第七章矿井通风网络中风量分配与调节及其解算

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第七章 矿井通风网络中风量 分配与调节及其解算7.1 7.2 7.3 7.4 矿井风流运动的基本规律 矿井简单通风网络 矿井风量调节 矿井复杂通风网络解算及软件

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7.1 矿井风流运动的基本定律 矿井中风流的引入、分配、汇集和排出是通过许多 矿井中风流的引入、分配、 纵横交错、彼此连通的井巷网进行的， 纵横交错、彼此连通的井巷网进行的，风流通过的 井巷所构成的网路，称为通风网络。 井巷所构成的网路，称为通风网络。用图论的方法 对通风网络进行抽象描述， 对通风网络进行抽象描述，把通风网络变成一个由 点及其属性组成的系统，就是通风网络图。 线、点及其属性组成的系统，就是通风网络图。

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7.1 矿井风流运动的基本定律 (6)树。)中的实 7-1(b) 图) 弦。是指任 (1)分支(边、 )分支( 7))假分支。是 ((矿井通风网络与网络图 ) ( 在任一通 2)假分支。 7.1.1(3)节点(结 意两节点间至少存 线图就是通风网络 )。表示一段通 弧)。表示一段通 显然，通风网络 显然)节点( , 风网络的每棵生成树、 通路、 (4)路(通路 ) 风阻为零的虚拟分 1.矿井通风网络的基本术语 . 风井巷的有向线段， (顶点)。 ) )。是 7-1(5)回路和网 在一条通路但不含 图点、顶点的若干 (a) )。 ) 风井巷的有向线段， 生成树的弦数 是 中，每增加一个分支 道路)。 )。是由 道路)。 (a) 如图7-1( ) 支。如图 是由 有回路的一类特殊 孔。由两条或 两条或两条以上 个生成树中的一棵 线段的方向代表井 (即独立回路或 若干条方向相 就构成一个独立回路 中，由扇风机出风 图。 从图 M加上 树分支的交点。) 。从图7-1( 两条以上方向 分支的交点。每 网孔数) 加上 网孔数) (b) 巷中的风流方向。 巷中的风流方向。 同的分支首尾 或网孔， 口到进风口的分支 或网孔，这种分支就 并不都相同的 个节点有唯一的 可以看出， 可以看出，每棵树 每条分支可有一个 通风网络生成树 树中的分支称为树 7就是假分支。 就是假分支。 相连而成的线 就是假分支 叫做弦(又名余数 叫做弦(,称为节点 的节点数J减 ，就 的节点数 减1就是 分支首尾相连 编号， 编号 的树枝数J-1, 的树枝数 就是 编号，称为分支号。 编号，称为分支号 枝。包含通风网络 。 如图7-1 路。如图 )。因此，通风网 因此， 枝树枝数在通风网络 )。。 ,即每棵树 因此 中的每 图7-1(a) 号 形成的闭合线 ( ) 树枝数， 中，1- 是通风网络的分 全部节点的树称其 2 (a) ) - 络中的独立回路或网 的树枝数为J-1。 的树枝数为 。 路， 简称树。 图中

用圆圈加节 支数N, 简称树 支数3、3- 一条线段就代表一 为生成树，即 4-5。 为生成树，其中含有 ， - 、 - -如 孔数与弦数相等。, 孔数与弦数相等中的 如图7-1( ) 如图 分支者称为回 ( 条分支。 , 。 点号表示节点， 条分支。 b)或 点号表示节点 N=M+J-1, 和 ) - 增加 - ,- 7-1(b) 2-3-4 图树枝数为中)如图 ( 1- 无分支者 图7-1(a) 。 ( 树枝数为6-1=5。 路， 。 M=N-J+1。 中的 等均是通路。 等均是通路。 弦4和7,a)的通风 。 和 ( ⑥均为节点 ， 均为节点。 称为网孔。 称为网孔。 ①~ ) 7-1( 就分别构成 和 了2-3-4-6和1-6—5-7 网络， 网络，其独立回 图7-1 曲线通风网络图及其生成 两个网孔。 两个网孔。 树 路或网孔数 路或网孔数M=7 -6+1=2个。 个

