浅谈矿井通风基本概念的理论基础

【摘要】矿井通风的基本概念是基于热力学与流体力学等基础理论发展起来的，文章主要通过矿井通风学与其他基础理论的对比与分析，着重研究矿井风流流动规律理论的重点与难点，进而强化矿井通风学与其他基础理论间的联系，并充分利用基础理论的研究成果不断完善矿井通风学，有效地推动矿井通风技术的研发与应用。

【关键词】矿井通风；基本概念；理论基础；分析

一、矿井通风基础理论概念问题分析

对矿井通风基础理论概念进行分析的过程中，会涉及到以下几方面的理解难点：

第一，理想气体的性质是属于理想流体还是完全气体。在矿井通风、热力学与物理化学等方面所理解的完全气体与理想流体、气体差异。

第二，在特定条件下，能量方程和动量方程的共性问题。微分型运动方程的成为与积分型动量方程为何存在差异[1]。

第三，利用热力学的第一定律和流体力学能量方程来描述流体流动的特性具有哪些共性。

二、完全气体、理想流体与理想气体关系

（一）理想流体和真实流体

理想流体就是无粘性流体，而真实的流体都具有粘性。但是，因为利用数学描述并处理粘性流体的难度较大，所以，针对像空气和水等粘性比较小的流体，在实际的过程中是将其当作理想流体来研究的，这样可以更好地体现出流体主要的运动特性，再根据所需来对粘性影响因素进行考虑。所以，理想流体只是为了方便研究现实问题而将真实流体简化并抽象后存在的[2]。

（二）完全气体和真实气体

完全气体所满足的热力学参数关系为：

（1）

其中，P是气体压力，R是气体常数，d为气体的密度，T则是气体的温度，而e代表的是单位质量气体的比内能，cv是气体比定容热容。

在公式（1）中的前一公式表示的是完全气体状态，而后一公式表示的则是完全气体热量状态，不符合公式（1）热力学参数关系的气体就是真实气体。

（三）完全气体、理想流体与理想气体区别

现阶段，矿井通风的相关技术与研究工作人员在理想气体的界定方面存在较多疑问，满足公式（1）的参数关系就是理想气体，还是符合无粘性流体理想流体是理想气体？

在各个领域中，理想气体的界定都存在差异，所以，很容易导致完全气体、理想流体与理想气体在概念上混淆[3]。在矿井通风与热力学等著作中将理想气体定义为符合公式（1）的完全气体，主要原因就是热力学的研究范围就是以气体的状态变化特性为重点。但是，在大部分的国外矿井通风以及流体力学的著作中是把符合公式（1）的气体定义成完全气体，并将理想气体当作理想流体中的一部分，所以，理想流体的特性就是无粘性气体。主要的原因就是在流体力学的领域中，经常使用理想流体作为总称，并不会将理想气体独立出来介绍。

三、数学描述矿井风流流动规律

流体是物质运动状态中的一种，所以同样遵循物质运动的规律，并且物质运动的规律还可以对流体运动的规律进行描述。

（一）系统与控制体

系统，主要是涵盖确定不变的物质集合，而在流体力学中，主要指的就是确定流体质点所组成的流体团。与此同时，系统的边界会随着流体的运动而运动，通常情况下利用拉格朗日法来对流体团形成的系统流动规律进行分析[4]。然而流体质点的运动比较复杂，所以进行数学分析比较困难。

控制体，就是相对于某一固定不变的坐标系，物体所流过的体积，并且其边界也是始终固定不变的。

（二）欧拉型基本方程

1.微分型运动方程

流体流动过程中的时变加速度与位变加速度的数学公式可以表示成：

（2）

公式（2）是利用牛顿第二定律来描述流体流动规律的。

2.积分型动量方程

积分型动量方程的单位就是动量对于时间的变化率，也就是控制体内的动量对时间变化率是作用于控制体内流体上合外力和单位时间经过控制面流入流体动量的和，具体的方程关系式为：

（3）

3.微分型运动方程和积分型动量方程共性分析

将公式（1）与（2）进行对比，公式（2）主要是对流体运动特性进行描述的微分型，也就是分析描述单位质量的流体，其动量对于时间变化率和单位质量流体内部受力关系。L、T、M分别代表距离、时间与质量量纲，则公式（2）中的右边量纲就是 ，也就是加速度量纲，因此被叫作运动方程。而公式（3）所描述的则是流体运动特性的积分型，可以将公式右边量纲表示为 ，所以被称作动量方程。

四、热力学第一定律和能量方程关系

流体在实际的流动过程中，会产生热能与机械能的转换现象，同时由于流体温度的变化会使流体的密度与阻力等发生变化[5]。因此，流体流动的规律需要使用热力学第一定律或者是流体力学的能量方程来表示与分析，因为它们的理论基础相同，也就是能量守恒定律。在单位时间内传入控制体内的热量、经过控制面流入流体总能量与外界对控制体内的流体所作功的总和与控制体内的流体总能量相对时间变化率是一致的。所以，热力学中的第一定律与能量方程都可以描述涉及热现象流体的宏观流动过程。

结束语：

综上所述，在热力学与流体力学等基础理论的发展过程中，积极地推动了矿井通风动力学的发展与进步，然而，在实际的矿井通风安全工作中，技术工作人员始终很难把矿井通风的动力学与热力学以及流体力学等基础理论相互联系起来，并且在实际的应用过程中，会混淆不同领域基础理论的公式。并且，流体流动基础理论和矿井通风理论的严重脱节也会导致其他基础理论在矿井通风动力学中的实际应用效果。但是，通过文章对各基础理论的分析与矿井通风基本理论的联系，强化了两者间的理论联系。

参考文献：

[1]陈宁，陆愈实.基于GIS的矿井通风预警信息系统研究[J].中国矿业，2012，21（3）：111-113.

[2]黄俊歆，王李管，熊书敏等.矿井通风系统三维联通巷道建模算法及其应用[J].中南大学学报（自然科学版），2012，43（8）：3173-3179.

[3]杨茹馨，谢贤平，韩孟微等.应用层次分析法确定矿井通风系统评价指标的权值[J].河南科学，2012，30（10）：1525-1529.

[4]谢贤平，韩孟微.矿井通风信息化和智能化研究[J].云南冶金，2012，41（5）：1-7.

[5]曹锐.矿井通风仿真系统在晋煤集团寺河矿的应用[J].现代矿业，2012（3）：87-89.