安全通风学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,安全通风学,课程体系与学习方法,一、教学参考书,1.,张国枢,通风安全学,2.,王德明,矿井通风与安全,3.,黄元平,矿井通风,4.,赵以蕙,矿井通风与空气调节,5.,俞启香,矿井瓦斯防治,6.,中国矿井通风工程图集,课程体系与学习方法,二、学习方法,课程教学与实验结合,课程设计与现场实习结合,三、基础课程（流体力学、传热学）,四、考试要求,评定成绩：期末考试成绩为准,考试范围：平时的复习思考题,矿井通风科学技术的发展,1640,自然通风,1650,回风线路设置火炉（热风压）,1849,蒸汽离心式通风机,1898,电力轴流式通风机,1862,关于煤自燃的文章,1813,安全油灯检查,O,2,、,CH,4,、,CO,2,1960s,风流环境参数监测,1970s,电子计算机应用,早期的通风装置：人踩风箱鼓风,风箱,管 道,踏板,早期的通风装置：马踩轮子通风,现代化的主要通风机,第一章 矿内空气,矿井通风目的：为井下各工作地点提供足够的新鲜空气，使其中有毒有害气体、粉尘不超过规定值，并有适宜的气候条件。,矿井通风系统：主要通风机、通风网络巷道和通风构筑物组成。,矿井通风系统矿井的心脏与动脉，是保障矿井安全的最主要技术手段之一。,本章重点阐述矿内空气的主要成分、井下常见的有害气体、矿井的气候条件。,通风机,巷道,网络,通风,设施,1,.,1,矿内空气成分及其基本性质,气体成份（分子式）,体积百分比（,%,）,质量百分比,(%),氮气（,N,2,）,78.09,75.55,氧气（,O,2,）,20.95,23.13,二氧化碳（,CO,2,）,0.03,0.05,氩气，其它稀有气体,0.93,1.25,地面空气主要成分,矿内空气,地面空气进入矿井以后，其成分和性质要发生一系列变化，如氧浓度降低，二氧化碳浓度增加；混入各种有毒、有害气体和矿尘；空气的状态参数（温度、湿度、压力等）发生改变等。,一般来说，将井巷中经过用风地点以前、受污染程度较轻的进风巷道内的空气称为,新鲜空气（新风）,；经过用风地点以后、受污染程度较重的回风巷道内的空气，称为,污浊空气（乏风）,。,有毒有害气体成分,尽管矿井空气与地面空气相比，在性质上存在许多差异，但在新鲜空气中其主要成分仍然是氧、氮和二氧化碳。在污浊空气中含有大量有毒有害气体：一氧化碳（,CO,）、二氧化氮（,NO,2,）、二氧化硫（,SO,2,）、硫化氢（,H,2,S,）等。,1.1.1,氧气（,O,2,）,氧气是维持人体正常生理机能所需要的气体。人类在生命活动过程中，必须不断吸入氧气，呼出二氧化碳。人体维持正常生命过程所需的氧气量，取决于人的体质、精神状态和劳动强度等。,人体需氧量与劳动强度的关系,劳动强度,呼吸空气量,/L,min,-1,氧气消耗量,/L,min,-1,休息,0.2,0.4,轻劳动,0.6,.0,中度劳动,1.2,.6,重劳动,1.8,2.4,极重劳动,2.5,3.0,人体缺氧症状与氧浓度的关系,当空气中氧浓度降低时，人体就可能产生不良生理反应，出现种种不适症状，严重时可能导致缺氧死亡。,氧浓度（体积）,/,%,主要症状,17,静止时无影响，工作时能引起喘息和呼吸困难,15,呼吸及心跳急促，耳鸣目眩，感觉和判断能力降低，失去劳动能力,10,12,失去理智，时间稍长有生命危险,6,9,失去知觉，呼吸停止，如有及时抢救几分钟内可能导致死亡,矿内空气中氧浓度降低的主要原因,人员呼吸,煤岩和其他有机物的缓慢氧化,煤炭自燃,瓦斯、煤尘爆炸,煤岩和生产过程中产生的各种有害气体,在井下通风不良的地点，如果不经检查而贸然进入，就可能引起人员的缺氧窒息。,煤矿安全规程规定，矿内采掘工作面的进风流中氧含量不得低于,20%,。,1.1.2,氮气（,N,2,）,氮气是一种惰性气体，是新鲜空气中的主要成分，它本身无毒、不助燃，也不供呼吸。但空气中若氮气浓度升高，则势必造成氧浓度相对降低，从而也可能导致人员的窒息性伤害。正因为氮气为惰性气体，因此又可将其用于井下防灭火和防止瓦斯爆炸。,矿井空气中氮气主要来源是：井下爆破和生物的腐烂，有些煤岩层中也有氮气涌出。