礦井通風(fēng)阻力測定技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

張士嶺

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

礦井通風(fēng)阻力測定是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，通常包括前期通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)研、路線測點(diǎn)選擇、測定儀器儀表準(zhǔn)備、井下測試以及后期數(shù)據(jù)處理及報(bào)告輸出等[1-3]。由于受儀器的精度與可靠性、測定方法、自然環(huán)境、井下生產(chǎn)作業(yè)、以及測點(diǎn)選擇等多方面的因素的影響，通風(fēng)阻力實(shí)際測定中一般很難測準(zhǔn)，甚至在數(shù)據(jù)處理中出現(xiàn)某些測段阻力為負(fù)值的情況，最后不得不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行人為調(diào)整。通過對(duì)我國通風(fēng)阻力測定技術(shù)現(xiàn)狀的分析，提出了從測定方法改進(jìn)、設(shè)備智能化等方面提高通風(fēng)阻力測定準(zhǔn)確性的發(fā)展方向。

1 通風(fēng)阻力測定方法現(xiàn)狀

目前依據(jù)測量設(shè)備的不同，測定通風(fēng)阻力方法分為3種：利用氣壓計(jì)的同步測定法和基點(diǎn)測定法，利用壓差計(jì)的傾斜壓差計(jì)法[1]。

1.1 壓差計(jì)法

壓差計(jì)法是通過測量風(fēng)流2點(diǎn)間的勢能差和動(dòng)壓差，二者之和即為兩測點(diǎn)間的通風(fēng)阻力[4]。雖然測量結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)處理工作簡單，但現(xiàn)場需要鋪設(shè)膠皮管，操作繁瑣，勞動(dòng)量大、耗時(shí)長，現(xiàn)已較少采用。

1.2 氣壓計(jì)基點(diǎn)法

基點(diǎn)法又稱逐點(diǎn)測定法，準(zhǔn)備2臺(tái)同型號(hào)氣壓計(jì)，1＃氣壓計(jì)作為基點(diǎn)監(jiān)視進(jìn)風(fēng)井口大氣壓力變化，2＃氣壓計(jì)按順序依次測出各測點(diǎn)的的絕對(duì)靜壓[5]。結(jié)合各測點(diǎn)的風(fēng)流速度、斷面尺寸、干濕球溫度等參數(shù)，最后計(jì)算出靜壓能、動(dòng)能及勢能差值求出通風(fēng)阻力。

通風(fēng)阻力計(jì)算公式中的靜壓、速度和空氣密度等是在測定區(qū)間不同時(shí)間的測定值，在井下風(fēng)流是嚴(yán)格定常流，測定時(shí)間內(nèi)不考慮地面大氣壓力滯后等因素的影響條件下，方程中的能量差就準(zhǔn)確反映了測定區(qū)間的通風(fēng)阻力。但地面大氣壓與井下風(fēng)流實(shí)際上是不穩(wěn)定的，這樣測點(diǎn)讀數(shù)的不同時(shí)，必然產(chǎn)生測定過程中誤差，這是基點(diǎn)法本身所導(dǎo)致的[6-7]。

位壓差項(xiàng)主要由標(biāo)高決定。通風(fēng)阻力測定中通常由地質(zhì)部門提供標(biāo)高，由于標(biāo)高提供的不完整或不準(zhǔn)確甚至?xí)?dǎo)致部分測定段的阻力出現(xiàn)負(fù)值，對(duì)位壓差的精確度有著嚴(yán)重的影響?；c(diǎn)法測定省時(shí)省力，數(shù)據(jù)整理比較簡單，其測定結(jié)果能夠滿足礦井一般性要求，適用于全礦井復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)阻力測定，應(yīng)用較為普遍。

1.3 氣壓計(jì)同步測定法

也叫雙測點(diǎn)同時(shí)測定法，與基點(diǎn)法同樣受標(biāo)高的影響比較大。如選2臺(tái)精度和性能相同的氣壓計(jì)，則地面氣壓變化和其他外部因素的影響可以有效避免。測定過程由于2臺(tái)氣壓計(jì)讀數(shù)的同時(shí)性，配合與聯(lián)系較困難，比較費(fèi)時(shí)。該方法適合于小范圍通風(fēng)阻力測定，不適合較復(fù)雜大范圍的阻力測定[8]。

