矿井通风网络调节与风量分配技术通风系列课

矿井通风网络调节与风量分配技术井下巷道、采场、硐室相互连通构成矿井进、回风流的通道；新巷道、采场、硐室的开掘和废弃改变了矿井原有的通风路径，也改变原需风量的大小；伴随矿井开采全过程的井下通风网路调节与风量的重新分配，是矿井通风管理的主要任务之一。第一节风量分配的技术依据一、矿井通风网络与网络图把井下通风路径转变成仅有线和点的拓扑关系表述，称之通风网络（关系表达）。通风网络图：表现通风网络关系的图形称之通风网络图。1】分支（边、弧）：表示一段通风路径的有向线段。用线段的方向代表路径中风流的方向。每条分支用编号来命名，亦称分支号。如，1、2、3，，，72】节点（结点、顶点）：两条或两条以上分支的交点。用点号3】路（通路、道路）：指方向相同，且首尾相连的分支路径。如图中，1－2－5、1－2－4－6和1－3－6等均是通路。4】回路：由两条或两条以上分支路径首尾相连形成的。称回路。如图中，2－4－3、2－5－6－3和1－3－6－73421512345675】树：是指任意两节点间至少存在一条通路，的一类网路。由于其几何形状与树相似，故称树（枝）。包含通风网络的全部节点的树称为其生成树，简称树。——，——在计算上不能直接用守恒方程特点：１）通风网络图只反映两节点间风流的方向和节点数以及风量、风阻与巷道的长短、在井下的位置无关，故，节点位置与分支线的形状可随需要改变。２）在分支上标明技术参数以便于通风网路的设计和计算。网络图有两种类型：一种是与通风巷道系统格局基本一致的网络图，又称折线图。通常是最终绘制成弧线图的雏形；另一种是由曲线构成的网络图，又称弧线图。通常由折线图逐步修改而成。绘制步骤：(1)给节点编号：在通风系统图上给井巷的交汇点标上特定的节点号（数字）。(2)绘制草图：在图纸上画出节点符号，并用单线条（直线或弧线）连接有风流连通的节点。(3)图形整理：按照正确、美观的原则对网络图进行修改。-要尽量去除交叉线条通风网络图的绘制原则和技巧：(1)用风地点并排布置在网络图中部（要凸显、注明）；进风节点位于其下边；回风节点在网络图的上部；风机出口节点在最上部；----习惯表达(2)分支方向基本都是由下至上；--，进风井向下方集中；回风井在最上方(3)分支间的交叉尽可能少；（凡是真实相交就必须有节点和节点号）(4)网络图总的形状基本为“椭圆”形。（５）合并节点：某些距离较近、阻力很小的几个节点，可简化为一个节点。（６）合并分支：将路径较短的并联分支向主线合并（消失）成一条分支二、风量守恒定律的应用风量平衡定律：是指在稳态通风条件下，单位时间内（如，每秒）流入某节点的空气质量等于流出该节点的空气质量；或者说，流入与流出某节点的各分支的质量流（量）的代数和等于零，即，流入多少，就流出多少。0iM例如，当风流密度无变化时，流入与流出某节点的各分支的体积流量（风量）的代数和等于零，即：，节点4处的风量平衡方程为：若，将上述节点扩展为一（无源）回路关系依然成立。如所示，对于回路2-4-5-7-2，视其为一节点，则，各分支的风量满足如下关系：0iQ06454434241QQQQQ087654321QQQQ1652４3图a４2178356图b三、能量守恒定律的应用在回路中，规定分支风流方向取逆时针为正值“＋”；顺时针为负值“－”。有：（一）当回路分支无附加动力源时（无机械动力Hf和自然动力HN时）则，任一回路中各分支阻力的代数（hRi)和为零，阻力有方向，与风流方向相反，即：如图，对回路２－３－４-6中有：（二）有动力源时设风机风压Hf，自然风压HN如图所示，对回路１－2－3－4-5-1’中有：一般表达式为：即：能量守恒定律指出：在任一闭合回路中，各分支的通风阻力代数和等于该回路中自然风压与通风机风压的代数和。