礦井通風(fēng)阻力測(cè)定誤差分析及其控制

周金祥，王　飛，劉紅威

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原030024；2.太原煤炭（氣化）集團(tuán)有限公司爐峪口煤礦，太原030203）

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礦井通風(fēng)阻力測(cè)定誤差分析及其控制

周金祥1，2，王飛1，劉紅威1

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原030024；2.太原煤炭（氣化）集團(tuán)有限公司爐峪口煤礦，太原030203）

摘要：針對(duì)礦井通風(fēng)阻力測(cè)定中存在較大的誤差進(jìn)行了分析研究，并結(jié)合大量的現(xiàn)場(chǎng)操作，提出了相應(yīng)的控制措施，實(shí)現(xiàn)了從理論、方法、儀器、操作、測(cè)點(diǎn)選擇等多方面控制誤差、確保精度的目的，保證了通風(fēng)阻力測(cè)定工作的實(shí)用效果。

關(guān)鍵詞：通風(fēng)阻力；能量方程；誤差分析；空氣擾動(dòng)

我國(guó)《煤礦安全規(guī)程》[1]第119條對(duì)礦井通風(fēng)阻力測(cè)定做了相關(guān)規(guī)定。在實(shí)際的測(cè)定過程中，測(cè)定結(jié)果往往存在較大的誤差，使通風(fēng)阻力測(cè)定失去了其應(yīng)有的價(jià)值。針對(duì)這種情況，本文對(duì)通風(fēng)阻力測(cè)定工作的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析研究，明確了整個(gè)流程中的誤差所在，從理論、方法、儀器、操作、測(cè)點(diǎn)選擇等多方面來控制誤差、確保精度，保證了通風(fēng)阻力測(cè)定工作的實(shí)用效果。

1　通風(fēng)阻力測(cè)定方法及計(jì)算公式

目前礦井通風(fēng)阻力測(cè)定常用方法根據(jù)測(cè)量?jī)x器的不同分為兩類三種，一類是基于壓差計(jì)的傾斜壓差計(jì)法，一類是基于氣壓計(jì)的氣壓計(jì)基點(diǎn)測(cè)定法和氣壓計(jì)同步測(cè)定法。阻力測(cè)定方法詳細(xì)過程可參看有關(guān)礦井通風(fēng)阻力測(cè)定方法的MT/T 440-2008標(biāo)準(zhǔn)[2]。三種測(cè)定方法步驟及阻力計(jì)算公式如下：

1）傾斜壓差計(jì)法。在巷道風(fēng)流前后的2個(gè)測(cè)點(diǎn)處各設(shè)置1個(gè)靜壓管，在后測(cè)點(diǎn)的下風(fēng)側(cè)6 m～8 m處安設(shè)壓差計(jì)。待膠管內(nèi)的空氣溫度等于巷道內(nèi)的空氣溫度后，將短膠管的一端連接在后測(cè)點(diǎn)的靜壓管上（或皮托管的靜壓端），另一端接在壓差計(jì)的“-”端上；長(zhǎng)膠管的一端連接在前測(cè)點(diǎn)的靜壓管上，另一端在壓差計(jì)的“+”端上，待壓差計(jì)液面穩(wěn)定后讀數(shù)。

式中：hrij為斷面i，j間的通風(fēng)阻力，Pa；K為傾斜壓差計(jì)的校正系數(shù)；L為傾斜壓差計(jì)讀數(shù)，Pa；ρi，ρj為斷面i，j處的空氣密度，kg/m3；vi，vj為斷面i，j處的空氣流速，m/s。

2）氣壓計(jì)基點(diǎn)測(cè)定法。在井口調(diào)試好兩臺(tái)精密氣壓計(jì)（I、II），并記錄初始讀數(shù)。儀器II留在原地監(jiān)視大氣壓力變化，每隔10 min記錄1次讀數(shù)，儀器I按測(cè)點(diǎn)順序分別測(cè)出各測(cè)點(diǎn)風(fēng)流的相對(duì)基點(diǎn)的靜壓。

