通风网络解算

第五章通风网路中风量的分配第一节 通风网路及矿井通风网路图一、通风网路的基本术语和概念1. 分支分支是指表示一段通风井巷的有向线段，线段的方向代表井巷风流的方向。 每条分支可有一个编号，称为分支号。如图5-1中的每一条线段就代表一条分 支。用井巷的通风参数如风阻、风量和风压等，可对分支赋权。不表示实际井 巷的分支，如图5-1中的连接进、回风井口的地面大气分支8,可用虚线表示。图5-1简单通风网路图2. 节点节点是指两条或两条以上分支的交点。每个节点有唯一的编号，称为节点号。在网路图中用圆圈加节点号表示节点，如图5-1中的均为节点。3. 回路由两条或两条以上分支首尾相连形成的闭合线路，称为回路。单一一个回 路（其中没有分支），该回路又称网孔。如图5-1中，1-2-5-7-8、2-5-6-3和 4-5-6等都是回路，其中4-5-6是网孔，而2-5-6-3不是网孔，因为其回路中 有分支4。4. 树由包含通风网路图的全部节点且任意两节点间至少有一条通路和不形成回 路的部分分支构成的一类特殊图，称为树；由网路图余下的分支构成的图，称 为余树。如图5-2所示各图中的实线图和虚线图就分别表示图5-1的树和余树 可见，由同一个网路图生成的树各不相同。组成树的分支称为树枝，组成余树 的分支称为余树枝。一个节点数为m，分支数为n的通风网路的余树枝数为n m+1。图5-2树和余树5. 独立回路由通风网路图的一棵树及其余树中的一条余树枝形成的回路，称为独立回 路。如图5-2 (a)中的树与余树枝5、2、3可组成的三个独立回路分别是：5-6-4、 2-4-6-7-8-1和3-6-7-8-1。由nm+1条余树枝可形成nm+1个独立回路。二、通风网路图的绘制不按比例、不反映空间关系的矿井通风网路图，能清楚地反映风流的方向 和分合关系，便于进行通风网路解算和通风系统分析，是矿井通风管理的重要 图件之一。通风网路图的形状是可以变化的。为了更清晰地表达通风系统中各井巷间 的联接关系及其通风特点，通风网路图的节点可以移位，分支可以曲直伸缩。 通常，习惯上把通风网路图总的形状画成“椭圆”形绘制矿井通风网路图，一般可按如下步骤进行1 .节点编号在矿井通风系统图上，沿风流方向将井巷风流的分合点加 以编号。编号顺序通常是沿风流方向从小到大，亦可按系统、按翼分开编号。 节点编号不能重复且要保持连续性。2. 分支连线将有风流连通的节点用单线条(直线或弧线)连接。3. 图形整理通风网路图的形状不是唯一的。在正确反映风流分合关系 的前提下，把图形画得简明、清晰、美观。4. 标注 除标出各分支的风向、风量外，还应将进回风井、用风地点、 主要漏风地点及主要通风设施等加以标注，并以图例说明。绘制通风网路图的一般原则如下：1. 某些距离相近的节点，其间风阻很小时，可简化为一个节点。2. 风压较小的局部网路，可并为一个节点。如井底车场等。3. 同标高的各进风井口与回风井口可视为一个节点。4. 用风地点并排布置在网路图的中部；进风系统和回风系统分别布置在 图的下部和上部；进、回风井口节点分别位于图的最下端和最上端。5. 分支方向（除地面大气分支）基本应由下而上。6分支间的交叉尽可能少。7.节点间应有一定的间距。例5-1如图5-3所示为某矿通风系统示意图，试绘出该矿的通风网路图。图5-3矿井通风系统示意图解：图中所示矿井两翼各布置一个采区，共有6个采煤工作面和4个掘进 头；独立通风桐室共有7个。矿井漏风主要考虑4处风门漏风。根据上述绘制 网路图的一般步骤与一般原则，绘制的矿井通风网路图如图5-4所示。绘制过程简述如下：(1) 在通风系统示意图上标注节点。距离较近且无通风设施等处可并为 一个节点，如图5-3中的5、13、14等处；1和3之间也可不取节点2；进、回 风井口可视为一个节点。(2) 确定主要用风地点。