234560Rih02436RRRRhhhh54321RRRRRNfhhhhhHHRiNfhHH地面1’地面第二节简单网络的计算方法由两条或两条以上分支彼此首尾相连，中间没有风流分、汇点的线路称为串联风路。如图所示，由1，2，3，4，5，五条分支组成串联风路。（一）串联风路特性1.总风量等于各分支的风量，即由质量相等：MS=M1=M2=…=Mn当各分支的空气密度相等时，转化为风量相等：QS=Q1=Q2=…=Qn2.总风压hs（沿线的阻力）等于各分支风压（阻力）之和，即:niinshhhhh121458123679123456789进风井回风井3.总沿线风阻RS等于各分支风阻Ri之和，即：4.串联风路等积孔面积（AS)与各分支等积孔面积（Ai）间的关系：niinsnsssRRRRQhhhQhR1212212...222211111nsAAAA219.1iRiA2219.1iAiR2222119.119.119.1119.1iiisAARRsA（二）串联风路的等效风阻R3特性曲线的绘制根据以上串联风路的特性，可以绘制串联风路等效阻力特性曲线。方法：１、首先在h—Q坐标图上分别作出串联风路1、2的阻力特性曲线R1、R2；２、根据串联风路“风量相等，阻力叠加”的原则，作平行于H轴的若干条等风量线，在等风量线上将1、2分支阻力h1、h2叠加，得到串联风路的等效风阻R3特性曲线上的点；３、将所有等风量线上的点联成曲线R3，即为串联风路的等效风阻R3特性曲线。２1３１２R1R2R1R2R1+R2QH由两条或两条以上具有相同始节点和末节点的分支所组成的通风网络，称为并联风网。如图所示并联风网由5条分支并联（一）并联风路特性：1.总风量等于各分支的风量之和，即当各分支的空气密度相等时,2.总风压等于各分支风压，即注意：若，各分支中存在风机等通风动力时，并联分支的阻力并不相等。niinsMMMMM121niinsQQQQQ121nshhhh2112346123453.并联风网总风阻力hs和总风阻RS与各分支风阻力hi和分支风阻Ri的关系如下即：4.并联风网等积孔等于各分支等积孔之和，即2SssQRhsssRhQnSQQQQ...21nnssRhRhRhRh...2211nsRRRR1111...2122121111nsssRRRQhRnsAAAA21)...(19.111119.121nsRRRRsA5.并联风网的风量分配方法若，已知并联风网的总风量，在不考虑其它通风动力及风流密度变化时，可由下式计算出分支i的风量。∵即sihh22ssiiQRQRSRRiQQs)...(12111nRRRiSsisRQRRQiQR1R2...RiRnQS根据以上并联风路的特性，可以绘制并联风路等效风阻特性曲线。方法：１、首先在h—Q坐标图上分别作出并联风路1、2的风阻特性曲线R1、R2＝R3；２、根据并联风路“风压（阻力）相等，风量叠加”的原则，作平行于Q轴的若干条等风压线，在等风压线上将1、2分支阻力h1、h2叠加，得到并联风路的等效风阻特性曲线上的点；３、将所有等风压线上的点联成曲线R3，即为并联风路的等效风阻的特性曲线。2112R1R2R1R2R1+R2＝R3Qh三、串联风路与并联风网的比较在任何一个矿井通风网络中，都同时存在串联与并联风网。在矿井的进、回风风路多为串联风路，而采区内部多为并联风网。并联风网的优点：１、从提高工作地点的空气质量及安全性出发，采用并联风网具有明显的优点。２、在同样的分支风阻条件下，分支并联时的总风阻小于串联时的总风阻。例如：若R1=R2=0.04kg/m7，串联：Rs１=R1+R2=0.08kg/m7并联：∴Rs１：Rs2＝８：１即在相同风量情况下，串联的能耗为并联的8倍。