【正文】 混凝土棚等支護(hù)巷道，要同時(shí)考慮支架的間距和支架厚度，其粗糙度用縱口徑來(lái)表示。對(duì)于砌碹和錨噴巷道，壁面粗糙程度可用尼古拉茲實(shí)驗(yàn)的相對(duì)粗糙度來(lái)表示，可直接查出摩擦阻力系數(shù)值。附錄一所列錄的摩擦阻力系數(shù)值，是前人在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0＝）條件下，通過(guò)大量模型實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)得到的。查表確定值在新礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要計(jì)算完全紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力，即按照所設(shè)計(jì)的井巷長(zhǎng)度、周長(zhǎng)、凈斷面、支護(hù)形式和通過(guò)的風(fēng)量，選定該井巷的摩擦阻力系數(shù)值，然后用公式（310）來(lái)計(jì)算該井巷的摩擦阻力。不同的井巷、不同的支護(hù)形式值也不同。三、摩擦阻力系數(shù)與摩擦風(fēng)阻（一）摩擦阻力系數(shù) 在應(yīng)用公式（310）計(jì)算礦井通風(fēng)紊流摩擦阻力時(shí)，關(guān)鍵在于如何確定摩擦阻力系數(shù)值。因?yàn)槭菬o(wú)因次量，故具有與空氣密度相同的因次，即Kg/m3。故將式（32）代入公式（34）得到應(yīng)用于礦井通風(fēng)工程上的紊流摩擦阻力計(jì)算公式： Pa； （38）從前面分析可知，流體在完全紊流狀態(tài)時(shí)，對(duì)于確定的粗糙度，值是確定的，所以對(duì)礦井通風(fēng)的井巷來(lái)說(shuō)，當(dāng)井巷掘成以后，井巷的幾何尺寸和支護(hù)形式是確定的，井巷壁面的相對(duì)粗糙度變化不大，因而在礦井條件下值被視為常數(shù)。由于井巷中的風(fēng)流大多數(shù)都為紊流狀態(tài)，所以層流摩擦阻力計(jì)算公式在實(shí)際工作中很少用。（二）層流摩擦阻力從尼古拉茲實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以知道，流體在層流狀態(tài)時(shí)，實(shí)驗(yàn)系數(shù) 只與雷諾數(shù)Re有關(guān)，故將式＝64/ Re代入達(dá)西公式（34）中，得： h摩=，Pa （35）再將雷諾數(shù) Re=和式代入式（35）中，得： （36）將式（32）及 =Q/S代入式（36）就可得到層流狀態(tài)下井巷摩擦阻力計(jì)算式： （37） 式中 ——空氣的動(dòng)力粘性系數(shù)，； Q——井巷風(fēng)量，m3/s；其它符號(hào)意義同前。而空氣在井巷中的流動(dòng)和水在管道中的流動(dòng)很相似，所以，可以把流體力學(xué)計(jì)算水流沿程阻力的達(dá)西公式應(yīng)用于礦井通風(fēng)中，作為計(jì)算井巷摩擦阻力的理論基礎(chǔ)。對(duì)于一定的相對(duì)粗糙度的管道，為定值。在該區(qū)段，Re值較大，流體的層流邊層變得極薄，砂粒凸起的高度幾乎全暴露在紊流的核心中，所以Re 對(duì)值的影響極小，可省略不計(jì)，相對(duì)粗糙度成為的唯一影響因素。在這個(gè)區(qū)段內(nèi)，各種不同相對(duì)粗糙的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)各自分散呈一波狀曲線(xiàn)， 與Re 有關(guān)，也與相對(duì)粗糙度有關(guān)。Ⅳ區(qū)——紊流過(guò)渡區(qū)。在Ⅲ 曲線(xiàn)范圍內(nèi)， 與Re 有關(guān)，而與相對(duì)粗糙度無(wú)關(guān)。Ⅲ區(qū)——水力光滑區(qū)。所有的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)幾乎都集中在線(xiàn)段Ⅱ上。Ⅱ區(qū)——臨界區(qū)。其關(guān)系式為：＝64/ Re。