第五章 礦井通風網絡中風量分配與調節
學時分配：4學時
本章主要內容及重點和難點
1、風量分配基本定律----三大定律
2、網絡圖及網絡特性
1)簡單網絡
2)角聯及複雜網絡
3、網絡的動態分析
4、礦井風量調節
5、計算機解算複雜網絡
第五章 礦井通風網絡中風量分配與調節
礦井通風係統是由縱橫交錯的井巷構成的一個複雜係統。用圖論的方法對通風係統進行抽象描述，把通風係統變成一個由線、點及其屬性組成的係統，稱為通風網絡。
第一節 風量分配基本規律
一、礦井通風網絡與網絡圖
(一）礦井通風網絡
通風網絡圖：用直觀的幾何圖形來表示通風網絡。
1. 分支（邊、弧）：表示一段通風井巷的有向線
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. 節點（結點、頂點）：是兩條或兩條以上分支的交點。
3. 路（通路、道路）：是由若幹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：是指任意兩節點間至少存在一條通路但不含回路的一類特殊圖。由於這類圖的幾何形狀與樹相似，故得名。樹中的分支稱為樹枝。包含通風網絡的全部節點的樹稱為其生成樹，簡稱樹。
（二）礦井通風網絡圖
特點：１）通風網絡圖隻反映風流方向及節點與分支間的相互關係，節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係，並且是進行各種通風計算的基礎，因此是礦井通風管理的一種重要圖件。
網絡圖兩種類型：一種是與通風係統圖形狀基本一致的網絡圖，如圖5-1-3所示；另一種是曲線形狀的網絡圖，如圖5-1-4所示。但一般常用曲線網絡圖。繪製步驟：
(1) 節點編號 在通風係統圖上給井巷的交彙點標上特定的節點號。
(2) 繪製草圖 在圖紙上畫出節點符號，並用單線條（直線或弧線）連接有風流連通的節點。
(3) 圖形整理 按照正確、美觀的原則對網絡圖進行修改。
通風網絡圖的繪製原則：
(1) 用風地點並排布置在網絡圖中部，進風節點位於其下邊；回風節點在網絡圖的上部，風機出口節點在最上部；
(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) 網絡圖總的形狀基本為“橢圓”形。
（５）合並節點，某些距離較近、阻力很小的幾個節點，可簡化為一個節點。
（６）並分支，並聯分支可合並為一條分支。
二、風量平衡定律
風量平衡定律是指在穩態通風條件下，單位時間流入某節點的空氣質量等於流出該節點的空氣質量；或者說，流入與流出某節點的各分支的質量流量的代數和等於零，即
若不考慮風流密度的變化，則流入與流出某節點的各分支的體積流量（風量）的代數和等於零，即：
如圖a，節點4處的風量平衡方程為：
將上述節點擴展為無源回路，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係：
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）
通風網路圖的任一回路中，無動力源時，各分支阻力的代數和為零，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和等於該回路中自然風壓與通風機風壓的代數和。
第二節 簡單網絡特性
一、串聯風路
由兩條或兩條以上分支彼此首尾相連，中間沒有風流分彙點的線路稱為串聯風路。如圖5-2-1所示，由1，2，3，4，5五條分支組成串聯風路。
（一） 串聯風路特性
1. 總風量等於各分支的風量，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）等於各分支
風壓（阻力）之和，即:
3. 總風阻等於各分支風阻之和，即：
4. 串聯風路等積孔與各分支等積孔間的關係
（二）串聯風路等效阻力特性曲線的繪製
根據以上串聯風路的特性，可以繪製串聯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風路1、2的阻力特性曲線R1、R2；
２、根據串聯風路“風量相等，阻力疊加”的原則，作平行於h軸的若幹條等風量線，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成曲線R3，即為串聯風路的等效阻力特性曲線。
二、並聯風網
由兩條或兩條以上具有相同始節點和末節點的分支所組成的通風網絡，稱為並聯風網。如圖所示並聯風網由5條分支並聯
（一）並聯風路特性：
1. 總風量等於各分支的風量之和，即
當各分支的空氣密度相等時,
2. 總風壓等於各分支風壓，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，並聯分支的阻力並不相等。
3. 並聯風網總風阻與各分支風阻的關係
∵ ∴
又∵
∴
即：
4. 並聯風網等積孔等於各分支等積孔之和，即
5. 並聯風網的風量分配