在网路图中可用长方形方框表示用风点，框内 填写相应的名称，如图5-4中所示的采、掘工作面、独立通风各桐室等。将它 们在网路图中部“一”字形排开。(3) 确定进风节点。根据用风地点的远近，布置在用风点的下部并 标明清楚。(4) 确定回风节点。根据用风地点的远近，布置在用风点的上部并标明清楚。(5) 节点连线。连接风流相通的节点，可先连进风节点至用风点；再连 回风节点至用风点；然后连各进、回风节点间的线路。各步连线方向基本一致， 总体方向从下向上。(6) 按(2)(5)绘出网路图草图，检查分合关系无误后，开始整理 图形。调整好各节点与用风地点的位置，使整体布局趋于合理。此步较费力， 需耐心反复修改直至满意为止。(7) 最后标注主要通风设施。主通风机和局部通风机型号及其它通风参 数等本图不作标示。图5-4矿井通风网路图第二节简单通风网路及其性质通风网路可分为简单通风网路和复杂通风网路两种。仅由串联和并联组成的网路，称为简单通风网路。含有角联分支，通常是包含多条角联分支的网路，称为复杂通风网路。通风网路中各分支的基本联接形式有串联、并联和角联三 种，不同的联接形式具有不同的的通风特性和安全效果。一、串联通风及其特性两条或两条以上风路彼此首尾相连在一起，中间没有风流分合点时的通风， 称为串联通风，如图5-5所示。串联通风也称为“一条龙”通风，其特性如下:6, hj Ri A)Q2 项 r2 A2图5-5串联风路1. 串联风路的总风量等于各段风路的分风量，即Q串=Q1 = Q2 =Q，m3/s(5-1)2. 串联风路的总风压等于各段风路的分风压之和，即h h + h + - h h，Pa串 12nii1(5-2)3. 串联风路的总风阻等于各段风路的分风阻之和根据通风阻力定律h RQ2，公式(5-2)可写成：R Q2 RQ2 + R Q2 + + R Q2串 串 1122n n因为H =Q所以R 串=R + R2 + + R=Wr，Ns2/m8i=1(5-3)4. 串联风路的总等积孔平方的倒数等于各段风路等积孔平方的倒数之和。,1 192 ， ，得R =，将其代入公式（5-3）并整理得：A 2111+ A22(5-5).一 ，m2，111+ + + V A 2 A 2A 2112n二、并联通风及其特性两条或两条以上的分支在某一节点分开后，又在另一节点汇合，其间无交 叉分支时的通风，称为并联通风，如图5-6所示。并联网路的特性如下:图5-6并联网路(5-6)1. 并联网路的总风量等于并联各分支风量之和，即Q并=Q1 + Q2 + + Qn =Y Q , m3/si=12. 并联网路的总风压等于任一并联分支的风压，即h 并=h = h =.=h ， Pa(5-7)3. 并联网路的总风阻平方根的倒数等于并联各分支风阻平方根的倒数之由h = RQ2，得Q=：R，将其代入公式（5-6）得:h h h I 并 =i 1- + | 2 + + n E E 邱2因为 h、= h = h = = h所以 + +(5-8),Ns2/m8111 127T侦+F)X 12n 7(5-9)当 = R2 =-=R时，则nn2,Ns2/m8(5-10)4. 并联网路的总等积孔等于并联各分支等积孔之和。由A = R ,得R = 119，将其代入公式(5-8),得:(5-11)A = A + A + + A , m2并 12n5. 并联网路的风量自然分配(1) 风量自然分配的概念在并联网路中，其总风压等于各分支风压，即h 并=h = h = = h亦即1R Q2 = RQ2 = R Q2 =. = R Q2并并 112 2n n由上式可以得出如下各关系式:(5-12)(5-13)(5-14)八 ：R八 / 对Q并顼3/s2:R八 /，甘Q并顼3/s n上述关系式表明：当并联网路的总风量一定时，并联网路的某分支所分配 得到的风量取决于并联网路总风阻与该分支风阻之比。