第02章矿井空气流动基本理论
矿井空气流动的基础理论
第二章矿井空气流动的基础理论本章的重点：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、压力坡度图本章的难点：点压力之间的关系能量方程及其在矿井中的应用主要研究内容：矿井空气沿井巷流动过程中宏观力学参数的变化规律以及能量的转换关系。
介绍空气的主要物理参数、性质，讨论空气在流动过程中所具有的能量（压力）及其能量的变化。
根据热力学第一定律和能量守恒及转换定律，结合矿井风流流动的特点，推导了矿井空气流动过程中的能量方程，介绍了能量方程在矿井通风中的应用。
第一节空气的主要物理参数一、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(1/2mv 2)2、压头：如果将密度为 ρ 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 m 33、矿井常用压强单位：Pa Mpa mmHg mmH 20 mmbar bar atm 等。
换算关系：1 atm = 760 mmHg = 1013.25 mmbar = 101325 Pa (见P396) １mmbar = 100 Pa = 10.2 mmH 20, １mmHg = 13.6mmH 20 = 133.32 Pa)ex p(00TR gZP P μ-=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。
2井巷空气流动的基本规律
第二章 井巷空气流动的基本规律第一节 矿井风流的基本参数一、空气的密度单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用符号ρ表示。
矿井空气的密度可由下式计算：0.3780.003484(1)273sat P P t Pϕρ=-+ 2-1-1 式中P 湿空气的压力，Pa ，t 空气的温度，℃；P sat 温度t 时饱和水蒸气的分压，Pa 见表2-1-1；ϕ 空气的相对湿度。
由式2-1可见，空气的压力越大，温度越低，湿度越小，空气密度越大。
当空气的压力和温度一定时，空气的相对湿度越大，其密度越小，即湿空气的密度比干空气的密度小。
在矿井通风中，空气流经复杂的通风网络时，其温度、压力及湿度将会发生一系列的变化，这些变化都将引起空气密度的变化。
矿井风流的密度变化会引起矿井通风的动力或阻力效应。
例如自然风压等。
根据式2-1，在标准物理空气状态下（P=101325Pa ，t=0℃，ϕ=0），计算得干洁空气的密度为1.293 kg ／m 3；在标准矿井空气条件下（P=101325Pa ，t=20℃，ϕ=60%），计算得矿井空气的密度为1.2 kg ／m 3。
工程计算中一般以1.2 kg ／m 3作为标准矿井空气的密度。
考虑矿井空气为潮湿空气，为简化计算，工程中可根据下述公式近似测算矿井空气的密度：0.00346273P tρ+ 2-1-2 二、风流的压力1．静压(静压强)静压空气的静压是气体分子间的压力或气体分子对容器壁所施加的压力空气的静压在各个方向上均相等。
空间某一点空气静压的大小，与该点在大气中所处的位置和受扇风机的作用有关。
大气压力是地面静止空气的静压力，它等于单位面积上空气 柱的重力。
地球为空气所包围，空气圈的厚度高达1000km 。
靠近地球 表面空气密度大，距地球表面越远，空气密度越小，不同海拔标 高处上部空气柱的重力是不一样的。
因此，对不同地区来讲，由 于它的海拔标高、地理位置和空气温度不同，其大气压力(空气静压)也不相同，各地大气压力主要随海拔标高而变化。
通风工程教案教材
第三节 通风能量方程
• 一、空气流动连续性方程 • 二、可压缩流体能量方程
第四节 能量方程在矿井通风中的应用
• 能量方程是通风工程的理论基础，应用极广。 • 了解水平风道的通风能量（压力）坡度线 • 习题：2-13、2-14
第三章 井巷通风阻力
• 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（也称沿程阻力）和局部阻力。本章 主要内容：通风阻力产生原因、计算方法及降阻措施。
• 3、氮气（N2） • 它是一种惰性气体，是新鲜空气的主要成分，
本身无毒，不助燃也不供呼吸。
• 三、矿井空气的主要成分浓度标准
害气体有哪些？及其基本 性质 CO、H2S、NO2、SO2、NH3、H2，对CO和NO2性质和危害作 较详细说明
二、矿井空气中有害气体的安全浓度标准 防治井下有害气体的措施：a、加强通风，冲淡各种有害 气体；b、对局部地点采取针对性的抽放和稀释；c、喷雾洒 水（如NO2 ）；d、加强检测与检查；e、及时设置栅栏；f、 确保密闭工程质量；g、对中毒人员要施救得当。
• 第一节、矿井空气成分 • 一、地面空气的组成，干空气与湿空气的含义与区别 • 二、矿井空气的主要成分及基本性质：地面空气与矿井空气的区