若已知並聯風網的總風量，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）並聯風路等效阻力特性曲線的繪製
根據以上並聯風路的特性，可以繪製並聯風路等效阻力特性曲線。
方法：
１、首先在h—Q坐標圖上分別作出並聯風路1、2的阻力特性曲線R1、R2；
２、根據並聯風路“風壓（阻力）相等，風量疊加”的原則，作平行於Q軸的若幹條等風壓線，在等風壓線上將1、2分支阻力h1、h2疊加，得到並聯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成曲線R3，即為並聯風路的等效阻力特性曲線。
三、串聯風路與並聯風網的比較
在任何一個礦井通風網絡中，都同時存在串聯與並聯風網。在礦井的進、回風風路多為串聯風路，而采區內部多為並聯風網。
並聯風網的優點：１、從提高工作地點的空氣質量及安全性出發，采用並聯風網具有明顯的優點。
２、在同樣的分支風阻條件下，分支並聯時的總風阻小於串聯時的總風阻。
例如：若R1=R2=0.04 kg/m7，
串聯：Rs１= R1+ R2= 0.08 kg/m7
並聯：
∴ Rs１ ：Rs１＝８：１
即在相同風量情況下，串聯的能耗為並聯的 8 倍。
四、角聯風網
（一）幾個概念
角聯風網：是指內部存在角聯分支的網絡。
角聯分支（對角分支）：是指位於風網的任意兩條有向通路之間、且不與兩通路的公共節點相連的分支，如圖。
簡單角聯風網：僅有一條角聯分支的風網。
複雜角聯風網：含有兩條或兩條以上角聯分支的風網。
（二）角聯分支風向判別
原則：分支的風向取決於其始、末節點間的壓能值。風流由能位高的節點流向能位低的節點；當兩點能位相同時，風流停滯；當始節點能位低於末節點時，風流反向。
判別式（以簡單角聯為例）：
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
或寫為：
２、當分支5中風向由2→3
節點②的壓能高於節點③，則 hR2 ＞ hR1 即：
即
同理， hR3 ＞ hR4
即
又∵
∴ 即：
或寫為：
３、分支5中的風向由3→2
同理可得：
或寫為：
∴ 改變角聯分支兩側的邊緣分支的風阻就可以改變角聯分支的風向。對圖示簡單角聯風網，可推導出如下角聯分支風流方向判別式：
第三節 通風網絡動態特性分析
一、井巷風阻變化引起風流變化的規律
1. 變阻分支本身的風量與風壓變化規律
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，
風壓亦減小；與該分支並聯的通路上的
分支的風量增大，風壓亦增大；當風阻
減小時與此相反。
2）對於一進一出的子網絡，若外部分支調阻引起其流入（流出）風量變化，其內部各分支的風量變化趨勢相同。
3）風網內，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）風網內，不同類型的分支風阻變化引起的風量變化幅度和影響範圍是不同的。一般地說，主幹巷道變阻引起的風量變化幅度和影響範圍大，末支巷道變阻引起的風量變化幅度和影響範圍小。
5）風網內某分支增阻時，增阻分支風量減小值比其並聯分支風量增加值大；某分支減阻時，減阻分支風量增加值比其並聯分支風量減小值大。
3．巷道密閉與貫通對風流的影響
巷道密閉相當於該分支的風阻增大至∞，故本分支風量減少到趨近於0；對其它分支的影響規律與分支增阻相同。
巷道貫通時要修改網絡圖，即在網絡圖中增加貫通後的分支。風流方向取決於巷道兩端點間壓能差；對其它分支的影響規律與分支減阻相同。
二、風流穩定性分析
(一)穩定性的基本概念
穩定性是指當係統受到外界瞬時幹擾，係統狀態偏離了平衡狀態後，係統狀態自動回複到該平衡狀態的能力。
按照這種穩定性的概念，除非在主要通風機不穩定運行（工作在軸流式風機風壓特性曲線的駝峰區）等特殊情況下，礦井通風係統一般都是穩定的。
通風管理中所說的風流穩定性，一般是指井巷中風流方向發生變化或風量大小變化超過允許範圍的現象；且多指風流方向發生變化的現象。
(二)影響風流穩定性的因素
1. 風網結構對風流穩定性的影響
僅由串、並聯組成的風網，其穩定性強；角聯風網，其對角分支的風流易出現不穩定。
2. 風阻變化對風流穩定性的影響
在角聯風網中，邊緣分支的風阻變化可能引起角聯分支風流改變。
在實際生產礦井，大多數采掘工作麵都是在角聯分支中。應采取安裝調節風門的措施，保證風流的穩定性。
3. 通風風動力變化對風流穩定性的影響
礦井風網內主要通風機、輔助通風機數量和性能的變化，不僅會引起風機所在巷道的風量變化，而且會使風網內其他分支風量也發生變化，並影響風網內其他風機的工況點。
(三)具體如下：
1) 單主要通風機風網，當主要通風機性能發生變化時，風網內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) 多主要通風機風網內，當某主要通風機性能發生變化時，整個風網內各分支風量不按比例變化。
