地下建筑风水电 李利平 岩土中心.

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1 地下建筑风水电 李利平 岩土中心

2 第四章 矿井空气及其流动基本理论

3 提　　纲 第一节 矿井空气 第二节 空气流动的基本理论

4 新鲜风流从地面经副井2进入井下，经井底车场3、主要运输石门4、运输大巷5、采区下部材料车场11、采区轨道上山15、中部车场19、区段运输巷20进入采煤工作面25。清洗工作面后，污风经区段回风巷23、采区回风石门17、回风大巷8、回风石门7，从风井6排水大气。 矿井生产系统

5 通风安全学的产生 我们需要解决的问题是： 1.我们需要什么样的空气？ 2.我们需要多少风量？ 3.如何产生这些风量？
4.如何使这些风量合理分配到各用风地点？

6 本节需要解决的问题 1.我们需要什么样的空气？ 2.矿井中哪些气体有害？他们是从哪儿来的？对他们的控制要求是什么？
3.如何评价矿井气候条件？

7 4.1.1 矿井空气成分 一、地面空气的组成 定义：地面空气进入矿井以后即称为矿井空气。
地面空气是由干空气和水蒸汽组成的混合气体，亦称为湿空气。 干空气是指完全不含有水蒸汽的空气，由氧、氮、二氧化碳、氩、氖和其他一些微量气体所组成的混合气体。

8 4.1.1 矿井空气成分 干空气的组成成分比较稳定，其主要成分如下： 气体成分 按体积计／％ 按质量计／％ 备注
气体成分 按体积计／％ 按质量计／％ 备注 氧气（ O2 ） 惰性稀有气体氦、 氮气（N2） 氖、氩、氪、 二氧化碳（CO2） 氙等计在氮气中 湿空气中含有水蒸气，但其含量的变化会引起湿空气的物理性质和状态变化。

9 4.1.1 矿井空气成分 二、矿井空气的主要成分及基本性质 新鲜空气：井巷中用风地点以前、受污染程度较轻的进风巷道内的空气。
空气中进入井下后发生的变化 1. 物理变化 (1)井下煤层、岩层中溢出了有害气体：CH4、CO2、N2······Rn(氡) (2)生产中产生了大量的矿尘 (3)温度、气压、湿度发生了变化↑ 2.化学变化 (1)井下物质的氧化：产生CO2、CO、H2O、SO2、H2S (2)煤的氧化自燃，瓦斯爆炸产生：CO、CO2、CnHm等 (3)生产中的炸药爆破产生：SO2、NO2、NH3等

10 4.1.1 矿井空气成分 污浊空气：通过用风地点以后、受污染程度较重的回风巷道内的空气。

11 4.1.1 矿井空气成分 1．氧气(O2) 氧气是维持人体正常生理机能所需要的气体,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。比重1.105。 作用： 供人呼吸； · 使物质氧化； · 是瓦斯、煤尘、爆炸和矿井火灾的必要条件。 人体需氧量与劳动强度的关系 劳动强度 呼吸空气量（L/min） 氧气消耗量（L/min） 休 息 轻 劳 动 中度劳动 重 劳 动 极重劳动

12 4.1.1 矿井空气成分 当空气中的氧浓度降低时，人体就可能产生不良的生理反应，出现种种不舒适的症状，严重时可能导致缺氧死亡。
当空气中O2的浓度降低，就会发生缺氧现象： [O2]↓ 17% 呼吸困难，心跳加快 15％ 失去劳动能力 12％ 失去理智，不能自控→死亡 3％ 很快死亡

13 4.1.1 矿井空气成分 矿井空气中氧浓度降低的主要原因有： 《规程》要求： a、人员呼吸（有限空间中）； b、坑木、煤岩的氧化、消耗氧；
c、煤岩层中涌出的有害气体，使氧的浓度相对降低； d、火灾、瓦斯爆炸事故会大量消耗氧气； 因此，在井下盲巷或通风不良的地方或火灾、爆炸后的风流中，氧气的浓度会降到10％以下，甚至更低：5％，2％，人员进入会发生窒息死亡。 《规程》要求： 井下风流中 [O2]≥20% 国际劳工局（International Labour Office）制定的《煤矿安全与健康实用规程》(1985年5月，日内瓦)规定： [O2]≥19%： 俄罗斯、德国≥20%； 美国、日本≥19%。

