礦山在用通風(fēng)機(jī)風(fēng)量測(cè)試方法分析

姜群山

（遼寧省安全科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110004）

通風(fēng)機(jī)是礦山生產(chǎn)的重要安全設(shè)備，風(fēng)機(jī)配置的正確與否關(guān)系到礦山的安全生產(chǎn)，風(fēng)量的大小決定井下工作面、需風(fēng)點(diǎn)是否能獲得所需的新鮮風(fēng)流，以及滿足井下降溫的需要，滿足礦工職業(yè)健康的要求。評(píng)價(jià)通風(fēng)系統(tǒng)的重要指標(biāo)包括有效風(fēng)量率、風(fēng)機(jī)效率、風(fēng)量供需比，這些鑒定指標(biāo)都涉及實(shí)測(cè)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量，《煤礦安全規(guī)程》和《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》都對(duì)通風(fēng)機(jī)測(cè)試提出了要求，通風(fēng)機(jī)在實(shí)際安裝條件下，其進(jìn)出口巷道截面的風(fēng)速分布很不均勻，這為風(fēng)量的精確測(cè)試帶來(lái)很大困難，因此，盡量準(zhǔn)確地測(cè)試巷道界面的風(fēng)速是通風(fēng)機(jī)技術(shù)測(cè)試的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 通風(fēng)機(jī)風(fēng)量測(cè)試方法

通風(fēng)機(jī)風(fēng)量測(cè)試方法通常有風(fēng)速傳感器（風(fēng)速計(jì)）測(cè)試法、靜壓差測(cè)試法、動(dòng)壓測(cè)試法。

1.1 風(fēng)速傳感器（風(fēng)速計(jì)）測(cè)試法[1]

風(fēng)速傳感器（風(fēng)速計(jì)）測(cè)試法是利用等積環(huán)原理，在測(cè)試斷面上按GB/T 10178-2006布置測(cè)點(diǎn)，用風(fēng)速傳感器測(cè)量每個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速。測(cè)試原理見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 圓形截面等積環(huán)原理測(cè)點(diǎn)分布圖

圖2 三心拱截面等積環(huán)原理測(cè)點(diǎn)分布圖

對(duì)于圓形截面，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)速，再根據(jù)圓形截面面積計(jì)算風(fēng)量：

式中：q—通過(guò)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m3/s；vi—第i個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的風(fēng)速，m/s；n—測(cè)點(diǎn)數(shù)；S—測(cè)風(fēng)斷面面積，m2。

對(duì)于三心拱截面，風(fēng)量計(jì)算如下：

計(jì)算見(jiàn)式（2）。

式中：q—通過(guò)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m3/s；vi—第i條線上各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)速，m/s；Nr—測(cè)試線的數(shù)；li—測(cè)試線長(zhǎng)度，m。

測(cè)試斷面選在通風(fēng)機(jī)入風(fēng)口前進(jìn)風(fēng)巷道或通風(fēng)機(jī)出口后的風(fēng)硐的直線段選取測(cè)風(fēng)截面，對(duì)于該測(cè)試方法，測(cè)試斷面不規(guī)則，存在紊流，或測(cè)點(diǎn)不按GB/T10178-2006布置，都將導(dǎo)致結(jié)果測(cè)試不準(zhǔn)確。

1.2 靜壓差測(cè)試法

靜壓差測(cè)試法是在通風(fēng)機(jī)入風(fēng)口前兩個(gè)相距較近的截面積有變化的截面上，通過(guò)測(cè)量每個(gè)截面上的相對(duì)靜壓差，計(jì)算風(fēng)量。要求兩個(gè)截面積有變化的截面相距較近，是考慮在計(jì)算過(guò)程中忽略沿程阻力。

具體測(cè)試：

利用兩個(gè)皮托管或靜壓差傳感同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)斷面的相對(duì)靜壓差p1、p2，使用求積儀或長(zhǎng)度量具測(cè)量?jī)蓚€(gè)斷面的面積A1、A2。抽出式風(fēng)機(jī)測(cè)試原理見(jiàn)圖3。

圖3 抽出式風(fēng)機(jī)靜壓差測(cè)試法原理圖

計(jì)算如下：

式中：p1、p2—1-1、2-2斷面相對(duì)靜壓差，Pa；v1、v2—1-1、2-2斷面的平均風(fēng)速，m/s；ρ—1-1、2-2斷面平均空氣密度，kg/m3；hr—1-1至2-2斷面的阻力損失，Pa；在此忽略不計(jì)，取0；

由（3）、（4）式得 ：

式中：p0—大氣壓力，Pa；Φ—空氣的相對(duì)濕度，%；psat—溫度為t℃時(shí)空氣的絕對(duì)蒸汽飽和壓力，Pa；t—空氣的溫度，℃ ；S1、S2—1-1、2-2斷面截面積，m2。

