精準(zhǔn)測風(fēng)措施在通風(fēng)阻力測定中的研究與應(yīng)用

曹衛(wèi)星 郭玉印 趙文彬

(1.山東濟(jì)礦魯能煤電股份有限公司陽城煤電，山東 汶上 272502；

2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

準(zhǔn)確掌握礦井通風(fēng)阻力是煤礦通風(fēng)技術(shù)管理工作的重要內(nèi)容之一。礦井通風(fēng)阻力對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)、礦井安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益有重要影響。準(zhǔn)確測定通風(fēng)阻力，了解礦井通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)阻力的大小和分布，可為進(jìn)一步改善礦井通風(fēng)條件、降低通風(fēng)阻力、降低能耗提供依據(jù)。測量礦井巷道的摩擦阻力系數(shù)和風(fēng)阻值，可為礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化和調(diào)節(jié)風(fēng)壓以及礦井防滅火提供科學(xué)依據(jù)[1]。

1 風(fēng)流不穩(wěn)定性分析

1.1 風(fēng)流特點(diǎn)分析

當(dāng)風(fēng)流在巷道中流動(dòng)時(shí)，不同的流速將形成不同的流動(dòng)狀態(tài)。一個(gè)是流體顆粒彼此不混合，并且沿平行于管軸的方向進(jìn)行分層運(yùn)動(dòng)，被稱為層流。一個(gè)是流體顆粒的速度在尺寸和方向上隨時(shí)變化，并且變成彼此混合的湍流，稱為湍流。層流不利于礦井中有害氣體的管理，因此礦井風(fēng)流中不允許層流中的風(fēng)流。由于空氣的粘度和軸的壁表面的摩擦，道路截面上的風(fēng)速分布是不均勻的。在壁附近仍然存在層流薄層，即層流層。在層流層之外，風(fēng)速從車道壁逐漸增加到車道軸線，形成拋物線分布。受礦井的橫截面形狀和支撐形式的影響，以及局部阻力的存在，最大風(fēng)速不一定在井內(nèi)。在車道軸線上，風(fēng)速分布不一定是對(duì)稱的[1]。

1.2 風(fēng)流測定影響因素分析

1.2.1 測定方法對(duì)比分析

在測定礦井通風(fēng)阻力過程中，選取合適的測定方法，可以大大提高測量精度，并能使測定工作更加方便快捷。幾種常用的測定方法如下:

（1）壓差計(jì)法

壓差計(jì)法是采用礦用壓差計(jì)、測壓管和膠皮管相結(jié)合的方式來測定巷道開始和結(jié)束時(shí)斷面的風(fēng)流的靜壓差，同時(shí)確定其他相關(guān)參數(shù)來計(jì)算巷道通風(fēng)阻力。

（2）氣壓計(jì)法

氣壓計(jì)法是使用精密數(shù)字氣壓計(jì)分別測定巷道開始和結(jié)束時(shí)斷面風(fēng)流的靜壓，同時(shí)測量計(jì)算干濕溫度、巷道斷面以及風(fēng)速等相關(guān)參數(shù)?？紤]在測定過程中大氣壓力變化等因素的影響，又分為逐點(diǎn)法和兩點(diǎn)同時(shí)法測定靜壓力。

① 逐點(diǎn)法

逐點(diǎn)法是使用相同的精密氣壓計(jì)分別測得斷面1-1、斷面2-2 的靜壓p1、p2，同時(shí)另外一臺(tái)氣壓計(jì)設(shè)在固定點(diǎn)（基點(diǎn)）用于監(jiān)測在測量過程中氣壓、溫度等因素引起的壓力變化。

② 兩點(diǎn)同時(shí)法

兩點(diǎn)同時(shí)法是使用兩臺(tái)精密數(shù)字氣壓計(jì)同時(shí)對(duì)斷面1-1、斷面2-2 的靜壓p1、p2[2]進(jìn)行測定。

針對(duì)不同的情況，三種方法各有利弊，為更精準(zhǔn)測得通風(fēng)阻力，需恰當(dāng)選取?，F(xiàn)對(duì)三種方法優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，如表1 所示。

