第五章  礦井通風網(wǎng)絡中風量分配與調(diào)節(jié)

學時分配：4學時

本章主要內(nèi)容及重點和難點

1、風量分配基本定律----三大定律

2、網(wǎng)絡圖及網(wǎng)絡特性

1)簡單網(wǎng)絡

2)角聯(lián)及復雜網(wǎng)絡

3、網(wǎng)絡的動態(tài)分析

4、礦井風量調(diào)節(jié)

5、計算機解算復雜網(wǎng)絡

第五章  礦井通風網(wǎng)絡中風量分配與調(diào)節(jié)

   礦井通風系統(tǒng)是由縱橫交錯的井巷構(gòu)成的一個復雜系統(tǒng)。用圖論的方法對通風系統(tǒng)進行抽象描述，把通風系統(tǒng)變成一個由線、點及其屬性組成的系統(tǒng)，稱為通風網(wǎng)絡。

     第一節(jié)    風量分配基本規(guī)律

一、礦井通風網(wǎng)絡與網(wǎng)絡圖

(一）礦井通風網(wǎng)絡

通風網(wǎng)絡圖：用直觀的幾何圖形來表示通風網(wǎng)絡。

 1. 分支（邊、?。罕硎疽欢瓮L井巷的有向線

  段，線段的方向代表井巷中的風流方向。每條分

  支可有一個編號，稱為分支號。

2. 節(jié)點（結(jié)點、頂點）：是兩條或兩條以上分支的交點。 

3. 路（通路、道路）：是由若干條方向相同的分支首尾相連而成的線路。如圖中，1－2－5、1－2－4－6和1－3－6等均是通路。

4. 回路：由兩條或兩條以上分支首尾相連形成的閉合線路稱為回路。

      如圖中，2－4－3、2－5－6－3和1－3－6－7

 5、 樹：是指任意兩節(jié)點間至少存在一條通路但不含回路的一類特殊圖。由于這類圖的幾何形狀與樹相似，故得名。樹中的分支稱為樹枝。包含通風網(wǎng)絡的全部節(jié)點的樹稱為其生成樹，簡稱樹。

（二）礦井通風網(wǎng)絡圖

 特點：１）通風網(wǎng)絡圖只反映風流方向及節(jié)點與分支間的相互關(guān)系，節(jié)點位置與分支線的形狀可以任意改變。

 ２）能清楚地反映風流的方向和分合關(guān)系，并且是進行各種通風計算的基礎(chǔ)，因此是礦井通風管理的一種重要圖件。

網(wǎng)絡圖兩種類型：一種是與通風系統(tǒng)圖形狀基本一致的網(wǎng)絡圖，如圖5-1-3所示；另一種是曲線形狀的網(wǎng)絡圖，如圖5-1-4所示。但一般常用曲線網(wǎng)絡圖。繪制步驟：

(1)  節(jié)點編號  在通風系統(tǒng)圖上給井巷的交匯點標上特定的節(jié)點號。

(2)  繪制草圖  在圖紙上畫出節(jié)點符號，并用單線條（直線或弧線）連接有風流連通的節(jié)點。

(3)  圖形整理  按照正確、美觀的原則對網(wǎng)絡圖進行修改。

 通風網(wǎng)絡圖的繪制原則：

  (1) 用風地點并排布置在網(wǎng)絡圖中部，進風節(jié)點位于其下邊；回風節(jié)點在網(wǎng)絡圖的上部，風機出口節(jié)點在最上部；

  (2)分支方向基本都應由下至上；

  (3) 分支間的交叉盡可能少；

  (4) 網(wǎng)絡圖總的形狀基本為“橢圓”形。

 （５）合并節(jié)點，某些距離較近、阻力很小的幾個節(jié)點，可簡化為一個節(jié)點。

   （６）并分支，并聯(lián)分支可合并為一條分支。

二、風量平衡定律

   風量平衡定律是指在穩(wěn)態(tài)通風條件下，單位時間流入某節(jié)點的空氣質(zhì)量等于流出該節(jié)點的空氣質(zhì)量；或者說，流入與流出某節(jié)點的各分支的質(zhì)量流量的代數(shù)和等于零，即

  若不考慮風流密度的變化，則流入與流出某節(jié)點的各分支的體積流量（風量）的代數(shù)和等于零，即：

如圖a，節(jié)點4處的風量平衡方程為：

   將上述節(jié)點擴展為無源回路，則上述風量平衡定律依然成立。如圖b所示，回路2-4-5-7-2的各鄰接分支的風量滿足如下關(guān)系：

三、能量平衡定律

   假設：一般地，回路中分支風流方向為順時針時， 其阻力取“＋”，逆時針時，其阻力取“－”。

（一）無動力源（Hn   Hf）

 通風網(wǎng)路圖的任一回路中，無動力源時，各分支阻力的代數(shù)和為零，即：

 

