第一章礦井空氣

本章重點：

1.空氣成分；

2.礦井有害氣體、來源及最高允許濃度；

3.礦井氣候條件。

利用機械或自然通風動力，使地面空氣進入井下,并在井巷中作定向和定量地流動,

最后排出礦井的全過程稱為礦井通風。

目的、主要任務一保證礦井空氣的質量符合要求。

第一節礦井空氣成份

定義：地面空氣進入礦井以后即稱為礦井空氣。

一、地面空氣的組成

地面空氣是由干空氣和水蒸汽組成的混合氣體，亦稱為濕空氣。

干空氣是指完全不含有水蒸汽的空氣，由氧、氮、二氧化碳、量、短和其他一些微量氣體

所組成的混合氣體。干空氣的組成成分比較穩定，其主要成分如下。

干空氣的組成成分表

氣體成分

按體積計/%

按質量計/%

備注

氧氣(02)

20.96

23.32

惰性稀有氣體氮、

氮氣(N2)

79.0

76.71

窟、氨、氮、

二氧化碳(CO2)

0.04

0.06

債等計在氮氣中

濕空氣中含有水蒸氣，但其含量的變化會引起濕空氣的物理性質和狀態變化。

二、礦井空氣的主要成分及基本性質

新鮮空氣：井巷中用風地點以前、受污染程度較輕的進風巷道內的空氣，

污濁空氣：通過用風地點以后、受污染程度較重的回風巷道內的空氣,

1.氧氣(02)

氧氣是維持人體正常生理機能所需要的氣體，人體維持正常生命過程所需的氧氣量，取

決于人的體質、精神狀態和勞動強度等。

當空氣中的氧濃度降低時，人體就可能產生不良的生理反應，出現種種不舒適的癥狀,

嚴重時可能導致缺氧死亡。

人體輸氧量與勞動強度的關系

勞動強度

呼吸空氣量(L/min)

氧氣消耗量(L/min)

休息

6-15

0.2-0.4

輕勞動

20-25

0.6-1.0

中度勞動

30-40

1.2-2.6

重勞動

40-60

1.8-2.4

極重勞動

40-80

2.5-3.1

礦井空氣中氧濃度降低的主要原因有：人員呼吸；煤巖和其他有機物的緩慢氧化；煤炭

自燃；瓦斯、煤塵爆炸；止匕外，煤巖和生產過程中產生的各種有害氣體，也使空氣中的氧濃

度相對降低。

2.二氧化碳(CO2)

二氧化碳不助燃，也不能供人呼吸，略帶酸臭味。二氧化碳比空氣重(其比重為1.52),

在風速較小的巷道中底板附近濃度較大；在風速較大的巷道中，一般能與空氣均勻地混合。

礦井空氣中二氧化碳的主要來源是：煤和有機物的氧化；人員呼吸；碳酸性巖石分解；

炸藥爆破；煤炭自燃；瓦斯、煤塵爆炸等。

3.氮氣(N2)