根據(jù)值隨Re 變化特征圖中曲線(xiàn)分為五個(gè)區(qū)： （圖31 尼古拉茲試驗(yàn)結(jié)果）Ⅰ區(qū)——層流區(qū)。實(shí)驗(yàn)得出流態(tài)不同的水流，系數(shù)與管壁相對(duì)粗糙度、雷諾數(shù)Re的關(guān)系，如圖31所示。管壁粗糙度是用相對(duì)粗糙度來(lái)表示的，即砂粒的平均直徑（m）與管道直徑r（m）之比。著名的尼古拉茲實(shí)驗(yàn)明確了流動(dòng)狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)系數(shù)的關(guān)系。二、摩擦阻力井下風(fēng)流沿井巷或管道流動(dòng)時(shí)，由于空氣的粘性，受到井巷壁面的限制，造成空氣分子之間相互摩擦（內(nèi)摩擦）以及空氣與井巷或管道周壁間的摩擦，從而產(chǎn)生阻力，稱(chēng)這種阻力為摩擦阻力。解：Re=＝ = =128120＞2300故巷道中的風(fēng)流流態(tài)為紊流?？捎檬剑?3）計(jì)算雷諾數(shù)近似判別井巷中風(fēng)流的流動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于圓形斷面有 Rw＝ （32)用水力半徑代替圓形管道直徑就會(huì)得到非圓形管道的雷諾判別系數(shù)，即： Re= （33) 式中 S —— 非圓形管道面積，m2；U —— 非圓形管道斷面周長(zhǎng)，m；其它符號(hào)意義同前。 Re＝2320～12000時(shí)，為層流和紊流不穩(wěn)定過(guò)渡區(qū)，Re＝2320～4000區(qū)域內(nèi)，流動(dòng)狀態(tài)不是固定的，由管道的粗糙程度、流體進(jìn)入管道的情況等外部條件而定，只要稍有干擾，流態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，因此，為方便起見(jiàn)，在實(shí)際工程計(jì)算中，通常以Re＝2300作為管道流動(dòng)流態(tài)的判別系數(shù)，即： Re2300 為層流 Re2300 為紊流對(duì)于非圓形斷面的管道，要用水力學(xué)中的水力半徑的概念，把非圓形斷面折算成圓形斷面。對(duì)于圓形管道，雷諾數(shù)為： Re= （31）式中 v—— 管道中流體的平均流速，m/s；d —— 圓形管道的直徑， m； —— 流體的運(yùn)動(dòng)粘性數(shù)，礦井通風(fēng)中一般用平均值 ＝－5m2/s；當(dāng)流速很小、管徑很細(xì)、流體的運(yùn)動(dòng)粘度較大時(shí)，流體呈層流運(yùn)動(dòng)，反之，為紊流流動(dòng)。（二）流動(dòng)狀態(tài)的判別1883年英國(guó)物理學(xué)家雷諾通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明：流體的流動(dòng)狀態(tài)取決于管道的平均流速、管道的直徑和流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)軌跡為直線(xiàn)或有規(guī)則的平滑曲線(xiàn)，并與管道軸線(xiàn)方向基本平行。流體以不同的流動(dòng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度在斷面上的分布和阻力形式也完全不同。通風(fēng)阻力包括摩擦阻力和局部阻力兩大類(lèi)，其中摩擦阻力是井巷通風(fēng)阻力的主要組成部分（大致80％左右）。 通風(fēng)阻力產(chǎn)生的根本原因是風(fēng)流流動(dòng)過(guò)程的粘性和慣性（內(nèi)因），以及井巷壁面對(duì)風(fēng)流的阻滯作用和擾動(dòng)作用（外因）。第三章 礦井通風(fēng)阻力上一章主要從宏觀角度研究了礦井空氣在井巷中流動(dòng)時(shí)的能量損失問(wèn)題，本章重點(diǎn)從通風(fēng)阻力產(chǎn)生的根本原因入手，闡明礦井通風(fēng)阻力的計(jì)算方法、測(cè)定方法以及降低通風(fēng)阻力的具體措施。