 如圖，對回路  ２－３－４-6中有：

（二）有動力源

 設風機風壓Hf ，自然風壓HN  。

 如圖，對回路  １－2－3－4-5-1中有：

一般表達式為：

即：能量平衡定律是指在任一閉合回路中，各分支的通風阻力代數(shù)和等于該回路中自然風壓與通風機風壓的代數(shù)和。

第二節(jié)  簡單網(wǎng)絡特性

一、串聯(lián)風路

  由兩條或兩條以上分支彼此首尾相連，中間沒有風流分匯點的線路稱為串聯(lián)風路。如圖5-2-1所示，由1，2，3，4，5五條分支組成串聯(lián)風路。

（一） 串聯(lián)風路特性

 1. 總風量等于各分支的風量，即

       MS = M1 = M2 =…= Mn

        當各分支的空氣密度相等時，

        QS = Q1 = Q2 =…= Qn

2. 總風壓（阻力）等于各分支

    風壓（阻力）之和，即:

3. 總風阻等于各分支風阻之和，即：

 

4. 串聯(lián)風路等積孔與各分支等積孔間的關(guān)系

（二）串聯(lián)風路等效阻力特性曲線的繪制

   根據(jù)以上串聯(lián)風路的特性，可以繪制串聯(lián)風路等效阻力特性曲線。方法：１、首先在h—Q坐標圖上分別作出串聯(lián)風路1、2的阻力特性曲線R1、R2；

  ２、根據(jù)串聯(lián)風路“風量相等，阻力疊加”的原則，作平行于h軸的若干條等風量線，在等風量線上將1、2分支阻力h1、h2疊加，得到串聯(lián)風路的等效阻力特性曲線上的點； 

  ３、將所有等風量線上的點聯(lián)成曲線R3，即為串聯(lián)風路的等效阻力特性曲線。

二、并聯(lián)風網(wǎng)

   由兩條或兩條以上具有相同始節(jié)點和末節(jié)點的分支所組成的通風網(wǎng)絡，稱為并聯(lián)風網(wǎng)。如圖所示并聯(lián)風網(wǎng)由5條分支并聯(lián)

（一）并聯(lián)風路特性：

1. 總風量等于各分支的風量之和，即

   當各分支的空氣密度相等時,

2. 總風壓等于各分支風壓，即

注意：當各分支的位能差不相等，或分支中存在風機等通風動力時，并聯(lián)分支的阻力并不相等。

3. 并聯(lián)風網(wǎng)總風阻與各分支風阻的關(guān)系

 

      ∵                                                          ∴

  又∵

      ∴

即：

4. 并聯(lián)風網(wǎng)等積孔等于各分支等積孔之和，即

5. 并聯(lián)風網(wǎng)的風量分配

   若已知并聯(lián)風網(wǎng)的總風量，在不考慮其它通風動力及風流密度變化時，可由下式計算出分支i的風量。

    ∵

    即

∴

（二）并聯(lián)風路等效阻力特性曲線的繪制

 根據(jù)以上并聯(lián)風路的特性，可以繪制并聯(lián)風路等效阻力特性曲線。

方法：

１、首先在h—Q坐標圖上分別作出并聯(lián)風路1、2的阻力特性曲線R1、R2；

２、根據(jù)并聯(lián)風路“風壓（阻力）相等，風量疊加”的原則，作平行于Q軸的若干條等風壓線，在等風壓線上將1、2分支阻力h1、h2疊加，得到并聯(lián)風路的等效阻力特性曲線上的點； 

３、將所有等風壓線上的點聯(lián)成曲線R3，即為并聯(lián)風路的等效阻力特性曲線。

三、串聯(lián)風路與并聯(lián)風網(wǎng)的比較

   在任何一個礦井通風網(wǎng)絡中，都同時存在串聯(lián)與并聯(lián)風網(wǎng)。在礦井的進、回風風路多為串聯(lián)風路，而采區(qū)內(nèi)部多為并聯(lián)風網(wǎng)。

并聯(lián)風網(wǎng)的優(yōu)點：１、從提高工作地點的空氣質(zhì)量及安全性出發(fā)，采用并聯(lián)風網(wǎng)具有明顯的優(yōu)點。