,1.1.3,二氧化碳（,CO,2,）,二氧化碳是无色，略带酸臭味的气体，,比重为,1.52,，很难与空气 均匀混合，故常积存在巷道的底部，在静止的空气中有明显的分界。二氧化碳不助然也不能供人呼吸，易溶于水，生成碳酸，使水溶液成弱酸性，对眼、鼻、喉粘膜有刺激作用。在新鲜空气中含有微量的二氧化碳对人体是无害的，但如果空气中完全不含有二氧化碳，则人体的正常呼吸功能就不能维持。,二氧化碳对人呼吸的影响,在抢救遇难者进行人工输氧时，往往要在氧气中加入,5%,的二氧化碳，以刺激遇难者的呼吸机能。,当空气中二氧化碳的浓度过高时，也将使空气中的氧浓度相对降低，轻则使人呼吸加快，呼吸量增加，严重时也可能造成人员中毒或窒息。,二氧化碳中毒症状与浓度的关系,二氧化碳浓度（体积）,/,%,主 要 症 状,1,呼吸加深，但对工作效率无明显影响,3,呼吸急促，心跳加快，头痛，人体很快疲劳,2,呼吸困难，头痛，恶心，呕吐，耳鸣,6,严重喘息，极度虚弱无力,7,9,动作不协调，大约十分钟可发生昏迷,9,11,数分钟内可导致死亡,矿内二氧化碳的主要来源,矿井空气中二氧化碳的主要来源是：煤和有机物的氧化；人员呼吸；碳酸性岩石分解；炸药爆破；煤炭自然；瓦斯、煤尘爆炸等。此外，有的煤层和岩层中也能长期连续地放出二氧化碳，有的甚至能与煤岩粉一起突然大量喷出，给矿井带来极大的危害。,规程规定：进风流中二氧化碳不超过,0.5%,；总回风流中，二氧化碳不超过,1%。,1.1.4,一氧化碳（,CO,）,CO,是一种无色、无味、无臭的气体，相对对密度为,0.97,，微溶于水，能与空气均匀地混合。,CO,能燃烧，浓度在,13,75%,时有爆炸的危险；,CO,与人体血液中血红素的亲合力比氧大,150,300,倍（血红素是人体血液中携带氧气和排出二氧化碳的细胞）。一旦,CO,进入人体后，首先就与血液中的血红素相结合，因而减少了血红素与氧结合的机会，使血红素失去输氧的功能，从而造成人体血液“窒息”。,HbCO,指数,CO,随空气吸入后，通过肺泡进入,血液,循环，与,血液,中的血红蛋白（,Hb）,和,血液,外的其他某些含铁蛋白质（如肌红蛋白、二价铁的细胞素等）形成可逆性的结合。由于其与血红蛋白的亲和力要比氧与血红蛋白的亲和力大240倍，故把,血液,内氧合血红蛋白中的氧排挤出来，而形成碳氧血红蛋白（,HbCO,）；,又由于碳氧血红蛋白的离解比氧合血红蛋白（,HbO2）,的离解慢3600倍，故,HbCO,较之,HbO2,更为稳定。,毒理和临床表现,一氧化碳（,CO）,CO+Hb HbCO,亲和力,HbCO HbO,2,300,倍,解离速度,HbCO HbO,2,3600,倍,毒理和临床表现,（1）,CO,所致组织缺氧及其程度取决于以下因素:,HbCO,饱和度：空气中,CO,浓度愈高，肺泡气中,CO,分压愈大，血液中,HbCO,饱和度愈高。,吸入空气中氧和,CO,分压：吸入高氧分压气体，可加速,HbCO,解离和,CO,排出。,每分钟肺通气量：劳动量大、空气和血液中,CO,达到平衡的时间缩短。,HbCO,动脉血氧量对缺氧最敏感的中枢神经系统能量供应障碍，使大脑和基底神经节，尤其是苍白球和黑质发生变性、软化或坏死，出现中枢神经系统损害。,毒理和临床表现,（2）急性中毒临床表现,主要为中枢神经、心血管以及血液系统方面症状，如剧烈头痛、头昏、恶心、呕吐；短暂昏厥、不同程度意识障碍或昏迷，皮肤粘膜呈樱桃红色。,重者并发脑水肿、休克或严重心肌损害、呼吸衰竭。出现以锥体系或锥体外系症状精神意识障碍为主要表现的,CO,神经精神后发症或迟发脑病。,CO,中毒症状与浓度的关系,CO,（,%,）,主 要 症 状,0.02,2,3,小时内可能引起轻微头痛,0.08,40,分钟内出现头痛,眩晕和恶心。,2,小时内发生体温和血压下降，脉搏微弱，出冷汗，可能出现昏迷,0.32,5,10,分钟内出现头痛，眩晕。半小时内可能出现昏迷并有死亡危险。,1.28,几分钟内出现昏迷和死亡。,一氧化碳对人的生理作用,矿内,CO,的来源与允许浓度,空气中一氧化碳的主要来源有：井下爆破；矿井火灾；煤炭自然以及煤尘、瓦斯爆炸事故等。,规程规定,:,矿内空气中,CO,浓度不得超过,0.0024%,。