风阻大的分支自然流入 的风量小，风阻小的分支自然流入的风量大。这种风量按并联各分支风阻值的大小自然分配的性质，称之为风量的自然分配，也是并联网路的一种特性。（2）自然分配风量的计算根据并联网路中各分支的风阻，计算各分支自然分配的风量。可将公式 （5-9）依次代入前述关系式（5-12）、（5-13）和（5-14）中，整理后得各分支分配的风量计算公式如下:Qi =i+， + :曳+ RR R RY 2 L 3QQ =并=2 R .2 + 1 +V R*1：Rn，m3/s（5-15）.，m3/s:RR+ 1；R3Rn（5-16）Qn =rQ m3/si n + ，一n + , + ，+ 1R R R1 Y 27 n-1(5-17)当 R R . = R 时，则Q - Q - . Q =并，ms/s(5-18)计算并联网路各分支自然分配的风量，也可根据并联网路中各分支的等积孔进行计算。将(万=119依次代入前述关系式(5-12)、(5-13)和(5-14)中， A整理后可得各分支分配的风量计算公式如下:Q - A Q =AiQi A 并并 A1 + A2 + A 并ms/s(5-19)Q =-2 Q =二Q，ms/s2A并并A1 + A2 + + A 并(5-20)Q 7 Q =；n7 Q.，ms/sn A并 并 A + A + A 并(5-21)综合上述，在计算并联网路中各分支自然分配的风量时，可根据给定的条件，选择公式，以方便计算。三、串联与并联的比较从安全、可靠和经济角度看，并联通风与串联通风相比，具有明显优点:1.总风阻小，总等积孔大，通风容易，通风动力费用少。现举例分析：假设有两条风路1和2,其风阻R1 = R2，通过的风量Q1 = Q2，故有风压 h1 = h2。现将它们分别组成串联风路和并联网路，如图5-7所示。各参数比较 如下：图5-7串联与并联通风比较（1）总风量比较串联时：Q 串=Q1 = Q2并联时：Q 并=Q1 + Q2 = 2Q1故q（2）总风阻比较串联时： R串=R1 + R2 = 2R1并联时：1= R = R(3) 总风压比较串联时：h串=h1 + h2 = 2h1并联时：h并=h = h故h并=2 h串通过上述比较可明显看出，在两条风路通风条件完全相同的情况下，并联 网路的总风阻仅为串联风路总风阻的18 ；并联网路的总风压为串联风路总风压 的1/2，也就是说并联通风比串联通风的通风动力要节省一半，而总风量却大了 一倍。这充分说明：并联通风比串联通风经济得多。2. 并联各分支独立通风，风流新鲜，互不干扰，有利于安全生产；而串联 时，后面风路的入风是前面风路排出的污风，风流不新鲜，空气质量差，不利 于安全生产。3. 并联各分支的风量，可根据生产需要进行调节；而串联各风路的风量则 不能进行调节，不能有效地利用风量。4. 并联的某一分支风路中发生事故，易于控制与隔离，不致影响其它分支 巷道，事故波及范围小，安全性好；而串联的某一风路发生事故，容易波及整 个风路，安全性差。所以，规程强调：井下各个生产水平和各个采区必须实行分区通风(并 联通风)；各个采、掘工作面应实行独立通风，限制采用串联通风。四、角联通风及其特性在并联的两条分支之间，还有一条或几条分支相通的连接形式称为角联网 路（通风），如图5-8所示。连接于并联两条分支之间的分支称为角联分支，如 图5-8中的分支5为角联分支。仅有一条角联分支的网路称为简单角联网路 含有两条或两条以上角联分支的网路称为复杂角联网路，如图5-9所示。角联网路的特性是：角联分支的风流方向是不稳定的。现以图5-8所示的 简单角联网路为例，分析其角联分支5中的风流方向变化可能出现的三种情况：图5-8简单角联网路图5-9复杂角联网路1. 