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7.1 矿井风流运动的基本定律 矿井通风网络图的特点有： 矿井通风网络图的特点有： 通风网络图有两种类型。 通风网络图有两种类型 7.1.1 矿井通风网络与网络图 。 通风网络图的绘制一般 ①通风网络图只反映风流 绘制原则：( :(1) 绘制原则：( )用风 2.矿井通风网络图 . 一种是与通风系统图形 按以下步骤进行： 绘制原则:( ) 按以下步骤进行4)网络图 绘制原则 ( : 方向及节点与分支间的相 地点并排布置在网络 状基本一致的通风网络 互关系， 互关系，节点位置与分支 ” 总的形状基本为“椭圆” 总的形状基本为“椭圆 (,如图 ，进风节点位 )节点编号。 如图7-2所示 图 1)节点编号。在通 图中部， 所示； 图中部 所示；另一 线的形状可以任意改变； 线的形状可以任意改变， 。(5)合并节点， 形。( );回风节点 风系统图上给井巷的交； 于其下边； 于其下边 合并节点 种是曲线形状的通风网 ②能清楚地反映风流的方 汇点标上特定的节点号。 汇点标上特定的节点号。 某些距离较近、 , 某些距离较近、 ) 扇 络图，如图7-1( 阻力很 络图，如图 (a)所 在网络图的上部， 在网络图的上部 向和分合关系， 。在图 向和分合关系，并且是进 小的几个节点， 2)绘制草图 与图7-2 (。图7-1(a)与图7-2 )绘制草图。 7-1(a) 示小的几个节点，可简化 风机出口节点在最上 行各种通风计算的基础， 行各种通风计算的基础同 纸上画出节点符号， 纸上画出节点符号，并， 为一个节点。( 。(6) 为一个节点。( ) 部； 所示的是同一个通风网 因此是矿井通风管理的一 用单线条(直线或弧线) 用单线条(直线或弧线) 络标高的各进风井与回风 。一般常用曲线通风 (2)分支方向(除地 )分支方向( 种重要图件。 种重要图件。 连接有风流连通的节点

。 连接有风流连通的节点。 网络图。 网络图。 井可视为一个节点。 井可视为一个节点。 面大气分支) 面大气分支)基本都 (3)图形整理。按照 )图形整理。 应由下至上； 应由下至上与通风系统图形状基本一致的通风网络图 (7)阻力相同的并联 ) 7-2 ; 图 正确、 )分支间的交叉尽 正确、美观的原则对网 。 分支可合并为一条分支。 分支可合并为一条分支 (3) 络图进行修改。 络图进行修改。 可能少； 可能少；

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通风网络流入(取正号)或流出(取负号) 节点 通风网络流入(取正号)或流出(取负号)第i节点 若不考虑风流密度的变化, 若不考虑风流密度的变化 7.1 矿井风流运动的基本定律 的各分支空气质量流量， 的各分支空气质量流量，kg/s。 。 7.1.2 网络中风流流动的基本定律1.风量平衡定律 .

∑ Mi = 0

∑Q

i

=0

Q1 4 + Q2 4 + Q3 4 Q4 5 Q4 6 = 0 Q1 2 Q4 3 Q5 6 Q7 8 = 0

将上述节点扩展 为无源回路， 为无源回路，则 上式的风量平衡 定律依然成立。 定律依然成立。

图7-3 风流流经节点和闭合回路

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7.1 矿井风流运动的基本定律 7.1.2 网络中风流流动的基本定律 2.阻力定律 . 矿井通风中的风流，绝大多数属于完全紊流状态。 矿井通风中的风流，绝大多数属于完全紊流状态。 因此，对于任一分支或整个通风网路系统，均遵守： 因此，对于任一分支或整个通风网路系统，均遵守：

hi = Ri Q

2 i

h = RQ

2

图7-3 风流流经节点和闭合回路

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即在通风网络的任一闭合回路中， 即在通风网络的任一闭合回路中，各分支的通风阻 7.1 矿井风流运动的基本定律 又称风压降) 力(又称风压降)代数和等于该回路中自然风压与 7.1.2 网络中风流流动的基本定律 扇风机风压的代数和，这就是能量平衡定律。 扇风机风压的代数和，这就是能量平衡定律。扇风 3.能量平衡定律 . 机风压H 与自然风压H 机风压 f与自然风压 N正负号的取法与分支通风 一般地，回路中各分支风流方向为顺时针时， 一般地，回路中各分支风流方向为顺时针时，其通风 阻力正负号的取法相同。 阻力正负号的取法相同。 阻力取“ 逆时针时，其通风阻力取“ 阻力取“+”,逆时针时，其通风阻力取“-”。 (1)无动力源。 )无动力源。 h =0

∑

i

如图7-2,对回路 如图 ，对回路2-3-4-6中就有h6 h3 h4 h2 = 0 中就有 (2)有动力源(即存在 f 或HN) )有动力源(即存在H

∑H

f

+ ∑ H N = ∑ hi

如图7-2, 如图 ，在回路 1-2-3-4-5-1中就有 中就有

H f + H N = h1 + h2 + h3 + h4 + h5

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通风网络按其联接形式分为三种基本结构：串联、 通风网络

按其联接形式分为三种基本结构：串联、 7.2 矿井简单通风网络 两个或两个以上的巷道在同一节点分开， 两个或两个以上的巷道在同一节点分开，然后又在 并联和角联。 并联和角联。 另一节点汇集，其中没有交叉巷道， 另一节点汇集，其中没有交叉巷道，这种通风网络 所谓串联，就是各条巷道首尾依次联接， 所谓串联，就是各条巷道首尾依次联接，串联风路 叫做并联通风网络。 叫做并联通风网络。由两条巷道组成的并联通风网 也称“一条龙通风” 也称“一条龙通风”。 络称为简单并联通风网络,如图 所示。 如图7-4所示 络称为简单并联通风网络 如图 所示。

