1、第五章 通风网路中风量的分配矿井空气在井巷中流动时，风流分岔、汇合线路的结构形式，称为通风网路。用直观的几何图形来表示通风网路就得到通风网路图。通风网路中各风路的风量是按各自风阻的大小自然分配的。本章将介绍矿井通风网路图的绘制、通风网路的基本形式与特性、风量分配的基本定律、复杂通风网路解算的方法及计算机解算通风网路软件与应用。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在通风网路中，常用到以下一些术语：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
2、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。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1234576图 5-1 简单通风网路图号。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。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。树由包含通风网路图的全部节点且任意两节点间至少
3、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nm1。 1234578(a)b(c)66图 5-2 树和余树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 nm1 条
4、余树枝可形成 nm1 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：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。分支连线 将有风流连通
5、的节点用单线条（直线或弧线）连接。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。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：某些距离相近的节点，其间风阻很小时，可简化为一个节点。风压较小的局部网路，可并为一个节点。如井底车场等。同标高的各进风井口与回风井口可视为一个节点。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。分支方向（除地面大气分支）基本应由下而上。分支间的交叉尽可
6、能少。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。 12345678902314561829035467290I VIII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；独立通风硐室共有 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：（）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
7、可视为一个节点。（）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、独立通风各硐室等。将它们在网路图中部“一”字形排开。（）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一一标明清楚。（）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一一标明清楚。（）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。（）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
8、费力，需耐心反复修改直至满意为止。（）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。 32145791216537086作作3作845作327609295213作()()14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
9、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：123QhAR4图 5-5 串联风路串联风路的总风量等于各段风路的分风量，即 nQQ21串，m3/s （5-1）串联风路的总风压等于各段风路的分风压之和，即 nihh121串，Pa （5-2）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 2RQh，公式（5-2）可写成： 2221nQR串串因为 nQQ21串 所以 niRR121串，Ns 2/m8 （5-3）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。由 RA19.，得 219.A，将其代入公式（5-3）并整理得： 22121nA串（5-4）
10、或 2211nAA串，m2 （5-5）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：Q1hRA2图 5-6 并联网路并联网路的总风量等于并联各分支风量之和，即 niiQQ121并，m 3/s （5-6）并联网路的总风压等于任一并联分支的风压，即 nhh21并，Pa （5-7）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和。由 2RQh，得 Q R，将其代入公式（5-6）得： nRhh21并并因为 nh21并所以 nRR121并（5-8）或 2211nRR并，Ns2/m8
11、（5-9）当 nR21时，则 221n并，Ns2/m8 （5-10）并联网路的总等积孔等于并联各分支等积孔之和。由 RA19.，得 19.A，将其代入公式（5-8） ，得：n2并，m2 （5-11）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 nhh21并亦即 2221nQRQR并并由上式可以得出如下各关系式： 并并 1，m3/s （5-12）并并 QR2，m3/s （5-13）并并 n，m3/s （5-14）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
12、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： nRRQ13121 并，m3/s （5-15）n23212并，m3/s （5-16） 121nnn RRQ并，m3/s （5-17）当 n21时，则 nQQ并21，m3/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 AR19.
13、依次代入前述关系式（5-12） 、 （5-13）和（5-14）中，整理后可得各分支分配的风量计算公式如下： 并并并 QAQn211，m3/s （5-19）并并并An212，m3/s （5-20） 并并并 QAQnn21，m3/s （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、串联与并联的比较在矿井通风网路中，既有串联通风，又有并联通风。矿井的进、回风风路多为串联通风，而工作面与工作面之间多为并联通风。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：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
14、风路 1 和 2，其风阻 21R，通过的风量 21Q，故有风压21h。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：123图 5-7 串联与并联通风比较（1）总风量比较串联时： 21Q串并联时： 1并 故 串并 （2）总风阻比较串联时： 121RR串并联时： 42n并故 串并R81（3）总风压比较串联时： 121hh串并联时： 并故 串并h21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 81；并联网路的总风压为串联风路总风压的 21，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
15、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
16、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： 1243K图 5-8 简单角联网路 2356471890图 5-9 复杂角联网路角联分支 5 中无风流当分支 5 中无风时，、两节点的总压力相等，即 32总总 P又、两节点的总压力差等于分支 1 的风