角联分支5中无风流当分支5中无风时，、两节点的总压力相等，即，二 0又、两节点的总压力差等于分支1的风压，即P= hi、两节点的总压力差等于分支3的风压，即同理可得h2 = h4hi- h2h4亦即RQ2 _ R Q 2R2 Q; R4 Q2又 q5 =。所以(5-22)式(5-22)即为角联分支5中无风流通过的判别式。2.角联分支5中风向由一当分支5中风向由一时，节点的总压力大于节点的总压力，即又知同理可得h2 h4将上述两不等式相乘RR 1 Q2所以R3Q32 R Q2%Q2 R4Q2并整理得Q3 V Q4RR 14 1R2 R3RRR2R4(5-23)式（5-23）即为角联分支5中风向由一的判别式。3.角联分支5中风向由一同理可推导出角联分支5中风向由一的判别式(5-24)RRR2R4由上述三个判别式可以看出，简单角联网路中角联分支的风向完全取决于 两侧各邻近风路的风阻比，而与其本身的风阻无关。通过改变角联分支两侧各 邻近风路的风阻，就可以改变角联分支的风向。可见，角联分支一方面具有容易调节风向的优点，另一方面又有出现风流 不稳定的可能性。角联分支风流的不稳定不仅容易引发矿井灾害事故，而且可 能使事故影响范围扩大。如图5-8所示，当风门K未关上使R2减小，或分支巷 道4中某处发生冒顶或堆积材料过多使气增大，这时因改变了巷道的风阻比， 可能会使角联分支5中无风或风流一，从而导致两工作面完全串联通风或 上工作面风量不足而使其瓦斯浓度增加造成瓦斯事故。此外，在发生火灾事故 时，由于角联分支的风流反向可能使火灾烟流蔓延而扩大了灾害范围。因此， 保持角联分支风流的稳定性是安全生产所必须的。角联网路中，对角分支风流存在着不稳定现象，对简单角联网路来说，角 联分支的风向可由上述判别式确定；而对于复杂角联网路，其角联分支的风向 的判断，一般通过通风网路解算确定。在生产矿井，也可以通过测定风量确定。第三节风量分配及复杂通风网路解算一、风量分配的基本定律风流在通风网路中流动时，都遵守风量平衡定律、风压平衡定律和阻力定 律。它们反映了通风网路中三个最主要通风参数一一风量、风压和风阻间的相 互关系，是复杂通风网路解算的理论基础。1.通风阻力定律井巷中的正常风流一般均为紊流。因此，通风网路中各分支都遵守紊流通 风阻力定律，即h RQ 2(5-25)2. 风量平衡定律风量平衡定律是指在通风网路中，流入与流出某节点或闭合回路的各分支 的风量的代数和等于零，即 q =0（5-26）若对流入的风量取正值，则流出的风量取负值。如图5-10（a）所示，节点处的风量平衡方程为Q1-6 + Q2-6 + Q3-6 - Q6-4 - g一5 = 0如图5-10（b）所示，回路-的风量平衡方程为Q + Q - Q - Q = 01-23-45-67 8/ 8图5-10节点和闭合回路3. 风压平衡定律风压平衡定律是指在通风网路的任一闭合回路中，各分支的风压（或阻力） 的代数和等于零，即Zh = 0（5-27）若回路中顺时针流向的分支风压取正值，则逆时针流向的分支风压取负值。如图5-10（b）中的回路-，有：h2 4 + h4 5 + h5 7 - h2 7 = 0当闭合回路中有通风机风压和自然风压作用时，各分支的风压代数和等于 该回路中通风机风压与自然风压的代数和，即H通 土H自=Zh（5-28）式中，H通和H自分别为通风机风压和自然风压，其正负号取法与分支风压的正 负号取法相同。二、解算复杂通风网路的方法复杂通风网路是由众多分支组成的包含串、并、角联在内结构复杂的网路。 其各分支风量分配难以直接求解。通过运用风量分配的基本定律建立数学方程 式，然后用不同的数学手段，可求解出网路内各分支自然分配的风量。这种以 网路结构和分支风阻为条件，求解网路内风量自然分配的过程，称为通风网路 解算，也称为自然分风计算。目前解算通风网路使用较广泛的是回路法，即首先根据风量平衡定律假定 初始风量，由回路风压平衡定律推导出风量修正计算式，逐步对风量进行校正， 直至风压逐渐平衡，风量接近真值。