14 4.1.1 矿井空气成分 案例一 O2浓度4.8%，CH4浓度1.0%，CO2浓度7.0%；

15 4.1.1 矿井空气成分 案例二 28（26） 450 394 56 238（213） 210（187） 48轨 48轨 消火道 消火道 47 25（50） 263 497 注：（）内为风门敞开时的风量分配 调风前的通风系统示意图 调风后的通风系统示意图 ①死亡时的姿势均是向前卧；②矿灯是开着的；③距巷道口11m处O2浓度为15%，密闭内3.3%，即二人在低氧情况下行走的距离很短；④现场情况表明二人以前休息的地点在事故地点前方70m处的原绞车房处。

16 4.1.1 矿井空气成分 2．二氧化碳(CO2) 二氧化碳不助燃，也不能供人呼吸，略带酸臭味。二氧化碳比 空气重（其比重为1.52），在风速较小的巷道中底板附近浓度 较大；在风速较大的巷道中，一般能与空气均匀地混合。 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；煤炭自燃；瓦斯、煤尘爆 炸等。

17 4.1.1 矿井空气成分 矿井空气主要成分的体积(浓度)标准 二氧化碳浓度不得超过0.5％； 总回风流中不得超过0.75％；
当采掘工作面风流中二氧化碳浓度达到1.5％或采 区、采掘工作面回风道风流中二氧化碳浓度超过 1.5％时，必须停工处理。

18 4.1.1 矿井空气成分 3．氮气(N2) 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。但空气中含氮量升高，则势必造成氧含量相对降低，从而也可能造成人员的窒息性伤害。正因为氮气具有的惰性，因此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,灭火人为注氮。

19 4.1.2 矿井空气中的有害气体 一、基本性质 空气中常见有害气体：CO、NO2、SO2 、NH3 、H2 １、一氧化碳（CO）
一氧化碳是一种无色、无味、无臭的气体。相对密度为0.97，微溶于水，能与空气均匀地混合。

20 4.1.2 矿井空气中的有害气体 主要危害：血红素是人体血液中携带氧气和排出二氧化碳的细胞。一氧化碳与人体血液中血红素的亲合力比氧大250～300倍。一旦一氧化碳进入人体后，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”。 ①剧毒:(CO）－0. 016% 轻微中毒 （CO）－0.048% 头痛眩晕 轻微中毒（一类） 　 （CO）－0.128% 无力、呕吐 　（CO）－0.4% 丧失知觉，以致死亡 严重中毒（二类） （CO）－1. 28% （1～3min）呼吸停止，死亡 致命（三类） ② 爆炸：（CO）－13%～75% 爆炸 主要来源：爆破；矿井火灾；煤炭自燃以及煤尘瓦斯爆炸事故等。

21 4.1.2 矿井空气中的有害气体 2、硫化氢（H2S） 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
当浓度较高时，因嗅觉神经中毒麻痹，反而嗅不到。 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，所以它可能积存于旧巷的积水中。 硫化氢能燃烧，空气中硫化氢浓度为4.3～45.5％时有爆炸危险。

22 4.1.2 矿井空气中的有害气体 硫化氢主要危害： 硫化氢剧毒，有强烈的刺激作用； 能阻碍生物氧化过程，使人体缺氧；
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。 主要来源：有机物腐烂；含硫矿物的水解；矿物氧化和燃烧；从老空区和旧巷积水中放出。

23 4.1.2 矿井空气中的有害气体 ３、二氧化氮（NO2） 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。
主要危害：二氧化氮溶于水后生成腐蚀性很强的硝酸，对眼睛、呼吸道粘膜和肺部有强烈的刺激及腐蚀作用，二氧化氮中毒有潜伏期，中毒者指头出现黄色斑点。0.01%出现严重中毒。 主要来源：井下爆破工作。