式中：K1，K2為氣壓計(jì)I，II的校正系數(shù)；Pi，Pj為氣壓計(jì)II在i，j處的靜壓讀數(shù)，Pa；P0 i，P0 j為與Pi、Pj同步時(shí)間氣壓計(jì)I的讀數(shù)，Pa；Zi，Zj為測(cè)點(diǎn)i，j的標(biāo)高，m；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，N/kg；ρij為i，j間空氣平均密度，實(shí)際計(jì)算中常?。é裪+ρj）/2，kg/m3。

3）氣壓計(jì)同步測(cè)定法。在測(cè)點(diǎn)處，調(diào)好兩臺(tái)精密氣壓計(jì)（I、II），并記錄初始測(cè)點(diǎn)風(fēng)流的靜壓。然后儀器I留在原處不動(dòng)，儀器II放置在測(cè)點(diǎn)j，在約定時(shí)間內(nèi)兩臺(tái)儀器同時(shí)讀取測(cè)點(diǎn)風(fēng)流的靜壓。再把儀器I移到測(cè)點(diǎn)j，同時(shí)記錄初始測(cè)點(diǎn)風(fēng)流的靜壓，儀器I不動(dòng)，將儀器II移到下一個(gè)測(cè)點(diǎn)，再在約定時(shí)間內(nèi)兩臺(tái)儀器同時(shí)讀取測(cè)點(diǎn)風(fēng)流的靜壓。如此前進(jìn)直至巷道測(cè)試完畢為止。

式中符號(hào)代表含義同上。

2　通風(fēng)阻力測(cè)定誤差分析

在礦井通風(fēng)阻力測(cè)定過程中，經(jīng)常出現(xiàn)的一個(gè)問題就是測(cè)量誤差過大，井下實(shí)測(cè)全礦井的通風(fēng)阻力和風(fēng)機(jī)水柱房水柱讀數(shù)難以在誤差范圍內(nèi)吻合，巷道間阻力有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)值的情況。下面就從以下幾個(gè)方面對(duì)誤差出現(xiàn)的原因進(jìn)行詳細(xì)的分析。

2.1理論誤差

力學(xué)、熱力學(xué)[3]、流體力學(xué)[4]的發(fā)展為礦井通風(fēng)的研究奠定了基礎(chǔ)。礦井通風(fēng)阻力計(jì)算過程中公式（1）（2）（3）來源于空氣流動(dòng)的連續(xù)性方程和通風(fēng)能量方程（即伯努利方程）[5]，通風(fēng)能量方程表達(dá)了空氣在流動(dòng)過程中壓能、動(dòng)能、位能的變化規(guī)律，是能量守恒和轉(zhuǎn)換定律在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用。但是，由于井下空氣流動(dòng)的復(fù)雜性，在實(shí)際的阻力計(jì)算過程中，阻力計(jì)算公式是人們對(duì)不同的條件進(jìn)行了限制和簡(jiǎn)化后得到的。在礦井通風(fēng)阻力的研究過程中，人們習(xí)慣于將井下空氣視為在流動(dòng)過程中既無漏風(fēng)又無補(bǔ)給的一維穩(wěn)定流，同時(shí)根據(jù)不同的需求來考慮空氣的可壓縮性與否。嚴(yán)格地說礦井風(fēng)流是可壓縮的，并且風(fēng)流的能量不僅包括壓能、動(dòng)能、位能組成的機(jī)械能，還應(yīng)該包括自身內(nèi)（熱）能，根據(jù)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可知空氣的可壓縮性以及風(fēng)流與礦井的熱能交換、井下電氣設(shè)備的做功和散熱對(duì)阻力計(jì)算有較大的影響，而這一點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)中往往被忽視[6-7]。

1）考慮內(nèi)（熱）能變化[8]，根據(jù)能量守恒定律、能量轉(zhuǎn)換定律、熱力學(xué)第一定律等理論推導(dǎo)出單位質(zhì)量的可壓縮定常流空氣的能量方程為：

式中：ρm為斷面i，j間按狀態(tài)過程考慮的空氣平均密度，kg/m3。

式中：n為多變過程中的過程指數(shù)。

我國(guó)礦井通風(fēng)中習(xí)慣使用單位體積（1 m3）流體的能量方程：

2）上述公式中vi，vj為斷面i，j處的平均風(fēng)速，由于礦井巷道斷面處各個(gè)位置風(fēng)速分布的不均勻性，利用斷面平均速度求出的斷面處的總動(dòng)能并不是斷面實(shí)際的動(dòng)能大小，這里引入動(dòng)能修正系數(shù)K:

式中：u為微分面積ds上的風(fēng)速。

但是在礦井通風(fēng)阻力的測(cè)定過程中我們會(huì)發(fā)現(xiàn)動(dòng)壓占整體能量的比例較小，一般不再對(duì)動(dòng)能進(jìn)行修正。

3）將公式（5）（6）與公式（1）（2）（3）進(jìn)行比較（不考慮儀器修正系數(shù)的影響）：在三種不同方法下通風(fēng)阻力實(shí)際測(cè)定過程中，在不考慮動(dòng)能誤差的情況下，密度是影響誤差的主要原因，考慮到現(xiàn)場(chǎng)工作的可操作性，公式（1）（2）（3）的動(dòng)能計(jì)算時(shí)斷面i，j處的密度ρi，ρj代替平均密度ρm，位能計(jì)算時(shí)用（ρi+ρj）/2代替ρm，當(dāng)巷道斷面i，j間的高差比較大時(shí)，會(huì)使動(dòng)能和位能產(chǎn)生較大的誤差，尤其是位能。

2.2測(cè)定方法的選擇對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

2.2.1傾斜壓差計(jì)法

通過對(duì)三種測(cè)定方法下公式（1）（2）（3）之間的相互比較我們可以發(fā)現(xiàn)，采用傾斜壓差計(jì)法能夠用壓差計(jì)直接測(cè)定出空氣的壓能和位能，誤差只產(chǎn)生在動(dòng)能的計(jì)算中，而這一部分的誤差所占比例相對(duì)較小。采用氣壓計(jì)測(cè)量的兩種方法則需要人工計(jì)算位能和動(dòng)能，誤差較大。傾斜壓差計(jì)法在三種測(cè)定方法中最精確，但操作也最為復(fù)雜，目前在實(shí)際測(cè)定工作中已經(jīng)基本上被淘汰。

2.2.2氣壓計(jì)基點(diǎn)測(cè)定法

氣壓計(jì)基點(diǎn)測(cè)定法由于操作的方便性，是目前使用最多的阻力測(cè)定方法。下面就對(duì)該方法測(cè)定阻力時(shí)產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行詳細(xì)分析。

氣壓計(jì)基點(diǎn)測(cè)定法自身嚴(yán)重的不足-靜壓差測(cè)定存在較大誤差[9-10]，在阻力測(cè)定過程中，一般情況下靜壓差所占比例較大，因此在高差不大的情況下靜壓差測(cè)定的精度直接影響著阻力測(cè)定的成敗。公式（2）中的第一項(xiàng)[K1（Pi-Pj）-K2（P0i-P0j）]為兩點(diǎn)間的靜壓差的計(jì)算式，其中K1（Pi-Pj）為斷面i，j間的靜壓差。但是該方法是用一臺(tái)儀器對(duì)各個(gè)斷面處進(jìn)行逐一測(cè)定，這樣兩個(gè)不同斷面在測(cè)定中存在一定的時(shí)間差。由于井下空氣并不是嚴(yán)格的穩(wěn)定流，測(cè)完i斷面處?kù)o壓再去測(cè)j斷面處時(shí)，斷面處的靜壓很有可能已經(jīng)發(fā)生了變化，故引入了K2（P0i-P0j）項(xiàng)來對(duì)K1（Pi-Pj）項(xiàng)由于時(shí)間差引起的誤差進(jìn)行修正。但這種修正仍然不能將誤差完全消除，原因是K2（P0i-P0j）中是P0i，P0j記錄的與i，j同時(shí)刻測(cè)量的井口的大氣壓力，用測(cè)定i，j時(shí)的時(shí)間差內(nèi)大氣壓力的變化來代替測(cè)定斷面j時(shí)，斷面i處?kù)o壓在該時(shí)間差內(nèi)的變化量。這種等效代替的前提是不考慮地面大氣壓力對(duì)井下斷面處?kù)o壓的滯后和衰減影響，而這種靜壓傳遞的滯后性和衰減性是不可避免的，尤其在距離井口較遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)處，這種滯后和衰減現(xiàn)象更加明顯，故使用該方法存在有不可消除的誤差。