氮氣是一種惰性氣體，是新鮮空氣中的主要成分，它本身無毒、不助燃，也不供呼吸。

但空氣中含氮量升高，則勢必造成氧含量相對降低，從而也可能造成人員的窒息性傷害。正

因為氮氣具有的惰性，因此可將其用于井下防火火和防止瓦斯爆炸。

礦井空氣中氮氣主要來源是：井下爆破和生物的腐爛，有些煤巖層中也有氮氣涌出。

三、礦井空氣主要成分的質量（濃度）標準

采掘工作面進風流中的氧氣濃度不得低于20%；二氧化碳濃度不得超過0.5%：總回風

流中不得超過0.75%；當采掘工作面風流中二氧化碳濃度達到1.5%或采區、？采掘工作面回

風道風流中二氧化碳濃度超過1.5%時，必須停工處理。

第二節礦井空氣中的有害氣體

空氣中常見有害氣體：CO、NO?、SO2NH3H2O

一、基本性性質

1、一氧化碳（C0）

一氧化碳是一種無色、？無味、？無臭的氣體。相對密度為0.97,微溶于水，能與

空氣均勻地混合。一氧化碳能燃燒，當空氣中一氧化碳濃度在13?75%范圍內時有爆

炸的危險。

主要危害：血紅素是人體血液中攜帶氧氣和排出二氧化碳的細胞。一氧化碳與人體

血液中血紅素的親合力比氧大250?300倍。一旦一氧化碳進入人體后，首先就與血液

中的血紅素相結合，因而減少了血紅素與氧結合的機會，使血紅素失去輸氧的功能，從

而造成人體血液“窒息”。0.08%,40分鐘引起頭痛眩暈和惡心，0.32%,5~10分鐘引

起頭痛、眩暈，30分鐘引起昏迷，死亡。

主要來源：爆破；礦井火災；煤炭自燃以及煤塵瓦斯爆炸事故等。

2、硫化氫（&S）

硫化氫無色、微甜、有濃烈的臭雞蛋味，當空氣中濃度達到0.0001%即可嗅到，

但當濃度較高時，因嗅覺神經中毒麻痹，反而嗅不到。硫化氫相對密度為L19,易溶

于水，在常溫、常壓下一個體積的水可溶解2.5個體積的硫化氫，所以它可能積存于舊

巷的積水中。硫化氫能燃燒，空氣中硫化氫濃度為4.3?45.5%時有爆炸危險。

主要危害：硫化氫劇毒，有強烈的刺激作用；能阻礙生物氧化過程，使人體缺氧。

當空氣中硫化氫濃度較低時主要以腐蝕刺激作用為主，濃度較高時能引起人體迅速昏迷

或死亡。0.005~0.01%,:T2小時后出現眼及呼吸道刺激，0.015~0.02%

主要來源：有機物腐爛；含硫礦物的水解；礦物氧化和燃燒；從老空區和舊巷積水

中放出。

3、二氧化氮(N02)

二氧化氮是一種褐紅色的氣體，有強烈的刺激氣味，相對密度為1.59,易溶于水。

主要危害：二氧化氮溶于水后生成腐蝕性很強的硝酸，對眼睛、呼吸道粘膜和肺

部有強烈的刺激及腐蝕作用，二氧化氮中毒有潛伏期，中毒者指頭出現黃色斑點。0.01%

出現嚴重中毒

主要來源：井下爆破工作。

4.二氧化硫(S02)

二氧化硫無色、有強烈的硫磺氣味及酸味，空氣中濃度達到0.0005%即可嗅到。

其相對密度為2.22,易溶于水。

主要危害：遇水后生成硫酸，對眼睛及呼吸系統粘膜有強烈的刺激作用，？可引起

喉炎和肺水腫。？當濃度達到0.002%時，眼及呼吸器官即感到有強烈的刺激；濃度達

0.05%時，短時間內即有致命危險。

主要來源：含硫礦物的氧化與自燃；在含硫礦物中爆破；以及從含硫礦層中涌出。

5.氨氣(NH3)

無色、有濃烈臭味的氣體，相對密度為0.596,易溶于水，。空氣濃度中達30

%時有爆炸危險。

主要危害：氨氣對皮膚和呼吸道粘膜有刺激作用，可引起喉頭水腫。

主要來源：爆破工作，用水滅火等；部分巖層中也有氨氣涌出。

6.氫氣(%)

無色、無味、無毒，相對密度為0.07。氫氣能自燃，其點燃溫度比沼氣低100~200

℃,

主要危害：當空氣中氫氣濃度為4?74%時有爆炸危險。

主要來源：井下蓄電池充電時可放出氫氣；有些中等變質的煤層中也有氫氣涌出。

二、礦井空氣中有害氣體的安全濃度標準

礦井空氣中有害氣體對井下作業人員的生命安全危害極大，因此，《規程》對常見有

害氣體的安全標準做了明確的規定，

礦井空氣中有害氣體的最高容許濃度

有害氣體名稱符號最高容許濃度/%

一氧化碳co0.0024

氧化氮（折算成二氧化氮）NO20.00025

二氧化硫SO20.0005

硫化氫H2s0.00066

氨

NH30.004

第三節礦井氣候

礦井氣候：礦井空氣的溫度、濕度和流速三個參數的綜合作用。這三個參數也稱為

礦井氣候條件的三要素。

一、礦井氣候對人體熱平衡的影響

新陳代謝是人類生命活動的基本過程之一。人體散熱主要是通過人體皮膚表面與外

界的對流、輻射和汗液蒸發這三種基本形式進行的。對流散熱取決于周圍空氣的溫度和

流速；輻射散熱主要取決于環境溫度；蒸發散熱取決于周圍空氣的相對濕度和流速。

人體熱平衡關系式：

qm-q.=q<i+qz+qi+q<：h

q.一人體在新陳代謝中產熱量，取決于人體活動量；

q.——人體用于做功而消耗的熱量，qm-qw人體排出的多余熱量；

qa——人體對流散熱量，低于人體表面溫度，為負，否則，為正；

q”——汗液蒸發或呼出水蒸氣所帶出的熱量；

qr——人體與周圍物體表面的輻謝散熱量，可正，可負；

qch——人體由熱量轉化而沒有排出體外的能量；人體熱平衡時，樂產0;

