河南省煤炭高级技工学校矿井通风与安全教案.docx

河南省煤炭高级技工学校

教 案

2015-2016 学年度第 1 学期

课程名称 矿井通风与安全
授课班级
任课教师 董东
教研主任
教务处长

日期：2015 年 8 月 16日
矿井通风与安全 课程教案
授课日期

节次

授课地点

章 节
名 称
第一章第1节矿井通风的意义
课 型
理论课（ √ ）、实践课（ ）、习题题（ ）、其它（ ）
教学
时数
2
教 学
目 的
了解矿井通风的意义
教 学
方 法
讲授，讨论
教 学
重 点
矿井通风的作用
教 学
难 点
矿井通风的作用
教 学 内 容
矿井通风就是为井下生产工作面（或工作场所）源源不断地供给新鲜空气，排出有害气体的过程。矿井通风的任务是：
1）供给井下足够的新鲜空气；
2）排出井下有害气体及浮尘；
3）给井下创造良好的气候条件。
矿井通风的目的就是为了搞好矿井通风，为井下创造一个良好的气候条件：风速适宜、有害气体不超限、氧气充足且温度湿度适宜。防止由于通风不良面造成的瓦斯、火灾、煤尘以及人员中毒的事故的发生。矿井通风工作的好与坏直接关系着矿井安全程度；当矿井出现一通三防事故后，要利用通风手段创造条件、安全迅速的处理事故。
2、空气性质的变化
地面空气的主要成份是氮气和氧气。空气进入井下后，由于煤岩中涌出各种气体以及可燃物的氧化，其成分就会发生变化。地面空气进入井下，在没有到达采掘工作面之前，其成分变化不大，这种井下空气称为新风或真风；井下风流通过工作面后，其成分发生较大的变化，有害气体增加、温度升高、湿度也变化，这种空气称为乏风或污风。井下空气的成分与地面基本相同，只是二氧化碳等有害气体含量增大，空气的湿度和温度也有变化而已。
3、井下空气中的主要有害气体
井下空气中常见的有害气体有一氧化碳（CO），二氧化碳（CO2），硫化氢（H2S）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、甲烷（CH4）、氢气（H2）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）等等。
一氧化碳（CO）
性质：是无色、无味、无臭的气体，相对密度为0.97，微溶于水，能燃烧，有剧毒。当体积浓度达到13%~75%时，遇火可以爆炸。
危害：当空气中的CO浓度在0.016%时，经数小时会头痛、心跳、耳鸣等轻微中毒症状；浓度达到0.048%，1小时即引起上述症状；浓度达0.128%时，经半小时能严重中毒，四肢无力，呕吐、意识迟钝，丧失行动能力；达0.4%时，短时间即失去知觉、抽筋、呼吸停顿、假死，如果不即时抢救，就会真的死亡。《煤矿安全》规程中规定的空气中最高允许浓度为0.0024%。
来源：炮烟、火灾、瓦斯及煤尘爆炸。
二氧化氮（NO2）
性质：是一种红褐色气体，相对密度1.59。易溶于水而生成腐蚀性很强的硝酸，所以它剧毒，对人的眼、鼻、呼吸道及肺有强烈刺激及腐蚀作用，可引起肺气肿。
危害：空气中二氧化氮（NO2）的浓度达到0.004%时，2~4小时尚不致显著中毒；达到0.006%时，短时间内喉咙就感到刺激、咳嗽、胸痛；达0.01%时，强烈刺激呼吸器官，严重咳嗽，声带痉挛，呕吐、腹泻，神经麻木；达0.025%时，短时间可致死。《煤矿安全》规程中规定空气中允许的最大浓度是0.00025%(5 mg/m3)。
中毒人员会出现眼红肿、流泪、喉咙痛及手指、头发黄褐色现象。
来源：炸药爆炸时产生的一系列氮氧化合物，如NO、NO2 。NO遇空气中的氧气即氧化为二氧化氮。
硫化氢（H2S）
性质：是一种无色、带有臭鸡蛋味的剧毒性气体，相对密度为1.19，易溶于水。浓度在4.3%~4.6%时，遇火能够爆炸。
危害：浓度达到0.0001%时，就能嗅到臭鸡蛋味；达0.02%时，强烈刺激眼睛及喉咙黏膜，并感到头痛、呕吐、乏力；达0.05%时，以半小时严重中毒，失去知觉、抽筋、瞳孔放大，甚至死亡。《煤矿安全规程》中规定：空气中的硫化氢（H2S）最大允许浓度是0.00066%。
来源：坑木等有机物腐烂和含硫矿物的水化所产生；老空区积水积存硫化氢，在受到搅动时会释放出来；有些煤体中也会涌出硫化氢。
二氧化硫（SO2）
性质：是一种无色、有强烈硫磺气味及酸味的毒性气体，易溶于水，能强烈刺激眼及呼吸道黏膜。相对密度2.32，易积聚在巷道底部。
危害：空气中浓度达到0.0005时，就能嗅到；空气中浓度达到0.05时，可立即危及生命。《煤矿安全规程》中规定：空气中二氧化硫（SO2）的最高允许浓度为0.0005%。
二氧化硫（SO2）中毒后，人员会出现眼红肿、流泪、畏光、喉痛、咳嗽、胸闷等现象。
来源：含硫矿物的氧化、燃烧，在含硫矿体中爆破，以及从含硫矿层中涌出。
4、矿井通风与安全的关系
安全隐患是在生产过程中产生的，也必须通过生产加以解决、处理。所以，管生产的人，必须管安全，也就是事故防范；但是管安全的，也必须管生产，这是过程控制。
思 考
练 习