2 通風(fēng)阻力測定設(shè)備現(xiàn)狀

通風(fēng)阻力測定設(shè)備的發(fā)展經(jīng)歷了3代：模擬式、數(shù)字式和智能型檢測儀表[9]。

2.1 模擬式儀表

1）機(jī)械風(fēng)表。根據(jù)不同測風(fēng)原理將常用的通風(fēng)阻力測風(fēng)儀表分為3大類：電子翼式、熱效式、機(jī)械翼式[10]。目前最普遍使用的是機(jī)械翼式，因?yàn)槭茱L(fēng)表摩擦力與轉(zhuǎn)動(dòng)部件的慣性等影響因素，翼輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速并不等于真實(shí)風(fēng)速，需要校正，并受身體占用巷道斷面面積導(dǎo)致風(fēng)速增大的影響[11]。因此風(fēng)速需多次換算校正，誤差較大。測量過程需攜帶低、中、高3種不同量程的風(fēng)表，并需秒表計(jì)時(shí)，過程繁瑣復(fù)雜。

2）BJ-1型空盒氣壓計(jì)。BJ-1型空盒氣壓計(jì)屬于模擬式檢測儀表范疇，最終以指針的運(yùn)動(dòng)來顯示測量結(jié)果。BJ-1型氣空盒壓計(jì)采用應(yīng)變式壓力傳感器，相對(duì)壓力測量分辨率1 Pa，絕對(duì)壓力測量分辨率10 Pa，測量精度不高，啟動(dòng)較慢，需預(yù)熱20～30 min，功能單一，現(xiàn)已較少采用。

2.2 數(shù)字式儀表

JFY-4型礦井通風(fēng)參數(shù)檢測儀是精密手持便攜式儀器，支持井下相對(duì)壓力、絕對(duì)壓力、風(fēng)速、濕度以及溫度多種參數(shù)測定，絕對(duì)氣壓測量分辨率為100 Pa，相對(duì)氣壓測量分辨率為10 Pa[12]。該儀器同時(shí)支持多種通風(fēng)參數(shù)，有助于提升測定參數(shù)的方便性，但壓力測定精度低，難以滿足通風(fēng)阻力測定的高精度要求。

雖然數(shù)字式檢測儀表相對(duì)于模擬式給人以直觀的感覺，響應(yīng)速度也提高很多，但不具備記憶、數(shù)據(jù)分析、可程控以及與計(jì)算機(jī)、智能設(shè)備互聯(lián)等功能。

2.3 智能檢測儀表

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，我國最新研制出了CPD120風(fēng)壓表、CFD15型高精度風(fēng)速儀等智能化儀表儀器。

1）CPD120風(fēng)壓表。CPD120風(fēng)壓表是我國最新型的智能氣壓測定儀表，CPD120風(fēng)壓表結(jié)構(gòu)圖如圖1，傳感器采用美國MENSOR硅諧振式原理，比硅基壓阻式和電容式傳感器有更優(yōu)良的性能指標(biāo)[13-14]，絕對(duì)壓力分辨率精確至1 Pa，同時(shí)便于與計(jì)算機(jī)連接，構(gòu)成高精度的智能化測量系統(tǒng)。CPD120風(fēng)壓表具有自動(dòng)記憶存儲(chǔ)功能，將測定的時(shí)間與壓力值通過內(nèi)置無線傳輸模塊上傳至計(jì)算機(jī)，減輕了井下測量記錄的工作，并可利用配套軟件對(duì)數(shù)據(jù)整理分析。

