断面上的平均风速为：
Vl＝Q/S1；V2＝Q/S2，m/s
代入上式：
令：
v12 her 1hv1 1 1 2 Q2 2 2 Q2 , Pa 2 2S1 2S 2
Rer 1

2 S12
2

2 S2
, N s 2 m8 2
式中Rer叫做局部风阻。由此得到：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。
中国矿业大学多媒体教学课件
Mine Ventilation and Safety
矿井通风与安全
赵才智 安全工程学院
第 3 章 矿井通风阻力
3.1 风流的流动状态 3.2 摩擦阻力 3.3 局部阻力 3.4 通风阻力定律和特性 3.5 通风阻力测量

风流流动时，必须具有一定的能量(通风压力)，用以克服
门不断改变管内水流速度，结果如图所示。

试验结果可分以下几种情况： 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

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。