1、为什么要进行矿井通风？

教 学
后 记

矿井通风与安全 课程教案
授课日期

节次

授课地点

章 节
名 称
第2节 矿井通风系统
课 型
理论课（ √ ）、实践课（ ）、习题题（ ）、其它（ ）
教学
时数
2
教 学
目 的
掌握矿井通风系统的组成和运行原理
教 学
方 法
讲授，讨论
教 学
重 点
矿井通风系统的组成
教 学
难 点
矿井通风专业名词
教 学 内 容
通风系统是在矿井有了二条井筒并贯通后就形成了。有通风巷道、通风巷道有压差就会有风量流动，就形成了通风系统。这是最简单的通风系统。是没有通风机工作靠自然风压通风的通风系统，这种通风，受自然界的温度、湿度和大气压的影响较大，工作不稳定，使用不可靠，在日常管理上，也是一个不可忽视的。
通风系统就是从进风到回风的所有通风巷道、设施、设备的总称。实际上就是通风动力、通风巷道和控制通风路线的建筑物的总称。
矿井通风系统要做到“独立、完善、可靠”，才能完成矿井通风的任务，供给井下新鲜空气，排出井下有害气体和浮尘，给井下创造良好的气候条件。独立就是不与其它矿井联通，完善是有自己的进回风系统，可靠是通风能力不受其它因素而变化。这才能算是一个稳定的通风系统。否则，矿井通风就不会稳定，很难保证矿井安全。
通风网络就是井下通风巷道的连结方式。有并联、串联和角联之分。
矿井通风方式
矿井通风方式就是进风井筒和回风井筒的相对位置。分为中央式、对角式和混合式。
通风方式
优缺点
适用条件
中央式
中央并列式
进回风井筒都建在中央广场，建井期短，便于贯通，井筒延深时通风也好管理。通风阻力大，井底漏风大，便于管理。煤柱小。
埋藏深，倾角大，走向长度不大，不易自燃和与瓦斯涌出量不大的矿井
中央边界式
进风井筒位于井田中央，回风井筒位于井田中央的另一端，相距一段距离。建井时贯通距离远，通风不好管理
井田走向不大，自燃发火严重和瓦斯涌出量较大的矿井
对角式
两冀对角式
进风井在井田中央，两冀再布置二个风井，不布置总回风道。初期投资少，矿井阻力小，矿井阻力小，通风容易
适用于煤层赋存浅、瓦斯与自燃灾害严重的矿井
分区式
进风井位于井田的中央，井田内每个生产区域均有回风井筒。建井期短，初期投资少，矿井阻力小，通风容易，便于管理。
适用于煤层赋存浅、瓦斯与自燃灾害严重的矿井
混合式
回风井筒多。通风能力大，布置灵活，适应性强。
井田范畴大，地质复杂的矿井

