巷道平均風速測定裝置研究與應用測試

石力博，李亞俊，鐘生元

(1.湖南有色冶金勞動保護研究院，長沙 410014；2.非煤礦山通風防塵湖南省重點實驗室，長沙 410014)

礦山通風系統測定是礦山安全生產的一項重要內容。測定礦山井巷風量時，走線法應用仍較為普遍。走線法一般是采用人手持翼式風表沿特定線路勻速移動[1]，且在單位時間內走完既定線路，巷道平均風速為風表轉速與時間的比值再加以修正[2]。實際測定時由于人的主觀因素，手持風表所走線路軌跡及速度均不相同[3-4]，加之不同人測定時人體截面積不完全相同，實際測定出巷道的風量存在較大誤差，解決此問題的關鍵即為如何消除人對風速測定時各種不利因素的影響[5]。

為消除現有走線法通風系統測定時的不利因素，擬設計一種適用于巷道平均風速的測定裝置，該裝置在進行風量測定時無需人的直接干預，從而消除走線測風法中測定風量失真的問題，從而更精確的對礦井風量進行測定，指導礦山安全生產。

1 裝置設計

1.1 裝置設計思路

該測風裝置擬解決走線法測風時人工操作的不利因素，應采用自動機械測定代替人工操作的方式，風量測定方式仍為走線法不變。因此，須采用機械傳動的方式將翼式風表固定于固定的運行軌跡上以達到整個斷面平均風速的測定。裝置結構主要分為兩部分，即運行結構裝置與風量測定裝置，以此實現裝置測定部分在設定的運行軌跡上勻速運動，實現巷道風量的更精確測定。

1.2 裝置結構設計

整體裝置結構如圖1所示，圖中裝置伸縮支撐桿1(具體結構見圖2)安裝于井巷的地面、頂部以及側壁用于固定裝置運行軌道；裝置運行軌道由預成形工字型導軌1、4等部件構成，導軌1、4通過連接圓環3固定于伸縮支撐桿上，形成裝置的整體運行軌道結構，裝置測定部分通過設置可在軌道上運動的測風小車實現。運輸小車通過一個主動輪和兩個導向輪安裝于工字型導軌上，同時測定部分設置電子翼式風表及電源控制模塊安裝于測風小車上，測風小車利用直流電機驅動，測風小車及電子翼式風表通過遙控器啟動或停止，裝置具體結構見圖3、圖4。

為滿足同一地點多次檢測的需要，測風小車可在工字型導軌上以設定的速度雙向勻速行駛。因此，遠程控制測風可消除人為因素的影響，使測量結果更加準確。同時，使用工字型導軌作為測風小車的導軌，可以適應不同截面形狀的井巷。

1.3 裝置測風實現方式

裝置使用時先選取測定斷面，在所選測定斷面布置及固定測定導軌，導軌布置完成后，將測風小車置于導軌一端，測風小車可在工字型軌道上以設定的速度勻速行駛，確保電子翼式風表測風時在井巷橫截面每個點的時間均一性，裝置安裝完成后，遙控開啟裝置測定，無線傳輸的電子翼式風表在測風小車帶動下沿測風軌道勻速運行，測量結束傳輸測定數據，整個測定過程無人員干預，風表移動速度及軌跡均勻。

2 裝置可靠性試驗測試

2.1 試驗系統

為測定上述測風裝置所測風量準確性，研究采用試驗的方式對裝置測風誤差進行測定，設計試驗測試系統裝置由三部分組成，包括通風動力及控制部分，流量標定部分(裝置中串聯空氣流量計標定實際風量)及試驗測定部分(測定斷面)。通風動力及控制部分包括通風機及風速控制器，風速控制器可調節風機轉速從而控制系統風量，空氣流量計串聯裝于裝置中間，可準確計量系統實際風量，測定斷面部分為2.2 m×2 m模擬拱形巷道斷面，試驗中分別用常規人工走線法及本次設計裝置測定風量，并與標定風量對比驗證裝置測風可靠性，試驗裝置系統結構見圖5。

2.2 試驗測試

試驗通過調節裝置風速控制器，控制風機轉速改變系統風量，測試設置三檔風速分別為風速1、風速2、風速3。分別用常規人工走線法及本次研究設計裝置在測定斷面A-A處風速并計算風量，并與流量計實際監測風量對比，各風速檔位下常規走線法(風量計算按實際減去人體截面0.4 m2)和本次平均風速測定裝置測定(風量計算按實際減去裝置面積0.08 m2)，結果分別見表1和表2。

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

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

2.3 試驗結果分析

表1、表2的試驗測定結果顯示，走線法人工測定風量誤差明顯高于使用裝置測定風量誤差，兩種方法測定誤差百分比值見表3，采用人工測定風量與實際風量誤差平均值在5%以上，超出一般統計學意義上的95%置信區間范圍。采用本設計裝置測定誤差，平均誤差在2%以內，測量精度有明顯的提升。裝置測定結果更準確的原因是因為裝置風量測定時無需人的直接干預，裝置測風線路較人工測定覆蓋更廣，且測定速度均勻，能更精確地反映整個截面各處風速值，所測風量也更精確。因此，使用該裝置測定巷道平均風速可更真實有效地反映礦山實際風量值。

表3 巷道風量測定值與實際值對比Table 3 Calculation results of roadway air volume /%

3 結語

針對礦山通風系統中走線法測風時人工操作手持風表所走線路軌跡及速度均不相同造成測量誤差較大的問題，研究設計出巷道平均風速測定裝置，并進行實際測定測試，研究測試結果總結如下：

1)測定裝置采用測風裝置在固定軌道上通過勻速走線方式測定風量，測定過程不受人工干預，有效克服人工走線法測量時因主觀因素造成的不可避免的測量誤差。

2)對人工走線法測定裝置和該巷道平均風速測定裝置測定風量結果進行可靠性試驗測試，測試結果顯示人工測定風量與實際風量測定結果誤差較大，巷道平均風速測定裝置測定風量測量誤差較小，平均測量誤差在2%以內。

3)設計的巷道平均風速測定裝置測風操作簡便，測量精度較人工走線測風有較大幅度提高，該裝置可應用于礦山井下定點風量測定，更真實有效地反映礦山實際風量。