人們針對(duì)這種現(xiàn)象對(duì)該方法進(jìn)行了一定的改進(jìn)：隨著測(cè)點(diǎn)離井口位置距離的不斷加大，在測(cè)定過程中隨著測(cè)點(diǎn)的推進(jìn)不斷更換基點(diǎn)的位置[11]，通常會(huì)在在進(jìn)風(fēng)井口、采區(qū)下部車場(chǎng)附近、總回風(fēng)巷入口附近先后設(shè)立3個(gè)基點(diǎn),實(shí)行多基點(diǎn)測(cè)定,以彌補(bǔ)基點(diǎn)法本身的缺陷。但是，該方法效果并不顯著，有時(shí)反而產(chǎn)生更大誤差。

2.2.3氣壓計(jì)同步測(cè)定法

氣壓計(jì)同步測(cè)定法則彌補(bǔ)了基點(diǎn)測(cè)定法的不足，公式（3）中K2（Pi-Pj）為不同時(shí)刻斷面i，j間的靜壓差，K1（P0i-P0 j）為該斷時(shí)間差內(nèi)斷面i處?kù)o壓變化量。但是該方法同樣由于操作過于繁瑣而不常使用。

2.3井下空氣擾動(dòng)對(duì)阻力測(cè)定的影響

測(cè)定環(huán)境的改變是氣壓計(jì)基點(diǎn)測(cè)定法產(chǎn)生誤差的主要誘因。在大量現(xiàn)場(chǎng)操作的過程中，我們發(fā)現(xiàn)通風(fēng)阻力測(cè)定過程中對(duì)其測(cè)定結(jié)果影響最大的因素是測(cè)定環(huán)境的劇烈變化。這里所說的測(cè)定環(huán)境的改變主要是指：地面大氣壓力的變化、主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況的變化、礦井運(yùn)輸設(shè)備的移動(dòng)帶來的空氣擾動(dòng)、風(fēng)門隨機(jī)的開關(guān)帶來的井下參數(shù)的劇烈變化、礦井發(fā)生災(zāi)變帶來的井下參數(shù)的劇烈變化、成群結(jié)隊(duì)的人員走動(dòng)對(duì)空氣的擾動(dòng)等。

因此，礦井通風(fēng)阻力的測(cè)定工作，一般選擇在井下風(fēng)流比較穩(wěn)定的時(shí)期，盡管如此，還是很難控制空氣擾動(dòng)對(duì)阻力測(cè)定的影響。針對(duì)這種現(xiàn)象，王樹剛等人提出了空氣非定常流動(dòng)能量方程在阻力測(cè)定中的應(yīng)用[12-13]，對(duì)礦井生產(chǎn)過程中由于空氣擾動(dòng)產(chǎn)生的壓力脈沖值進(jìn)行觀測(cè)，用觀測(cè)值來修正原有的阻力測(cè)定結(jié)果。

2.4其它因素誤差分析

除了上文介紹的理論誤差和不同測(cè)定方法存在的自身誤差外，阻力測(cè)定過程中還有許多因素會(huì)影響測(cè)定結(jié)果[14]，概括起來主要有以下幾個(gè)方面：

1）儀器誤差：在測(cè)定過程中如果條件允許盡量使用精度較高的儀器，保證同類儀器具有相同的精度和漂移性能。

2）操作誤差：測(cè)定過程中會(huì)有大量的人工操作過程，在測(cè)定中要確保操作的準(zhǔn)確性。

3）測(cè)定節(jié)點(diǎn)的選擇誤差：在滿足要求的前提下節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量選擇在標(biāo)高確定的位置處；由于風(fēng)流匯合或分流都會(huì)產(chǎn)生渦旋,對(duì)于處在交叉點(diǎn)附近的測(cè)點(diǎn),應(yīng)避開渦旋。

3　結(jié)論

1）礦井風(fēng)流是可壓縮的，并且風(fēng)流的能量不僅包括壓能、動(dòng)能、位能組成的機(jī)械能，還應(yīng)該包括自身內(nèi)（熱）能，本文提出利用公式（5）（6）來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的（1）（2）（3）計(jì)算公式，這樣能使阻力測(cè)定結(jié)果更加精確，并且公式（5）（6）中的各個(gè)變量易于測(cè)定，因此比傳統(tǒng)的阻力計(jì)算公式更加符合工程實(shí)際。