表1 通風(fēng)阻力測定方法優(yōu)缺點(diǎn)比較

1.2.2 外界環(huán)境對(duì)精準(zhǔn)測風(fēng)的影響

外界環(huán)境的改變是影響基點(diǎn)測定法產(chǎn)生誤差的主要原因。在現(xiàn)場實(shí)際測定的過程中，環(huán)境劇烈的變化是影響測定結(jié)果的主要因素，其中包括：風(fēng)門的突然打開和關(guān)閉、人員的走動(dòng)、設(shè)備的運(yùn)輸，這些因素使周圍空氣流動(dòng)產(chǎn)生變化，影響靜壓能和動(dòng)能，從而使測量結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。

1.2.3 其他因素的影響

除上述兩種因素影響測風(fēng)的精度以外，在測風(fēng)的過程中還有許多因素會(huì)影響其精度，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）設(shè)備問題。目前國內(nèi)測風(fēng)設(shè)備種類繁多，設(shè)備水平參差不齊，而井下環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，對(duì)設(shè)備精度是一個(gè)巨大的考驗(yàn)。在設(shè)備使用之前應(yīng)先對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)，確定其誤差在允許的范圍之內(nèi)，避免引起較大的誤差。

（2）標(biāo)高誤差。此誤差主要針對(duì)一些測點(diǎn)的標(biāo)高值不確定而導(dǎo)致某段的通風(fēng)阻力計(jì)算錯(cuò)誤的現(xiàn)象[4]。

（3）基點(diǎn)位置的選擇。選擇不同的基點(diǎn)位置，對(duì)靜壓結(jié)果會(huì)產(chǎn)生不同的影響。應(yīng)避免將基點(diǎn)位置設(shè)在受外界環(huán)境因素影響而變化較大的區(qū)域[5]。

（4）人為因素。人的測量技術(shù)水平以及疲勞會(huì)導(dǎo)致注意力不集中等因素，從而影響原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（5）盡量避免活塞風(fēng)、噴淋系統(tǒng)開啟、爆破等因素影響。

2 提高測風(fēng)精度的措施

（1）從測定方法選取考慮

采用逐點(diǎn)法時(shí)應(yīng)根據(jù)大氣壓變化來修正能量方程[2]：

式中：

Δp12-由基點(diǎn)氣壓計(jì)監(jiān)測的大氣壓引起的壓力變化。

運(yùn)用兩點(diǎn)同時(shí)法時(shí)應(yīng)根據(jù)大氣壓變化來修正能量方程：

式中：

ΔB12-兩儀器的初始讀數(shù)之差。

在測風(fēng)過程中，應(yīng)盡量選擇人員少，當(dāng)設(shè)備進(jìn)行檢修、維護(hù)時(shí)，應(yīng)盡可能在1d 內(nèi)完成，以避免設(shè)備由于運(yùn)輸、人員操作和風(fēng)門的開關(guān)而造成測量誤差。

（2）合理地進(jìn)行測點(diǎn)布置

應(yīng)盡量將測點(diǎn)布置在標(biāo)高確定的位置上。對(duì)于測點(diǎn)選擇在未知標(biāo)高的測點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)上下位置的標(biāo)高進(jìn)行推算。

（3）選擇合理的測風(fēng)位置

在測風(fēng)過程中，應(yīng)盡量避免人員走動(dòng)。對(duì)于風(fēng)速變化大的巷道或區(qū)域，應(yīng)進(jìn)行多次測量，取其平均值，減小誤差。

圖1 CPD120 型礦用攜帶式氣壓測定器

圖2 干濕溫度計(jì)

（4）選擇先進(jìn)的儀器

選擇先進(jìn)的測量儀器，如圖1、圖2 所示，能夠在測量過程中起到事半功倍的效果。先進(jìn)的測量儀器不僅能夠加快測量速度，還能夠在以后的計(jì)算過程中加快進(jìn)度，減少失誤，從而降低測算誤差。

