矿井空气流动的基本理论

　　矿井空气流动的基本理论主要研究矿井空气沿井巷流动过程中宏观力学参数的变化规律以及能量的转换关系。

　　1、空气的主要状态参数

　　与矿井通风工程研究密切相关的空气状态参数有：温度、压力、密度、比容、湿度和焓，有时还考虑空气的粘性。

　　2、风流能量与压力

　　能量与压力是通风工程中两个重要的基本概念，它们既密切相关又相互区别。风流之所以能在系统中流动，其根本原因是系统中存在促使空气流动的能量差。空气的能量对外做功有力的表现时，称为压力，压力可以理解为单位体积流体所具有的对外做功的机械能，其单位为Pa。

　　（1）风流能量与压力

　　1）静压能—静压

　　空气分子作无规则的热运动时所具有的分子动能中一部分转化为能够对外做功的机械能叫静压能，用Ep表示（J/m3）。空气分子撞击到器壁上，就会有力的效应，这种单位面积上的力的效应称为静压力，简称静压，以P表示，单位为N/m2，即Pa。在矿井通风学中，压力的概念与物理学中的压强相同，即单位面积上受到的垂直作用力，静压力即为单位体积空气的静压能。

　　2）重力位能—位压

　　物体在地球重力场中因地球引力的作用，由于位置不同而具有的一种能量称为重力位能，用Epo表示。重力位能是一个相对概念，其计算应有一个参照基准。

　　在矿井通风工程中，通常将某点空气所具有的静压能和位能之和称为势能，它与物理学中刚体的势能不是同一个概念。显然，势能也是一个相对概念，通常只定义某两断面间空气的势能差而不定义某断面空气所具有的势能。

　　3）动能－动压

　　单位体积流体作宏观运动（即定向流动）时所具有的那部分能量称为动能，用Ev表示，单位为J/m3，其动能转化所显现的压力称为动压或速压，以hv表示，单位为Pa，计算公式为：

　　通常情况下，以某断面平均速压来研究井巷空气流动规律。

　　（2）风流点压力及其相互关系

　　风流点压力表示测点单位体积空气所具有的总能量。它包括静压、动压、位压，其中风流的静压和动压之和称为全压。相对于绝对真空的压力称为绝对压力，相对于当时当地大气压力的压力称为相对压力。

　　静压是反映某点空气分子作无规则热运动所具有的部分微观动能，空气的静压在任何方向都表现相同的数值，即各向同值。而动压是反映某点空气作宏观定向流动时所具有的动能，其方向与空气流动的方向一致，在垂直于流动方向上其值为零。

　　在压入式通风管路中，任意一点空气的绝对全压Pt和绝对静压Ps一般都高于外面与该点同标高的大气中的大气压Po，故称正压通风；在抽出式通风的管路中，任意一点空气的绝全压Pt和绝对静压Ps一般都低于外面与该点同标高的大气中的大气压力Po，故称负压通风。但在风机出口的扩散器中，由于扩散器断面的变化，其内部空气的绝对静压只小于与该点同标高的外面大气中的大气压力，安装扩散器的目的也在于回收速压，以提高风机对井巷通风的能力。风流点压力存在如下关系：

　　3、通风能量方程

　　质量守恒是自然界最基本的客观规律之一，井巷中流动的空气（即风流）是连续不断的介质，它充满其所流经的井巷空间。在无点源或点汇存在时，根据质量守恒定律，对于稳定流动（流动不随时间变化的流动），流入某空间的流体质量必然等于流出该空间的流体质量。对于不可压缩流体（密度为常数）的稳定流动，通过任一断面的体积流量（即风量）相等。

　　严格地讲，由于矿井中不断有瓦斯及其它有害气体涌出，空气在井巷流动的过程中湿度也会产生一定的变化，特别是部分矿井存在无法弄清的漏风通道，故质量守恒定律在矿井通风中的表达式很难准确列出，并且井巷空气流动实际上并不是稳定流动。众所周知，空气是可压缩流体，但在研究井下空气流动的能量方程时，有时参照不可压缩流体的研究方法，再予以修正。

　　（1）单位质量流量的流体流动的能量方程

　　在热力学中，一般按单位质量流量，根据热力学第一定律进行能量方程的推导，得出流体的单位质量流量的能量方程为：