圖1 CPD120風(fēng)壓表結(jié)構(gòu)圖

2）CFD15型高精度測風(fēng)儀。CFD15型高精度測風(fēng)儀是最新研制的手持式風(fēng)速風(fēng)向測定儀表，利用超聲波在順風(fēng)和逆風(fēng)條件下的傳播速度不同的測速原理[15]。這種測量方法與機(jī)械風(fēng)表相比反映速度塊，精度高，無機(jī)械磨損，啟動(dòng)風(fēng)速低至0.1 m/s，分辨率為0.01 m/s。針對(duì)井下風(fēng)流湍流流動(dòng)的速度脈動(dòng)特征，CFD15風(fēng)速儀支持平均風(fēng)速和瞬時(shí)風(fēng)速2種測量模式，其中平均風(fēng)速模式可測量任一路線、任一時(shí)間段內(nèi)的平均風(fēng)速。相對(duì)于傳統(tǒng)的檢測儀表一般只能對(duì)某一特征參數(shù)進(jìn)行測量的功能單一缺點(diǎn)，增添了大氣壓、濕度、溫度等多個(gè)通道、多個(gè)參數(shù)測量，屬于多功能智能化通風(fēng)安全檢測儀表。

3）CFZZ4通風(fēng)阻力測定儀。CFZZ4通風(fēng)阻力測定儀是近年發(fā)展起來的多功能通風(fēng)參數(shù)檢測儀，采用奧地利熱膜式風(fēng)速變送器，內(nèi)置瑞士溫濕度傳感器與高精度大氣壓采集器[16]。支持礦井靜壓、風(fēng)速、濕度、溫度測量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，基點(diǎn)氣壓測量可通過設(shè)定時(shí)間間隔自動(dòng)記錄。通過USB接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并通過配套軟件自動(dòng)對(duì)通風(fēng)阻力相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，簡化了后期數(shù)據(jù)處理工作。

3 通風(fēng)阻力測定結(jié)果分析現(xiàn)狀

礦井通風(fēng)阻力測定結(jié)果主要反映地是計(jì)算通風(fēng)系統(tǒng)總阻力、測點(diǎn)之間的阻力以及評(píng)價(jià)礦井通風(fēng)難易程度。

3.1 通風(fēng)系統(tǒng)阻力

將通風(fēng)阻力測定路線所含測段通風(fēng)阻力累加可得礦井通風(fēng)系統(tǒng)總阻力公式：

式中：n為測定路線總測點(diǎn)數(shù)；hZ為通風(fēng)系統(tǒng)總阻力，Pa；k′、k″為測點(diǎn)氣壓計(jì)、基點(diǎn)氣壓計(jì)的校正系數(shù)；pq、pm為起始測點(diǎn)、末尾測點(diǎn)處的絕對(duì)靜壓，為與起、末測點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻的基點(diǎn)氣壓值，Pa；ρi、ρi＋1、ρq、ρm為 i、i＋1、起、末測點(diǎn)處空氣密度，kg/m3；vq、vm為起、末測點(diǎn)處的平均風(fēng)速，m/s；Zi、Zi+1為 i、i＋1 測點(diǎn)處的標(biāo)高，m；g為重力加速度，m/s2。

在計(jì)算總通風(fēng)阻力式（1）中，靜壓差項(xiàng)中間測點(diǎn)的靜壓、動(dòng)壓被消去，只剩起點(diǎn)與末點(diǎn)的靜壓值，速壓差項(xiàng)也同樣如此。由于井下空氣密度變化不大，位壓在累加中也會(huì)將由于中間測段某些標(biāo)高值的不準(zhǔn)確帶來的誤差抵消掉一部分。因此系統(tǒng)總阻力相對(duì)誤差是可以控制在一定范圍的，但是各測段的通風(fēng)阻力則往往與實(shí)際相差較大，甚至出現(xiàn)負(fù)值，嚴(yán)重影響分段巷道阻力的計(jì)算。

3.2 等積孔

計(jì)算等積孔是通風(fēng)阻力測定結(jié)果分析的重要內(nèi)容，也是評(píng)價(jià)礦井通風(fēng)難易程度的重要標(biāo)準(zhǔn)[17-18]。近年來，等積孔分級(jí)方法面臨不適應(yīng)現(xiàn)代礦井的問題，出現(xiàn)礦井等積孔面積大于2 m2的條件下，井下通風(fēng)實(shí)際處于困難時(shí)期的現(xiàn)象。究其原因，現(xiàn)代礦井通風(fēng)路線不斷增長和需風(fēng)量大幅度增大，而等積孔面積與風(fēng)量呈正比，在礦井通風(fēng)阻力不超過2 940 Pa的要求下，風(fēng)量超過10 000 m3/min時(shí)，任何情況下，等積孔面積總是大于2 m2，都屬于通風(fēng)容易，導(dǎo)致了等積孔原計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)失效。