矿井通风方法
主要通风机的工作方法有三种：抽出式、压入式和抽压混合式。
1.抽出式：主要通风机安装在回风井口，在抽出式主要通风机的作用下，整个矿井通风系统处在低于当地大气压力的负压状态。当主要通风机因帮、故停止运转时，井下压力升高，比较安全。
2.压入式：主要通风机安装在入风井口，在压入式主要通风机的作用下，整个矿井通风系统处于高于当地大气压的正压状态。在冒落裂隙通达地面时，压入式通风矿井采区的有害气体通过塌陷区向大地漏出。主扇停止后，井下压力升高。压入式通风，在进风侧建很多风门，通风管理困难，漏风较大。
3.压抽混合式：压入式风机在井风井口做压入式工作，回风井口安装抽出式风机做抽出式工作。井下进风井巷处于正压，回风井巷是负压，中间大致处于当地大气压。如与地表连通，则漏风少。缺点是设备多，难管理。
矿井通风系统的选择
矿井通风系统是设计部门根据矿井的生产能力、煤层赋存条件、表土层厚度、井田面积、地温、瓦斯涌出量，煤层自燃发火倾向性等条件，在确保安全生产，也兼顾长远生产需要，通过多个矿井通风系统方案进行比较后，选择的最好的一种。
实践证明：井下瓦斯涌出量与矿井通风方法没有直接关系。也就是说，压入式通风和抽出式通风井下的瓦斯涌出量几乎相等，井下瓦斯涌出量与井下的压力大小无关。