２、在同樣的分支風阻條件下，分支并聯(lián)時的總風阻小于串聯(lián)時的總風阻。

例如：若R1=R2=0.04  kg/m7，

    串聯(lián)：Rs１= R1+ R2= 0.08 kg/m7

      并聯(lián)：

∴ Rs１ ：Rs１＝８：１

即在相同風量情況下，串聯(lián)的能耗為并聯(lián)的 8 倍。

四、角聯(lián)風網(wǎng)

（一）幾個概念

 角聯(lián)風網(wǎng)：是指內(nèi)部存在角聯(lián)分支的網(wǎng)絡。

 角聯(lián)分支（對角分支）：是指位于風網(wǎng)的任意兩條有向通路之間、且不與兩通路的公共節(jié)點相連的分支，如圖。

 簡單角聯(lián)風網(wǎng)：僅有一條角聯(lián)分支的風網(wǎng)。

 復雜角聯(lián)風網(wǎng)：含有兩條或兩條以上角聯(lián)分支的風網(wǎng)。

（二）角聯(lián)分支風向判別

 原則：分支的風向取決于其始、末節(jié)點間的壓能值。風流由能位高的節(jié)點流向能位低的節(jié)點；當兩點能位相同時，風流停滯；當始節(jié)點能位低于末節(jié)點時，風流反向。

  判別式（以簡單角聯(lián)為例）：

  1、 分支5中無風

     ∵　Q5 = 0　∴ Q1 = Q3  ,   Q2 = Q4

  由風壓平衡定律： h1 = h2  ,   h3 = h4

   由阻力定律：

    兩式相比得：   

    即

  或?qū)憺椋?/p>

２、當分支5中風向由2→3

 節(jié)點②的壓能高于節(jié)點③，則  hR2 ＞ hR1    即：

                           

                                                        

即

同理， hR3 ＞ hR4

即

又∵

∴                                                                            即：

或?qū)憺椋?/p>

３、分支5中的風向由3→2

   同理可得：

    或?qū)憺椋?/p>

 ∴ 改變角聯(lián)分支兩側(cè)的邊緣分支的風阻就可以改變角聯(lián)分支的風向。對圖示簡單角聯(lián)風網(wǎng)，可推導出如下角聯(lián)分支風流方向判別式：

第三節(jié)  通風網(wǎng)絡動態(tài)特性分析

一、井巷風阻變化引起風流變化的規(guī)律

1. 變阻分支本身的風量與風壓變化規(guī)律

   當某分支風阻增大時，該分支的風量減小、風壓增大；當風阻減小時，該分支的風量增大、風壓降低。

2. 變阻分支對其它分支風量與風壓的影響規(guī)律

 1）當某分支風阻增大時，包含該分支

 的所有通路上的其它分支的風量減小，

 風壓亦減??；與該分支并聯(lián)的通路上的

 分支的風量增大，風壓亦增大；當風阻

 減小時與此相反。

 2）對于一進一出的子網(wǎng)絡，若外部分支調(diào)阻引起其流入（流出）風量變化，其內(nèi)部各分支的風量變化趨勢相同。

 3）風網(wǎng)內(nèi)，某分支風阻變化時，各分支風量、風壓的變化幅度，以本分支為最大，鄰近分支次之，離該分支越遠的分支變化越小。

   

4）風網(wǎng)內(nèi)，不同類型的分支風阻變化引起的風量變化幅度和影響范圍是不同的。一般地說，主干巷道變阻引起的風量變化幅度和影響范圍大，末支巷道變阻引起的風量變化幅度和影響范圍小。

5）風網(wǎng)內(nèi)某分支增阻時，增阻分支風量減小值比其并聯(lián)分支風量增加值大；某分支減阻時，減阻分支風量增加值比其并聯(lián)分支風量減小值大。

3．巷道密閉與貫通對風流的影響

   巷道密閉相當于該分支的風阻增大至∞，故本分支風量減少到趨近于0；對其它分支的影響規(guī)律與分支增阻相同。

   巷道貫通時要修改網(wǎng)絡圖，即在網(wǎng)絡圖中增加貫通后的分支。風流方向取決于巷道兩端點間壓能差；對其它分支的影響規(guī)律與分支減阻相同。

二、風流穩(wěn)定性分析

(一)穩(wěn)定性的基本概念

   穩(wěn)定性是指當系統(tǒng)受到外界瞬時干擾，系統(tǒng)狀態(tài)偏離了平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)狀態(tài)自動回復到該平衡狀態(tài)的能力。

