巷道風(fēng)量全自動(dòng)在線測(cè)試裝置研制與應(yīng)用

孫永新，張 浪，楊 旭，劉彥青，馬 強(qiáng)，李 偉，張宏杰，趙 凱，段思恭

（1.山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

巷道風(fēng)量準(zhǔn)確在線測(cè)試是礦井通風(fēng)管理的核心工作之一，研究人員開(kāi)展了大量的研究工作，取得了一定成果。鹿廣利等[1]采用數(shù)值模擬方法計(jì)算巷道拐彎區(qū)域風(fēng)速場(chǎng)結(jié)構(gòu)尋找巷道斷面平均風(fēng)速位置，優(yōu)化風(fēng)速傳感器布置位置；趙丹等[2]推導(dǎo)了圓形管道平均風(fēng)速與點(diǎn)風(fēng)速之間換算公式；王翰鋒[3]利用CFD方法對(duì)不同形狀巷道斷面內(nèi)定點(diǎn)式風(fēng)速傳感器最佳測(cè)風(fēng)位置進(jìn)行了優(yōu)化確定；劉劍等[4]采用非接觸式激光多普勒測(cè)速儀對(duì)均直巷道的穩(wěn)定流動(dòng)及斷面突擴(kuò)后風(fēng)流狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)測(cè)了巷道風(fēng)流風(fēng)速的真實(shí)脈動(dòng)狀態(tài)；趙丹等[5]采用一元線性回歸方法由風(fēng)速傳感器測(cè)量值推導(dǎo)巷道平均風(fēng)速；文獻(xiàn)[6-7]實(shí)驗(yàn)研究了井巷斷面內(nèi)單點(diǎn)風(fēng)速與平均風(fēng)速轉(zhuǎn)換機(jī)制；丁翠等[8]采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試相結(jié)合方法研究了礦井通風(fēng)巷道風(fēng)流分布“關(guān)鍵環(huán)”分布規(guī)律；宋瑩等[9]采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試相結(jié)合方法驗(yàn)證了巷道風(fēng)速分布與風(fēng)速大小無(wú)關(guān)，主要取決于巷道形狀；張士嶺[10]利用超聲波測(cè)風(fēng)儀實(shí)測(cè)了巷道風(fēng)流風(fēng)速平均脈動(dòng)周期；李艷昌等[11]研究了人工測(cè)風(fēng)過(guò)程中測(cè)風(fēng)人員對(duì)測(cè)風(fēng)結(jié)果的影響規(guī)律；劉劍等[12]明確了根據(jù)湍流統(tǒng)計(jì)平均特性進(jìn)行風(fēng)速及風(fēng)壓等測(cè)試儀器設(shè)計(jì)研發(fā)；張浪[13]采用數(shù)值模擬方法優(yōu)化了巷道測(cè)風(fēng)站風(fēng)速傳感器布置位置。為此，研制了巷道全自動(dòng)在線測(cè)試裝置。

1 巷道斷面平均風(fēng)速區(qū)域分布規(guī)律

以王坡煤礦輔運(yùn)大巷測(cè)風(fēng)站和上寺頭北翼回風(fēng)巷測(cè)風(fēng)站為研究對(duì)象，利用GMBIT 建模軟件構(gòu)建的與實(shí)際巷道尺寸比例1∶1 的矩形巷道、半圓拱巷道三維模型如圖1。

圖1 巷道三維模型Fig.1 Three dimensional geometric model of roadway

巷道內(nèi)空氣流動(dòng)過(guò)程采用N-S 方程組求解，滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒，巷道風(fēng)流流模型采用方程，對(duì)不同巷道風(fēng)量條件下巷道斷面風(fēng)速場(chǎng)進(jìn)行模擬解算。計(jì)算模型邊界條件：①巷道壁面：Wall（壁面）；②巷道入口：Velocity-in（風(fēng)速入口）；③巷道出口：Flow-Out（風(fēng)速出口）；④人員：Wall（壁面）。

對(duì)于礦井風(fēng)量測(cè)試誤差要求而言，測(cè)風(fēng)誤差越小，平均風(fēng)速分布區(qū)域越小；對(duì)于風(fēng)速傳感器采集數(shù)據(jù)方便性而言，平均風(fēng)速分布區(qū)域越大，風(fēng)速傳感器采集數(shù)據(jù)越方便，二者具有一定矛盾性，經(jīng)過(guò)綜合考慮，選擇在[0.97vave，1.03vave]（vave為巷道平均風(fēng)速值）標(biāo)尺取值區(qū)間內(nèi)部署風(fēng)速傳感器，進(jìn)行巷道平均風(fēng)速測(cè)試，既能滿足礦井風(fēng)量測(cè)試誤差要求，同時(shí)也方便部署風(fēng)速傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。巷道斷面風(fēng)速區(qū)間[0.97vave，1.03vave]分布區(qū)域如圖2。