思 考
练 习

1、矿井通风系统的组成。
2、矿井通风类型是如何划分的？

教 学
后 记

矿井通风与安全 课程教案
授课日期

节次

授课地点

章 节
名 称
第3节 矿井通风的日常管理
课 型
理论课（ √ ）、实践课（ ）、习题题（ ）、其它（ ）
教学
时数
2
教 学
目 的
掌握矿井通风的日常管理内容
教 学
方 法
讲授，讨论
教 学
重 点
风量风速测定
教 学
难 点
风速测定和瓦斯测定
教 学 内 容
一、检查通风系统是否完善
1、矿井是否有不符合规定的串联通风、扩散通风，各区域实现了分区通风。
2、检查矿井风量是否达到需要风量，井下各用风地点的风量分配，是否符合各地的需要风量；每条巷道的风量、风速是否符合要求。
2.1计算矿井需要风量，采面、掘进面硐室等地点的需要风量。
矿井所需风量的计算
2. 2 定期测定矿井风量。看看各地点风量是否满足用风要求，是否按计划送风。局扇是否发生循环风。
风量守恒定律：ΣQ=0。
即流经节点的风量代数和为零（风量是矢量，有方向性）。
井下风量的测定:
井下风量的测定要分别测定巷道的断面和风速。测定风速的仪表有风表、皮托管和压差计。最常用的仪表是风表。风表跟据测量范围不同分为高速风表、中速风表和低速风表。皮托管和压差计配合使用也能够测定风速，但不是经常使用。我们只了解一下用风表测定风速。
风表要定期进行标校，标校后的风表有一个风表曲线，它是一个线性方程，
V真=aV测+b
实际风速测定的风速经过风表曲线的校合而得出的。风速的单位是米/秒（或米/分钟）。
巷道的断面测量：井下巷道断面有梯形、圆拱形，可按照相应的形状面积计算公式进行测量、计算。面积的单位是平方米。但计算风量时，还要对断面进行校正。因为在测风时，有人的身体影响了巷道的风量，校正系数K的计算公式是
K=
目前，各矿在测定皮带巷的风量时，断面校数有的计算了，有的没有计算，数是估计出来的。
巷道的风量：
Q=KVS （m3/s）
2.3、矿井漏风及有效风量
送到各用风地点，起到通风作用的风量称为有效风量。反之，没有经过作业地点而通过通风构筑物的缝隙、煤柱裂隙、采空区右地表塌陷区等直接渗到回风道的风量称为漏风。漏风的危害很大。不仅使用风地点的风量减少，有害气体含量增设而造成事故；还会造成煤层的自燃发火。
2.3.1、漏风的分类
矿井漏风按其地点不同可分为外部漏风和内部漏风。外部漏风是指地表与井巷之间的漏风，如箕斗井井口、扇风机装置、反风门、风硐等处的漏风。内部漏风是指井下各通风路线上的漏风，如通风建筑物、采空区以及煤柱等的漏风。
2.3.2、矿井有效风量、有效风量率及漏风率
矿井有效风量：矿井有效风量是指通过井下各工作地点的风量总和。矿井有效风量率是矿井有效风量与矿井扇风机的工作风量之比。矿井外部漏风率是外部漏风与矿井扇风机的工作风量之比；矿井内部漏风率是内部漏风与矿井扇风机的工作风量之比。
2.3.3、漏风的预防
主要联络巷的漏风：建多道风门。墙周围注浆。
采空区漏风：封堵采面进风隅角；在采面进风巷按调节风门（负压通风）。
已采区漏风：加固密闭，四周注浆。
3 检查通风设施。
检查风门、密闭、测风站等通风设施。重点是风门和密闭，其位置是否合理，质量是否符合要求，要确保风门和密闭能起到控制风流的作用。测风站通过风量测定能反映出矿井各地点的风量分配。
3.1风门、密闭的建造要求
1）、选择在围岩坚固不破碎、支护完好的巷道内建筑。
2）、墙体周边掏槽，要见硬顶、硬帮，要与煤岩接实，四周要有不少于0.1m的裙边 。
3）、墙体用不燃不性材料建筑、厚度不小于0.8m，严密不漏风（手触无感觉、耳听无声音）
4）、密闭内有水的设反水池或反水管，自然发火煤层的采空区密闭要设观测孔、措施孔，孔口封堵严密。密闭前无瓦斯积聚，要设栅栏、警标、说明牌板和检查箱（入、排风之间的挡风墙除外）
5）、风门不少于2道，能够自动关闭并要保持不能同时打开。
3.2. 测风站的设置要求
要建在断面变化不大、支护完整、没有漏风的直线巷道内，凡是有风流分支或风流汇合的巷道内都要建测风站。测风站距巷道交叉点应大于10米。
4 检查通风巷道
巷道是风量通行的通道。巷道的通风阻力与巷道的支护方式、苍道周长和巷道长度成正比，与巷道断面的立方成反比。
R=
巷道的连结关系有并联、串联和角联三种。
并联巷道：负压相等，总风量等于分巷风量之和。
串联巷道：负量相等，总阻力等于各巷阻力之和。
角联巷道：风量不稳定。
巷道是否失修，关系着矿井风量和风压的变化。通风管理人员要每旬对矿井所有通风巷道全面检查一次。失修巷道：巷道断面达不到设计断面的巷道就是失修巷道；严重失修巷道：巷道断面不足设计断面2/3的巷道，就是严重失修巷道。
通风巷道失修率＝
通风巷道严重失修率＝
矿井通风巷道失修率不得大于7%，严重失修率不得大于3%。
矿井通风阻力每3年进行一次。通过阻力测定，查找矿井通风系统存在的问题并进行解决。
二 检查主要扇风机。
矿井必须实行机械通风，二台同能力风机，5年一次性能测定。检查主扇的运行工况是否稳定。这是通风系统可靠性的前提。
定期检查通风机及反风设施。是否可以反风，必须10分钟内完成、反风风量不小于正常通风量的40%。
检查硐室等地点的通风情况：风量、温度。
三 检查采区通风系统
采区通风系统是否独立、稳定、可靠。独立就是独立进风、独立回风；稳定和可靠就是风量不会时大时小，也已经说区域内通风设施有保障。
四 采面通风系统
U型、Z型、W型、H型和Y型。
采面通风系统的选择要考虑采面瓦斯涌出清况，大小、来源，以及煤层自燃情况。采面上隅角；采煤机附近，工作面回风的瓦斯，风速是否适合，有无煤尘飞扬。
五 检查掘进工作面通风
1、掘进通风管理
局扇安装是否符合要求，是否发生循环风；局扇的风量是否满足工作面的要求，工作面及回风的瓦斯是否超限。
高瓦斯矿井实现双风机双电源。每天进行主、备扇切换实验。实现风电联锁。主扇停止运转，工作面断电。风筒吊挂。平直、反压边、不拐死弯、逢环必挂。
2 巷道贯通前后的管理
贯通措施
3、停风地点的管理
思 考
练 习