   按照這種穩(wěn)定性的概念，除非在主要通風機不穩(wěn)定運行（工作在軸流式風機風壓特性曲線的駝峰區(qū)）等特殊情況下，礦井通風系統(tǒng)一般都是穩(wěn)定的。

   通風管理中所說的風流穩(wěn)定性，一般是指井巷中風流方向發(fā)生變化或風量大小變化超過允許范圍的現(xiàn)象；且多指風流方向發(fā)生變化的現(xiàn)象。

(二)影響風流穩(wěn)定性的因素

1. 風網(wǎng)結(jié)構(gòu)對風流穩(wěn)定性的影響

   僅由串、并聯(lián)組成的風網(wǎng)，其穩(wěn)定性強；角聯(lián)風網(wǎng)，其對角分支的風流易出現(xiàn)不穩(wěn)定。

2. 風阻變化對風流穩(wěn)定性的影響

  在角聯(lián)風網(wǎng)中，邊緣分支的風阻變化可能引起角聯(lián)分支風流改變。

  在實際生產(chǎn)礦井，大多數(shù)采掘工作面都是在角聯(lián)分支中。應采取安裝調(diào)節(jié)風門的措施，保證風流的穩(wěn)定性。

3. 通風風動力變化對風流穩(wěn)定性的影響

   礦井風網(wǎng)內(nèi)主要通風機、輔助通風機數(shù)量和性能的變化，不僅會引起風機所在巷道的風量變化，而且會使風網(wǎng)內(nèi)其他分支風量也發(fā)生變化，并影響風網(wǎng)內(nèi)其他風機的工況點。

(三)具體如下：

1) 單主要通風機風網(wǎng)，當主要通風機性能發(fā)生變化時，風網(wǎng)內(nèi)各分支風量按主要通風機風量變化的趨勢和比率而變化。

2) 多主要通風機風網(wǎng)內(nèi)，當某主要通風機性能發(fā)生變化時，整個風網(wǎng)內(nèi)各分支風量不按比例變化。

3) 多主要通風機風網(wǎng)內(nèi)，即使風網(wǎng)結(jié)構(gòu)和分支風阻不變，當某主要通風機性能發(fā)生變化時，由于風網(wǎng)總風量和各主要通風機風量配置發(fā)生了變化，因此，各主要通風機的工作風阻與風網(wǎng)總風阻也有所變化。

4) 風網(wǎng)內(nèi)，某巷道安設輔助通風機后，不僅該巷道本身風流發(fā)生變化，其他巷道風流也變化。當某輔助通風機風量增大時，輔助通風機所在巷道風量增加，包含輔助通風機在內(nèi)的閉合回路中，與輔助通風機風向一致的各巷風量增加，與其風向相反的各巷風量減小。

   當輔助通風機風壓過高或風量過大時，可引起其并聯(lián)分支風量不足、停風、甚至反向。引起并聯(lián)分支風流反向的條件是輔助通風機風量大于回路的總風量或輔助通風機風壓大于回路內(nèi)其同向分支的風壓損失。

5) 自然風壓引起的風流變化，與輔助通風機相似。

第四節(jié)  礦井風量調(diào)節(jié)

   隨著生產(chǎn)的發(fā)展和變化，工作面的推進和更替，巷道風阻、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及所需的風量均在不斷變化，要求及時進行風量調(diào)節(jié)。

   從調(diào)節(jié)設施來看，有通風機、射流器、風窗、風幕和增加并聯(lián)井巷或擴大通風斷面等。按其調(diào)節(jié)的范圍，可分為局部風量調(diào)節(jié)與礦井總風量調(diào)節(jié)。從通風能量的角度看，可分為增能調(diào)節(jié)、耗能調(diào)節(jié)和節(jié)能調(diào)節(jié)。

一、局部風量調(diào)節(jié)

   局部風量調(diào)節(jié)是指在采區(qū)內(nèi)部各工作面間，采區(qū)之間或生產(chǎn)水平之間的風量調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)方法：增阻法、減阻法及輔助通風機調(diào)節(jié)法。

(一) 增阻調(diào)節(jié)法

   增阻調(diào)節(jié)法是在通過在巷道中安設調(diào)節(jié)風窗等設施，增大巷道中的局部阻力，從而降低與該巷道處于同一通路中的風量，或增大與其關(guān)聯(lián)的通路上的風量。增阻調(diào)節(jié)是一種耗能調(diào)節(jié)法