,1.1.5,二氧化硫,(SO,2,),SO,2,是一种无色,有强烈硫磺味的气体，易溶于水，在风速较小时，易积聚于巷道的底部。对眼睛有强烈刺激作用。,SO,2,与水后生成都市硫酸,对呼吸器官有腐蚀作用，使用喉咙和支气管发炎，呼吸麻痹,严重时引起肺病水肿，当空气中含二氧化硫为,0.0005%,时，嗅觉器官能闻到刺激味。,0.002%,时，有强烈的刺激，可引起头痛和喉痛。,0.05%,时，引起急性支气管炎和肺水肿，短期间内即死亡。,规程规定：空气中二氧化硫含量不得超过,0.0005%,。,1.1.6,二氧化氮,(NO,2,),二氧化氮是一种褐红色的气体，有强烈的刺激气味，相对密度为,1.59,，易溶于水。,二氧化氮溶于水后生成腐蚀性很强的硝酸，对眼睛、呼吸道粘膜和肺部组织有强烈的刺激及腐蚀作用，严重时可引起肺水肿。二氧化氮中毒有潜伏期，有的在严重中毒时尚无明显感觉，还可坚持工作。但经过,6,24,小时后发作，中毒者指头出现黄色斑点，并出现严重的咳嗽、头痛、呕吐甚至死亡。,二氧化氮中毒症状与浓度的关系,二氧化氮,（体积）,/%,主 要 症 状,0.004,2,4,小时内可出现咳嗽症状。,0.006,短时间内感到喉咙刺激，咳嗽，胸疼。,0.01,短时间内出现严重中毒症状，神经麻痹，严惩咳嗽，恶心，呕吐。,0.025,短时间内可能出现死亡。,二氧化氮的来源与允许浓度,矿内空气中二氧化氮的主要来源：井下爆破工作。,规程规定氮氧化合物不得超过,0.00025%,。,1.1.7,硫化氢（,H,2,S,）,硫化氢无色、微甜、有浓烈的臭鸡蛋味，当空气中浓度达到,0.0001%,即可嗅到。硫化氢相对密度为,1.19,，易溶于水，在常温、常压下一个体积的水可溶解,2.5,个体积的硫化氢，可能积存于旧巷积水中。空气中硫化氢浓度为,4.3%,45.5%,时有爆炸危险。,硫化氢剧毒，有强烈的刺激作用。当空气中硫化氢浓度较低时主要以腐蚀刺激作用为主；浓度较高时能引起人体迅速昏迷或死亡。,规程规定硫化氢的允许浓度为0.00066%。,2003年12月,23,日22时左右，重庆市开县高桥镇的川东北气矿16,H,井发生特大井喷事故，造成243人死亡。,1.1.8,氨气（,NH,3,）,氨气是一种无色、有浓烈臭味的气体，比重为,0.596,，易溶于水，空气浓度中达,30%,时有爆炸危险。,氨气对皮肤和呼吸道粘膜有刺激作用，可引起喉头水肿。,矿内空气中氨气的主要来源：爆破工作，用水灭火等；部分岩层中也有氨气涌出。,规程允许浓度为0.004%。,1.1.9,氢气（,H,2,）,氢气无色、无味、无毒，相对密度为,0.07,。氢气能自燃，其点燃温度比甲烷低,100,200,，当空气中氢气浓度为,4%,74%,时有爆炸危险。,井下空气中氢气的主要来源：井下蓄电池充电时可放出氢气；有些中等变质的煤层中也有氢气涌出。,1,.2 矿内气候条件,1.2.1,矿内空气温度,矿内空气温度是影响矿内气候条件的重要因素。气温过高或过低，对人体都有不良的影响。最适宜的矿内空气温度是,15,20,。,1,影响矿内空气温度的主要因素,1,）岩石温度,岩层温度的三带,（,1,）变温带：随地面气温的变化而变化的地带；,（,2,）恒温带：地表下地温常年不变的地带；,（,3,）增温带：恒温带以下地带；,不同深度处的岩层温度可按式计算：,tt,0,+G(ZZ,0,),式中,t,0,恒温带处岩层的温度，；,G,地温梯度，即岩层温度随深度变化率，/,m，,常用百米地温梯度，即/100,m；,Z,岩层的深度；,Z,0,恒温带的深度。,影响矿内空气温度的主要因素,2,）空气,的压缩与膨胀,空气向下流动时，空气受压缩产生热量，一般垂深每增加,100,米，温度升高,1,；相反，空气向上流动时，则因膨胀而降温，平均每升高,100,米，温度下降,0.8,0.9,。,3）氧化生热 矿井内的有机矿物、坑木、充填材料、油垢、布料等都能氧化发热。例如，经氧化生成,2g,二氧化碳时，可使,1 m3,空气升温,14.5,。在煤层中的采掘巷道，暴露煤面氧化产生的热量较大，故回采工作面是通风系统中温度最高的区段。,影响矿内空气温度的主要因素,4,）,水分蒸发 水分蒸发时从空气中吸收热量，使空气温度降低。每蒸发一克水可吸收,0.585,千卡的热量，能使,1 m,3,空气降温,1.9,，可见水的蒸发对降低气温起着重要的作用。