圖2 巷道斷面風(fēng)速區(qū)間[0.97vave,1.03vave]分布區(qū)域Fig.2 Distribution area of roadway section wind speed interval [0.97vave,1.03vave]

圖2 綠色區(qū)域?yàn)椴煌锏里L(fēng)量條件下巷道斷面風(fēng)速區(qū)間[0.97vave，1.03vave]分布區(qū)域，將風(fēng)速傳感器布置在綠色區(qū)域內(nèi)進(jìn)行巷道平均風(fēng)速數(shù)據(jù)采集，巷道平均風(fēng)速測(cè)試精度達(dá)到97%以上，由圖2 可以看出，巷道風(fēng)量大小對(duì)巷道斷面平均風(fēng)速分布區(qū)域基本無(wú)影響。

為了進(jìn)一步揭示巷道風(fēng)量對(duì)巷道斷面平均風(fēng)速分布區(qū)域基本無(wú)影響這一現(xiàn)象，以巷道斷面內(nèi)各位置處風(fēng)速與巷道中心位置處風(fēng)速（巷道斷面內(nèi)最大風(fēng)速位置）比值為變量，對(duì)不同巷道風(fēng)量條件下巷道斷面風(fēng)速場(chǎng)進(jìn)行無(wú)因次化處理，得到的巷道斷面無(wú)因次風(fēng)速結(jié)構(gòu)場(chǎng)如圖3。研究表明：巷道形狀與斷面尺寸固定不變條件下，巷道斷面無(wú)因次風(fēng)速結(jié)構(gòu)場(chǎng)與巷道風(fēng)量無(wú)關(guān)。

圖3 巷道斷面無(wú)因次風(fēng)速結(jié)構(gòu)場(chǎng)Fig.3 Dimensionless wind speed structure field of roadway section

2 巷道斷面平均風(fēng)速九點(diǎn)采集法

在巷道斷面平均風(fēng)速區(qū)域內(nèi)布置多個(gè)風(fēng)速采集點(diǎn)理論上能夠顯著提高巷道平均風(fēng)速測(cè)試準(zhǔn)確性?；谙锏罃嗝鏌o(wú)因次風(fēng)速結(jié)構(gòu)場(chǎng)，在保持巷道斷面形狀、尺寸不變條件下，巷道實(shí)時(shí)風(fēng)量大小不會(huì)影響巷道斷面各位置處無(wú)因次風(fēng)速值，風(fēng)速傳感器采集巷道斷面某一固定位置處無(wú)因次風(fēng)速數(shù)據(jù)理論上為某一固定值，因此可根據(jù)巷道斷面某一固定位置無(wú)因次風(fēng)速數(shù)據(jù)變化波動(dòng)幅度檢測(cè)風(fēng)速傳感器是否存在數(shù)據(jù)失真問(wèn)題?；谏鲜?，提出了巷道斷面平均風(fēng)速九點(diǎn)采集法。在巷道斷面平均風(fēng)速區(qū)域（圖2 中綠色區(qū)域）內(nèi)布置8 個(gè)平均風(fēng)速采集點(diǎn)，利用8 個(gè)平均風(fēng)速采集點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算巷道平均風(fēng)速值，乘以巷道斷面積求得巷道風(fēng)量。在巷道中心位置（巷道斷面最大風(fēng)速位置）布置1 個(gè)風(fēng)速采集點(diǎn)，作為校驗(yàn)風(fēng)速傳感器風(fēng)速采集點(diǎn)，根據(jù)平均風(fēng)速采集點(diǎn)風(fēng)速值與校驗(yàn)風(fēng)速傳感器風(fēng)速采集點(diǎn)風(fēng)速值比值變化波動(dòng)幅度，檢驗(yàn)風(fēng)速傳感器是否存在數(shù)據(jù)失真問(wèn)題。

巷道斷面平均風(fēng)速區(qū)域與風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖4。

圖4 巷道斷面平均風(fēng)速區(qū)域與風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.4 Average wind speed area of roadway section and layout of wind speed monitoring points