本章是進(jìn)行礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、礦井風(fēng)量調(diào)節(jié)、礦井通風(fēng)系統(tǒng)管理和安全評(píng)價(jià)的理論基礎(chǔ)。井巷風(fēng)流在流動(dòng)過(guò)程中，克服內(nèi)部相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的機(jī)械能量損失就叫礦井通風(fēng)阻力。第一節(jié) 摩擦阻力一、 風(fēng)流的流動(dòng)狀態(tài)流體在運(yùn)動(dòng)中有兩種不同的狀態(tài)，即層流流動(dòng)和紊流流動(dòng)。（一）層流和紊流層流：指流體各層的質(zhì)點(diǎn)相互不混合，呈流束狀，為有秩序地流動(dòng)，各流束的質(zhì)點(diǎn)沒(méi)有能量交換。紊流：紊流和層流相反，流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)過(guò)程中有強(qiáng)烈混合和相互碰撞，質(zhì)點(diǎn)之間有能量交換，質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)軌跡極不規(guī)則，除了有總流方向的流動(dòng)外，還有垂直或斜交總流方向的流動(dòng)，流體內(nèi)部存在著時(shí)而產(chǎn)生、時(shí)而消失的渦流。這三個(gè)因素的綜合影響可用一個(gè)無(wú)因次參數(shù)來(lái)表示，這個(gè)無(wú)因次參數(shù)叫雷諾數(shù)。許多學(xué)者經(jīng)過(guò)對(duì)圓形管道水流的大量實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)Re2320時(shí)，水流呈層流狀態(tài)，叫下臨界值；當(dāng)Re12000時(shí)，水流呈完全紊流狀態(tài)，叫上臨界值。所謂水力半徑Rw（也叫當(dāng)量直徑）就是流過(guò)斷面面積S和濕潤(rùn)周界（即流體在管道斷面上與管壁接觸的周長(zhǎng))U之比。對(duì)于不同形狀的斷面，其周長(zhǎng)U與斷面S的關(guān)系，可用下式表示： U式中 C——斷面形狀系數(shù)；梯形C=；三心拱C=；半圓拱C=（三）井巷中風(fēng)流的流動(dòng)狀態(tài)井巷中空氣的流動(dòng)，近似于水在管道中的流動(dòng)，井下除了豎井以外，大部分巷道都為非圓形巷道，而且它充滿(mǎn)整個(gè)井巷，故濕潤(rùn)周界就是斷面的周長(zhǎng)。例31 某梯形巷道的斷面積S=9m2,巷道中的風(fēng)量為360m3/min,試判別風(fēng)流流態(tài)。例32 巷道條件同前，求相應(yīng)于Re=2300的層流臨界風(fēng)速 解： v= = =因?yàn)椤兑?guī)程》規(guī)定，,而井下巷道的風(fēng)速都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述數(shù)值，所以井巷風(fēng)流的流動(dòng)狀態(tài)都是紊流，只有風(fēng)速很小的漏風(fēng)風(fēng)流，才有可能出現(xiàn)層流。（一）達(dá)西公式和尼古拉茲實(shí)驗(yàn)在水力學(xué)中，用來(lái)計(jì)算圓形管道沿程阻力的計(jì)算式叫做達(dá)西公式，即：h摩＝，Pa （34）式中 h摩——摩擦阻力，Pa；——實(shí)驗(yàn)系數(shù)，無(wú)因次；L——管道的長(zhǎng)度，m；d——管道的直徑, m；——流體的密度，kg/m3； ——管道內(nèi)流體的平均流速，m/s； 上式對(duì)于層流和紊流狀態(tài)都適用,但流態(tài)不同，實(shí)驗(yàn)的無(wú)因次系數(shù)大不相同，所以，計(jì)算的沿程阻力也大不相同。尼古拉茲把粗細(xì)不同的砂粒均勻地粘于管道內(nèi)壁，形成不同粗糙度的管道。尼古拉茲以水為流動(dòng)介質(zhì)，對(duì)相對(duì)粗糙度分別為1/11/、1/60、1/121/251/507六種不同的管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。