3 精準(zhǔn)測風(fēng)應(yīng)用

3.1 測定方法

結(jié)合陽城煤礦實(shí)際情況，采用逐點(diǎn)法和兩點(diǎn)同時(shí)法進(jìn)行測定，對(duì)測量結(jié)果誤差進(jìn)行分析比較。

3.2 測定路線和測點(diǎn)的選取

測定路線要選擇風(fēng)量較大、通過回采工作面的主要風(fēng)流方向、路線較長且路線內(nèi)有多種井巷類型和支護(hù)方式的路線。

測定路線：副井→井底車場→-312 軌道石門→軌道暗斜井→-650 軌道石門→三采區(qū)軌道下山→3306 工作面→三采區(qū)皮帶下山→-650 回風(fēng)石門→回風(fēng)暗斜井→回風(fēng)井。

根據(jù)MT/T440-2008《礦井通風(fēng)阻力測定方法》的要求：（1）選擇的測定路線要包含礦井阻力最大風(fēng)流路線；（2）測點(diǎn)應(yīng)布置在巷道分風(fēng)點(diǎn)或風(fēng)流交匯前(或后)處；（3）測點(diǎn)前后3m 范圍內(nèi)巷道支護(hù)情況良好，無雜物堆積且兩測點(diǎn)間無分風(fēng)點(diǎn)或風(fēng)流交匯點(diǎn)。根據(jù)測點(diǎn)的測量布置要求，在主測風(fēng)線路上共布置28 個(gè)測點(diǎn)。

3.3 通風(fēng)阻力結(jié)果計(jì)算

3.3.1 主要計(jì)算參數(shù)

（1）巷道通風(fēng)阻力

式（1）、（2）中，p1和p2分別代表兩個(gè)斷面處的靜壓；v1和v2分別是兩點(diǎn)的測量風(fēng)速；ρ1和ρ2分別是兩點(diǎn)的密度；g 代表重力加速度；Z1和Z2分別為兩點(diǎn)的測量標(biāo)高。

（2）礦井通風(fēng)總阻力

式中：

j-巷道號(hào)，j=1，2，……，n；

n-主測路線的測段數(shù)；

HRm-礦井通風(fēng)總阻力，Pa；

hrj-第j 測段的通風(fēng)阻力，Pa。

（3）礦井自然風(fēng)壓

式中：

ρ0-地面空氣平均密度，kg/m3；

z0-風(fēng)硐測壓處標(biāo)高與進(jìn)風(fēng)井口標(biāo)高之差，m；

hzj-第j 測段的位壓差，Pa。

（4）相對(duì)誤差

式中：

δ-通風(fēng)系統(tǒng)阻力測定的相對(duì)誤差，%；

∑hi-礦井通風(fēng)的總阻力，Pa；

hr-通風(fēng)阻力值，Pa。

（5）礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力hr

式中：

h硐-風(fēng)機(jī)房相對(duì)靜壓值，Pa；

h硐速-風(fēng)硐處速壓平均值，Pa；

h自-自然風(fēng)壓，Pa。

3.3.2 計(jì)算結(jié)果及其校核

（1）通風(fēng)阻力計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)通風(fēng)測定工作進(jìn)行調(diào)節(jié)，基點(diǎn)法和兩點(diǎn)同時(shí)法分別測算通風(fēng)阻力為2636.2 Pa、2671.29 Pa。

（2）結(jié)果校核

經(jīng)過計(jì)算，本次測定通風(fēng)阻力相對(duì)誤差為1.6%和2.0%，兩種方法的測算誤差遠(yuǎn)小于5%，兩點(diǎn)同時(shí)法的實(shí)測數(shù)據(jù)具有較高的精度。

4 結(jié)論

通過實(shí)施精準(zhǔn)測風(fēng)措施，大大提高了通風(fēng)阻力測定的準(zhǔn)確性，能夠?qū)崿F(xiàn)礦井的精確測風(fēng)，為以后的礦井通風(fēng)管理工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。