半圓拱巷道和矩形巷道均以巷道中心位置（巷道斷面最大風(fēng)速位置）作為校驗(yàn)風(fēng)速傳感器風(fēng)速采集點(diǎn)。對(duì)于矩形巷道，根據(jù)巷道斷面平均風(fēng)速分布區(qū)域，通過(guò)圖4 中a、b、c 3 個(gè)尺寸可確定矩形巷道斷面8 個(gè)平均風(fēng)速采集點(diǎn)位置；對(duì)于半圓拱巷道，根據(jù)巷道斷面平均風(fēng)速分布區(qū)域，通過(guò)圖4 中a、b、c、d、e、f 6 個(gè)位置尺寸可確定半圓拱巷道斷面8 個(gè)平均風(fēng)速采集點(diǎn)位置。

3 巷道風(fēng)量全自動(dòng)在線測(cè)試裝置

根據(jù)巷道形狀差異性和巷道斷面平均風(fēng)速區(qū)域分布特征，分別設(shè)計(jì)了適用于拱形巷道、矩形巷道的折疊式和龍門式巷道風(fēng)量全自動(dòng)在線測(cè)試裝置，非測(cè)風(fēng)時(shí)期裝置不影響巷道行人行車。根據(jù)巷道斷面平均風(fēng)速分布區(qū)域確定巷道斷面平均風(fēng)速采集點(diǎn)位置，根據(jù)巷道斷面平均風(fēng)速采集點(diǎn)位置設(shè)計(jì)巷道風(fēng)量全自動(dòng)在線測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)尺寸與運(yùn)動(dòng)軌跡，使得測(cè)試裝置在1 次測(cè)風(fēng)周期（測(cè)風(fēng)周期為60 s，與人工測(cè)風(fēng)周期相同）中能夠采集到巷道斷面內(nèi)預(yù)設(shè)的所有平均風(fēng)速采集點(diǎn)位置處風(fēng)速數(shù)據(jù)。

巷道風(fēng)量全自動(dòng)在線測(cè)試裝置三維模型如圖5。

圖5 巷道風(fēng)量全自動(dòng)在線測(cè)試裝置三維模型Fig.5 Three dimensional model of roadway air volume automatic on-line test device

1）折疊式巷道風(fēng)量全自動(dòng)在線測(cè)試裝置以折疊形式吊掛在巷道頂板上，測(cè)試裝置橫梁上安裝有3臺(tái)風(fēng)速傳感器。測(cè)風(fēng)開(kāi)始，首先采集位置點(diǎn)2 風(fēng)速數(shù)據(jù)；然后橫梁開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，橫梁到達(dá)巷道斷面較高位置處，采集位置點(diǎn)1、位置點(diǎn)3 采集風(fēng)速數(shù)據(jù)；橫梁繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，橫梁到達(dá)巷道斷面中間高度位置，風(fēng)速傳感器沿水平方向伸出展開(kāi)，采集位置點(diǎn)4、位置點(diǎn)5、位置點(diǎn)6 風(fēng)速數(shù)據(jù)；橫梁繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，橫梁到達(dá)到巷道斷面較低位置，采集位置點(diǎn)7、位置點(diǎn)8、位置點(diǎn)9 風(fēng)速數(shù)據(jù)；最后橫梁收縮恢復(fù)到巷道頂板高度；上位機(jī)軟件根據(jù)采集風(fēng)速數(shù)據(jù)計(jì)算巷道平均風(fēng)速，計(jì)算巷道風(fēng)量，并檢測(cè)風(fēng)速傳感器是否存在數(shù)據(jù)失真問(wèn)題。

2）龍門式巷道風(fēng)量全自動(dòng)在線測(cè)試裝置橫梁上安裝有3 臺(tái)風(fēng)速傳感器，橫梁自上向下運(yùn)動(dòng)。測(cè)風(fēng)開(kāi)始，橫梁運(yùn)動(dòng)至巷道斷面較高位置，采集位置點(diǎn)1、位置點(diǎn)2、位置點(diǎn)3 風(fēng)速數(shù)據(jù)；橫梁運(yùn)動(dòng)至巷道斷面中部高度位置，采集位置點(diǎn)4、位置點(diǎn)5、位置點(diǎn)6 風(fēng)速數(shù)據(jù)；橫梁運(yùn)動(dòng)至巷道斷面較低位置，采集位置點(diǎn)7、位置點(diǎn)8、位置點(diǎn)9 風(fēng)速數(shù)據(jù)；最后橫梁由巷道斷面較低位置運(yùn)動(dòng)恢復(fù)到巷道斷面較高位置；上位機(jī)軟件根據(jù)采集風(fēng)速數(shù)據(jù)計(jì)算巷道平均風(fēng)速，計(jì)算巷道風(fēng)量，并檢測(cè)風(fēng)速傳感器是否存在數(shù)據(jù)失真問(wèn)題。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