704.0104.01112/01.0)(1)(121mkgRRRS２1３１２R1R22112R1R23四、角联风网（一）关于角联的几个概念1】角联风网：是指内部存在角联分支的网络。2】角联分支（对角分支）：是指位于风网的任意两条有向通路之间、且不与两通路的公共节点相连的分支，如图。3】简单角联风网：仅有一条角联分支的风网。4】复杂角联风网：含有两条或两条以上角联分支的风网。213456复杂角联风网简单角联风网４1２３１２３４５（二）角联分支风向的判别方法原则：分支的风向取决于其始、末节点间的压能值。风流由能位高的节点流向能位低的节点；当两点能位相同时，风流停滞；当始节点能位低于末节点时，风流反向。判别式（以简单角联为例）：1、分支5中无风∵Q5=0∴Q1=Q3,Q2=Q4由风压平衡定律：h1=h2,h3=h4由阻力定律：两式相比得：即或写为：222211QRQR244233QRQR244222233211QRQRQRQR4231RRRR13241RRRRK４1２３1２３４５２、当分支5中风向由2→3节点②的压能高于节点③，则hR2＞hR1即：即同理，hR3＞hR4即又∵∴即：或写为：211222QRQR244233QRQR22253222112)(QQQQQRR22523242334)(QQQQQRR253523QQQQQQ12222532252334)()(RRQQQQQQRR13241RRRRK4231RRRR风流３、分支5中的风向由3→2同理可得：或写为：∴改变角联分支两侧的边缘分支的风阻就可以改变角联分支的风向。对图示简单角联风网，可推导出如下角联分支风流方向判别式：４1２３1２３４５4231RRRR13241RRRRK风流。中风向由，分支中风流停滞；，分支；中风向由，分支32515123513241RRRRK123567810第三节通风网络调节技术的基本结论一、井巷风阻变化引起的风流变化的规律1.变阻分支本身的风量与风压变化规律A当某分支风阻增大时，该分支自身的风量减小、风压增大；B当风阻减小时，该分支自身的风量增大、风压降低。2.变阻分支对其它分支风量与风压的影响规律1）当某分支（如3）风阻增大时，包含该分支在内的所有通路上的其它分支（3、5、8、9）的风量都减小，风压亦减小；而与该分支并联的通路上的分支（4、7、6）的风量增大，风压亦增大；当风阻减小时与此相反。2）对于一进一出的子网络，若外部分支（如1、11）调阻引起其流入（流出）风量变化，其内部各分支的风量变化趋势相同。3）风网内，某分支风阻变化时，各分支风量、风压的变化幅度，49114）风网内，不同地位分支风阻变化引起的风量变化幅度和影响范围是不同的。有：主干巷道变阻引起的风量变化幅度和影响范围大，末支巷道变阻引起的风量变化幅度和影响范围小。5）风网内某分支增阻时，增阻分支风量减小值比要其并联分支风量增加值大；某分支减阻时，减阻分支风量增加值比其并联分支风量减小值大。--，谁增阻，谁损失量大，旁边增加量稍小。3．巷道密闭与贯通对风流的影响A巷道密闭相当于该分支的风阻增大至∞，故，本分支风量减少到趋近于0；对其它分支的影响规律与分支增阻相同。B巷道贯通时要修改网络图，即在网络图中增加贯通后的分支。风流方向取决于巷道两端点间压能差；二、风流稳定性分析(一)稳定性的基本概念：稳定性是指：当系统受到外界瞬时干扰，系统状态偏离了平衡状态后，系统状态自动回复到该平衡状态的能力。按照这种稳定性的概念，除非在主要通风机不稳定运行（工作在轴流式风机风压特性曲线的驼峰区）等特殊情况下，矿井通风系统一般都是稳定的。通风管理中所说的风流稳定性是指：井巷中风流方向发生变化或风量大小变化超过允许范围的现象；且多指风流方向发生变化的现象。(二)影响风流稳定性的因素1.风网结构对风流稳定性的影响仅由串、并联组成的风网，其稳定性强；角联风网，其对角分支的风流易出现不稳定。2.风阻变化对风