别，新鲜空气与污浊空气的界定 • 1、氧气（O2） • 缺氧窒息是造成矿井人员伤亡的原因之一，我省煤矿是主要原因
之一。
• 我省1997、1998、1999三年间瓦斯事故大部分 都是缺氧窒息事故，这三年统计情况如下：
矿井空气流动的基本理论-52页精选文档
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，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，值相等 （２）静压特点
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
例如：甲地：t = 18 ℃， V ＝0.0107 Kg/m3, 乙地：t = 30 ℃， V ＝0.0154 Kg/m3
解：查附表 当t为18 ℃， s ＝0.0154 Kg/m3, , 当t为 30 ℃， s ＝0.03037 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。
y V
根据牛顿内摩：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
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
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，即通常所说的表压力，用 h 表示。
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 Pa
第二章 矿井空气流动基本理论
第二章 矿井空气流动基本理论 第一节 空气的主要物理参数 一、温度温度是描述物体冷热状态的物理量。
温度是矿井表征气候条件的主要参数之一。
目前温度多用两种温标：摄氏温标（实用温标）和开氏温标（绝对温标 ）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。
其大小取决于在重力场中的位置（相对高度）、空气温度、湿度（相对湿度）和气体成分等参数。
空气分子不规则热运动的的总动能的三分之二转化为能对外做功的机械能 三、密度、比容空气和其它物质一样具有质量。
空气的密度：单位体积空气所具有的质量，用 符号表示。
湿空气的密度是1m3空气中所含干空气质量和水蒸汽质量之和由气体状态方程和道尔顿分压定律可以得出湿空气的密度计算公式：P －空气的压力，Pa ；t －空气的温度，℃；Ps －温度t 时饱和水蒸汽的分压，Pa ； ϕ－相对湿度，用小数表示空气的比容是指单位质量空气所占有的体积，用符号v(m3/kg)表示，比容和密度互为倒数 四、粘性粘性：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)以阻止相对运动的性质。
F －内摩擦力，N ；S －流层之间的接触面积，m2； μ－动力粘度（或称绝对粘度），Pa.s 。
气体的粘性随温度升高而增大；液体随温度升高而减小 五、湿度空气的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有绝对湿度、相对湿度和含湿量三种。
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 2.相对湿度（ϕ）单位体积空气中实际含有的水蒸汽量（ρV ）与其同温度下的饱和水蒸汽含量（ρS ）之比称为空气的相对湿度3.含湿量（d ，kg/kg （d.a)）)21(322mv n P =)p P 378.01(t +273p003484.0s ϕρ-=dydusF .μ=t T +=15.273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 六、焓第二节 风流的能量与压力 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静压能：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，用EP 表示（J/m3）。
矿井通风与安全(张国枢板)
1、地面防治水
2、井下防治水（重点）
3、矿井突水及其处理
面授
面授
面授
重点掌握
12-1，12-2，
12-9
第十三章矿山救护
（0.5学时）
1、矿山救护队
2、矿工自救
3、现场急救（重点）
面授
面授
面授
重点掌握
13-1，13-4，
13-11，13-11
第十四章通风安全检测仪器仪表
（0.5学时）
1、风速测量仪器
山东科技大学继续教育学院导学计划表
班级：2012级煤炭局班层次：本科层次专业：采矿工程
课程名称：矿井通风与安全（张国枢版）
章节
（含课时）
具体内容
（含重点难点）
学习形式
学习要求
作业
第一章矿井空气
（0.5学时）
1、矿井空气成分
2、矿井空气中有害气体（重点）
3、矿井气候（重点）