王坡煤礦井下10 個(gè)測(cè)風(fēng)站位置部署了巷道風(fēng)量全自動(dòng)在線測(cè)試裝置。考慮到不同位置處巷道斷面形狀與尺寸均有差異，對(duì)部署巷道風(fēng)量全自動(dòng)在線測(cè)試裝置的所有井下測(cè)風(fēng)站巷道，均需要進(jìn)行CFD 模擬計(jì)算，確定每1 個(gè)井下測(cè)風(fēng)站巷道的巷道斷面平均風(fēng)速區(qū)域分布，通過(guò)每1 個(gè)測(cè)風(fēng)站巷道進(jìn)行CFD 數(shù)值模擬，獲得每1 個(gè)測(cè)風(fēng)站巷道斷面平均風(fēng)速區(qū)域分布，確定了巷道平均風(fēng)速采集點(diǎn)位置，即獲得了矩形巷道斷面a、b、c 3 個(gè)位置尺寸和半圓拱巷道斷面a、b、c、d、e、f 6 個(gè)位置尺寸，根據(jù)巷道平均風(fēng)速采集點(diǎn)位置加工定制了巷道風(fēng)量全自動(dòng)在線測(cè)試裝置。巷道風(fēng)量全自動(dòng)在線測(cè)試裝置測(cè)試數(shù)據(jù)與人工測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 巷道風(fēng)量全自動(dòng)在線測(cè)試裝置測(cè)試數(shù)據(jù)與人工測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Comparison between test data of roadway air volume full-automatic online test device and manual test data

將測(cè)試裝置風(fēng)量測(cè)試數(shù)據(jù)與人工測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，相對(duì)誤差不超過(guò)8%，驗(yàn)證了測(cè)試裝置測(cè)風(fēng)結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了全礦井范圍內(nèi)10 個(gè)測(cè)風(fēng)站同步在線測(cè)風(fēng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）以王坡煤礦上寺頭北翼回風(fēng)巷和輔運(yùn)大巷為研究對(duì)象，采用CFD 方法模擬了矩形巷道、半圓拱巷道斷面平均風(fēng)速分布區(qū)域，獲得巷道斷面無(wú)因次風(fēng)速結(jié)構(gòu)場(chǎng)，研究表明巷道風(fēng)量對(duì)巷道斷面內(nèi)平均風(fēng)速分布區(qū)域無(wú)影響，為巷道斷面內(nèi)布置多個(gè)位置點(diǎn)采集風(fēng)速數(shù)據(jù)求取巷道平均風(fēng)速奠定了理論基礎(chǔ)

2）基于巷道斷面無(wú)因次風(fēng)速結(jié)構(gòu)場(chǎng)，構(gòu)建了巷道全斷面平均風(fēng)速九點(diǎn)采集法，根據(jù)巷道斷面平均風(fēng)速分布區(qū)域確定巷道平均風(fēng)速采集點(diǎn)位置。

3）根據(jù)巷道形狀差異性和巷道斷面平均風(fēng)速區(qū)域分布特征，分別研制了適用于拱形巷道、矩形巷道的折疊式和龍門式巷道風(fēng)量全自動(dòng)在線測(cè)試裝置，結(jié)合巷道全斷面平均風(fēng)速九點(diǎn)采集法，設(shè)計(jì)定制了巷道風(fēng)量全自動(dòng)在線測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)尺寸和傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)了采集巷道斷面平均風(fēng)速區(qū)域多個(gè)位置點(diǎn)風(fēng)速數(shù)據(jù)求得巷道平均風(fēng)速。

4）王坡煤礦井下10 個(gè)測(cè)風(fēng)站部署了基于巷道風(fēng)量全自動(dòng)在線測(cè)試裝置，對(duì)比同一時(shí)間段內(nèi)人工測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)和測(cè)試裝置測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，相對(duì)誤差在8%以內(nèi)。研究表明：測(cè)試裝置測(cè)風(fēng)精度能夠滿足礦井風(fēng)量測(cè)試精度要求，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)全礦井多個(gè)巷道風(fēng)量同步在線測(cè)試。