,5）通风强度,(,指单位时间进入井巷的风量,),，温度较低的空气流经巷道或工作面时，能够吸收热量，供风量越大，吸收热量越多。因此，加大通风强度是降低矿井温度的主要措施之一。,影响矿内空气温度的主要因素,6),地面空气温度的变化 地面气温对井下气温有直接影响，尤其是较浅的矿井，矿内空气温度受地面气温的影响更为显著。,7),地下水的作用 矿井地层中如果有高温热泉，或有热水涌出时，能使地温升高，相反，若地下水活动强烈，则地温降低。,),其它因素 如机械运转以及人体散热等都对井下气温有一定影响。特别是随着机械化程度的不断提高，机械运转所产生的热量不能忽视。,2,矿内空气温度的变化规律,在进风路线上矿内空气的温度与地面气温相比，有,冬暖夏凉,的现象。回采工作面的气温在整个风流路线上，一般是最高的区段。在回风路线上，因通风强度大，水分蒸发吸热，气流向上流动而膨胀降温，使气温略有下降，但基本上常年变化不大。,1.2.2,矿内空气的湿度,矿内空气湿度,是指矿内空气中所含水蒸汽量。,绝对湿度,指每,1m,3,或,1kg,的湿空气中所含水蒸汽量的克数。,相对湿度,指湿空气中实际含有水蒸汽量与同温度下的饱和水蒸汽量之比的百分数,式中,w,空气中所含水蒸汽量,(,即绝对湿度,),，,g/m,3,；,s,在同一温度下空气中的饱和水蒸汽量，,g/m,3,。空气中饱和水蒸汽量的大小取决于空气的温度。,井下空气湿度的变化规律,进风线路有可能出现,冬干夏湿,的现象。进风井巷有淋水的情况除外。在采掘工作面和回风线路上，气温长年不变，湿度也长年不变，一般都接近,100,，随着矿井排出的污风，每昼夜可从矿井内带走数吨甚至上百吨的地下水。,1.3,矿内空气的热物理参数,1.3.1,空气的密度、比容,单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用符号,表示。空气可以看作是均质气体，故：,式中,M,空气的质量，,kg,V,空气的体积，,m,3,；,空气的密度，,kg,m,3,；,当空气的温度和压力改变时，其体积会发生变化。所以空气密度是随温度、压力而变化的，从而得出空气的密度是空间点坐标和时间的函数。如在大气压,P,0,为,101325Pa,，气温为,0,（,273.15K,）时，干空气密度,0,为,1.293 kg,m,3,。,湿空气的密度是,1 m,3,空气中所含干空气质量和水蒸气质量之和：,式中，,d,1m,3,湿空气中干空气的质量，,kg,；,v,1m,3,湿空气中水蒸气的质量，,kg,。,由气体状态方程和道尔顿分压定律可以得出湿空气的密度计算公式：,式中，,P,空气的压力，,Pa,；,t,空气的温度，,；,Ps,温度,t,时饱和水蒸气的分压，,Pa,；,相对湿度，用数表示。,空气的比容是指单位质量空气所占有的体积，用符号,(m,3,kg),表示，比容和密度互为倒数，它们是一个状态参数的两种表达方式。则：,1.3.2,空气的比热、内能、焓,比热,单位物量的物质在单位温度变化时所吸收或放出的热量称为比热。,定义式为：,比热的单位取决于热量单位和物量单位。表示物量的单位不同，比热的单位也不同。通常采用的物量单位：质量,(kg),、标准容积,(N,m,3,),和千摩尔,(kmo1),。因此，相应的就有质量比热、容积比热和摩尔比热之分。,空气的内能,气体的内能是指气体内部分子热运动的动能和由分子间相互吸引力所产生的位能的总和。,井下空气可视为理想气体，而理想气体是没有分子间相互吸引力的气体。因此气体分子的内能决定于气体的绝对温度,T，,即,u,f,（,T,）,焓,焓是一个组合的状态参数，表示气体热力状态的总能量。单位质量物质的焓称为比焓（有时也将比焓简称为焓），即有,1.3.3,空气的粘性,当流体层间发生相对运动时，在流体内部两个流体层的接触面上，便产生粘性阻力,(,内摩擦力,),以阻止相对运动，流体具有的这一性质，称作流体的粘性。,由牛顿内摩擦定律得：,式中，,F-,内摩擦力，,N,；,S,-,流层之间的接触面积，,m,2,；,-,动力粘度,(,或称绝对粘度,),，,Pa,.,s,。,当流体处于静止状态或流层间无相对运动时，,du,dy=0,，则,F,=0,。