面授
面授
面授
一般掌握
1-1，1-2，
2、矿生法律法规体系
3、矿山安全法简介
自学
面授
自学
一般了解
备注：网上点播学习方法见《远程教学系统简介》网址：
第五章矿井通风网络中风量分配与调节
（1学时）
1、风量分配基本规律（重点）
2、简单网络特性（重点）
3、通风网络动态特性分析
4、矿井风量调节
5、应用计算机解算复杂通风网络
面授
面授
自学
面授
自学
重点掌握
5-1，5-2，5-3，
5-6，5-8
5-14
第六章局部通风
（1学时）
1、局部通风方法（重点）
2 矿井空气流动基本原理
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
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2.1 空气主要物理参数
2.1.4、湿度
2 矿井空气流动基 本原理 2.1 空气主要物理 参数 2.2风流的压力及 能量方程 2.3 井巷风流运动 特征 2.4 矿井空气参数 测定仪器
Ventilation and Air Condition of Mines
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.相对于低海拔地区矿井，高海拔矿井具有哪 些特殊的气候特点？ 4.矿井有害气体的检测方法及检测原理是什么？ 如何对有害气体进行有效管理？ 5.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.如何测定矿井空气参数？ 2
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2.1 空气主要物理参数
根据牛顿内摩擦定律有：
2 矿井空气流动基 本原理 2.1 空气主要物理 参数 2.2风流的压力及 能量方程 2.3 井巷风流运动 特征 2.4 矿井空气参数 测定仪器
Ventilation and Air Condition of Mines
F S
du dy
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:
P 0.00346 273 t
Ventilation and Air Condition of Mines
考虑到矿井空气比较潮湿，且湿度难以准确测 定，一般可按下述公式近似测算矿井空气的密度：
2.1.2、质量体积 空气的质量体积是指单位质量空气所占有的体 积，用符号(m3/kg)表示。质量体积和密度互为倒 数：
2第二章 井巷空气流动的基本理论及应用x
ReU 2320 9.58 14.4 106 v 0.012m / s 4S 4 6.5
井巷中最低风速都在0.15～0.25m/s以上，故正常通风巷道风 流都处于完全紊流状态。
但在大型采场、漏风巷道、煤岩裂隙、采空区等风速一般都 很小，会出现层流。
第二节
井巷风流运动特征及连续方程
Q=vS
第二节
井巷风流运动特征及连续方程
Ventilation and Safety of Mines
第二节
井巷风流运动特征及连续方程
Ventilation and Safety of Mines
三、空气流动的连续性方程
根据质量守恒，对于稳定流，单位时间内流入某空间的流体 质量必然等于流出其空间的流体质量。如图2-12一元稳定流 动，在流动过程中不漏风又无补给时，则流过各断面的风流 的质量流量相等，可表示为： 1v1S1 2v2 S2 3v3S3 或 1Q1 2Q2 3Q3 或 M i vi Si const
矿井通风与安全
第二章
井巷空气流动基本理论 及应用
山东科技大学 2009.07
本章主要内容
Ventilation and Safety of Mines
1、空气的物理参数----密度、粘性、压力等 2、井巷风流的运动特征与连续方程 3、风流的点压力及相互关系---静压、动压、全 压；抽出式和压入式相对静压、相对全压与动 压的关系。 4、井巷风流的能量方程及其在通风中的应用 5、井巷通风阻力
第二节 程
井巷风流运动特征及连 续方
Ventilation and Safety of Mines
1 2 3 则通过任一断面的体积流量Q(m3/s)相等，
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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＝ 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 hti＞ hi。
表示气体热力状态的总能量。 单位质量物质的焓称为比焓。 它是内能u和压力功PV之和。
i=id+d•iV
=1.0045t+d(2501+1.85t)
式中，Pd—1m3湿空气中干空气的分压力， Pa；
实际应用焓-湿图（i-d图）
P —1m3湿空气中水蒸气的分压力，