針對(duì)等積孔指標(biāo)失效的問題，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究。趙以蕙認(rèn)為風(fēng)量與等積孔之間是一種強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，應(yīng)根據(jù)不同的條件確定等積孔的上下限，并推導(dǎo)出了等積孔的修正公式[19]。胡朝仕等提出了不同風(fēng)量范圍內(nèi)新等積孔分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[20]。由于礦井通風(fēng)的影響因素較多，目前仍沒有一個(gè)能夠準(zhǔn)確衡量礦井通風(fēng)難易程度的指標(biāo)。

4 發(fā)展趨勢

4.1 測定方法

基點(diǎn)氣壓計(jì)測定法因?yàn)檫^程簡單、易操作，應(yīng)用越來越普遍。針對(duì)氣壓計(jì)基點(diǎn)法中井下產(chǎn)生的空氣擾動(dòng)，可通過非定常能量方程在阻力測定中的應(yīng)用，通過觀測擾動(dòng)源下的壓力脈沖振幅對(duì)對(duì)靜壓波動(dòng)進(jìn)行修正[21]。考慮到井下路線各測點(diǎn)隨地面大氣壓變化非同步性，利用比值修正法或深度修正法，采用測點(diǎn)壓力值與地面壓力值的比值或通過礦井深度的不同對(duì)地面大氣壓力引起的壓力變化進(jìn)行修正。利用動(dòng)基點(diǎn)或多基點(diǎn)法也是氣壓計(jì)測定發(fā)展的方向之一，不同的基點(diǎn)設(shè)置在不同的測段內(nèi)，動(dòng)態(tài)的修正測點(diǎn)壓力值，在一定程度上消除風(fēng)流不穩(wěn)定對(duì)測點(diǎn)氣壓的影響。

井下實(shí)際測定工作中，現(xiàn)場操作經(jīng)驗(yàn)同樣是不可忽視的一方面。井下測量中應(yīng)時(shí)刻監(jiān)視路線上測點(diǎn)靜壓的變化，在平巷中，從進(jìn)風(fēng)到回風(fēng)沿著測風(fēng)路線，在速度變化不大的條件下，靜壓值應(yīng)該逐漸減小，若發(fā)現(xiàn)有增大的現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)校驗(yàn)。遇到坡度較大測段應(yīng)在圖上予以標(biāo)注，以便到地面對(duì)標(biāo)高變化準(zhǔn)確確定，減少各測段誤差的出現(xiàn)。

4.2 儀器儀表

儀器儀表的發(fā)展由模擬化、數(shù)字化轉(zhuǎn)向智能化。隨著人工智能的發(fā)展和應(yīng)用，使其能夠自動(dòng)對(duì)外界各種信息進(jìn)行檢測、采集、處理以及自我診斷，在測量多種參數(shù)同時(shí)，還可以對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行處理和評(píng)價(jià)。利用發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)儀器儀表與計(jì)算機(jī)、智能設(shè)備的互聯(lián)，同時(shí)為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)解算、風(fēng)網(wǎng)在線監(jiān)測、智能通風(fēng)在線提供風(fēng)量、風(fēng)阻、斷面。

5 結(jié)語

1）根據(jù)礦井的實(shí)際條件選擇合適的方法或進(jìn)行幾種方法的有機(jī)組合可提高通風(fēng)阻力測定的準(zhǔn)確性。選擇進(jìn)風(fēng)井口、采區(qū)下部車場附近、總回風(fēng)巷等動(dòng)基點(diǎn)或多基點(diǎn)測量法是未來測定通風(fēng)阻力發(fā)展的方向。

2）通風(fēng)阻力測定儀器儀表的智能化、數(shù)字化發(fā)展是一種必然的趨勢，它是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和微電子技術(shù)迅速發(fā)展的結(jié)果，提高新型通風(fēng)參數(shù)測定儀可靠性、準(zhǔn)確度無疑是提高通風(fēng)阻力測定準(zhǔn)確性最為可行的方法之一。