24 4.1.2 矿井空气中的有害气体 4、二氧化硫（SO2） 二氧化硫无色、有强烈的硫磺气味及酸味，空气中浓度达到0.0005％即可嗅到。其相对密度为2.22，易溶于水。 主要危害：遇水后生成硫酸，对眼睛及呼吸系统粘膜有强烈的刺激作用，可引起喉炎和肺水肿。当浓度达到 0.002％时，眼及呼吸器官即感到有强烈的刺激；浓度达0.05％时，短时间内即有致命危险。 主要来源：含硫矿物的氧化与自燃；在含硫矿物中爆破；以及从含硫矿层中涌出。

25 4.1.2 矿井空气中的有害气体 5、氨气（NH3） 无色、有浓烈臭味的气体，相对密度为0.596，易溶于水，空气浓度中达30％时有爆炸危险。 主要危害：氨气对皮肤和呼吸道粘膜有刺激作用，可引起喉头 水肿。 主要来源：爆破工作，注凝胶、水灭火等；部分岩层中也有氨 气涌出。

26 4.1.2 矿井空气中的有害气体 6.氢气（H2） 无色、无味、无毒，相对密度为0.07。氢气能自燃，其点燃温度比沼气低100～200℃。
主要危害：当空气中氢气浓度为4～74％时有爆炸危险。 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、或煤氧化。

27 4.1.2 矿井空气中的有害气体 二、矿井空气中有害气体的安全浓度标准
矿井空气中有害气体对井下作业人员的生命全危害极大，因此，《规程》对常见有害气体的安全标准做了明确的规定： 矿井空气中有害气体的最高容许浓度 有害气体名称 符号 最高容许浓度/% 一氧化碳 CO 氧化氮（折算成NO2） NO 二氧化硫 SO 硫化氢 H2S 氨 NH 制定标准时留有比较大的安全系数

28 4.1.3 矿井气候 矿井气候： 矿井空气的温度、湿度和流速三个参数的综合作用。 这三个参数也称为矿井气候条件的三要素。

29 4.1.3 矿井气候 一、矿井气候对人体热平衡的影响 人体散热基本形式：对流、辐射和汗液蒸发 对流散热取决于周围空气的温度和流速；
辐射散热主要取决于环境温度； 蒸发散热取决于周围空气的相对湿度和流速。

30 4.1.3 矿井气候 人体热平衡关系式：qm-qw=qd+qz+qf+qch qm—人体在新陈代谢中产热量，取决于人体活动量；
qW—人体用于做功而消耗的热量，qm-qw人体排出的多 余热量； qd—人体对流散热量，低于人体表面温度，为负，否则 ，为正； qz—汗液蒸发或呼出水蒸气所带出的热量； qf—人体与周围物体表面的辐射散热量，可正，可负； qch—人体由热量转化而没有排出体外的能量；人体热平 衡时，qch=0；当外界环境影响人体热平衡时，人体温度 升高qch>0，人体温度降低，qch<0。 为什么有相当一部分能量白白排出体外？ 维持体温： ℃

31 4.1.3 矿井气候 矿井气候条件的三要素： 空气温度：对人体对流散热起着主要作用。 相对湿度：影响人体蒸发散热的效果。
风速：影响人体的对流散热和蒸发散热的效果。对流换热强度随风速而增大。同时湿交换效果也随风速增大而加强。如有风的天气，凉衣服干得快。

32 4.1.3 矿井气候 二、衡量矿井气候条件的指标 1.干球温度 干球温度是我国现行的评价矿井气候条件的指标之一
特点：在一定程度上直接反映出矿井气候条件的好坏 只反映了气温对矿井气候条件的影响。 2.湿球温度 湿球温度是可以反映空气温度和相对湿度对人体 热平衡的影响，比干球温度要合理些。但这个指标仍没有反映风速对人体热平衡的影响。

33 4.1.3 矿井气候 3.等效温度 等效温度定义为湿空气的焓与比热的比值。它是一个以能量为基础来评价矿井气候条件的指标。
当气温在25-36℃的范围内，等效温度与湿球温度成线性关系，具有相同意义。

34 4.1.3 矿井气候 干球温度℃ 湿球温度℃ 45 4.同感温度 同感温度（也 称有效温度）是 1923年由美国采 暖工程师协会提
45 15 35 25 10 同感温度℃ 0.6 0.3 3 风速（m/s） 1.5 4.同感温度 同感温度（也 称有效温度）是 1923年由美国采 暖工程师协会提 出的。这个指标 是通过实验，凭 受试者对环境的 感觉而得出的。 18 25 23 同感温度计算图

