巷道中風速傳感器布設位置優(yōu)化研究

王云龍

(山西義棠煤業(yè)有限責任公司,山西 晉中 032000)

礦井通風系統(tǒng)能夠準確有效地監(jiān)控巷道風量是保障煤礦安全生產(chǎn)的重要因素[1]。現(xiàn)階段礦井通風的主要監(jiān)測方式為懸掛風速傳感器和人工檢測。其中風速在線監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)不間斷地對巷道風速監(jiān)測,能夠及時發(fā)現(xiàn)異常情況,并采取相應的措施。研究確定風速傳感器的懸掛位置,有助于準確監(jiān)測風速,提高檢測結果的科學性。但目前的研究大都采用理論計算[2-9]、軟件模擬[4]和現(xiàn)場實測[10]的方法,針對無其他設施布置的巷道進行研究,并總結出不同巷道的風速分布規(guī)律。但在實際情況下,巷道中總是不可避免地需要布置一些設施,例如抽采管路、排水管路、皮帶輸送機等,這些物體都會對巷道內(nèi)平均風速的分布產(chǎn)生影響。因此,使用Fluent軟件對現(xiàn)場情況進行模擬,根據(jù)模擬結果,確定現(xiàn)場平均風速的分布情況,有針對性地安裝風速傳感器,最大程度保證監(jiān)測結果的真實性,從而為井下風量調(diào)控提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 基本情況

2013年,山西義棠煤業(yè)有限責任公司(以下稱“公司”)經(jīng)鑒定為高瓦斯礦井,隨后建立了地面固定瓦斯抽采系統(tǒng)。在下組煤西翼回風大巷及下組煤回采工作面回風順槽布置抽采管路，在適合的位置設置測風站并配置風速傳感器。經(jīng)過現(xiàn)場總結發(fā)現(xiàn),巷道中無大直徑管路的情況下,風速傳感器讀數(shù)與人工實測值相差不大,在允許范圍內(nèi)；而在布置有大直徑管路的巷道中,普遍出現(xiàn)風速傳感器讀數(shù)偏高的情況。

選擇下組煤西翼回風大巷(以下稱“巷道1”)和100510回風順槽(以下稱“巷道2”)為例進行研究。其中巷道1為錨噴支護方式,巷道內(nèi)右下部鋪設有兩趟Φ600 mm×8 mm環(huán)氧樹脂鋼管,現(xiàn)場人工實測平均風速為3.5 m/s;巷道2為錨網(wǎng)支護方式,左上部吊掛有兩趟Φ320 mm×4 mm環(huán)氧樹脂鋼管,現(xiàn)場人工實測平均風速為2.2 m/s。具體尺寸見圖1所示。

(a) 巷道1

(b) 巷道2

1.2 風速傳感器布置

公司選用GFW15風速傳感器,外形尺寸為252 mm×126 mm×51 mm,如圖2所示,基本誤差±0.3 m/s。根據(jù)以往經(jīng)驗及相關研究,現(xiàn)公司井下風速傳感器一般懸掛在巷道的中上部,將固定桿固定在錨桿上,下部傳感頭組件距頂板在250～400 mm之間,使傳感頭組件口正對風流風向。

圖2 傳感器外形圖

1.3 巷道風速差異

在實際運行中,發(fā)現(xiàn)巷道1和巷道2處風速傳感器顯示值與人工實測值有較大誤差,已超過儀器允許的基本誤差范圍。為此,組織人員在巷道1和巷道2中進行風速核定。具體步驟為:將JFY-2礦井通風參數(shù)檢測儀懸掛在巷道風速傳感器附近,進行風速對比;測風員使用CFJ25型機械式風表和JFY-2礦井通風參數(shù)檢測儀進行巷道平均風速測定。測定數(shù)據(jù)見表1所示。其中,相對誤差為電子測風儀與機械式風表實測值的誤差,用于檢驗機械風表的準確性;絕對誤差為機械風表實測值與風速傳感器的差值,用于檢驗風速傳感器的準確性。由表中數(shù)據(jù)可知,相對誤差均小于5%,可以保證機械風表檢測的準確性。同時,風速傳感器數(shù)值與電子測風儀數(shù)值誤差在規(guī)定范圍內(nèi),基本排除風速傳感器故障。綜上所述可知,風速傳感器數(shù)值普遍高于實際平均風速值,已超過誤差允許范圍。一旦出現(xiàn)風速低于規(guī)定值等的微風情況,無法及時發(fā)現(xiàn),造成一定的安全隱患。

表1 現(xiàn)場風速檢驗測定統(tǒng)計表

2 Fluent模擬

2.1 巷道模型及參數(shù)設定

依靠Fluent軟件,對巷道1和巷道2的風速進行參數(shù)建模。已知巷道1、巷道2均為矩形。巷道的寬分別為5.5 m、4.2 m,巷高均為2.8 m,巷道長度均取200 m,在巷道內(nèi)各布置有2根抽采管路。巷道建模和網(wǎng)格劃分見圖3。

(a) 巷道1

假定風流與巷道壁面無熱交換,即假定壁面絕熱。巷道中無外部質(zhì)量源輸入,風流視為不可壓縮流體,空氣密度為常數(shù),大氣壓為1.013 25×105Pa,巷道沿途內(nèi)壁粗糙程度相同,抽采管路外壁光滑,風流不經(jīng)過抽采管路內(nèi)部。選用realizablek-ε湍流模型方程,速度采用絕對速度,用Simplec算法求解流速和壓力耦合,壓力場采用標準離散方式[1]。