矿井通风中常用运动粘度，用符号,(,m,2,s),表示：,1.4,矿内空气的热力变化过程,矿井空气热力学和自然风压计算等课题都要求对井下空气的状态变化给予具体分析。,1.4.1,等容过程,就是在比容保持不变的情况下所进行的热力变化过程。当,v=,常数，由气体状态方程可知：,上式表明：等容过程是,v,不变而绝对压力和绝对温度成正比变化的过程。,因,v,不变，即,dv=0,，则,Pdv=0,热力学第一定律得：,上式表明：在这个过程中，空气不对外做功，空气所吸收或放出的热量等于内能的增加或减少。,因 不变，空气密度,也不变，则通风常用的积分式的变化,(,即压能变化,),为：,1.4.2,等压过程,当,P=,常数时，则,v/T=R/P=,常数。表明等压过程是,P,不变而,v,和,T,成正比变化的过程。,对外界作功为,热量变化为：,上式表明：在此过程中，空气所吸收或放出的热量等于空气焓的增加或减少。,因 ，故压能变化为：,1.4.3,等温过程,当,T=,常数时，则 表明等温过程是,T,不变而,P,和,v,成反比变化的过程。因,则对外作功为：,因,T,不变，则内能,u,不变，故热量变化为：,上式表明：在此过程中，空气从外界获得的热量，等于空气对外界作出的功；或者说空气向外界放出的热量，等于空气从外界获得的功。因,故压能变化为：,1.4.4,绝热过程,绝热过程是空气和外界没有热量交换的情况下,dp,=0,，所进行的膨胀或压缩的过程，空气的,T,、,v,都发生变化，而且变化规律很复杂。前人分析得出：在此过程中空气对外界作出的功等于空气内能的减少；空气从外界获得的功等于空气内能的增加。其状态变化规律为：,式中,k,绝热指数，对于空气，,k,=1.41,则压能变化为：,1.4.5,多变过程,这是多种变化过程，这个过程的状态变化规律为,:,式中,n,多变指数，不同的,n,值决定不同的状态,变化规律，描述不同的变化过程；,例如，当,n=0,时，,P=,常数，表示等压过程；,n=1,时，,Pv=,常数，表示等温过程；,n=K,时，,Pv,k,=,常数，表示绝热过程；,n=,时，,v=,常数，表示等容过程。,因，则压能变化为：,1.5,实际气体的状态方程,实验证明：只有在低压下，气体的性质才近似符合理想气体状态方程式，在高压低温下，任何气体对此方程都出现明显的偏差，而且压力愈大，偏离愈多。实际气体的这种偏离，通常采用与,RT,的比值来说明这个比值称为压缩因子，以符号,Z,表示，定义式为：,显然，理想气体的,Z,1,，实际气体的,Z,一般不等于,1,，而是,Z1,或,Z1,。,Z,值偏离,1,的大小，是实际气体对理想气体性质偏离程度的一个度量。,复习思考题,1-1,地面空气的主要成分是什么,?,矿井空气与地面空气有何区别？,1-2,氧气有哪些性质,?,造成矿井空气中氧浓度减少的主要原因有娜些？,1-3,矿井空气中常见的有害气体有哪些,?,规程,对矿井空气中有害气体的最高容许浓度有哪些具体现定？,1-4 CO,有哪些性质,?,试说明,CO,对人体的危害以及矿井空气中,CO,的主要来源。,1-5,什么是矿井气候,?,简述井下空气温度的变化规律。,1-6,简述风速对矿内气候的影响。,1-7,简述湿度的表示方式以及矿内湿度的变化规律。,1-8,某矿井冬季总进风流的温度为,5,，相对湿度为,70%,，矿井总回风流的温度为,20,，相对湿度为,90%,，矿井总进、总回风量平均为,2500 m,3,/min,。试求风流在全天之内从井下带走多少水分？（已知总进、回空气的饱和湿度为,4.76,和,15.48 g/m,3,）,1-9,某矿一采煤工作面,C02,的绝对涌出量为,7.56 m,3,/min,，当供风量为,850 m,3,/min,时，问该工作面回风流中,CO,2,浓度为多少,?,能否进行正常工作。,1-10,井下空气中，按体积计,CO,浓度不超过,0.0024%,试将体积浓度,(%),换算为,0,压力为,101325 Pa,状态的质量浓度,(mg/m,3,),。,第二章 矿内空气动力学基础,2.1,流体的概念,流体是一种受任何微小剪切力作用时都能连续变形的物质。流体可分为液体和气体。,气体的分子距很大，分子间的吸引力很小，因而，气体极易变形和流动，总是充满它所能够达到的全部空间。