1、简述矿井通风的日常管理内容。

教 学
后 记

矿井通风与安全 课程教案
授课日期

节次

授课地点

章 节
名 称
第2章1、2节
课 型
理论课（ √ ）、实践课（ ）、习题题（ ）、其它（ ）
教学
时数
2
教 学
目 的
掌握巷道断面形状和尺寸的确定方法
教 学
方 法
讲授，讨论
教 学
重 点
巷道断面形状的选择原则
教 学
难 点
巷道断面尺寸的确定
教 学 内 容
一、温度 
      温度是描述物体冷热状态的物理量。矿井表示气候条件的主要参数之一。热力学绝对温标的单位K，摄式温标：T=273.15+t    二、压力（压强） 
      1、定义：空气的压力也称为空气的静压，用符号P表示。压强在矿井通风中习惯称为压力。它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。P=2/3n(1/2mv2)     
2、压头：如果将密度为 r 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    m3 
3、矿井常用压强单位：Pa   Mpa  mmHg  mmH20  mmbar  bar  atm 等。      换算关系：1 atm = 760 mmHg = 1013.25 mmbar = 101325 P
1mmbar = 100 Pa  = 10.2 mmH20,  1mmHg = 13.6mmH20 = 133.32 Pa - 
   三、湿度 
       表示空气中所含水蒸汽量的多少或潮湿程度。 
       表示空气湿度的方法：绝对湿度、相对温度和含湿量三种。       
１、绝对湿度 
       每立方米空气中所含水蒸汽的质量叫空气的绝对温度。其单位与密度单位相同（Kg/ m3），其值等于水蒸汽在其分压力与温度下的密度。 
rv=Mv/V 
       饱和空气：在一定的温度和压力下，单位体积空气所能容纳水蒸汽量是有极限的，超过这一极限值，多余的水蒸汽就会凝结出来。这种含有极限值水蒸汽的湿空气叫饱和空气，这时水蒸气分压力叫饱和水蒸分压力，PS，其所含的水蒸汽量叫饱和湿度s 。
２、相对湿度 
        单位体积空气中实际含有的水蒸汽量（rV）与其同温度下的饱和水蒸汽含量（rS）之比称为空气的相对湿度 φ＝ rV／ S 
   反映空气中所含水蒸汽量接近饱和的程度。Φ愈小， 空气愈干爆， φ＝０ 为干空气；φ愈大空气愈潮湿， φ＝１为饱和空气。 
温度下降，其相对湿度增大，冷却到φ=1时的温度称为露点。 例如：甲地：t = 18  ℃，V ＝0.0107 Kg/m3, 乙地：t = 30  ℃， rV ＝0.0154 Kg/m3 
解：查附表    当t为18  ℃， rs ＝0.0154  Kg/m3, ,        当t为  30 ℃， rs ＝0.03037  Kg/m3,    ∴   甲地： φ＝ rV／ rS＝0.7 ＝70 %       乙地： φ＝ rV／ rS＝0.51＝51 % 
       乙地的绝对湿度大于甲地，但甲地的相对湿度大于乙地，故乙地的空气吸湿能力强。 
      露点：将不饱和空气冷却时，随着温度逐渐下降，相对湿度逐渐增大，当达到100％时，此时的温度称为露点。     上例 甲地、乙地的露点分别为多少？     ３、含湿量 
    含有1kg干空气的湿空气中所含水蒸汽的质量（kg）称为空气的含湿量。 
d= rV／ rd,               rV= φPs/461T        rd=(P-φPs)/287T 
d=0.622 φPs/(P- φPs) 
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。四、焓 
焓是一个复合的状态参数，它是内能u和压力功PV之和，焓也称热焓。 
i=id+d³iV=1.0045t+d(2501+1.85t) 
实际应用焓-湿图（I-d)      五、粘性 
– 
流体抵抗剪切力的性质。  
   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。其大小主要取决于温度。 根据牛顿内摩擦定律有： 
温度是影响流体粘性主要因素，气体，随温度升高而增大，液体而降低。         
六、密度 
    单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，  与P、t、湿度等有关。湿空气密度为干空气密度和水蒸汽密度之和，即： 
七、 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)等容过程 
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：  
   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： 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ρ也不变，则通风常用的积分式的变化(即压能变化)为： 
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：  
    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。 
能量与压力是通风工程中两个重要的基本概念，压力可以理解为：单位体积空气所具有的能够对外作功的机械能。    一、风流的能量与压力     1.静压能－静压 
    （1）静压能与静压的概念 
      空气的分子无时无刻不在作无秩序的热运动。这种由分子热运动产生的分子动能的一部分转化的能够对外作功的机械能叫静压能， 
      在矿井通风中，压力的概念与物理学中的压强相同，即单位面积上受到的垂直作用力。静压也可称为是静压能。     （２）静压特点 
    a.无论静止的空气还是流动的空气都具有静压力；     b.风流中任一点的静压各向同值，且垂直于作用面； 
    c.风流静压的大小（可以用仪表测量）反映了单位体积风流所具有的能够对外作功的静压能的多少。如说风流的压力为Pa，则指风流1m3具有的静压能。 
   （３）压力的两种测算基准（表示方法） 
    根据压力的测算基准不同，压力可分为：绝对压力和相对压力。   A、绝对压力：以真空为测算零点（比较基准）而测得的压力称之为绝对压力，用 P 表示。 
  B、相对压力：  以当地当时同标高的大气压力为测算基准(零点)测得的压力称之为相对压力，即通常所说的表压力，用 h 表示。 
    风流的绝对压力（Pi）、相对压力（h）和与其对应的大气压（P0）三者之间的关系如下式所示：hi  =  Pi －  P0
Pi  与 hi  比较： 
        I、绝对静压总是为正，而相对静压有正负之分； 
        II、同一断面上各点风流的绝对静压随高度的变化而变化，而相对静压与高度无关。 
        III、 Pi 可能大于、等于或小于与该点同标高的大气压(P0i)。   
2、重力位能   （1)重力位能的概念 
      物体在地球重力场中因地球引力的作用，由于位置的不同而具有的一种能量叫重力位能，简称位能，用 EPO 表示。 
      如果把质量为M（kg）的物体从某一基准面提高Z（m），就要对物体克服重力作功M.g.Z（J），物体因而获得同样数量（M.g.Z）的重力位能。 即：      EPO=M.g.Z                          
      重力位能是一种潜在的能量，它只有通过计算得其大小，而且是一个相对值。实际工作中一般计算位能差。     （２）位能计算
三、风流点压力的测定     １、矿井主要压力测定仪器仪表 
    （１）绝对压力测量：空盒气压计、精密气压计、水银气压计等。(介绍实物) 
    （２）压差及相对压力测量：恒温气压计、“Ｕ”水柱计、补偿式微压计、倾斜单管压差计。 
    （３）感压仪器：皮托管，承受和传递压力，+  -   测压     ２、压力测定
思 考
练 习