當外界環境影響人體熱平衡時，人體溫度升高m>0,人體溫度降低，q水0

礦井氣候條件的三要素是影響人體熱平衡的主要因素。

空氣溫度：對人體對流散熱起著主要作用。

相對濕度：影響人體蒸發散熱的效果。

風速：影響人體的對流散熱和蒸發散熱的效果。對流換熱強度隨風速而增大。同

時濕交換效果也隨風速增大而加強。如有風的天氣，涼衣服干得快。

二、衡量礦井氣候條件的指標

1.干球溫度干球溫度是我國現行的評價礦井氣候條件的指標之一。

特點：在一定程度上直接反映出礦井氣候條件的好壞。指標比較簡單，使用方便。但

這個指標只反映了氣溫對礦井氣候條件的影響，而沒有反映出氣候條件對人體熱平衡的

綜合作用。

2.濕球溫度濕球溫度這個指標可以反映空氣溫度和相對濕度對人體熱平衡的影響，比

干球溫度要合理些。但這個指標仍沒有反映風速對人體熱平衡的影響。

3.等效溫度等效溫度定義為濕空氣的焰與比熱的比值。它是一個以能量為基礎來評價

礦井氣候條件的指標。

4.同感溫度同感溫度(也稱有效溫度)是1923年由美國采暖工程師協會提出

的。這個指標是通過實驗，憑受試者對環境的感覺而得出的同感溫度計算圖。

5.卡他度卡他度是1916年由英國L.希爾等人提出的。卡他度用卡他計測定。

卡他度分為：干卡他度、濕卡他度

干卡他度：反映了氣溫和風速對氣候條件的影響，但沒有反映空氣濕度的影響。為

了測出溫度、濕度和風速三者的綜合作用效果，

2

Kd=41.868F/tW/m

濕卡他度(Kw)：是在卡他計貯液球上包裹上一層濕紗布時測得的卡他度，其實測

和計算方法完全與干卡他度相同。

三、礦井氣候條件的安全標準

我國現行評價礦井氣候條件的指標是干球溫度。1982年國務院頒布的《礦山安全

條例》第53條規定，礦井空氣最高容許干球溫度為28℃o

第二章礦井空氣流動的基本理論

本章的重點：

1、空氣的物理參數---T、P、①、L*>P;

2、風流的能量與點壓力--靜壓，靜壓能：動壓、動能；位能；全壓；抽出式和壓入式

相對靜壓、相對全壓與動壓的關系

3、能量方程

連續性方程；單位質量能量方程、單位體積能量方程

4、能量方程在礦井中的應用--邊界條件、壓力坡度圖

本章的難點：

點壓力之間的關系

能量方程及其在礦井中的應用

主要研究內容：礦井空氣沿井巷流動過程中宏觀力學參數的變化規律以及能量的轉換

關系?介紹空氣的主要物理參數、性質，討論空氣在流動過程中所具有的能量（壓力）及其

能量的變化。根據熱力學第一定律和能量守恒及轉換定律，結合礦井風流流動的特點，推導

了礦井空氣流動過程中的能量方程，介紹了能量方程在礦井通風中的應用。

第一節空氣的主要物理參數

—->溫度

溫度是描述物體冷熱狀態的物理量。礦井表示氣候條件的主要參數之一。熱力學

絕對溫標的單位K,攝式溫標T=273.15+t

二、壓力（壓強）

空氣的壓力也稱為空氣的靜壓，用符號P表示。壓強在礦井通風中習慣稱為壓力。

它是空氣分子熱運動對器壁碰撞的宏觀表現。

P=2/3n（l/2mv2）

礦井常用壓強單位：PaMpammHgmmH20mmbarbaratm等。

換算關系：1atm=760mmHg=1013.25mmbar=101325Pa

（見P396）1mmbar=100Pa=10.2mmH20,

1mmHg=13.6mmH20=133.32Pa

三、濕度

表示空氣中所含水蒸汽量的多少或潮濕程度。

表示空氣濕度的方法：絕對濕度、相對溫度利含濕量三種。

1、絕對濕度

每立方米空氣中所含水蒸汽的質量叫空氣的絕對溫度。其單位與密度單位相同

(Kg/m3),其值等于水蒸汽在其分壓力與溫度下的密度。

rv=Mv/V

飽和空氣：在一定的溫度和壓力下，單位體積空氣所能容納水蒸汽量是有極限的,

超過這一極限值,多余的水蒸汽就會凝結出來。這種含有極限值水蒸汽的濕空氣叫飽和空氣,

這時水蒸氣分壓力叫飽和水蒸分壓力，PS,其所含的水蒸汽量叫飽和濕度rs。

2、相對濕度

單位體積空氣中實際含有的水蒸汽量(rV)與其同溫度下的飽和水蒸汽含量(rS)

之比稱為空氣的相對濕度

小=rV/rS

反映空氣中所含水蒸汽量接近飽和的程度。

中愈小空氣愈干爆，4>=0為干空氣；

小愈大空氣愈潮濕，0=1為飽和空氣。

溫度下降，其相對濕度增大，冷卻到e=1時的溫度稱為露點

例如：甲地：t=18℃,rV=0.0107Kg/m3,

乙地：t=30℃,rV=0.0154Kg/m3

解：查附表當t為18℃,rs=0.0154Kg/m3,,

當t為30℃,rs=0.03037Kg/m3,

J.甲地：6=rV/rS=0.7=70%

乙地：@=rV/rS=0.51=51%

乙地的絕對濕度大于甲地，但甲地的相對濕度大于乙地，故乙地的空氣吸濕能力

強。

露點：將不飽和空氣冷卻時，隨著溫度逐漸下降，相對濕度逐漸增大，當達到100

%時，此時的溫度稱為露點。

上例甲地、乙地的露點分別為多少？

3、含濕量

含有1kg干空氣的濕空氣中所含水蒸汽的質量(kg)稱為空氣的含濕量。

d=rV/rd,rV=<t>Ps/461Trd=(P-<l>Ps)/287T

d=0.622(pPs/(P-<pPs)