,液体的分子距较小，分子间的吸引力较大，因此流动性不如气体。一定质量的液体具有一定的体积，并取容器的形状，但不能够充满全部空间。,流体具有流动性，两层流体以一定速度作相对运动时，在两层的交界面上就要产生内摩擦力，又叫粘滞力。,一般来说，流体是可以压缩的，当压力改变时其体积就要改变，因而密度也随之必变。,既没有内摩擦又没有压缩性的流体，叫做理想流体。,理想流体,2.2,风流压力与能量,一、压力,压力,（,N/m,2,，,Pa,，,J/m,3,）,压头,：如果将密度为,的某液体注入到一个断面为,A,的垂直的管中，当液体的高度为,h,时,，,液体的体积为：,V=hA m,3,根据密度的定义，这时液体的质量为：,mass=V,=hA,kg,液体的重力为：,F=hA,g N,根据压力的定义,有,P=F/A=,gh N/m,2,or Pa,因此，如果液体的密度已知，,h,就可代表压力,_,点压力：静压、全压、速压,相对压力、绝对压力、大气压力,绝对压力,相对压力,大气压力,二、风流能量,风流任一断面上能量（机械能）由三部分组成,:,热能,位能,动能,在通风测量中以压力的形式出现，这三部分能量分别表示为静压，位压和动压。,1,、静压能（流动功,）,如图所示，有一两端开口的水平管道，断面为,A,，在其中放入一其体积为,v,质量为,m,的单元流体，即使不考虑磨擦阻力，由于管道中存在压力,P,，流体的运动受阻，因此必须施加一个力,F,克服阻力。当力,F,使流体移动一段距离后，就做了功。,2,、动能,对一个质量为,m,静止的物体，施加一个恒定的力,F,，在,t,时间内加速到,u,，由于是匀加速，其平均速度为：,(0+u)/2=u/2 m/s,移动的距离为：,L=(u/2)t m,加速度为：,a=u/t=u/t m/s,2,施加的力为：,F=m,a=mu/t,N,从静止到速度为,u,，,F,做功为：,W,d,=E,v,=F,L,=(mu/t),(u/2),t,=mu,2,/2,J,E,v,就是质量为,m,的流体所具有的动能,.,3,、位能,(,势能,),任何标高都可用作位能的基点。在矿井中，不同的地点标高不同，则位能不一样。,质量为,m,的物体位于基点上，其势能为,0,。当对其施加一个能克服重力向上的力,F,，使其向上移动到高于基点,Z,m,，力,F,做的功为：,W,d,=F,Z,=E,p,=mgZ J,E,p,为物体在,Z,高度上的势能。,2.3,能量方程（伯努力方程）,截面,1,能量,U,1,截面,2,能量,U,2,+,损失,h,1-2,若认为流体不可压缩，则密度不变，那么单位质量流体的伯努利方程表达式为：,2.4,压力坡度线,通风压力坡度线,是对能量方程的图形描述，反映空气在流动过程中压力沿程的变化规律、通风压力呵通风阻力之间的相互关系和相互转换。,通风压力坡度线是通风管理和均压防灭火的有力工具。,压入式通风的压力分布,如图所示的压入式通风系统，能量方程为：,式中,H,s,=P,1,-P,2,通风机在风硐中所造成的相对静压；,H,n,自然风压，,Pa,由于通风机入口外,P,0,，风速等于,0,，忽略这段巷道的阻力不计时，其能量方程式为：,H,f,通风机全压，,Pa,。,能量方程为：,此式表明，通风机全压与自然风压共同作用，克服了矿井阻力，并在出风井口造成动压损失。,压入式通风的压力坡度线,压入式通风系统压力坡度图,P,0,为地表大气压，,Pa,；,抽出式通风的压力分布,如图所示的抽出式通风系统，能量方程为：,通风机入口,2,到扩散塔出口,3,的能量方程式：,因此能量方程为：,当不考虑自然风压时，在通风机的全压中，用于克服矿井阻力,h,1,、,2,那一部分，常称为通风机有效静压，以,H,s,表示：,上式说明，在抽出式通风时，通风机的有效静压，等于通风机在风硐中所造成的静压与风硐中风流动压之差，或者等于通风机的全压与扩散塔出口动压之差。,抽出式通风的压力坡度线,抽出式通风系统压力坡度图,通风机安装在井下时压力分布,如图所示辅助通风机安装在井下，在辅助通风机前后都有一段风路，前段为抽出式，出口端为压入式。