1、常见的巷道断面形状有哪几种？

教 学
后 记

矿井通风与安全 课程教案
授课日期

节次

授课地点

章 节
名 称
第2章3节
课 型
理论课（ √ ）、实践课（ ）、习题题（ ）、其它（ ）
教学
时数
2
教 学
目 的
掌握矿井通风中的能量计算
教 学
方 法
讲授，讨论
教 学
重 点
风阻和风压的计算
教 学
难 点
风阻计算
教 学 内 容
第三节    矿井通风中的能量方程 
      当空气在井巷中流动时，将会受到通风阻力的作用，消耗其能量；为保证空气连续不断地流动，就必需有通风动力对空气作功，使得通风阻力和通风动力相平衡。     一、空气流动连续性方程 
       在矿井巷道中流动的风流是连续不断的介质，充满它所流经的空间。在无点源或点汇存在时，根据质量守恒定律：对于稳定
流，流入某空间的流体质量必然等于流出其的流体质量。
二、可压缩流体的能量方程 
    能量方程表达了空气在流动过程中的压能、动能和位能的变化规律，是能量守恒和转换定律在矿井通风中的应用。     （一）、单位质量(1kg)流量的能量方程 
    在井巷通风中，风流的能量由机械能（静压能、动压能、位能）和内能组成，常用1kg空气或1m3空气所具有的能量表示。     机械能：静压能、动压能和位能之和。
内能：风流内部所具有的分子内动能与分子位能之和。空气的内能是空气状态参数的函数，即：u  = f（ T，P）。能量分析
（三）、关于能量方程使用的几点说明 
    1. 能量方程的意义是，表示1kg（或1m3）空气由1断面流向2断面的过程中所消耗的能量（通风阻力），等于流经1、2断面间空气总机械能（静压能、动压能和位能）的变化量。 
  2. 风流流动必须是稳定流，即断面上的参数不随时间的变化而变化；所研究的始、末断面要选在缓变流场上。 
  3. 风流总是从总能量（机械能）大的地方流向总能量小的地方。在判断风流方向时，应用始末两断面上的总能量来进行，而不能只看其中的某一项。如不知风流方向，列能量方程时，应先假设风流方向，如果计算出的能量损失（通风阻力）为正，说明风流方向假设正确；如果为负，则风流方与假设相反。 
  4. 正确选择求位能时的基准面。 
  5. 在始、末断面间有压源时，压源的作用方向与风流的方向一致，压源为正，说明压源对风流做功；如果两者方向相反，压源为负，则压源成为通风阻力。 
  ６. 应用能量方程时要注意各项单位的一致性。 
   7、对于流动过程中流量发生变化，则按总能量守恒与转换定律列方程
思 考
练 习

