巷道平均風(fēng)速測(cè)定裝置研究與應(yīng)用測(cè)試

石力博，李亞俊，鐘生元

(1.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，長(zhǎng)沙 410014；2.非煤礦山通風(fēng)防塵湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410014)

礦山通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定是礦山安全生產(chǎn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。測(cè)定礦山井巷風(fēng)量時(shí)，走線法應(yīng)用仍較為普遍。走線法一般是采用人手持翼式風(fēng)表沿特定線路勻速移動(dòng)[1]，且在單位時(shí)間內(nèi)走完既定線路，巷道平均風(fēng)速為風(fēng)表轉(zhuǎn)速與時(shí)間的比值再加以修正[2]。實(shí)際測(cè)定時(shí)由于人的主觀因素，手持風(fēng)表所走線路軌跡及速度均不相同[3-4]，加之不同人測(cè)定時(shí)人體截面積不完全相同，實(shí)際測(cè)定出巷道的風(fēng)量存在較大誤差，解決此問(wèn)題的關(guān)鍵即為如何消除人對(duì)風(fēng)速測(cè)定時(shí)各種不利因素的影響[5]。

為消除現(xiàn)有走線法通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定時(shí)的不利因素，擬設(shè)計(jì)一種適用于巷道平均風(fēng)速的測(cè)定裝置，該裝置在進(jìn)行風(fēng)量測(cè)定時(shí)無(wú)需人的直接干預(yù)，從而消除走線測(cè)風(fēng)法中測(cè)定風(fēng)量失真的問(wèn)題，從而更精確的對(duì)礦井風(fēng)量進(jìn)行測(cè)定，指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)。

1 裝置設(shè)計(jì)

1.1 裝置設(shè)計(jì)思路

該測(cè)風(fēng)裝置擬解決走線法測(cè)風(fēng)時(shí)人工操作的不利因素，應(yīng)采用自動(dòng)機(jī)械測(cè)定代替人工操作的方式，風(fēng)量測(cè)定方式仍為走線法不變。因此，須采用機(jī)械傳動(dòng)的方式將翼式風(fēng)表固定于固定的運(yùn)行軌跡上以達(dá)到整個(gè)斷面平均風(fēng)速的測(cè)定。裝置結(jié)構(gòu)主要分為兩部分，即運(yùn)行結(jié)構(gòu)裝置與風(fēng)量測(cè)定裝置，以此實(shí)現(xiàn)裝置測(cè)定部分在設(shè)定的運(yùn)行軌跡上勻速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)巷道風(fēng)量的更精確測(cè)定。

1.2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中裝置伸縮支撐桿1(具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2)安裝于井巷的地面、頂部以及側(cè)壁用于固定裝置運(yùn)行軌道；裝置運(yùn)行軌道由預(yù)成形工字型導(dǎo)軌1、4等部件構(gòu)成，導(dǎo)軌1、4通過(guò)連接圓環(huán)3固定于伸縮支撐桿上，形成裝置的整體運(yùn)行軌道結(jié)構(gòu)，裝置測(cè)定部分通過(guò)設(shè)置可在軌道上運(yùn)動(dòng)的測(cè)風(fēng)小車實(shí)現(xiàn)。運(yùn)輸小車通過(guò)一個(gè)主動(dòng)輪和兩個(gè)導(dǎo)向輪安裝于工字型導(dǎo)軌上，同時(shí)測(cè)定部分設(shè)置電子翼式風(fēng)表及電源控制模塊安裝于測(cè)風(fēng)小車上，測(cè)風(fēng)小車?yán)弥绷麟姍C(jī)驅(qū)動(dòng)，測(cè)風(fēng)小車及電子翼式風(fēng)表通過(guò)遙控器啟動(dòng)或停止，裝置具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3、圖4。

為滿足同一地點(diǎn)多次檢測(cè)的需要，測(cè)風(fēng)小車可在工字型導(dǎo)軌上以設(shè)定的速度雙向勻速行駛。因此，遠(yuǎn)程控制測(cè)風(fēng)可消除人為因素的影響，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。同時(shí)，使用工字型導(dǎo)軌作為測(cè)風(fēng)小車的導(dǎo)軌，可以適應(yīng)不同截面形狀的井巷。

1.3 裝置測(cè)風(fēng)實(shí)現(xiàn)方式

裝置使用時(shí)先選取測(cè)定斷面，在所選測(cè)定斷面布置及固定測(cè)定導(dǎo)軌，導(dǎo)軌布置完成后，將測(cè)風(fēng)小車置于導(dǎo)軌一端，測(cè)風(fēng)小車可在工字型軌道上以設(shè)定的速度勻速行駛，確保電子翼式風(fēng)表測(cè)風(fēng)時(shí)在井巷橫截面每個(gè)點(diǎn)的時(shí)間均一性，裝置安裝完成后，遙控開(kāi)啟裝置測(cè)定，無(wú)線傳輸?shù)碾娮右硎斤L(fēng)表在測(cè)風(fēng)小車帶動(dòng)下沿測(cè)風(fēng)軌道勻速運(yùn)行，測(cè)量結(jié)束傳輸測(cè)定數(shù)據(jù)，整個(gè)測(cè)定過(guò)程無(wú)人員干預(yù)，風(fēng)表移動(dòng)速度及軌跡均勻。