3) 多主要通風機風網內，即使風網結構和分支風阻不變，當某主要通風機性能發生變化時，由於風網總風量和各主要通風機風量配置發生了變化，因此，各主要通風機的工作風阻與風網總風阻也有所變化。
4) 風網內，某巷道安設輔助通風機後，不僅該巷道本身風流發生變化，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，可引起其並聯分支風量不足、停風、甚至反向。引起並聯分支風流反向的條件是輔助通風機風量大於回路的總風量或輔助通風機風壓大於回路內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 礦井風量調節
隨著生產的發展和變化，工作麵的推進和更替，巷道風阻、網絡結構及所需的風量均在不斷變化，要求及時進行風量調節。
從調節設施來看，有通風機、射流器、風窗、風幕和增加並聯井巷或擴大通風斷麵等。按其調節的範圍，可分為局部風量調節與礦井總風量調節。從通風能量的角度看，可分為增能調節、耗能調節和節能調節。
一、局部風量調節
局部風量調節是指在采區內部各工作麵間，采區之間或生產水平之間的風量調節。調節方法：增阻法、減阻法及輔助通風機調節法。
(一) 增阻調節法
增阻調節法是在通過在巷道中安設調節風窗等設施，增大巷道中的局部阻力，從而降低與該巷道處於同一通路中的風量，或增大與其關聯的通路上的風量。增阻調節是一種耗能調節法
主要措施：(1)調節風窗；(2)臨時風簾；(3)空氣幕調節裝置等。使用最多的是調節風窗。
風窗調節法原理分析
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分支中設置調節窗。設調節風
窗產生的局部風阻為△R。
∵ (R1+ △R)Q1’2= R2Q2’2
∴
但增阻後，並聯係統總風阻增大。使Q’＜Q，由於Q’未知，實際計算過程中，假設Q’＝Q。已知, △R後，可計算調節風窗麵積。
使用條件：增阻分支風量有富餘。
特點：增阻調節法具有簡單、方便、易行、見效快等優點；但增阻調節法會增加礦井總風阻，減少總風量。
調節風窗開口麵積計算：
當 Sc/S＜＝0.5 時，
當 Sc/S ＞＝0.5 時，
Sc—調節風窗的斷麵積，m2；S—巷道的斷麵積，m2；Q—通達風量，m3/s；hc—調節風窗阻力，Pa；Rc—調節風窗的風阻，N·s2/m8；
Rc＝hc /Q2。
(二)減阻調節法
減阻調節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於同一通路中的風量，或減小與其關聯通路上的風量。
主要措施：(1)擴大巷道斷麵；(2)降低摩擦阻力係數；(3)清除巷道中的局部阻力物；(4)采用並聯風路；(5)縮短風流路線的總長度等。
特點：可以降低礦井總風阻，並增加礦井總風量；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係統進行較大的改造時采用。
(三)增能調節法
增能調節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)輔助通風機調節法。(2)利用自然風壓調節法。
特點：增能調節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節時設備投資較大，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複雜，安全性較差。
二、礦井總風量的調節
當礦井（或一翼）總風量不足或過剩時，需調節總風量，也就是調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，從而達到調節風機所在係統總風量的目的。
(二) 改變礦井總風阻值
1. 風硐閘門調節法
如果在風機風硐內安設調節閘門，通過改變閘門的開口大小可以改變風機的總工作風阻，從而可調節風機的工作風量。
2. 降低礦井總風阻
當礦井總風量不足時，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 應用計算機解算複雜通風網絡
目的：已知風網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程要求。
原理：依據風量平衡定律、風壓平衡定律、阻力定律
方法：回路法 假設風網中每一回路內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。
節點法 假設風網中每一回路內各分支節點壓力值開始，逐漸修正壓力分布，使之滿足風量平衡定律。
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5-2,5-5,5-6,5-7,5-10,5-12,5-13,5-14
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