1、风阻和风压是什么样的关系？

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后 记

矿井通风与安全 课程教案
授课日期

节次

授课地点

章 节
名 称
第3章1、2节
课 型
理论课（ √ ）、实践课（ ）、习题题（ ）、其它（ ）
教学
时数
2
教 学
目 的
通过学习让学生掌握摩擦阻力和局部阻力的计算
教 学
方 法
讲授，讨论
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重 点
摩擦阻力和局部阻力产生的原因和测算
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难 点
摩擦阻力和局部阻力产生的原因和测算
教 学 内 容
当空气沿井巷运动时，由于风流的粘滞性和惯性以及井巷壁面等对风流的阻滞、扰动作用而形成通风阻力，它是造成风流能量损失的原因。井巷通风阻力可分为两类：摩擦阻力(也称为沿程阻力)和局部阻力。
一、风流流态 1、管道流 
同一流体在同一管道中流动时，不同的流速，会形成不同的流动状态。当流速较低时，流体质点互不混杂，沿着与管轴平行的方向作层状运动，称为层流(或滞流)。当流速较大时，流体质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化，成为互相混杂的紊乱流动，称为紊流(或湍流)。
第二节  摩擦风阻与阻力 
一、摩擦阻力 
风流在井巷中作沿程流动时，由于流体层间的摩擦和流体与井巷壁面之间的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力(也叫沿程阻力)。 
由流体力学可知，无论层流还是紊流，以风流压能损失来反映的摩擦阻力可用下式来计算
1．尼古拉兹实验 
实际流体在流动过程中，沿程能量损失一方面（内因）取决于粘滞力和惯性力的比值，用雷诺数Re来衡量；另一方面（外因）是固体壁面对流体流动的阻碍作用，故沿程能量损失又与管道长度、断面形状及大小、壁面粗糙度有关。其中壁面粗糙度的影响通过λ值来反映。
1932～1933年间，尼古拉兹把经过筛分、粒径为ε的砂粒均匀粘贴于管壁。砂粒的直径ε就是管壁凸起的高度，称为绝对糙度；绝对糙度ε与管道半径r的比值ε/r  称为相对糙度。以水作为流动介质、对相对糙度分别为1/15、1/30.6、1/60、1/126、1/256、1/507六种不同的管道进行试验研究。对实验数据进行分析整理，在对数坐标纸上画出λ与Re的关系曲线，如图所示。
结论分析： 
Ⅰ区——层流区。当Re＜2320(即lgRe＜3.36)时，不论管道粗糙度如何，其实验结果都集中分布于直线Ⅰ上。这表明λ与相对糙度ε/r无关，只与Re有关，且λ=64/Re。与相对粗糙度无关 
Ⅱ区——过渡流区。2320≤Re≤4000(即3.36≤lgRe≤3.6)，在此区间内，不同相对糙度的管内流体的流态由层流转变为紊流。所有的实验点几乎都集中在线段Ⅱ上。λ随Re增大而增大，与相对糙度无明显关系。 
Ⅲ区——水力光滑管区。在此区段内，管内流动虽然都已处于紊流状态(Re＞4000)，但在一定的雷诺数下，当层流边层的厚度δ大于管道的绝对糙度ε（称为水力光滑管）时，其实验点均集中在直线Ⅲ上，表明λ与ε仍然无关，而只与Re有关。随着Re的增大，相对糙度大的管道，实验点在较低Re时就偏离直线Ⅲ，而相对糙度小的管道要在Re较大时才偏离直线Ⅲ。 
Ⅳ区——紊流过渡区，即图中Ⅳ所示区段。在这个区段内，各种不同相对糙度的实验点各自分散呈一波状曲线，λ值既与Re有关，也与ε/r有关。 
Ⅴ区——水力粗糙管区。在该区段，Re值较大，管内液流的层流边层已变得极薄，有ε>>δ，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心中，故Re对λ值的影响极小，略去不计，相对糙度成为λ的唯一影响因素。故在该区段，λ与Re无关，而只与相对糙度有关。摩擦阻力与流速平方成正比，故称为阻力平方区，尼古拉兹公式
2．层流摩擦阻力 
当流体在圆形管道中作层流流动时，从理论上可以导出摩擦阻力计算式：
古拉兹实验所得到的层流时λ与Re的关系，与理论分析得到的关系完全相同，理论与实验的正确性得到相互的验证。 
层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。 
3、紊流摩擦阻力     对于紊流运动，λ=f (Re，ε/r)，关系比较复杂。用当量直径de=4S/U代替d，代入阻力通式，则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式：
二、摩擦阻力系数与摩擦风阻 1．摩擦阻力系数α 
矿井中大多数通风井巷风流的Re值已进入阻力平方区，λ值只与相对糙度有关，对于几何尺寸和支护已定型的井巷，相对糙度一定，则λ可视为定值；在标准状态下空气密度ρ=1.2kg/m3。
标准摩擦阻力系数： 
通过大量实验和实测所得的、在标准状态（ρ0=1.2kg/m3）条件下的井巷的摩擦阻力系数，即所谓标准值α0值，当井巷中空气密度ρ≠1.2kg/m3时，其α值应按下式修正：
3．井巷摩擦阻力计算方法 
  新建矿井：查表得α0  →α  → Rf    →   hf  生产矿井：hf     →   Rf     →  α    →  α0 
思 考
练 习