17、压，即2h总总、两节点的总压力差等于分支 3 的风压，即31hP总总故 1同理可得 42则 4321h亦即 24321QR又 05Q，得 31,所以 42 （5-22）式（5-22 ）即为角联分支 5 中无风流通过的判别式。角联分支 5 中风向由当分支 5 中风向由时，节点的总压力大于节点的总压力，即 32总总 P又知 121hP总总 31h总总则 13h 即 2123QR同理可得 42 即 42将上述两不等式相乘，并整理得24133241QR又知 2 ， 43所以 3241即 4321R（5-23）式（5-23 ）即为角联分支 5 中风向由的判别式。角联分支 5 中风向由同理可推导出角联分支
18、 5 中风向由的判别式4321R（5-24）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 2R减小，或分支巷道 4 中某处发生冒顶或堆积材料过多使 4R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，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
19、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
20、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 2RQh（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 0iQ（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 056463261 QQ如图 5-10（b）所示，回路- -的风量平衡方程为87654321 (b)6213(a)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0ih （5-27）若回路中顺时针流向的分支风压取正值
21、，则逆时针流向的分支风压取负值。如图 5-10（b）中的回路- -，有：072542hh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 ihH自通（5-28）式中， 通H和 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
22、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。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 Nnm 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
23、的方程组，求解该方程组的根即可求出 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： iiQRH2自通 （5-29）式中 i 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。 iR 独立回路中各分支风量与风阻乘积的绝对值之和。通H 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。 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
24、 iQ，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iijijQ （5-30）式中： ijijQ和 分别为修正前后分支风量。 i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 iQR2（5-31）为便于理解，下面以并联网路来解释回路风量修正值 Q的计算公式。如图 5-11 所示为由两个分支
25、 1 和 2 组成的并联网路，其总风量 ，风阻分别为 1R和 2。设两个分支自然分配的真实风量分别为 1真 和 2真 ，拟定的初始风量分别为 1Q和 2，则初拟风量与真实风量的差值即为回路风量修正值。若 1真，必有 2真 则 真 ， Q真根据 0iQ ，得 Q2121真真根据 2Rh和 ih，得 2112121211 QRR真真 222222 QR真真 1真真 h2作作图 5-11 并联网路忽略二次微量 2Q，整理得近似式：22121 QRR故 212Q将上式写成一般形式，即可得公式（5-29）与（5-31）： iiRH2自通 或 iQR2修正风量的计算公式，即公式（5-30）： iijij解
26、算步骤使用斯考德恒斯雷法，一般经过以下步骤：绘制通风网路图，标定风流方向。输入网路结构及数据。确定独立回路数，选择并确定独立回路的分支构成。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。计算回路风量修正值，及时修正回路中各分支的风量。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 ，迭代计算结束，即iQmax ，1iN （5-32）精度 一般取 0.010.001m3/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
27、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-2 某通风网路图如图 5-12 所示，已知总风量为 25Qm3/s，各分支风阻分别为： 487.01R， 652.02， 860.3R， 984.4，465.
28、05R，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。 （0.01m3/s） =2m /s3图 5-12 角联通风网路解：（1）判断角联分支 3 的风流方向因 495.08.741R，402.165.2R则 5241R故知角联分支 3 的风向。（2）确定独立回路数2145mnN选定两个网孔 32和 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 3Q。风路- 和-按两分支并联网路的风量自然分配拟定，具体如下： 64.15.062.98471152441 RQm3/s31m3/s（4）迭代计算回路 321第一次迭代计算：
29、风量修正值75.1036.152.064.187.022322212 QRQRim3/s 风量修正 9.1 m3/s61.75.36.12Qm3/s0m3/s回路 543第一次迭代计算：风量修正值 24.136.45.06.198.075.186.02422253 QRRQm3/s风量修正 9.24.1753Qm3/s064m3/s5m3/s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36.1908.94.016.3487.02214-2
30、 hh总Pa5.922QR总总Ns2/m8表 5-1 迭代计算表第一次迭代计算 第二次迭代计算 第三次迭代计算回 路 分 支 风阻R（Ns2/m8）初始风量Q(m3/s)2RQ RQ2(Pa)风量修正值Q(m3/s)渐近风量Q/(m3/s)初始风量Q/(m3/s)2RQ RQ2(Pa)风量修正值Q(m3/s)渐近风量Q/(m3/s)初始风量Q/(m3/s)2RQ RQ2(Pa)风量修正值Q(m3/s)渐近风量Q/(m3/s)1 0.487 11.64 11.34 -65.98 13.39 13.39 13.04 -87.32 13.18 13.18 12.84 -84.60 13.162 0.
31、652 13.36 17.42 +116.38 11.61 11.61 15.14 +87.88 11.82 11.82 15.41 +91.09 11.8333 0.860 0 0 0 +1.75 2.99 5.14 -7.69 2.78 2.80 4.82 -6.74 2.79小 计 28.76 +50.40 -1.75 33.32 -7.13 +0.21 33.07 -0.25 +0.013 0.860 1.75 3.01 +2.63 2.99 2.78 4.78 +6.65 2.80 2.79 4.80 +6.70 2.794 0.984 11.64 22.91 -133.32 10.
32、40 10.40 20.47 -106.43 10.38 10.38 20.43 -106.02 10.3855 0.465 13.36 12.42 +83.00 14.60 14.60 13.58 +99.12 14.62 14.62 13.60 +99.39 14.62小 计 38.34 -47.69 +1.24 38.83 -0.66 +0.02 38.83 +0.07 -0.002三、计算机解算通风网络软件与应用简介计算机解算复杂通风网路，速度快、精度高。随着计算机的发展与普及，计算机解算通风网路得到了迅速发展，并已有了一些较成熟的通风网路解算软件。下面介绍一个由安徽理工大学研制开发的通风网路解算软件 MVENT。1MVENT 软件的使用方法在中文 Windows 环境下，启动 MVENT 软件，出现软件运行的主窗口如图 5-13。图 5-13 MVENT 软件主窗口（1）通风网路原始数据的输入从“数据”菜单选择“表格式数据”命令后，出现数据输入窗口。选择“新建”命令，在对话框中选择“基本通风网络数据文件” ，即出现图 5-14 表格，输入数据并存盘。