35 4.1.3 矿井气候 5.卡他度 卡他度是一种评价作业环境气候条件的综合指数，它采用模拟的方法，度量环境对人体散热强度的影响
卡他度是指由被加热36.5℃时的卡他温度计的液球，在单位时间、单位面积上所散发的热量，卡他度实际上就是用卡他计液球的散热强度来模拟人体的散热强度 卡他度的实质就是卡他计液球在平均温度为36.5℃时的散热强度。用它来模拟人体的散热。

36 4.1.3 矿井气候 5.卡他度 干卡他度：反映了气温和风速对气候条件的影响，但没有反映空气湿度的影响。 Kd=41.868F/t W/m2
为了测出温度、湿度和风速三者的综合作用效果： 湿卡他度（Kw）：是在卡他计贮液球上包裹上一层湿纱布时测得的卡他度，其实测和计算方法完全与干卡他度相同。

37 4.1.3 矿井气候 三、矿井气候条件的安全标准 我国矿山气候条件的安全标准 类别 最高容许干球温度℃ 煤矿 金属矿 化学矿 铀矿
我国现行评价矿井气候条件的指标是干球温度。1982年国务院颁布的《矿山安全条例》第53条规定，矿井空气最高容许干球温度为28℃。 我国矿山气候条件的安全标准 类别 最高容许干球温度℃ 煤矿 金属矿 化学矿 铀矿 采掘工作面 26 27 机电硐室 30 特殊条件 热水型和高硫矿井 27.5

38 第一节小结 第二节 矿井空气流动的 基本理论 矿井空气的主要成分与标准； 矿井空气中有害气体的种类、性质与安全标准； 矿井气候及三要素；
矿井气候的评价指标。 第二节 矿井空气流动的 基本理论

39 第二节主要内容 上一章我们已经解决的问题： 1.我们需要什么样的空气？ 2.矿井中哪些气体有害？他们是从哪儿来的？对他们 的控制要求是什么？
2矿井空气流动基本理论 2.1空气主要物理参数 2.2风流能量与压力 2.3矿井通风中的能量方程 2.4能量方程在矿井通风中的应用 上一章我们已经解决的问题： 1.我们需要什么样的空气？ 2.矿井中哪些气体有害？他们是从哪儿来的？对他们 的控制要求是什么？ 3.如何评价矿井气候条件？ 本章需要解决的问题： 1.描述空气流动用到哪些参数？ 2.空气流动的内在原因是什么？ 3.如何描述空气流动的基本规律？ 4.这些基本规律如何指导矿井通风？

40 第二节主要内容 1、空气的物理参数----T、P、Φ、μ、ρ 2、风流的能量与点压力----静压，静压能；动
2矿井空气流动基本理论 2.1空气主要物理参数 2.2风流能量与压力 2.3矿井通风中的能量方程 2.4能量方程在矿井通风中的应用 1、空气的物理参数----T、P、Φ、μ、ρ 2、风流的能量与点压力----静压，静压能；动 压、动能；位能；全压；抽出式和压入式相对静压、相对全压与动压的关系。 3、能量方程 连续性方程、单位质量能量方程、单位体积能量方程 4、能量方程在矿井中的应用----边界条件、压 力坡度图

41 2.2.1 空气主要物理参数 一、温度 二、压力（压强）
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。 二、压力（压强） 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) 矿井常用压强单位：Pa Mpa mmHg mmH20 mmbar bar atm 等 换算关系：１atm=760mmHg= mmbar=101325Pa １mmbar = 100 Pa = 10.2 mmH20, １mmHg = 13.6mmH20 = Pa 1 atm = Pa = bar ≈ at = Pa = 760 Torr ≈ psi

42 4.2.1 空气主要物理参数 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湿度。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。v=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。

43 4.2.1 空气主要物理参数 ２、相对湿度 单位体积空气中实际含有的水蒸汽量（V）与 其同温度下的饱和水蒸汽含量（S）之比称为空气
的相对湿度。 φ＝ V／ 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。