图7-4 简单并联通风网络 简单并联通风网络

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7.2 矿井简单通风网络

图7-5 复杂并联通风网络 两条以上巷道组成的并联通风网络( ),称为 两条以上巷道组成的并联通风网络(图7-5),称为 ), 复杂并联通风网络。 复杂并联通风网络。

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7.2 矿井简单通风网络

图7-6 敞开式并联通风网络 如图7-6( )所示,若两巷道在同一地点 若两巷道在同一地点B分开后不 如图 (a)所示 若两巷道在同一地点 分开后不 再汇集在一起而是直接与大气联通(C与 点 ； 再汇集在一起而是直接与大气联通 与D点);或从 C、D两地进入后到 点合二而一从 井排出(图7-6 两地进入后到B点合二而一从 井排出( 、 两地进入后到 点合二而一从A井排出 )),称为敞开式并联通风网络 (b)) 称为敞开式并联通风网络。 )) 称为敞开式并联通风网络。

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7.2 矿井简单通风网络

图7-7 单角联通风网络 若两条并联巷道之间有一条使两并联巷道相通的对 角巷道，这种通风网络就称为单角联通风网络， 角巷道，这种通风网络就称为单角联通风网络，如 所示。 图7-7所示。有两条以上对角巷道的叫做复杂角联 所示 通风网络。 通风网络。

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(1)根据风量平衡定律可得，串联通风网络的总 )根据风量平衡定律可得， 7.2 矿井简单通风网络，通风困难； 串联通风网路有如下缺点：总风阻大， 串联通风网路有如下缺点：总风阻大 通风困难； 风量Qc等于串联各分支的风量 i。即 风量 串联通风网络 7.2.1 等于串联各分支的风量Q 串联风路中各分支的风量不易调节， 串联风路中各分支的风量不易调节，而且前面工作 Qc=Q1=Q2=Q3=...=Qn 地点产生污染物直接影响后面的工作场所。 地点产生污染物直接影响后面的工作场所。因此应 (2)hc=h1+h2+h3+...+hn ) 尽量避免串联通风， 尽量避免串联通风，当条件不允许而又必须采用串 联时，也应采取相应的风流净化措施。 联时 R 也应采取相应的风流净化措施 R (3),cQc2=R1Q12+ R2Q2

2+ R3Q32+…+。nQn2 ) Rc=R1+R2+R3+...+Rn (4)由等积孔计算公式A = ) R 代入上式得: 代入上式得1 1 1 1 1 Ac = = 2 + 2 + 2 +L+ 2 2 Ac A1 A2 A3 An1.19

1.19 2 得 R= A21 1 1 1 1 + 2 + 2 +L+ 2 A12 A2 A3 An

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(1) Qb=Q1+Q2+Q3+...+Qn ) 7.2 矿井简单通风网络 h b=h1=h2=...=hn ) (2) 并联通风网络 7.2.2 (3) = ) Qh ,代入上式得 代入上式得: R1

hb Rb= 1

=+

h1 R11 R

++

h2 R21 R

+

h3 R3

+L+1 R

hn Rn

点。首先并联通风网络风流的总阻力比任意分支 Rb Qb 巷道的阻力都小， 巷道的阻力都小，而且各分流中的空气都是新鲜 Qi = Qb = Ri Ri Ri R Ri Ri + +L+ +1+ +L+ 不像串联巷道中的风流，后面受前面的污染。 的，不像串联巷道中的风流，i后面受前面的污染。 R1 R2 Ri 1 Ri +1 Rn 此外，并联通风网络易于人工调节风量， Qb 此外，并联通风网络易于人工调节风量，易于控 Qb Q2 = 制巷道内的火灾事故。因此，实际工作中应尽量 在简单并联通风网络中 Q1 = 制巷道内的火灾事故。因此， R2 R1 1+ 1+ 采用并联通风网络。 采用并联通风网络。 R R2

b 1 2 3 n A (4)由 A = ) , = 1.19 得 Ab = A1 + A2 + L + An R 并联通风网路与串联通风网路相比较， 并联通风网路与串联通风网路相比较，有很多优 R (5) hi = hb ) , Ri Qi2 = Rb Qb2 代入上式得