2 裝置可靠性試驗(yàn)測(cè)試

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

為測(cè)定上述測(cè)風(fēng)裝置所測(cè)風(fēng)量準(zhǔn)確性，研究采用試驗(yàn)的方式對(duì)裝置測(cè)風(fēng)誤差進(jìn)行測(cè)定，設(shè)計(jì)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)裝置由三部分組成，包括通風(fēng)動(dòng)力及控制部分，流量標(biāo)定部分(裝置中串聯(lián)空氣流量計(jì)標(biāo)定實(shí)際風(fēng)量)及試驗(yàn)測(cè)定部分(測(cè)定斷面)。通風(fēng)動(dòng)力及控制部分包括通風(fēng)機(jī)及風(fēng)速控制器，風(fēng)速控制器可調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂葡到y(tǒng)風(fēng)量，空氣流量計(jì)串聯(lián)裝于裝置中間，可準(zhǔn)確計(jì)量系統(tǒng)實(shí)際風(fēng)量，測(cè)定斷面部分為2.2 m×2 m模擬拱形巷道斷面，試驗(yàn)中分別用常規(guī)人工走線法及本次設(shè)計(jì)裝置測(cè)定風(fēng)量，并與標(biāo)定風(fēng)量對(duì)比驗(yàn)證裝置測(cè)風(fēng)可靠性，試驗(yàn)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

2.2 試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)裝置風(fēng)速控制器，控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變系統(tǒng)風(fēng)量，測(cè)試設(shè)置三檔風(fēng)速分別為風(fēng)速1、風(fēng)速2、風(fēng)速3。分別用常規(guī)人工走線法及本次研究設(shè)計(jì)裝置在測(cè)定斷面A-A處風(fēng)速并計(jì)算風(fēng)量，并與流量計(jì)實(shí)際監(jiān)測(cè)風(fēng)量對(duì)比，各風(fēng)速檔位下常規(guī)走線法(風(fēng)量計(jì)算按實(shí)際減去人體截面0.4 m2)和本次平均風(fēng)速測(cè)定裝置測(cè)定(風(fēng)量計(jì)算按實(shí)際減去裝置面積0.08 m2)，結(jié)果分別見(jiàn)表1和表2。

表1 人工走線法測(cè)定風(fēng)量值Table 1 Test artificial value of air quantity /(m3·s-1)

表2 裝置測(cè)定風(fēng)量值Table 2 Test device value of air quantity /(m3·s-1)

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

表1、表2的試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果顯示，走線法人工測(cè)定風(fēng)量誤差明顯高于使用裝置測(cè)定風(fēng)量誤差，兩種方法測(cè)定誤差百分比值見(jiàn)表3，采用人工測(cè)定風(fēng)量與實(shí)際風(fēng)量誤差平均值在5%以上，超出一般統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的95%置信區(qū)間范圍。采用本設(shè)計(jì)裝置測(cè)定誤差，平均誤差在2%以內(nèi)，測(cè)量精度有明顯的提升。裝置測(cè)定結(jié)果更準(zhǔn)確的原因是因?yàn)檠b置風(fēng)量測(cè)定時(shí)無(wú)需人的直接干預(yù)，裝置測(cè)風(fēng)線路較人工測(cè)定覆蓋更廣，且測(cè)定速度均勻，能更精確地反映整個(gè)截面各處風(fēng)速值，所測(cè)風(fēng)量也更精確。因此，使用該裝置測(cè)定巷道平均風(fēng)速可更真實(shí)有效地反映礦山實(shí)際風(fēng)量值。

表3 巷道風(fēng)量測(cè)定值與實(shí)際值對(duì)比Table 3 Calculation results of roadway air volume /%

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)礦山通風(fēng)系統(tǒng)中走線法測(cè)風(fēng)時(shí)人工操作手持風(fēng)表所走線路軌跡及速度均不相同造成測(cè)量誤差較大的問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)出巷道平均風(fēng)速測(cè)定裝置，并進(jìn)行實(shí)際測(cè)定測(cè)試，研究測(cè)試結(jié)果總結(jié)如下：

1)測(cè)定裝置采用測(cè)風(fēng)裝置在固定軌道上通過(guò)勻速走線方式測(cè)定風(fēng)量，測(cè)定過(guò)程不受人工干預(yù)，有效克服人工走線法測(cè)量時(shí)因主觀因素造成的不可避免的測(cè)量誤差。

2)對(duì)人工走線法測(cè)定裝置和該巷道平均風(fēng)速測(cè)定裝置測(cè)定風(fēng)量結(jié)果進(jìn)行可靠性試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示人工測(cè)定風(fēng)量與實(shí)際風(fēng)量測(cè)定結(jié)果誤差較大，巷道平均風(fēng)速測(cè)定裝置測(cè)定風(fēng)量測(cè)量誤差較小，平均測(cè)量誤差在2%以內(nèi)。

3)設(shè)計(jì)的巷道平均風(fēng)速測(cè)定裝置測(cè)風(fēng)操作簡(jiǎn)便，測(cè)量精度較人工走線測(cè)風(fēng)有較大幅度提高，該裝置可應(yīng)用于礦山井下定點(diǎn)風(fēng)量測(cè)定，更真實(shí)有效地反映礦山實(shí)際風(fēng)量。