44 4.2.1 空气主要物理参数 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。 上例 甲地、乙地的露点分别为多少？
例如：甲地：t = 18 ℃， V ＝ Kg/m3 乙地：t = 30 ℃， V ＝ Kg/m3 解：查附表 当t为18 ℃， s ＝ Kg/m3 当t为30 ℃， s ＝ Kg/m3 ∴ 甲地：φ＝ V／ S＝0.7 ＝70 % 乙地：φ＝ V／ S＝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。 上例 甲地、乙地的露点分别为多少？

45 4.2.1 空气主要物理参数 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= V／d
d=0.622φPs/(P-φPs)

46 4.2.1 空气主要物理参数 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+d•iV=1.0045t+d( t) 实际应用焓-湿图（i-d图）

47 4.2.1 空气主要物理参数 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。 V y

48 4.2.1 空气主要物理参数 根据牛顿内摩擦定律有： 式中：μ—比例系数，代表空气粘性，称为动力粘性或绝对粘度。其国际单位：帕.秒，写作：Pa.S。 运动粘度为: 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

49 4.2.1 空气主要物理参数 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： 根据气体状态方程，可推出空气密度计算公式： 式中：P为大气压，Ｐsat为饱和水蒸汽压，单位：Pa； φ为相对湿度； Ｔ为空气绝对温度，T= t , K。

50 4.2.2 风流能量与压力 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 ㈠静压能－静压 ⒈静压能与静压的概念 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，J／m3，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Pa=N/m2也可称为是静压能，二者数值相等

51 4.2.2 风流能量与压力 ⒉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101332Pa，则指风流1m3具有101332J的静压能。

52 4.2.2 风流能量与压力 ⒊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：以当时当地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，通常所说的表压力，用 h 表示。

53 4.2.2 风流能量与压力 P0 b a P ha(+) P0 hb(-) Pa Pb 真空 Pi 与 hi 比较：
风流的绝对压力（P）、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：h=P－P0 。 P0 b a P ha(+) P0 Pi 与 hi 比较： ①绝对静压总是为正，而相对静压有正负之分； ②Pi可能大于、等于或小于与该点同标高的大气压(P0i)。 hb(-) Pa Pb 真空

54 4.2.2 风流能量与压力 ㈡重力位能 ⒈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。 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。 ⒉位能计算 重力位能计算应有一个参照基准面。如下图 1-２两断面之间的位能差： dzi １ ２ a b z12

55 4.2.2 风流能量与压力 a dzi z12 b ⒊位能与静压的关系 １ 当空气静止时（v=0），由空气静力 学可知：各断面的机械能相等。
1-1断面的总机械能 E1=EPO1+P1 2-2断面的总机械能 E2=EPO2+P2 由E1=E2得： EPO1+P1=EPO2+P2 ∵EPO2=0（2-2断面为基准面） 又EPO1=12.g.Z12， ∴P2=EPO1+P1=12.g.Z12+P1 dzi １ ２ a b z12 说明： Ｉ、位能与静压能之间可以互相转化。 II、在矿井通风中把某点的静压和位能之和称之为势能。

56 4.2.2 风流能量与压力 ⒋位能的特点 a.位能是相对某一基准面而具有的能量，它随所选基准面的变化而变化。但位能差为定值。
b.位能是一种潜在的能量，它在本处对外无力的效应，即不呈现压力，故不能象静压那样用仪表进行直接测量。 c.位能和静压可以相互转化，在进行能量转化时遵循能量守恒定律。

57 4.2.2 风流能量与压力 ㈢动能－动压 ⒈动能与动压的概念
当空气流动时，除了位能和静压能外，还有空气定向运动的动能，用Ev表示，J/m3； 动能转化后显现的压力叫动压或称速压，用符号hv表示，单位Pa。

58 4.2.2 风流能量与压力 ⒉动压的计算 单位体积空气所具有的动能为： 式中： i ——i点的空气密度，Kg/m3；
v——i点的空气流速，m/s。 Evi对外所呈现的动压hvi，其值相同。

59 4.2.2 风流能量与压力 ⒊动压的特点 ⑴只有作定向流动的空气才具有动压，因此动压具有方向性。
⑵动压总是大于零。垂直流动方向的作用面所承受的动压最大（即流动方向上的动压真值）；当作用面与流动方向有夹角时，其感受到的动压值将小于动压真值。 ⑶在同一流动断面上，由于风速分布的不均匀性，各点的风速不相等，所以其动压值不等。 ⑷某断面动压即为该断面平均风速计算值。