該測(cè)試方法需要現(xiàn)場(chǎng)具有兩個(gè)截面積不同且相距較近的斷面。每個(gè)斷面的相對(duì)靜壓差比較容易且準(zhǔn)確測(cè)得，由于在每個(gè)斷面上相對(duì)靜壓差不變，因此，每個(gè)斷面上相對(duì)靜壓差的測(cè)點(diǎn)選擇沒(méi)有要求。但在測(cè)點(diǎn)皮托管安裝方向上應(yīng)確保風(fēng)流與皮托管靜壓差孔垂直，否則測(cè)得的靜壓差會(huì)偏離實(shí)際靜壓差值。

1.3 動(dòng)壓測(cè)試法[1]

在流速均勻的斷面，如集流器，將皮托管全壓口正對(duì)風(fēng)流方向，皮托管全壓口和靜壓差口接壓差計(jì)，對(duì)于環(huán)形集流器，用皮托管測(cè)量集流器環(huán)部的不同位置的動(dòng)壓，并獲得動(dòng)壓平均值，pd，按（7）、（8）式計(jì)算風(fēng)機(jī)風(fēng)量。測(cè)試原理見(jiàn)圖4。

圖4 動(dòng)壓測(cè)試法原理圖

式中：v—測(cè)量斷面平均風(fēng)速，m/s；pd—測(cè)量斷面平均動(dòng)壓，Pa。

這種方法操作簡(jiǎn)單，但平直段風(fēng)流穩(wěn)定性對(duì)動(dòng)壓測(cè)試會(huì)產(chǎn)生影響，為獲得整個(gè)集流器斷面的平均動(dòng)壓，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)需要在風(fēng)機(jī)的集流器的四個(gè)方向上開(kāi)孔，在每個(gè)開(kāi)孔處測(cè)量環(huán)部不同位置的動(dòng)壓，皮托管安裝方向和測(cè)點(diǎn)的選取以及對(duì)平均平均動(dòng)壓（風(fēng)速）測(cè)試的準(zhǔn)確性帶來(lái)誤差，因此，皮托管要與風(fēng)流平行，全壓口迎著風(fēng)流，另外測(cè)點(diǎn)布置要充分。

皮托管與風(fēng)流方向偏差越大，實(shí)測(cè)動(dòng)壓越小，當(dāng)偏差5°時(shí)，動(dòng)壓誤差為（1-cos5°+sin5°）%，即9%。

2 測(cè)試方法分析

為了獲得風(fēng)量測(cè)試結(jié)果，3種方法都需要測(cè)量測(cè)試斷面的面積。

風(fēng)速傳感器（風(fēng)速計(jì)）測(cè)試法是最直接的風(fēng)量測(cè)試方法，為了獲得測(cè)試斷面的平均風(fēng)速，要求測(cè)試斷面形狀規(guī)則，不存在紊流，并嚴(yán)格按等積環(huán)原理在測(cè)試斷面上布置測(cè)速點(diǎn)。對(duì)于大中型金屬非金屬礦山，在進(jìn)風(fēng)巷道或出口風(fēng)硐能選取到較為符合要求的測(cè)試截面，但對(duì)小型金屬非金屬礦山，普遍存在進(jìn)風(fēng)巷道斷面不規(guī)則，沒(méi)有出口風(fēng)硐，難以選擇符合要求的測(cè)風(fēng)斷面，也很難按等積環(huán)原理布置測(cè)點(diǎn)，使得準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)量大打折扣。因此，當(dāng)實(shí)際測(cè)試斷面形狀規(guī)則，現(xiàn)場(chǎng)適于風(fēng)速傳感器按等積環(huán)原理布置時(shí)，可優(yōu)選擇該方法。

相較風(fēng)速傳感器測(cè)試法，靜壓差測(cè)試法只涉及兩個(gè)斷面的相對(duì)靜壓差值測(cè)試和斷面面積，由于每個(gè)相對(duì)靜壓差值不會(huì)因?yàn)閿嗝嫔蠝y(cè)點(diǎn)位置變化而變化，使測(cè)試較為方便，只要保證皮托管安裝平行風(fēng)流即可[2]。但靜壓差測(cè)試法忽略了兩個(gè)斷面之間的沿程摩擦阻力，在斷面距離較近的情況下，該誤差相對(duì)較小，當(dāng)無(wú)法采用風(fēng)速傳感器測(cè)試時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)具備兩個(gè)相距較近且斷面不同的情況下，可采用靜壓差測(cè)試法。

動(dòng)壓測(cè)試法，操作簡(jiǎn)單，但受皮托管安裝方向和動(dòng)壓測(cè)量選點(diǎn)的影響，獲得平均風(fēng)速的誤差也比較大。采用該方法時(shí)，應(yīng)盡可能確保皮托管安裝平行風(fēng)流，且測(cè)點(diǎn)布置充分。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)不具備風(fēng)速傳感器測(cè)試法和靜壓差測(cè)試法測(cè)試條件時(shí)，可采用動(dòng)壓測(cè)試法。

3 結(jié)語(yǔ)

在礦山實(shí)際使用環(huán)境下，準(zhǔn)確測(cè)試通風(fēng)機(jī)風(fēng)量比較困難，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采用適宜的方法進(jìn)行測(cè)試，以獲得較為滿意的結(jié)果。