,断面,1,、,2,的能量方程式：,入风井口断面,a,到通风机吸风口 断面,1,之间的能量方程式,:,通风机出风口断面,2,到排风井口断面,b,之间的能量方程式,(1),、,(2),相加有：,其中，,通风机安装在井下时压力坡度线,抽压结合式通风系统压力坡度图,由推导过程可知：无论压入式、抽出式或通风机安装在井下，用于克服矿井通风阻力和造成出风井口动压损失的通风动力，均为通风机的全压与自然风压之总和。,无论何种通风方式或安装地点有何不同，都有必要降低出风井口风流的动压损失以节省通风机能量。,复习思考题,2-1,何谓空气的静压，它是怎样产生的？说明其物理意义和单位。,2-2,何谓空气的重力位能？说明其物理意义和单位。,2-3,简述绝对压力和相对压力的概念。为什么在正压通风中断面上某点的相对全压大于相对静压，而在负压通风中断面某点的相对全压小于相对静压？,2-4,试述能量方程中各项的物理意义。,2-5,分别叙述在单位质量和单位体积流体能量方程中，风流的状态变化过程是怎样反映的？,2-6,在压入式通风的风筒中，测得风流中某点,i,的相对静压,hsi,600 Pa,，速压,h,vi,100 Pa,，已知风筒外与,i,点同标高处的压力为,100kPa,。求：（,1,）,i,点的相对全压、绝对全压和绝对静压；（,2,）将上述压力之间的关系作图表示（压力为纵坐标轴，真空为,0,点）。,2-7,在抽出式通风风筒中，测得风流中某点,i,的相对静压,1000 Pa,，速压,150 Pa,，风筒外与,i,点同标高的气压,p,101332.32 Pa,，求：（,1,）,i,点的绝对静压；（,2,）,i,点的相对全压；（,3,）,i,点的绝对全压。（,4,）将上述压力之间的关系作图表示（压力为纵坐标轴，真空为,0,点）。,2-8,用压差计和皮托管测得风筒内一点的相对全压为,300Pa,，相对静压为,240 Pa,，已知空气密度为,1.2kg/m,3,，试求,A,点的风流速度，并判断通风方式。,第三章：通风阻力,中国矿业大学,本章目录,第一节 风流的流动状态,第二节 摩擦阻力,一、摩擦阻力的意义和理论基础,二、完全紊流状态下的摩擦阻力定律,三、层流状态下的摩擦阻力定律,四、摩擦阻力的计算方法,五、降低摩擦阻力的措施,本章目录,第三节 局部阻力,一、局部阻力的概念,二、局部阻力定律,三、局部阻力的计算方法,四、降低局部阻力的措施,第四节 通风阻力定律和特性,一、通风阻力定律,二、井巷的通风特性,三、风流的功率与电耗,本章目录,第五节 通风阻力测量,一、通风阻力测量的内容与意义,二、用倾斜压差计测算井巷的风阻,三、用倾斜压差计测算井巷的摩擦阻力系数,四、用气压计测算井巷的风阻,五、测算矿井的通风总阻力和总风阻,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。,3.1,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。,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,、绝对粘性系数,，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：,式中，,运动粘性系数，,m,2,/s,。,当,Re2000,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：,式中，,U,巷道周界长度，,m,。,c,断面形状系数，梯形断面,c=4.16,；三心拱,c=3.85,；半圆拱,c=3.90,；圆断面，,c=3.54,。,例：某巷道的断面,S,2.5m,2,，周界,U,6.58m,，风流的,14.410,6,m,2,/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：,由于煤矿中大部分巷道的断面均大于,2.5m,2,，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。,3.2,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。