60 hti＝hi＋hvi＝(Pi －Poi)+(Pti-Pi)=Pti－Poi
4.2.2 风流能量与压力 ㈣全压 风道中任一点风流，在其流动方向上同时存在静压和动压，两者之和称之为该点风流的全压，即：全压＝静压＋动压。 由于静压有绝对和相对之分，故全压也有绝对和相对之分。 Ａ、绝对全压（Pti） Pti＝Pi＋hvi B、相对全压（hti） hti＝hi＋hvi＝(Pi －Poi)+(Pti-Pi)=Pti－Poi 说明：A、相对全压有正负之分； B、无论正压通还是负压通风，Pti>Pi 绝对全压-绝对静压 hti＞ hi。相对全压大于相对静压

61 4.2.2 风流能量与压力 二、风流的点压力之间相互关系 ㈠风流的点压力
风流的点压力是指测点的单位体积(1m3)空气所具有的压力。通风管道中流动的风流的点压力可分为：静压、动压和全压。 风流中任一点i的动压、绝对静压和绝对全压的关系为： 绝对全压hvi=Pti-Pi hvi、hi和hti三者之间的关系为： 相对全压hti=hi+hvi

62 4.2.2 风流能量与压力 a P0 压入式通风 压入式通风（正压通风）： 风流中任一点的相对全压恒为正。
∵ Pti and Pi>Po I ∴ hi＞0 ，hti＞0 且 hti＞hi ，hti=hi+hvi 压入式通风的实质是使风机出口风流的能量增加，出口风流的绝对压力大于风机进口的压力。 a P0 压入式通风 Pa 真空 P0 ha(+) Pat hv hat(+)

63 4.2.2 风流能量与压力 抽出式通风（负压通风）： P0 b 抽出式通风 风流中任一点的相对全压恒为
负，对于抽出式通风由于hti和hi 为 负，实际计算时取其绝对值进行计 算。 ∵ Pti and Pi＜Poi hti＜0 且 hti＞hi 但|hti|<|hi| 即：|hti|=|hi|－hvi 抽出式通风的实质是使风机入口 风流的能量降低，即入口风流的绝 对压力小于风机进口的压力。 b P0 抽出式通风 真空 P0 Pb hb(-) hv hbt(-) Pbt

64 4.2.2 风流能量与压力 a P0 b 压入式通风 抽出式通风 压入式通风 抽出式通风 hv hat(+) Pat ha(+) P0
真空 P0 Pb ha(+) hb(-) hv hat(+) hbt(-) Pbt 压入式通风 抽出式通风

65 4.2.2 风流能量与压力 例题 如图压入式通风风筒中某点i的 hi=1000Pa，hvi=150Pa，风筒外与i点同标高的
P0i=101332Pa，求： (1)i点的绝对静压Pi； (2)i点的相对全压hti； (3)i点的绝对全压Pti。 解：(1)Pi=P0i+hi= =102332Pa (2)hti=hi+hvi= =1150Pa (3)Pti=P0i+hti=Pi+hvi= = Pa

66 4.2.2 风流能量与压力 例题 如图抽出式通风风筒中某点i的 hi=1000Pa，hvi=150Pa，风筒外与i点同标高的
P0i=101332Pa，求： (1) i点的绝对静压Pi； (2) i点的相对全压hti； (3) i点的绝对全压Pti。 解：(1) Pi=P0i+hi= =100332Pa (2) |hti|=|hi|－hvi＝ =850Pa hti＝－850 Pa (3) Pti=P0i+hti= =100482Pa

67 4.2.2 风流能量与压力 ㈡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。
（２）压差及相对压力测量：恒温气压计、Ｕ型水柱计、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。

68 4.2.2 风流能量与压力 i ㈡风流点压力的测定 ２、压力测定 （１）绝对压力－－直接测量读数。 （２）相对静压(以如图正压通风为例)
（注意连接方法）： ＋ － ０ h P0 i z P0 i