圖中的曲線(xiàn)是以對(duì)數(shù)坐標(biāo)來(lái)表示的，縱坐標(biāo)軸為（lg100）,橫坐標(biāo)軸為lgRe。當(dāng)Re2320（即lgRe＜）時(shí)，不論管道粗糙度如何，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果都集中分布于直線(xiàn)Ⅰ上，這表明隨Re 的增加而減少，而與相對(duì)粗糙度無(wú)關(guān)，而只與雷諾數(shù)Re 有關(guān)。這是因?yàn)楦鞣N相對(duì)粗糙度的管道，當(dāng)管道內(nèi)為層流時(shí)，其層流邊層的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粘于管道壁各個(gè)砂粒的直徑，砂粒凸起的高度全部被淹沒(méi)在層流邊層內(nèi)，它對(duì)紊流的核心沒(méi)有影響，（如圖32所示）所以，實(shí)驗(yàn)系數(shù)與粗糙度無(wú)關(guān)。當(dāng)23204000（)，在此區(qū)間內(nèi)，不同的相對(duì)粗糙度的管內(nèi)流體由層流轉(zhuǎn)變紊流。隨Re 的增加而增大，與相對(duì)粗糙度無(wú)明顯關(guān)系。當(dāng)Re＞4000（lgRe ）時(shí)，不同相對(duì)粗糙度的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)起初都集中在曲線(xiàn)Ⅲ上，隨著Re的增加，相對(duì)粗糙度大的管道，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)在較低Re 時(shí)就偏離曲線(xiàn)Ⅲ，相對(duì)粗糙度小的管道在較大的Re 時(shí)才偏離。 與Re服從＝，從實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)可以看出，在4000 ＜Re ＜10000 的范圍內(nèi)，它始終是水力光滑。由水力光滑區(qū)向水力粗糙區(qū)過(guò)渡，即圖中的Ⅳ所示區(qū)段。Ⅴ——水力粗糙區(qū)。故在該區(qū)， 與Re 無(wú)關(guān)，而只與相對(duì)粗糙度有關(guān)。（圖32 流態(tài)結(jié)構(gòu)）在水力學(xué)上，尼古拉茲實(shí)驗(yàn)比較完整地反映了 的變化規(guī)律，揭示了 的主要影響因素，解決了水在管道中沿程阻力計(jì)算問(wèn)題。因此把公式（34）作為滿(mǎn)流井巷礦井摩擦阻力計(jì)算的普遍公式。上式說(shuō)明，層流狀態(tài)下摩擦阻力與風(fēng)流速度和風(fēng)量的一次方成正比。 （三）紊流摩擦阻力井下巷道的風(fēng)流大多屬于完全紊流狀態(tài)，所以實(shí)驗(yàn)系數(shù)值取決于巷道壁面的粗糙程度。而礦井空氣的密度變化不大，也可以視為常數(shù)，故令： （39） 稱(chēng)為摩擦阻力系數(shù)。 將式（39）及v=Q/S代入（38）得： Pa （310）式中 ——井巷的摩擦阻力系數(shù)， Kg/m3或/m4； 式中其它符號(hào)意義同前。從式（39）看，摩擦阻力系數(shù)值，取決于空氣密度和實(shí)驗(yàn)系數(shù)值，而礦井空氣密度一般變化不大，因此值主要取決于值，主要決定于井巷的粗糙程度，也就是取決于井下巷道的支護(hù)形式。確定值方法有查表和實(shí)測(cè)兩種方法。查表確定值法，就是根據(jù)所設(shè)計(jì)的井巷特征（指支護(hù)形式、凈斷面積、有無(wú)提升設(shè)備和其它設(shè)施等），通過(guò)附錄一查出適合該井巷的標(biāo)準(zhǔn)值。 如果井巷空氣密度不是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)條件下的密度，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該對(duì)其修正： Kg/m3 （311）由于井巷斷面大小、支護(hù)形式及支架規(guī)格的多樣性，從附錄