,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,实验比例系数，无因次；,水流的密度，,kg/m,3,；,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,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速度，结果如图所示。,试验结果可分以下几种情况：,1),在,lgRe3.3(Re2320),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，,随,Re,的增加而减小，且与管道的相对粗糙度无关，这时,与,Re,的关系式为：,64/Re,2),在,3.31gReQ,，Q,0,Q,，,说明串联工作效果较好，这种情况在网路风阻,R,越大时，越显著。所以，通风机串联工作，适合于通风阻力大的通风网路。,当风阻由,R,1,降为,R,2,，,工况点为,B,时，则,h,h,而,h,0，,说明串联后的风压与单独开动通风机时的风压相等，号通风机虽在运转，但产生的风压为零。所以,B,点称为串联工作时的极限点。,当风路风阻由,R,2,降到,R,3,时，联合工作点位于极限点,B,的右侧，此时的联合风压和风量均小于通风机工单独工作时的风压和风量。显然，这时通风机串联工作是不合理的。,因此，可以得出结论，通风机串联工作，只有在由于网路风阻增大而使风量不足的情况下才能运用。,二、主扇和自然风压串联,主扇与自然风压串联工作时，其通风机风压与自然风压的关系，如下图所示。,矿井主扇的静压特性曲线为,，,矿井风阻特性曲线为,R，,在冬季，矿井自然风压帮助机械通风，其特性曲线为，由曲线和按“风量相等，风压相加”的原则，可以得到联合工作特性曲线，它与,R,曲线的交点即为联合工况点,M,0,(Q,0,、h,0,)，,而通风机的实际工作点为,M,1,(h,fs,，Q,0,)。,显然，,h,fs,h,n,h,r,，,表明通风机提供的风压,h,fs,加上自然风压,h,n,用来克服矿井通风阻力,h,r,。,若无自然风压作用时，通风机单独工作的工况点为,M,(h,0,，Q,0,)，Q,0,Q,N,，,但,Q,0,2Q,N,。,这是因为通风机并联后，使网路的总风量增加的同时，网路的总阻力也由,h,1,增为,h,，,因而使风量减小。这种现象在网路风阻增加时更为明显。,当风阻由,R,1,增加为,R,2,时，,Q,M,2Q,N,；,只有当网路风阻变为0时，通风机并联工作的总风量才等于单独运转时风量的二倍。由此得出结论：通风机并联工作效果与通风网路的风阻有关，风阻越小，效果越好；否则并联工作没有意义。,2两台型号不同的通风机并联工作 如下图图所示，、分别为两台通风机的静压特性曲线，矿井总风阻为,R，,同样根据“风压相等，风量相加”的原则，得通风机、联合工作特性曲线，它与,R,曲线的交点为,M,0,，M,0,即是并联工作时的工况点。与,M,0,对应的风量,Q,0,则为矿井总风量，通风机并联工作的静压为,h,0,，,且,h,0,h,fs1,h,fs2,。h,0,是用来克服矿井井巷通风阻力,hr,的。由,M,0,引水平线得,M,和,M,，,与,M,、M,对应的风量,Q,、Q,即为通风机和各自的排风量。,工况点,N,1,和,N,2,所对应的风量,Q,1,和,Q,2,为两通风机单独在矿井风阻为,R,的网路上运转时的风量，显然：,Q,0,h,2,，,h,3,h,4,；由风量平衡定律,Q,1,Q,4,。,则：,R,1,Q,12,R,2,Q,22,R,1,Q,12,R,2,Q,42,R,3,Q,32,R,4,Q,42,R,3,Q,12,1,，便可判定,Q,5,向上流，如得,K1,，而且,K,值越大，,Q,5,向上流就越稳定。故可根据实际情况，采取加大,R1,或,R4,，减少,R,2,或,R,3,的技术措施，并不断进行调整，使,K,始终保持最大的合理值，以保证,Q,5,的方向和数量始终稳定。,6.4.4,复杂风网,新风在被送到各用风地点之前，以及各用风地点用过的回风，都要经过许多风路，这些风路有时形成复杂风网。在风速不超限的条件下，这些复杂风网中各条分支通过的风量任其自然分配，需通过计算确定。,计算复杂风网中自然分配风量的目的，主要是