69 P右＝P０+ρ水gh＝P0i+ρm’g(z-h)+ρ水gh
4.2.2 风流能量与压力 推导如图h=hi? 以水柱计的等压面0－0为基准面 设:i点至基准面的高度为Z，胶皮管内的空气平均密度为ρm，胶皮管外的空气平均密度为ρm’；与i点同标高的大气压P0i。 则水柱计等压面 0’ －0’两侧的受力分别为： 水柱计左边等压面上受到的力： P右＝P０+ρ水gh＝P0i+ρm’g(z-h)+ρ水gh 水柱计右边等压面上受到的力： P左＝Pi+ρmgz ＋ － ０ h P0 i z P0 i

70 P0i+ρm’g(z-h)+ρ水gh＝P0i+ρmgz
4.2.2 风流能量与压力 由等压面的定义有：P左＝P右，即： P0i+ρm’g(z-h)+ρ水gh＝P0i+ρmgz 若 ρm＝ ρm’ 有： ∵ ρ水 ＞＞ ρm

71 4.2.2 风流能量与压力 h=hi ＋ － h 说明：（I）水柱计上下移动时，hi 保持不变；
对于负压通风的情况请自行推导（注意连接方法）： ＋ － h h=hi 说明：（I）水柱计上下移动时，hi 保持不变； （II）在风筒同一断面上、下移动皮托管，水柱计读数不变，说明同一断面上 hi 相同。

72 4.2.2 风流能量与压力 ㈢相对全压、动压测量 测定连接如图 （说明连接方法及水柱高度变化） z P0i ht ＋ － hi hv

73 4.2.3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，使得矿井空气能够克服通风阻力流动。 风流在矿井巷道中的流动遵循何规律？ 这些规律又如何指导矿井通风？

74 4.2.3矿井通风中的能量方程 一、空气流动连续性方程 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空间的流体质量。
如图井巷中风流从1断面流向2 断面，作定常流动时，有： Mi=const ρ1V1 S1＝ρ２V２S２ ρ1、ρ2 —1、2断面上空气的平均密度，kg/m3 ； V1,V2—1、2 断面上空气的平均流速，m/s； S1、S2—1、２断面面积，m2。 １ ２

75 4.2.3矿井通风中的能量方程 2 ρ1V1 S1＝ρ２V２S２ 3种特例： ⑴若 S1＝S2 ，则ρ１V1＝ρ２V２
对于不可压缩流体，通过任一断面的体积流量 相等，即： Q=viSi=const １ １ ２ 2

76 4.2.3矿井通风中的能量方程 二、可压缩流体的能量方程 能量方程是能量守恒和转换定律在矿井通风中的应用，
表达了空气在流动过程中的压能、动能和位能的变化规律。 （一）、单位质量(1kg)流体的能量方程 1.能量的组成（1kg空气所具有的能量） 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，v）。

77 4.2.3矿井通风中的能量方程 p1、v1、u1 ２ １ p2、v2、u2 z1 z2 2.风流流动过程中能量分析
任一断面风流总机械能：压能＋动能＋位能 任一断面风流总能量：压能＋动能＋位能＋内能， 所以，对单位质量流体有： １ ２ z1 z2 p1、v1、u1 p2、v2、u2

78 4.2.3矿井通风中的能量方程 q p1、v1、u1 １ ２ z1 z2 LR p2、v2、u2 qR 另外：
LR p2、v2、u2 qR 另外： 1kg空气由1断面流至2断面的过程中，克服流动阻力消 耗的能量LR（J/kg）[这部分被消耗的能量将转化成热能qR （J/kg）仍存在于空气中]； q（J/kg）：外界传递给风流的热量（岩石、机电设备）。

79 4.2.3矿井通风中的能量方程 q p1、v1、u1 ２ １ LR p2、v2、u2 z1 qR z2
p1、v1、u1 p2、v2、u2 q LR qR 3.可压缩空气单位质量（1kg）流量的能量方程 根据能量守恒定律：

80 4.2.3矿井通风中的能量方程 根据热力学第一定律，传给空气的热量（qR+q），一部分用于增加空气的内能，一部分使空气膨胀对外作功，即：
式中：v为空气的比容，m3/kg。 又因为： 对上述三式整理： 即为：单位质量可压缩空气在无压源的井巷中流动时能量方程的一般形式