1、什么是摩擦阻力？
2、什么是局部阻力？

教 学
后 记

矿井通风与安全 课程教案
授课日期

节次

授课地点

章 节
名 称
第3章3、4节
课 型
理论课（ √ ）、实践课（ ）、习题题（ ）、其它（ ）
教学
时数
2
教 学
目 的
通过学习让学生掌握局部风阻与阻力的计算方法
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方 法
讲授，讨论
教 学
重 点
局部风阻与阻力的计算方法
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难 点
局部风阻与阻力的计算方法
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第三节  局部风阻与阻力 
 由于井巷断面、方向变化以及分岔或汇合等原因，使均匀流动在局部地区受到影响而破坏，从而引起风流速度场分布变化和产生涡流等，造成风流的能量损失，这种阻力称为局部阻力。 由于局部阻力所产生风流速度场分布的变化比较复杂性，对局部阻力的计算一般采用经验公式。 
一、局部阻力及其计算 
和摩擦阻力类似，局部阻力hl一般也用动压的倍数来表示： 
式中：ξ——局部阻力系数，无因次。层流ξ 
计算局部阻力，关键是局部阻力系数确定，因v=Q/S,当ξ确定后，便可用 
几种常见的局部阻力产生的类型： 1、突变 
紊流通过突变部分时，由于惯性作用，出现主流与边壁脱离的现象，在主流与边壁之间形成涡漩区，从而增加能量损失。
2、渐变 
主要是由于沿流动方向出现减速增压现象，在边壁附近产生涡漩。因为 V   hv    p  ，压差的作用方向与流动方向相反，使边壁附近，流速本来就小，
趋于0,  在这些地方主流与边壁面脱离，出现与主流相反的流动，面涡漩。
3、转弯处 
流体质点在转弯处受到离心力作用，在外侧出现减速增压，出现涡漩。
4、分岔与会合
局部阻力的产生主要是与涡漩区有关，涡漩区愈大，能量损失愈多，局部阻力
二、局部阻力系数和局部风阻 
 (一) 局部阻力系数ξ 
紊流局部阻力系数ξ一般主要取决于局部阻力物的形状，而边壁的粗糙程度为次要因素
第四节  矿井总风阻与矿井等积孔 
一、井巷阻力特性 
在紊流条件下，摩擦阻力和局部阻力均与风量的平方成正比。故可写成一般形式：h＝RQ2    Pa 。 
对于特定井巷，R为定值。用纵坐标表示通风阻力(或压力)，横坐标表示通过风量，当风阻为R时，则每一风量Qi值，便有一阻力hi值与之对应，根据坐标点（Qi,hi）即可画出一条抛物线。这条曲线就叫该井巷的阻力特性曲线。风阻R越大，曲线越陡。 二、矿井总风阻 
   从入风井口到主要通风机入口，把顺序连接的各段井巷的通风阻力累加起来，就得到矿井通风总阻力hRm，这就是井巷通风阻力的叠加原则。 
已知矿井通风总阻力hRm和矿井总风量Q，即可求得矿井总风阻： 
                         N.s2/m8  
Rm是反映矿井通风难易程度的一个指标。Rm越大，矿井通风越困难； 三、矿井等积孔 
我国常用矿井等积孔作为衡量矿井通风难易程度的指标。 假定在无限空间有一薄壁， 在薄壁上开一面积为A(m2)的孔口。 当孔口通过的风量等于矿井风量， 而且孔口两侧的风压差等于矿井通风 阻力时，则孔口面积A称为该矿井的等。
对于多风机工作的矿井，应根据各主要通风机工作系统的通风阻力和风量，分别计算各主要通风机所担负系统的等积孔，