四、焰

焰是一個復合的狀態參數，它是內能u和壓力功PV之和，焰也稱熱焰。i=id+d?

iV=1.0045t+d(2501+1.85t)

實際應用焰-濕圖(I-d)

五、粘性

流體抵抗剪切力的性質。

當流體層間發生相對運動時，在流體內部兩個流體層的接觸面上，便產生粘性阻力

(內摩擦力)以阻止相對運動，流體具有的這一性質，稱作流體的粘性。其大小主要取決于溫

度。

V

y

根據牛頓內摩擦定律有：

運動粘度為：m2/s

式中：M一一比例系數，代表空氣粘性，稱為動力粘性或絕對粘度。其國際單位：

帕.秒，寫作：Pa.S。

溫度是影響流體粘性主要因素，氣體，隨溫度升高而增大，液體而降低

六、密度

單位體積空氣所具有的質量稱為空氣的密度，與p、t、濕度等有關。濕空氣密

度為干空氣密度和水蒸汽密度之和，即：

根據氣體狀態方程，可推出空氣密度計算公式：

kg/m3

式中：P為大氣壓，Psat為飽和水蒸汽壓，單位：Pa；

4）為相對濕度；

T為空氣絕對溫度，T=t+273,K。

kg/m3

式中：P為大氣壓，Psat為飽和水蒸汽壓，單位：mmHg。

注意：P和Psat單位一致。

空氣比容：n=V/M=l/r

第二節風流的能量與壓力

能量與壓力是通風工程中兩個重要的基本概念，壓力可以理解為：單位體積空氣所

具有的能夠對外作功的機械能。

一、風流的能量與壓力

1.靜壓能一靜壓

（1）靜壓能與靜壓的概念

空氣的分子無時無刻不在作無秩序的熱運動。這種由分子熱運動產生的分子動能

的一部分轉化的能夠對外作功的機械能叫靜壓能，

在礦井通風中，壓力的概念與物理學中的壓強相同，即單位面積上受到的垂直作用

力。靜壓也可稱為是靜壓能。

（2）靜壓特點

a.無論靜止的空氣還是流動的空氣都具有靜壓力；

b.風流中任一點的靜壓各向同值，且垂直于作用面；

c風流靜壓的大小（可以用儀表測量）反映了單位體積風流所具有的能夠對外作功

的靜壓能的多少。如說風流的壓力為Pa,則指風流In?具有101332J的靜壓能。

（3）壓力的兩種測算基準（表示方法）

根據壓力的測算基準不同，壓力可分為：絕對壓力和相對壓力。

A、絕對壓力：以真空為測算零點（比較基準）而測得的壓力稱之為絕對壓力，用P表

ZJNo

B、相對壓力：以當地當時同標高的大氣壓力為測算基準（零點）測得的壓力稱之為

相對壓力，即通常所說的表壓力，用h表示。

風流的絕對壓力（Pi）、相對壓力（h）和與其對應的大氣壓（Po）三者之間的關

系如下式所示：hiPiP。

Pi與hi比較：

I、絕對靜壓總是為正，而相對靜壓有正負之分；

H、同一斷面上各點風流的絕對靜壓隨高度的變化而變化，而相對靜壓與高度

無關。

HI、Pi可能大于、等于或小于與該點同標高的大氣壓(P。,)。

2、重力位能

(1)重力位能的概念

物體在地球重力場中因地球引力的作用，由于位置的不同而具有的一種能量叫重力

位能，簡稱位能，用EPO表示。

如果把質量為M(kg)的物體從某一基準面提高Z(m),就要對物體克服重力作

功M.g.Z(J),物體因而獲得同樣數量(M.g.Z)的重力位能。

即:Ero=M.g.Z

ipqi

■-~--~rdzi

2-----2重力位能是一種潛在的能量，它只有通過計算得其大小，而且是一個相

。----。對值。實際工作中一般計算位能差。

(2)位能計算

重力位能的計算應有一個參照基準面。

如下圖1—2兩斷面之間的位能差：EPO12=fpigdzi

(3)位能與靜壓的關系

當空氣靜止時(v=0),由空氣靜力學可知：各斷面的機械能相等。設以2-2斷面

為基準面：

1-1斷面的總機械能EFEQ+PI

2-2斷面的總機械能E2=Ero2+P2

由El=Ez得：EPOI+P1=EPO2+P2

由于EPO2=0(2-2斷面為基準面)，

=

EroiP12.g.Z12,

所以：P^Epoi+Pl=pl2.g.Z12+P1

說明：I、位能與靜壓能之間可以互相轉化。

II、在礦井通風中把某點的靜壓和位能之和稱之為勢能。

(4)位能的特點

a.位能是相對某一基準面而具有的能量，它隨所選基準面的變化而變化。但位能差

為定值。