81 4.2.3矿井通风中的能量方程 +Lt 4.关于单位质量可压缩空气能量方程的讨论
式中 称为伯努力积分项，它反映了风流从1断面流至2断面的过程中的静压能变化，它与空气流动过程的状态密切相关。对于不同的状态过程，其积分结果是不同的。

82 4.2.3矿井通风中的能量方程 对于多变过程：

83 4.2.3矿井通风中的能量方程 （二）、单位体积(1m3)流量的能量方程 我国矿井通风中习惯使用单位体积（1m3）流体的能量方
能量损失（hR，J/m3（Pa），即通风阻力）可由1kg空气流动 过程中的能量损失（LR J/Kg）乘以按流动过程状态考虑计算 的空气密度m，即：hR=LR.m；则单位体积(1m3)流量的能量 方程的书写形式为：

84 4.2.3矿井通风中的能量方程 讨论： 1、1m3 空气在流动过程中的能量损失（通风阻力）等于两断面间的机械能差。
2、gm（Z1-Z2）是1、2 断面的位能差。当1、2 断面的标高差较大的情况下，该项数值在方程中往往占有很大的比重，必须准确测算。其中，关键是m的计算，及基准面的选取。 m的测算原则：将1－2 测段分为若干段，计算各测定断面的空气密度(测定 P、t 、φ)，求其几何平均值。 基准面选取：取测段之间的最低标高作为基准面。

85 4.2.3矿井通风中的能量方程 1 3 2 例如：如图所示的通风系统，如要求1、2断面的位能差，基准面可选在2的位置。其位能差为：
而要求1、3两断面的位能差，其基准面应选在0-0位置。其位能差为： 1 2 3

86 4.2.3矿井通风中的能量方程 ３、 是1、2两断面上的动能差
３、 是1、2两断面上的动能差 A、 在矿井通风中，因其动能差较小，故在实际应用时，式中可分别用各自断面上的密度代替计算其动能差。即上式写成： 其中：ρ１、ρ2分别为1、２断面风流的平均气密度。

87 4.2.3矿井通风中的能量方程 B、动能系数：是断面实际总动能与用断面平均风速计算出的总动能的比。即：
因为能量方程式中的v1、v2分别为1、2断面上的平均风速。由于井巷断面上风速分布的不均匀性，用断面平均风速计算出来的断面总动能与断面实际总动能不等。需用动能系数Kv加以修正。在矿井条件下，Kv一般为1.02～1.05。由于动能差项很小，在应用能量方程时，可取Kv为1。 因此，在进行了上述两项简化处理后，单位体积流体的能量方程可近似的写成：

88 4.2.3矿井通风中的能量方程 （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。

89 4.2.3矿井通风中的能量方程 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 3 1 2

90 4.2.3矿井通风中的能量方程 例1在某一通风井巷中，测得1、2两断面的绝对静压分别为 Pa和101858Pa，若S1=S2，两断面间的高差Z1-Z2=100米，巷道中m12=1.2kg/m3，求：1、2两断面间的通风阻力，并判断风流方向。 Z1-Z2 1 2

91 4.2.3矿井通风中的能量方程 1 Z1-Z2 2 解：假设风流方向12，列能量方程：
=（ －101858）＋0＋100×9.81×1.2 = J/m3。 由于阻力值为正，所以原假设风流方向正确，12。

92 4.2.3矿井通风中的能量方程 例 2、在进风上山中测得1、2两断面的有关参数，绝对静压P1= Pa，P2= Pa；标高差Z1-Z2=－400m；气温t1=15℃，t2=20℃；空气的相对湿度1=70%，2=80%；断面平均风速v1=5.5m/s，v2=5m/s；求通风阻力LR、hR。 解：查饱和蒸汽表得；t1=15℃时，PS1=1704Pa；t2=20℃时， PS2=2337Pa；

93 4.2.3矿井通风中的能量方程

94 4.2.3矿井通风中的能量方程

95 本节小结 空气的六大物理参数的定义与计算； 风流的绝对压力、相对压力、静压、全压、速压等概念 风流点压力的相互关系、计算方法；
通风的能量方程及其在矿井通风中的应用；

96 欢迎各位同学批评指正！ Thank You !