下面主要介绍回路法中使用最多的斯考德-恒斯雷法。1. 解算通风网路的数学模型斯考德-恒斯雷法是由英国学者斯考德和恒斯雷对美国学者哈蒂？克劳斯 提出的用于水管网的迭代计算方法进行改进并用于通风网路解算的。对节点为m、分支为n的通风网路，可选定N=nm+1个余树枝和独立回 路。以余树枝风量为变量，树枝风量可用余树枝风量来表示。根据风压平衡定 律，每一个独立回路对应一个方程，这样建立起一个由N个变量和N个方程组 成的方程组，求解该方程组的根即可求出N个余树枝的风量，然后求出树枝的 风量。斯考德-恒斯雷法的基本思路是：利用拟定的各分支初始风量，将方程组 按泰勒级数展开，舍去二阶以上的高阶量，简化后得出回路风量修正值的一般 数学表达式为:(5-29)式中 R Q2 独立回路中各分支风压（或阻力）的代数和。分支风向与 余树枝同向时其风压取正值，反之为负值。|R,Q,| 独立回路中各分支风量与风阻乘积的绝对值之和。H通一一独立回路中的通风机风压，其作用的风流方向与余树枝同向时 取负值，反之为正值。H自独立回路中的自然风压其作用的风流方向与余树枝同向时取 负值，反之为正值。按公式(5-29)分别求出各回路的风量修正值KQ，由此对各回路中的分 支风量进行修正，求得风量的近似真实值，即Qj = Q + Q(5-30)式中：Q.和Qj分别为修正前后分支风量。kQ的正负按所修正分支的风向 与余树枝同向时取正值，反之取负值。如此经过多次反复修正，各分支风量接近真值。当达到预定的精度时计算 结束。此时所得到的近似风量，即可认为是要求的自然分配的风量。上述公式 (5-29)和(5-30)即为斯考德-恒斯雷法的迭代计算公式，也称其为哈蒂克 劳斯法。当独立回路中既无通风机又无自然风压作用时，公式(5-29)可简化为Q = RQ(5-31)2 习 R Q J为便于理解，下面以并联网路来解释回路风量修正值AQ的计算公式。如图5-11所示为由两个分支1和2组成的并联网路，其总风量Q，风阻分 别为R 1和R2。设两个分支自然分配的真实风量分别为。真1和Q真2，拟定的初始 风量分别为Q和Q，则初拟风量与真实风量的差值即为回路风量修正值AQ。12若 Q1 Q真2则 Q真广 Q1 +AQ , Q真2= Q2 -AQ根据 Z Qt = 0，得 Q真 1+ Q真2 = Q1 + Q2 = Q根据h = RQ 2和Z气=0，得h = RQ 2 = R(Q +AQ* = RQ 2 + 2 RQ AQ + R AQ 2真11 真ii iii iiih真2= R2 气2= R2 Q2-AQI=R Q 2 2R Q AQ + R AQ22222Ki = K 2图5-11并联网路忽略二次微量AQ2，G RiQi整理得近似式：+ 2R2Q2)AQ = R Q; - R2Q2) RQ2 R Q2AQ = ii-22-A2XRQ+RQ1将上式写成一般形式，即可得公式（5-29）与（5-31）：AQ =犬警: H诵不气2 RQjAQ - RQ2 RQ修正风量的计算公式，即公式(5-30)：2. 解算步骤使用斯考德-恒斯雷法，一般经过以下步骤：(1) 绘制通风网路图，标定风流方向。(2) 输入网路结构及数据。(3) 确定独立回路数，选择并确定独立回路的分支构成。(4) 拟定初始风量。通常，先给余树枝赋一组初值，再计算各树枝初始风量。(5) 计算回路风量修正值，及时修正回路中各分支的风量。(6) 检查精度是否满足要求每修正完一次网路中所有分支的风量，称为迭代一次。每次迭代后应判断 是否满足给定的精度要求，当某次迭代中各独立回路风量修正值均小于预定精 度八迭代计算结束，即max|AQ.| Ve，1WiWN(5-32)精度e一般取s。(7) 计算通风网路总阻力、总风阻。