  主要措施：(1)調(diào)節(jié)風窗；(2)臨時風簾；(3)空氣幕調(diào)節(jié)裝置等。使用最多的是調(diào)節(jié)風窗。

風窗調(diào)節(jié)法原理分析

如圖  １，２分支風阻分別

為 R1和R2，風量分別為Q1,Q2。

則兩分支的阻力為：h1=R1Q12

   h2=R2Q22，且  h1= h2

若分支２風量不足。可在

１分支中設置調(diào)節(jié)窗。設調(diào)節(jié)風

窗產(chǎn)生的局部風阻為△R。

    ∵ (R1+  △R)Q1’2= R2Q2’2

∴

但增阻后，并聯(lián)系統(tǒng)總風阻增大。使Q’＜Q，由于Q’未知，實際計算過程中，假設Q’＝Q。已知, △R后，可計算調(diào)節(jié)風窗面積。

使用條件：增阻分支風量有富余。

特點：增阻調(diào)節(jié)法具有簡單、方便、易行、見效快等優(yōu)點；但增阻調(diào)節(jié)法會增加礦井總風阻，減少總風量。

調(diào)節(jié)風窗開口面積計算：

當 Sc/S＜＝0.5 時，

當 Sc/S  ＞＝0.5 時，

Sc—調(diào)節(jié)風窗的斷面積，m2；S—巷道的斷面積，m2；Q—通達風量，m3/s；hc—調(diào)節(jié)風窗阻力，Pa；Rc—調(diào)節(jié)風窗的風阻，N·s2/m8；

Rc＝hc /Q2。

 

(二)減阻調(diào)節(jié)法

減阻調(diào)節(jié)法是在通過巷道中采取降阻措施，降低巷道的通風阻力，從而增大與該巷道處于同一通路中的風量，或減小與其關(guān)聯(lián)通路上的風量。

主要措施：(1)擴大巷道斷面；(2)降低摩擦阻力系數(shù)；(3)清除巷道中的局部阻力物；(4)采用并聯(lián)風路；(5)縮短風流路線的總長度等。

特點：可以降低礦井總風阻，并增加礦井總風量；但降阻措施的工程量和投資一般都較大，施工工期較長，所以一般在對礦井通風系統(tǒng)進行較大的改造時采用。

(三)增能調(diào)節(jié)法

增能調(diào)節(jié)法主要是采用輔助通風機等增加通風能量的方法，增加局部地點的風量。

主要措施：(1)輔助通風機調(diào)節(jié)法。(2)利用自然風壓調(diào)節(jié)法。

特點：增能調(diào)節(jié)法的施工相對比較方便，不須降低礦井總風阻，增加礦井總風量，同時可以減少礦井主通風機能耗。但采用輔助通風機調(diào)節(jié)時設備投資較大，輔助通風機的能耗較大，且輔助通風機的安全管理工作比較復雜，安全性較差。

二、礦井總風量的調(diào)節(jié)

   當?shù)V井（或一翼）總風量不足或過剩時，需調(diào)節(jié)總風量，也就是調(diào)整主通風機的工況點。采取的措施是：改變主通風機的工作特性，或改變礦井風網(wǎng)的總風阻。

(一) 改變主通風機工作特性

   改變主通風機的葉輪轉(zhuǎn)速、軸流式風機葉片安裝角度和離心式風機前導器葉片角度等，可以改變通風機的風壓特性，從而達到調(diào)節(jié)風機所在系統(tǒng)總風量的目的。

(二) 改變礦井總風阻值

1. 風硐閘門調(diào)節(jié)法

   如果在風機風硐內(nèi)安設調(diào)節(jié)閘門，通過改變閘門的開口大小可以改變風機的總工作風阻，從而可調(diào)節(jié)風機的工作風量。

2. 降低礦井總風阻

   當?shù)V井總風量不足時，如果能降低礦井總風阻，則不僅可增大礦井總風量，而且可以降低礦井總阻力。

第五節(jié)  應用計算機解算復雜通風網(wǎng)絡

  

   目的：已知風網(wǎng)各分支風阻和主通風機的特性，求算主要通風機的工況點，各分支的風量和風向，以便驗算各用風地點的風量和風整速是否符合規(guī)程要求。

   原理：依據(jù)風量平衡定律、風壓平衡定律、阻力定律

   方法：回路法  假設風網(wǎng)中每一回路內(nèi)各分支的風向和風量開始，逐漸修正風量，使之滿足風壓平衡定律。

   節(jié)點法  假設風網(wǎng)中每一回路內(nèi)各分支節(jié)點壓力值開始，逐漸修正壓力分布，使之滿足風量平衡定律。

   Mfire軟件的使用示例

本章作業(yè)

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