:.....一桂

二b.位能是一種潛在的能量，它在本處對外無力的效應，即不呈現壓力，

故不能象靜壓那樣用儀表進行直接測量。

c.位能和靜壓可以相互轉化，在進行能量轉化時遵循能量守恒定律。

3.動能一動壓

(1)動能與動壓的概念

當空氣流動時，除了位能和靜壓能外，還有空氣定向運動的動能，用&表示，

J/m3；其動能所轉化顯現的壓力叫動壓或稱速壓，用符號鼠表示，單位Pa。

(2)動壓的計算

單位體積空氣所具有的動能為：

2

Evi=piXvX0.5

式中：Pi一一I點的空氣密度，Kg/m3；

v---1點的空氣流速，m/so

“對外所呈現的動壓L,其值相同。

(3)動壓的特點

a.只有作定向流動的空氣才具有動壓，因此動壓具有方向性。

b.動壓總是大于零。垂直流動方向的作用面所承受的動壓最大(即流動方向上的動

壓真值)；當作用面與流動方向有夾角時，其感受到的動壓值將小于動壓真值。

c.在同一流動斷面上，由于風速分布的不均勻性，各點的風速不相等，所以其動壓

值不等。

d.某斷面動壓即為該斷面平均風速計算值。

(4)全壓

風道中任一點風流，在其流動方向上同時存在靜壓和動壓，兩者之和稱之為該

點風流的全壓,即：全壓=靜壓+動壓。

由于靜壓有絕對和相對之分，故全壓也有絕對和相對之分。

A、絕對全壓(PQ

Pti=Pi+hvi

B、相對全壓(hti)

hti=hi+hv,=Pu—Poi

說明：'A、相對全壓有正負之分；

B、無論正壓通還是負壓通風，Pti>Pihti>h.o

二、風流的點壓力之間相互關系

風流的點壓力是指測點的單位體積(In?)空氣所具有的壓力。通風管道中流動的風

流的點壓力可分為：靜壓、動壓和全壓。

風流中任一點i的動壓、絕對靜壓和絕對全壓的關系為：h”=P「P：

鼠、人和L三者之間的關系為：hti=hi+hvi?

壓入式通風(正壓通風)：風流中任一點的相對全壓恒為正。

PtiandPi>Poi

，hi>0,h“>0且h“>hi

壓入式通風的實質是使風機出口風流的能量增加量|3出口風流的絕對壓力大于風

機進口的壓力。

抽出式通風（負壓通風）：風流中任一點的相對全壓恒為負，對于抽出式通風

由于hti和hi為負，實際計算時取其絕對值進行計算。

VPtiandPi<Poi

h“V0且h”>h，但|h“|<|h|

實際應用中，因為負通風風流的相對全壓和相對靜壓均為負值，故在計算過程

中取其絕對值進行計算。

壓入式通風抽出式通風

&hat(+)

真空

壓入式通風抽出式通風

抽出式通風的實質是使風機出口風流的能量降低，即出口風流的絕對壓力小于風機進

口的壓力。

風流點壓力間的關系

例題2-2-1如圖壓入式通風風筒中某點i的hi=1000Pa,hvi=150Pa,風筒外與i

點同標高的P0i=101332Pa,求：

(1)i點的絕對靜壓R；

(2)i點的相對全壓卜；

(3)i點的絕對靜壓P”。

解：(1)Pr=Poi+h；=lO1332+lOOO=lO2332Pa

(2)hti=hi+hvi=1000+150=1150Pa

(3P,=Poi+h“=Pi+hn=lO1332.32+1150=Pa

例題2-2-2如圖抽出式通風風筒中某點i的hmlOOOPa,hvi=150Pa,風筒外與i點

同標高的Ps=101332Pa,求：

(1)i點的絕對靜壓％

(2)i點的相對全壓h”；

(3)i點的絕對靜壓已。

解：(1)R=Poi+hi=lO1332.5-1000=100332Pa

(2)|hti|=|hi|—h.i=

1000-150=850Pa

hti=-850Pa

(3)Pti=Poi+hti=lO1332.5-850=100482Pa

三、風流點壓力的測定

1、礦井主要壓力測定儀器儀表

(1)絕對壓力測量：空盒氣壓計、精密氣壓計、水銀氣壓計等。(介紹實物)

(2)壓差及相對壓力測量：恒溫氣壓計、“U”水柱計、補償式微壓計、傾斜單

管壓差計。

(3)感壓儀器：皮托管，承受和傳遞壓力，+-測壓

2、壓力測定

(1)絕對壓力一一直接測量讀數。

(2)相對靜壓(以如圖正壓通風為例)(注意連接方法)：

推導如圖h=hi?