2）三種測(cè)定方法對(duì)比發(fā)現(xiàn)：傾斜壓差計(jì)法最為精確，但是操作也最復(fù)雜；氣壓計(jì)基點(diǎn)測(cè)定法操作最為簡(jiǎn)便，但是在礦井較深、測(cè)定路線較長(zhǎng)的情況下存在嚴(yán)重的自身誤差；氣壓計(jì)同步測(cè)定法精度和操作的難易度介于上面兩種方法之間，但是操作較為繁瑣。

3）測(cè)定環(huán)境的改變即井下空氣的擾動(dòng)能夠?qū)ΦV井通風(fēng)阻力的測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，應(yīng)該嚴(yán)格控制并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

4）為了確保測(cè)定工作的準(zhǔn)確性，還應(yīng)從儀器選擇與校正、人員操作、測(cè)點(diǎn)、基點(diǎn)選擇等多方面入手。

礦井通風(fēng)阻力測(cè)定是一項(xiàng)看似簡(jiǎn)單實(shí)則繁瑣的過程，只有嚴(yán)格控制測(cè)定工作中的每一環(huán)節(jié)才能確保測(cè)定工作的準(zhǔn)確性，才能使測(cè)定結(jié)果能夠真正起到其應(yīng)有的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦安全規(guī)程2010版[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2010.

[2]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.MT/T440- 2008.礦井通風(fēng)阻力測(cè)定方法[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2010.

[3]趙凱華，羅蔚茵.熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社，1998.

[4]潘文全.流體力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社，1988.

[5]馬逸吟.關(guān)于礦井通風(fēng)學(xué)中的伯努利方程[J].淮南礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1983（1）:74- 85.

[6]周心權(quán),吳兵,杜紅兵.礦井通風(fēng)基本概念的理論基礎(chǔ)分析[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（2）:30- 34.

[7]張國(guó)樞.通風(fēng)安全學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[8]牛國(guó)慶.礦井通風(fēng)阻力的熱力學(xué)計(jì)算[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001（2）:84- 86.

[9]曲方，劉克功，李迎業(yè)，等.氣壓計(jì)基點(diǎn)法測(cè)定礦井通風(fēng)阻力的誤差分析及基點(diǎn)位置的選擇[J].煤礦安全,2004(6):10- 12.

[10]唐輝雄，趙伏軍，張柏，等.基點(diǎn)氣壓計(jì)法在礦井通風(fēng)阻力測(cè)定中的分析[J].煤，2014（5）:50- 53.

[11]柳忠起.對(duì)用動(dòng)基點(diǎn)法和定基點(diǎn)法測(cè)定礦井通風(fēng)阻力的比較[J].山西煤炭，1999（4）:22- 25.

[12]王樹剛，劉寶勇，劉淑娟.礦內(nèi)空氣非定常流動(dòng)數(shù)值模擬分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2000（5）:449- 453.

[13]王樹剛，劉寶勇，劉貴文.礦內(nèi)空氣非定常流動(dòng)能量方程及在測(cè)阻中的應(yīng)用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2001（1）:28- 30.

[14]張樹川.礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力測(cè)定方法及誤差分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2014（2）:93- 96.

（編輯：樊敏）

Error Analysis and Control of Resistance Measurement of Ventilation in Mines

ZHOU Jinxiang1,2, WANG Fei1, LIU Hongwei1
(1. College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. Luyukou Mine, Taiyuan Coal Gasification Group, Taiyuan 030203, China)

Abstract:Bigger errors exist in the resistance measurement of ventilation in mines. To solve the problem, combined with abundant field operations, the errors were analyzed and corresponding control measures were proposed to realize the error control in terms of theory, method, equipment, operation, and selection of measurement points, and finally to ensure the accuracy and the practical effects of the measurement.

Keywords:ventilation resistance; energyequation; error analysis; air turbulence

作者簡(jiǎn)介：周金祥（1963-），男，江蘇張家港人，在讀工程碩士，高級(jí)工程師，從事煤炭生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理。

收稿日期：2015- 09- 15

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.003

文章編號(hào)：1672- 5050（2016）01- 0008- 04

中圖分類號(hào)：TD72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A