复习思考题
1-1 简述井下空气温度的变化规律。 1-2 简述湿度的表示方式以及矿内湿度的变化规律。
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？
三、水蒸气对干空气物理参数的影响
1) 湿空气密度
2.1.6焓
是一个组合的状态参数，
式中，ρd—1m3湿空气中干空气的质量，kg ； ρv—1m3湿空气中水蒸气的质量，kg。
2) 湿空气压力
P=Pd+Pv
3.静压力测算基准（表示方法） 静压一般直接测量,根据测算基准不同，可分为： A、绝对压力：以真空为测算零点（比较基准）而测得的压力，用P表示。 B、相对压力：以当时当地同标高的大气压力P0为测算基准(零点)测得的压 力，通常所说的表压力，用 h 表示。 4. 绝对压力P、相对压力h和测算基准P0的关系： h=P－P0
例如：甲地：t=18℃， V＝0.0107Kg/m3 乙地：t=30℃， V＝0.0154Kg/m3
解：查附表(P435) 当t为18℃， s＝0.0154Kg/m3 当t为30℃， s＝0.03037Kg/m3
∴ 甲地：φ＝ V/ S＝0.7 ＝70 % 乙地：φ＝ V/ S＝0.51＝51 %
矿井通风与安全
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第二章 矿井空气流动基本理论
前一章学习了矿井空气成分及浓度要求，那么本章要解决矿井空气的物理 参数、流动基本规律及指导实际的矿井通风。
2.1 矿井空气的主要物理参数
2.1.1 温度
描述物体冷热状态的物理量。 温标：热力学温标T、单位K；摄氏温标t、单位℃ 换算 T=273.15+t 最适宜的矿内空气温度是15～20℃。
矿内空气温度的变化规律: 在进风路线上矿内空气的温度与 地面气温相比，有冬暖夏凉的现象。回 采工作面的气温在整个风流路线上，一 般是最高的区段。在回风路线上，因通 风强度大，水分蒸发吸热，气流向上流 动而膨胀降温，使气温略有下降，但基 本上常年变停息、无规则的热运动对容器壁的宏观表现。在矿井 通风中习惯称为压力。
1-3 某矿井冬季总进风流的温度为5℃，相对湿度为70%，矿井总回风流的 温度为20℃，相对湿度为90%，矿井总进、总回风量平均为2500 m3/min。试求风流在全天之内从井下带走多少水分？（已知总进、 回空气的饱和湿度为4.76 和15.48 g/m3）
2.2 风流能量与压力
2.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。
2) 相对湿度（Φ） 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。反映空气中所含水蒸汽量接近饱和的程度。 Φ=0 干空气； Φ=1 饱和空气 ; 1 ≥Φ>0 湿空气 3) 含湿量 含有1kg干空气的湿空气中所含水蒸汽的质量（kg）。 二、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％。
1m3空气中所含水蒸汽的质量。单位Kg/m3，其值等于水蒸汽在其分压力 与温度下的密度。
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 。
密度：单位体积空气所具有的质量， 用符号ρ (kg/m3)表示 比容：单位质量空气所占有的体积，用符号υ(m3/kg)表示， 比容和密度互为倒数，它们是一个状态参数的两种表达方式。 计算公式
ρ常随T、P的变化而变化。标准状态下干空气的密度ρ0=1.293 kg/m3
2.1.4 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。
a
P0
b
P永远>0; 而h有 正负之分；
P可>、<或=P0
ha(+) P0
Pa
hb(-)
Pb
真空
１
１
a dzi z12
b
２
２
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。
⑷某断面动压即为该断面平均风速计算值。 四、全压
因为这里所指的空气压力（压强）与其宏观运动无关，所以又称为空气的 静压力。其大小取决于重力场中的位置（相对高度）、空气温度、湿度与空气 成分等参数。
单位：Pa kPa MPa mmHg mmH20 mmbar bar atm等。换算见P434 1MPa=103kPa=106Pa=1atm
2.1.3 密度、比容
由牛顿内摩擦定律得：
式中，F--内摩擦力，N；
S--流层之间的接触面积，m2；
μ--动力粘度(或称绝对粘度)，Pa.s。 当流体处于静止状态或流层间无相对运动时，du/dy=0，则F=0。矿井通风中 常用运动粘度，用符号ν(m2/s)表示：
2.1.5 湿度
表示空气中所含水蒸汽量的多少或潮湿程度。 不含水蒸气的空气称为干空气；含有水蒸气的空气称为湿空气。 一、表示空气湿度的方法 1) 绝对湿度（V） ：