以水柱計的等壓面0'—0，為基準面，

設：i點至基準面的高度為Z,膠皮管內的空氣平均密度為P”膠皮管外的空氣平

均密度為P；；與i點同標高的大氣壓P。；。

則水柱計等壓面0'—0’兩側的受力分別為:

水柱計左邊等壓面上受到的力:

「左=Po+P水gh=Poi+P.g(z-h)+P*gh

水柱計右邊等壓面上受到的力：

Ps=Poi+P.gz

由等壓面的定義有：P左=p右，即：

Poi+pm'g（z-h）+P水gh=Poi+P.gz

尸LFes

Xg

P~P9

若p.=p;有:

VP*>>Pa

Xg

對于負壓通風的情況請自行推導（注意連接方法）：

說明：（I）水柱計上下移動時，人保持不變;

~i-rj,一「P°i

(II)在風筒同一斷面上、下移動皮托管,

水柱計讀數不變，說明同一斷面上hi相同。

(3)相對全壓、動壓測量

測定連接如圖(說明連接方法及水柱高度變化)

(以上關系，實驗室驗證)

第三節礦井通風中的能量方程

當空氣在井巷中流動時，將會受到通風阻力的作用，消耗其能量；為保證空氣連續

不斷地流動，就必需有通風動力對空氣作功，使得通風阻力和通風動力相平衡。

一、空氣流動連續性方程

在礦井巷道中流動的風流是連續不斷的介質，充滿它所流經的空間。在無點源或

點匯存在時，根據質量守恒定律：對于穩定流，流入某空間的流體質量必然等于流出其

的流體質量。

如圖井巷中風流從1斷面流向2斷面，作定常流動時，有：

P.V.S.=p2V2S2Mi=const

3

式中Pi、P2一一1、2斷面上空氣的平均密度，kg/m；

V?,V2一一1、2斷面上空氣的平均流速，m/s；

2

Si、S2---1、2斷面面積，m0

兩種特例：

(I)若Si=Sz,貝!]P1Vi=p2V2；

(H)若Pi=P2,則V|S|=V2S2。對于不可壓縮流體，通過任一斷

面的體積流量相等，即Q=ViSi=const

二、可壓縮流體的能量方程

能量方程表達了空氣在流動過程中的壓能、動能和位能的變化規律，是能量守恒和

轉換定律在礦井通風中的應用。

(一)、單位質量(1kg)流量的能量方程

在井巷通風中，風流的能量由機械能(靜壓能、動壓能、位能)和內能組成，常用

1kg空氣或In?空氣所具有的能量表示。

機械能：靜壓能、動壓能和位能之和。

內能：風流內部所具有的分子內動能與分子位能之和。空氣的內能是空氣狀態參數

的函數，即：u=f(T,P),,能量分析

任一斷面風流總機械能：壓能+動能+位能

任一斷面風流總能量：壓能+動能+位能+內能，

所以，對單位質量流體有：

I-哪面總能篆區

A2

2-窗面峰量殳+江

A2

假設：1kg空氣由1斷面流至2斷面的過程中，

LR(J/kg)：克服流動阻力消耗的能量；

qR(J/kg)：L?部分轉化的熱量(這部分被消耗的能量將轉化成熱能

仍存在于空氣中)；

q(J/kg)：外界傳遞給風流的熱量(巖石、機電設備等)。

根據能量守恒定律：

+&Z]+Uj+q+q.——+”+穹2金+u.**L*

A2科2

2

qR+q=u2-U]+JPd?

根據熱力學第一定律，傳給空氣的熱量（為+q）,一部分用于增加空氣的內能，一

部分使空氣膨脹對外作功，即：

222

-----PL=P2v2-PJVJ=Jd（Pv）=JPdv+jvdP

PiP\iii

式中：v為空氣的比容，m7kgo

又因為：

fvdP=J——dP

上述三式整理得：

LR=vdP+（苧一苧］+g（z「Z?）

即為：單位質量可壓縮空氣在無壓源的井巷中流動時能量方程的一般形式。

式中稱為伯努力積分項，它反映了風流從1斷面流至2

斷面的過程中的靜壓能變化，它與空氣流動過程的狀態密切相關。對于不同的狀態過程,

其積分結果是不同的。

對于多變過程，過程指數為n,對伯努利積分進行積分計算，可得到：單位質量

可壓縮空氣在無壓源的井巷中流動時能量方程可寫成如下一般形式。

其中過程指數n按下式計算:

dlnP_AlnPInPi-lnP2_InP]-lnP2

dlnvAlnvlnv2-InViIn/^j-\np2

有壓源L在時，單位質量可壓縮空氣井巷中流動時能量方程可寫成如下一般形式。

)+￡?