在斯考德-恒斯雷法中，其核心是每次迭代中各回路风量修正值的计算。按上述步骤编写的计算机解算通风网路的应用软件较多。此外，因该算法的回 路修正值可逐个回路独立计算，简化了计算，因而也可以手算。手算时要注意： 拟定的初始风量应尽量接近真实风量，以加快计算速度；独立回路中分支的风 压和回路风量修正值的符号也可按顺时针流向取正值，逆时针流向取负值确定， 通风机风压和自然风压的符号按顺负逆正确定；某分支风量，如在其它回路和 后面的计算中再次出现，其风量的取值和风向应以最末一次渐近风量为准，而 不再用初始值或前面的渐近值。例5-2某通风网路图如图5-12所示，已知总风量为Q = 25ms/s，各分支 风阻分别为：R1 = 0.487，R2 = 0.652，R3 = 0.860，R4 = 0.984，R5 = 0.465， 单位为Ns2/m8。试用斯考德-恒斯雷法解算该网路的自然分风，并求其总阻力和 总风阻。(eW0.01ms/s)Q=25m 3/s图5-12角联通风网路解：(1)判断角联分支3的风流方向因 R =冬= 0.495 , R =蛭=1.402R40.984R50.465RRR4R5故知角联分支3的风向一。(2) 确定独立回路数N = n m +1 = 5 4 +1 = 2选定两个网孔1-2 3和3 4 5作为两个独立回路。(3) 拟定各分支的初始风量可将角联分支3的风量初拟为0,即Q3 = 0。风路-和-按两分支并联网路的风量自然分配拟定，具体如 下：- Q25，1 4 - _-一 皿 s1 +11 + t R2 + R5 0.652 + 0.465Q2 = Q5 = Q Q1 = 25 11.64 = 13.36 m3/s(4) 迭代计算回路1 2 3第一次迭代计算:风量修正值(RQ2 + R Q2 -R Q2) = i1_1223_3-2 习R Q |2(RQ + RQ + RQ )i i1 12 23 3-0.487 x 11.642 + 0.652 x 13.362 + 0)fv = 1.75 ms/s2(0.487 x 11.64 + 0.652 x 13.36 + 0)风量修正 Q； = 11.64 (1.75)= 13.39 ms/sQ = 13.36 + (-1.75)= 11.61 ms/s 2Q = 0 (-1.75 )= 1.75 ms/s 3回路3 4 5第一次迭代计算：风量修正值5(RQf 2 R Q 2 + R Q 2)AQ = 334455A2(R Q + R Q + R Q )(0.860xl752 0.984 xl1：642 + 0.465 x 13.362)/fv = +1.24 ms/s2S.860 x 1.75 + 0.984 x 11.64 + 0.465 x 13.36)风量修正Q = 1.75 +1.24 = 2.99 ms/s3Q = 11.64 1.24 = 10.40 ms/s4Q = 13.36 +1.24 = 14.60 ms/s5按同样的方法，进行第二次、第三次迭代计算，直到满足精度要求为止。表5-1为本题计算过程和结果。(5) 计算精度校验本例经过三次迭代计算即能满足指定精度要求，见表5-1。(6) 计算网路的总阻力与总风阻h 总=h1 2 4 = h1 + h4 = 0.487 x 13.162 + 0.984 x 10.382 = 190.36 PaR总=Q总-=19036 = 0.305 Ns2/m8表5-1迭代计算表回路分风阻(Ns2/m8)第一次迭代计算第二次迭代计算初始风量Q(m3/s)2RQRQ2(Pa)风量修正值 Q(m3/s)渐近风量Q/(m3/s)初始风量Q/(m3/s)2RQRQ2(Pa)风量修正值 Q(m3/s)渐近风量Q/(m3/s)1 - 2 - 312+3000+小计+3 - 4 - 53+45+小计+