1.19

1

R

R

+L+

1

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BC风流方向为 风流方向为B→C 风流方向为 这就是BC风流方向为 这就是 风流方向为B→C的判别式 风流方向为 的判别式 BC风流方向为 风流方向为C→B 风流方向为 7.2 矿井简单通风网络 BC中无风流 7.2.3 中无风流 单角联通风网络中风流的稳定性 的风流方向为B→C时，通风阻力 1>h3,h2<h4; 当BC的风流方向为 的风流方向为 时 通风阻力h 风量Q 风量 1<Q2,Q3>Q4。即 R1Q12 > R3Q32 > R3 Q42R1 R3 > R2 R4R1 R4 Kp = R2 R3

R1 R4 >1 R2 R3

2 2 R2 Q12 < R2 Q2 < R4 Q4

Kp >1Kp <1Kp =1

图7-7 单角联通风网络

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在矿井生产中，随着巷道的延伸和工作面的推进， 在矿井生产中，随着巷道的延伸和工作面的推进， 矿井的风阻、 矿井的风阻、网络结构及所需要的风量等均在不断 地发生变化，因此要求及时地进行风量调节。 地发生变化，因此要求及时地进行风量调节。 从调节设施来看，有扇风机、引射器、风窗、风幕、 从调节设施来看，有扇风机、引射器、风窗、风幕、 增加并联井巷和扩大通风断面等。按其调节的范围， 增加并联井巷和扩大通风断面等。按其调节的范围， 可分为局部风量调节与矿井总风量调节。 可分为局部风量调节与矿井总风量调节。从通风能 量的角度看，可分为增能调节、 量的角度看，可分为增能调节、耗能调节和节能调 节。

7.3 矿井风量调节

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7.3.1 局部

风量调节 局部风量调节是指在采区内部各工作面间、采区之 局部风量调节是指在采区内部各工作面间、 间或生产水平之间的风量调节。调节方法有增阻法、 间或生产水平之间的风量调节。调节方法有增阻法、 减阻法及增能调节法。 减阻法及增能调节法。

7.3 矿井风量调节

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(1)通风网 7.3 矿井风量调节 ) (2)风量要 ) 7.3.1 局部风量调节 络基本情况。 络基本情况。 。 (3)增阻调节 )增阻调节。 按需分配。 按需分配。Q2 h =h -中，分 7.3.1.1h 增阻调节法 在图7-8中 ’ 在图 w 2 增大到Q 增大到 12 时且 支1、2的风阻 、 的风阻 R=hw/Q1’2 Q1可以减小到 分别为 R1和R2, 增加局部阻力 Q1′ 。此时 风量分别为Q 风量分别为 1 的主要措施是设 hQ ,2 Q2’2 > 和 2′=R总风量 2 调节风窗； 置Q= Q1Q1’2 , ; h1′= R 1+ Q2。 为 ：①调节风窗 ②临时风帘； 临时风帘； 显然这是不符 两分支的阻力 ③ 空气幕调节装置 合并联通风网 分别为 络两并联分支 等。 1Q12, h1=R使用最多的 h2=R2Q22,根 。 通风阻力相等 是设置调节风窗。 是设置调节风窗 的能量平衡定 据能量平衡定 律的，1= h2。 图7-8 增阻调节 律可知h 因此必 律可知 律的， 须进行调节。 须进行调节。

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7.3.1 局部风量调节 7.3.1.1 增阻调节法 ①设置调节风窗。 设置调节风窗。 当Sw/S1≤0.5时 时

7.3 矿井风量调节

Sw =

Q1' S1 0.65Q1' + 0.84S1 hw图7-8 增阻调节

当Sw/S1>0.5时 时

Sw =

QS' 1

' 1 1

Q + 0.759S1 hw

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7.3.1 局部风量调节 7.3.1.1 增阻调节法 ②设置临时风帘。这种调节装置是一个由机翼形叶 设置临时风帘。 片组成的百叶帘，悬挂于需要增加局部阻力的分支。 片组成的百叶帘，悬挂于需要增加局部阻力的分支。 利用改变叶片的角度( ~ ° 利用改变叶片的角度(0~80°)增加或减少其产 生的局部阻力，从而实现风量的调节。 生的局部阻力，从而实现风量的调节。其特点是可 连续平滑调节，调节范围较宽，调节比较均匀； 连续平滑调节，调节范围较宽，调节比较均匀；当 含尘空气通过叶片时，由于粉尘粒子的撞击以及随 含尘空气通过叶片时， 后的减速，非常有利于降尘。 后的减速，非常有利于降尘。但这种调节装置不利 于人和设备的通行，故一般只能设在回风道中。 于人和设备的通行，故一般只能设在回风道中。

7.3 矿井风量调节

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