L---------I=Pa

式中pm表示1,2斷面間按狀態過程考慮的空氣平均密度，得

Pl-p?Pl-p)

LR+俘-外購㈤

A22,

則單位質量流量的能量方程式又可寫為

3吟+俘-外蛇-辦以

（二）、單位體積（In?）流量的能量方程

我國礦井通風中習慣使用單位體積（1m，流體的能量方程。在考慮空氣的可壓縮性

3

時，那么In?空氣流動過程中的能量損失（hR,J/m（Pa）,即通風阻力）可由1kg空

氣流動過程中的能量損失（LJ/Kg）乘以按流動過程狀態考慮計算的空氣密度M，即：

L=LR.%則單位體積（Ind流量的能量方程的書寫形式為：

‘V：V；'

Z

11R=P]-P?+—----------p+SPm(1~

I22廣

幾點說明：

1、In?空氣在流動過程中的能量損失（通風阻力）等于兩斷面間的機械能差。

2、gp?（Z-Z2）是1、2斷面的位能差。當1、2斷面的標高差較大的情況下，該

項數值在方程中往往占有很大的比重，必須準確測算。其中，關鍵是M的計算，及基準

面的選取。

M的測算原則：將1一2測段分為若干段，計算各測定斷面的空氣密度（測定P、t、

6）,求其幾何平均值。

基準面選取：取測段之間的最低標高作為基準面。

例如：如圖所示的通風系統，如要求1、2斷面的位能差，

基準面可選在2的位置。其位能差為：

而要求1、3兩斷面的位能差，其基準面應選

在0-0位置。其位能差為:

由poll==J4副區g曙Prf=io驅必12一締■.國gZ30

3、是1、2兩斷面上的動能差

A、在礦井通風中，因其動能差較小，故在實際應用時，式中可分別用各自斷面上

的密度代替計算其動能差。即上式寫成：

其中：「八「2分別為1、2斷面風流的平均氣密度。

B、動能系數：是斷面實際總動能與用斷面平均風速計算出的總動能的比。即:

fU2.

dsf3

J,Pl(uds

K

S

因為能量方程式中的VI、V2分別為1、2斷面上的平均風速。由于井巷斷面上風速

分布的不均勻性，用斷面平均風速計算出來的斷面總動能與斷面實際總動能不等。需用

動能系數K加以修正。在礦井條件下，K,一般為1.02?1.05。由于動能差項很小，在

應用能量方程時，可取K,為1。

因此，在進行了上述兩項簡化處理后，單位體積流體的能量方程可近似的寫成：

J/m3

/22\

hR?（P1-P2）+心。1一心凸l+tgQmlZl—g&jZz）

hR日色-「2）+已月一，■司+k金-一8鳥自升凡

J/m3

（三）、關于能量方程使用的幾點說明

1.能量方程的意義是，表示1kg（或1m3）空氣由1斷面流向2斷面的過程中所消

耗的能量（通風阻力），等于流經1、2斷面間空氣總機械能（靜壓能、動壓能和位能）

的變化量。

2.風流流動必須是穩定流，即斷面上的參數不隨時間的變化而變化；所研究的始、

末斷面要選在緩變流場上。

3.風流總是從總能量（機械能）大的地方流向總能量小的地方。在判斷風流方向時,

應用始末兩斷面上的總能量來進行，而不能只看其中的某一項。如不知風流方向，列能

量方程時，應先假設風流方向，如果計算出的能量損失（通風阻力）為正，說明風流方

向假設正確；如果為負，則風流方與假設相反。

4.正確選擇求位能時的基準面。

5.在始、末斷面間有壓源時，壓源的作用方向與風流的方向一致，壓源為正，說明

壓源對風流做功；如果兩者方向相反，壓源為負，則壓源成為通風阻力。

6.應用能量方程時要注意各項單位的一致性。

7、對于流動過程中流量發生變化，則按總能量守恒與轉換定律列方程

+加：=0?卜3+玲+*）

+5（分卜11tn

例1、在某一通風井巷中，測得1、2兩斷面的絕對靜壓分別為101324.7Pa和101858

Pa,若SFS2,兩斷面間的高差Z「Z2=100米，巷道中p^n.Zkg/m*求：1、2兩斷面間

的通風阻力，并判斷風流方向。

解：假設風流方向1->2,列能量方程：

%）+仔0-￡介）+%-22匕口

=(101324.7-101858)+0+100X9.81X1.2=643.9J/m3o

由于阻力值為正，所以原假設風流方向正確，1->2。

例2、在進風上山中測得1、2兩斷面的有關參數，絕對靜壓R=106657.6Pa,

P2=101324.72Pa；標高差Z「Z2=-400m；氣溫ti=15℃,t2=20℃；空氣的相對濕度@=70%,

6=80%；斷面平均風速VF5.5m/s,v2=5m/s；求通風阻力LR、hRo

解：查飽和蒸汽表得；匕=15℃時，Psi=1704Pa；t2=20℃時，PS2=2337Pa；

Cid.〔皎5Z6f,0.378x0.7x1704^3

a=。皿，詢尸＜1——臉kj"284應"

