精準測風措施在通風阻力測定中的研究與應用

曹衛星 郭玉印 趙文彬

(1.山東濟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，山東 青島 266590)

準確掌握礦井通風阻力是煤礦通風技術管理工作的重要內容之一。礦井通風阻力對礦井通風系統、礦井安全生產和經濟效益有重要影響。準確測定通風阻力，了解礦井通風系統通風阻力的大小和分布，可為進一步改善礦井通風條件、降低通風阻力、降低能耗提供依據。測量礦井巷道的摩擦阻力系數和風阻值，可為礦井通風設計、優化和調節風壓以及礦井防滅火提供科學依據[1]。

1 風流不穩定性分析

1.1 風流特點分析

當風流在巷道中流動時，不同的流速將形成不同的流動狀態。一個是流體顆粒彼此不混合，并且沿平行于管軸的方向進行分層運動，被稱為層流。一個是流體顆粒的速度在尺寸和方向上隨時變化，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，因此礦井風流中不允許層流中的風流。由于空氣的粘度和軸的壁表面的摩擦，道路截面上的風速分布是不均勻的。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，最大風速不一定在井內。在車道軸線上，風速分布不一定是對稱的[1]。

1.2 風流測定影響因素分析

1.2.1 測定方法對比分析

在測定礦井通風阻力過程中，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）壓差計法

壓差計法是采用礦用壓差計、測壓管和膠皮管相結合的方式來測定巷道開始和結束時斷面的風流的靜壓差，同時確定其他相關參數來計算巷道通風阻力。

（2）氣壓計法

氣壓計法是使用精密數字氣壓計分別測定巷道開始和結束時斷面風流的靜壓，同時測量計算干濕溫度、巷道斷面以及風速等相關參數。考慮在測定過程中大氣壓力變化等因素的影響，又分為逐點法和兩點同時法測定靜壓力。

① 逐點法

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

② 兩點同時法

兩點同時法是使用兩臺精密數字氣壓計同時對斷面1-1、斷面2-2 的靜壓p1、p2[2]進行測定。

針對不同的情況，三種方法各有利弊，為更精準測得通風阻力，需恰當選取。現對三種方法優缺點進行比較，如表1 所示。

表1 通風阻力測定方法優缺點比較

1.2.2 外界環境對精準測風的影響

外界環境的改變是影響基點測定法產生誤差的主要原因。在現場實際測定的過程中，環境劇烈的變化是影響測定結果的主要因素，其中包括：風門的突然打開和關閉、人員的走動、設備的運輸，這些因素使周圍空氣流動產生變化，影響靜壓能和動能，從而使測量結果產生較大的誤差。

1.2.3 其他因素的影響

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

（1）設備問題。目前國內測風設備種類繁多，設備水平參差不齊，而井下環境相對復雜，對設備精度是一個巨大的考驗。在設備使用之前應先對其進行校驗，確定其誤差在允許的范圍之內，避免引起較大的誤差。

（2）標高誤差。此誤差主要針對一些測點的標高值不確定而導致某段的通風阻力計算錯誤的現象[4]。

（3）基點位置的選擇。選擇不同的基點位置，對靜壓結果會產生不同的影響。應避免將基點位置設在受外界環境因素影響而變化較大的區域[5]。

（4）人為因素。人的測量技術水平以及疲勞會導致注意力不集中等因素，從而影響原始數據的準確性。

（5）盡量避免活塞風、噴淋系統開啟、爆破等因素影響。

2 提高測風精度的措施

（1）從測定方法選取考慮

采用逐點法時應根據大氣壓變化來修正能量方程[2]：

式中：

Δp12-由基點氣壓計監測的大氣壓引起的壓力變化。

運用兩點同時法時應根據大氣壓變化來修正能量方程：

式中：

ΔB12-兩儀器的初始讀數之差。

在測風過程中，應盡量選擇人員少，當設備進行檢修、維護時，應盡可能在1d 內完成，以避免設備由于運輸、人員操作和風門的開關而造成測量誤差。

（2）合理地進行測點布置

應盡量將測點布置在標高確定的位置上。對于測點選擇在未知標高的測點，應根據上下位置的標高進行推算。

（3）選擇合理的測風位置

在測風過程中，應盡量避免人員走動。對于風速變化大的巷道或區域，應進行多次測量，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

（4）選擇先進的儀器

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

3 精準測風應用

3.1 測定方法

結合陽城煤礦實際情況，采用逐點法和兩點同時法進行測定，對測量結果誤差進行分析比較。

3.2 測定路線和測點的選取

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

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→三采區軌道下山→3306 工作面→三采區皮帶下山→-650 回風石門→回風暗斜井→回風井。

根據MT/T440-2008《礦井通風阻力測定方法》的要求：（1）選擇的測定路線要包含礦井阻力最大風流路線；（2）測點應布置在巷道分風點或風流交匯前(或后)處；（3）測點前后3m 范圍內巷道支護情況良好，無雜物堆積且兩測點間無分風點或風流交匯點。根據測點的測量布置要求，在主測風線路上共布置28 個測點。

3.3 通風阻力結果計算

3.3.1 主要計算參數

（1）巷道通風阻力

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

（2）礦井通風總阻力

式中：

j-巷道號，j=1，2，……，n；

n-主測路線的測段數；

HRm-礦井通風總阻力，Pa；

hrj-第j 測段的通風阻力，Pa。

（3）礦井自然風壓

式中：

ρ0-地面空氣平均密度，kg/m3；

z0-風硐測壓處標高與進風井口標高之差，m；

hzj-第j 測段的位壓差，Pa。

（4）相對誤差

式中：

δ-通風系統阻力測定的相對誤差，%；

∑hi-礦井通風的總阻力，Pa；

hr-通風阻力值，Pa。

（5）礦井通風系統阻力hr

式中：

h硐-風機房相對靜壓值，Pa；

h硐速-風硐處速壓平均值，Pa；

h自-自然風壓，Pa。

3.3.2 計算結果及其校核

（1）通風阻力計算結果

通過對通風測定工作進行調節，基點法和兩點同時法分別測算通風阻力為2636.2 Pa、2671.29 Pa。

（2）結果校核

經過計算，本次測定通風阻力相對誤差為1.6%和2.0%，兩種方法的測算誤差遠小于5%，兩點同時法的實測數據具有較高的精度。

4 結論

通過實施精準測風措施，大大提高了通風阻力測定的準確性，能夠實現礦井的精確測風，為以后的礦井通風管理工作打下了堅實的基礎。