外=Ogx吧呻I一"生竺且)=

門293.15I101324.72)

hP.-kiP.hl06657.6-hl01324.72

faL284l-h1.1958

L”三像圖+借-升耽-均）

072J1C66yzs101324.72)(5S力

0.72-lXl128411.1958J+1-2-)+9.81x(-400)

382.26J/kg

又

6/巧

10KS75-101324.72

=-1066576

11110132472,106657.6101324.72、

際很/1.*1-[^1490^J

101324.72/1.1958

=1.23877kg/m3

%=Pj-Pi+停-當,*+?XkZ-4)

=l喊57.6-101324.72+(寫《)x123877+9.81x123877x(-400)

=475.19J/m3

3

或hR=LRXp.=382.26X1.23877=473.53J/m0

第四節能量方程在礦井通風中的應用

一、水平風道的通風能量（壓力）坡度線

（一）、能量（壓力）坡度線的作法

意義：掌握壓力沿程變化情況；有利于通風管理。

._______________擴散器

..________I,_________1—■—?--------

01：23：45：6%?9-^io

壓力Pa,\\\：4;:

1??(::

???1

?t????11

Ht

:.流程

Po%J一：/1

如圖所示的通風機一水平風道系統，繪制能量（壓力）坡度線。

1、風流的邊界條件

入口斷面處：風流入口斷面處的絕對全壓等于大氣壓（可用能量方程加以證明,

對入口斷面的內外側列能量方程并忽略極小的入口流動損失），即:

Ptir>=Po?所以，Pln=0,hm=hvin；

出口斷面處：風流出口斷面處的絕對靜壓等于大氣壓（可用能量方程加以證明,

對出口斷面的內外側列能量方程并忽略極小的出口流動損失），即:

Pe產Po,所以，hex=0,htex=hvex；

2、作圖步驟

1）、以縱坐標為壓力（相對壓力或絕對壓力），橫坐標為風流流程。

2）、根據邊界條件確定起始點位置。

3）、將各測點的相對靜壓和相對全壓與其流程的關系描繪在坐標圖中。

4）、最后將圖上的同名參數點用直線或曲線連接起來，就得到所要繪制的能量（壓

力）坡度線。

（二）、能量（壓力）坡度線的分析

1、通風阻力與能量（壓力）坡度線的關系

3j=（R—g）+（%—%）一尾%

由于風道是水平的，故各斷面間無位能差，且大氣壓相等。由能量方程知，任意兩

斷面間的通風阻力就等于兩斷面的全壓差：

（VPoi=Poj）

a、抽出段求入口斷面至i斷面的通風阻力，由上式得：

hno~i—hto—hti=—hti（hto=O）

即：入口至任意斷面i的通風阻力（hRo~i）就等于該斷面的相對全壓（hti）的絕對

值。

求負壓段任意兩斷面（i、j）的通風阻力：

hRi~j=Pti—Ptj

hti=Pti—Poi又IhtiI=IhiI—hvl

代入上式得：PH=Poi—|hi

同理：Ptj=POL|hj|—hvj

hRi~j=（Poi-Ihi|—hvi）—（Poi-Ihj|-hvj）

=|hj|—|hi|+hvi-h,j

=|htj|—|hti|

若h,i=h,jhRi~j=|h；|—|hi|

b、壓入段求任意斷面i至出口的通風阻力，由上式得：

hRi~io—h（i-htio=hti—hvio（hio=O）

即：壓入段任意斷面i至出口的通風阻力（%~0）等于該斷面的相對全壓（hti）

減去出口斷面的動壓（鼠|。）。

求正壓段任意兩斷面（i、j）的通風阻力：

同理可推導兩斷面之間的通風阻力為：

hRi~j=hu-htj

2、能量（壓力）坡度線直觀明了地表達了風流流動過程中的能量變化。

絕對全壓（相對全壓）沿程是逐漸減小的；

絕對靜壓（相對靜壓）沿程分布是隨動壓的大小變化而變化。

3、擴散器回收動能（相對靜壓為負值）

所謂擴散器回收動能，就是在風流出口加設一段斷面逐漸擴大的風

道，使得出口風速變小，從而達到減小流入大氣的風流動能。擴散器安設的

是否合理,可用回收的動能值（AhJ與擴散器自身的通風阻力（hRd）相比較來確定,

即:

Ahv—hvexhvex>hlid合理

Ahv=hvex—hvex'<hud不合理

在壓入段出現相對靜壓為負值的現象分析,

如上圖，對9~10段列能量方程:

HR9~IO—(Pg+hvg)—(Pio+hvio)=P9+hg—Po—hvio

—hg+hvs-h?io

hg-hss-to—(hv9—hvio)

如果：hv9-hvio>hR9~10,貝!I,

h9<0（為負值）

因此，測定擴散器中的相對靜值就可判斷擴散器的安裝是否合理，相對靜壓的負值

越大，其擴散器回收動能的效果越好。

（三）、通風機全壓（Ht）

1、通風機全壓的概念

通風機的作用：就是將電能轉換為風流的機械能，促使風流流動。通風機的全壓

H