巷道1和巷道2模型各包括1個風流入口、1個風流出口和2根管路,其余面為壁面,風流入口作為模型邊界入口,巷道出口作為模型邊界出口,巷道壁面為固定邊界。風流入口類型為velocity-inlet,根據(jù)有關規(guī)定及礦井實際情況,巷道1風速在3.5 m/s左右,巷道2風速在2.3 m/s左右。故巷道1風速取3.0 m/s和4.0 m/s,巷道2風速取2.0 m/s和2.5 m/s。風流以指定風速均勻地分布在巷道入口橫截面上,垂直于巷壁的壓力梯度為零。出口設置為pressure-outlet。壁面采用無滑移邊界條件。在巷道100 m處橫截面上設置觀察面。

2.2 模擬結果及分析

經(jīng)過Fluent軟件運行模擬后,得到巷道1、巷道2在100 m處橫截面上的風速分布圖,如圖4所示。

(a) 巷道1風速3.0 m/s模擬圖

根據(jù)模擬結果可知,巷道1和巷道2在各自兩種不同風速模擬情況下,巷道內(nèi)風速分布規(guī)律基本不變,巷道1和巷道2內(nèi)風速分布整體均呈現(xiàn)邊緣小、中心大的特征。但受巷道內(nèi)管路分布的影響,管路內(nèi)側風速分布較低,均不足平均風速的一半,向另一側擠壓風流,造成橫截面上風速等值線的中心向未布置管路側巷壁偏移。

根據(jù)圖4的模擬結果可知,對巷道橫截面中心軸線上的平均風速位置距頂板距離進行統(tǒng)計,見表2所示。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),風速對巷道內(nèi)平均風速的分布影響很小。

表2 巷道橫截面中心軸線平均風速位置距頂板距離統(tǒng)計表

相較于理論上巷道中無其他設施布置時的情況,根據(jù)王翰鋒[4]對巷道平均風速位置的研究可知,矩形巷道在中心線上平均風速距頂板距離一般等于巷高的11%～12%。本次模擬結果偏低,主要原因有以下兩方面:一方面是巷道中管路擠占了巷道空間,減少了巷道有效通風斷面;另一方面,結合圖4可知,巷道中管路內(nèi)側區(qū)域風速分布較低,進一步增加了巷道其他空間內(nèi)的通行風量,提高了風速。二者共同作用,提高了巷道中軸線上平均風速距頂板的分布位置。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 風速傳感器重新布置及數(shù)值修正

根據(jù)模擬結果,在現(xiàn)有位置的基礎上,對巷道1和巷道2風速傳感器進行重新吊掛,減少風速傳感器距頂板的距離,但由于風速傳感器長度為252 mm,大于巷道1和巷道2的平均風速距離。對巷道1和巷道2風速傳感器進行重新吊掛,將風速傳感器上部緊貼頂板固定牢靠,其他位置保持不變,位于巷道的中心位置上。由于巷道中心風速較高,造成在距頂板252 mm處風速大于平均風速,對二者風速監(jiān)測結果進行系數(shù)校正,使顯示結果為平均風速值。

根據(jù)圖4的模擬結果,重新吊掛后巷道1和巷道2的風速傳感器平均風速的修正系數(shù)分別為0.936和0.923,見表3所示。

表3 巷道1和巷道2距頂板252 mm處風速與平均風速對比及修正系數(shù)

3.2 實測風速對比

風速傳感器安裝完成后,組織人員進行平均風速測量及對比,分3次進行測量。人工測試采用網(wǎng)格測風法和路線測風法兩種方法進行測試,具體網(wǎng)格劃分和線路路徑見圖5所示。

首先,結合Fluent模擬結果,進行網(wǎng)格和路線設計,由于巷道抽采管路內(nèi)側風速較低,故以包含管路在內(nèi)的矩形斷面為一個網(wǎng)格,其他區(qū)域依次等分。網(wǎng)格法是在各個網(wǎng)格內(nèi)的中心處測試風速,路線法是在規(guī)定的時間內(nèi)沿著路線行走,最后計算風速。其次,記錄現(xiàn)場風速,人員按照預先方案進行測試后,現(xiàn)場計算出初步風速。最后,需要對測試數(shù)據(jù)進行修正,由于測試儀器的自身誤差及測試人員對風流的影響,需要對現(xiàn)場測試初步風速進行修正,最后計算出實際風速。

(a) 巷道1網(wǎng)格法示意圖

每次人工測試的同時記錄風速傳感器讀數(shù),將測量數(shù)據(jù)匯總后進行統(tǒng)計,見表4所示。巷道1風速傳感器現(xiàn)場顯示3.87 m/s,經(jīng)過修正后為3.62 m/s;巷道2風速傳感器現(xiàn)場顯示3.87 m/s,經(jīng)過修正后為3.62 m/s。

通過3次測試后,網(wǎng)格法測得巷道1平均風速3.56 m/s,巷道2平均風速2.53 m/s;路線法測得巷道1平均風速3.60 m/s,巷道2平均風速2.56 m/s。綜合平均后:巷道1平均風速為3.58 m/s,巷道2平均風速為2.55 m/s。巷道1人工實測平均風速與風速傳感器讀數(shù)相對誤差為1.10%,巷道2人工實測平均風速與風速傳感器讀數(shù)相對誤差為1.18%,均在誤差允許范圍內(nèi)。說明經(jīng)過重新安裝及修正后,風速傳感器能較好地體現(xiàn)巷道中平均風速值。

表4 現(xiàn)場風速實測對比表

4 結論

1)在巷道支護形式、尺寸不變的情況下,巷道中軸線上的平均風速距頂板距離隨風速變化基本保持不變。

2)巷道橫截面上總體呈現(xiàn)中心大、邊緣小的特征。巷道內(nèi)一旦出現(xiàn)大尺寸管路,會對巷道內(nèi)平均風速分布有影響。管路直徑越大,對巷道內(nèi)風速影響也越大,且管路內(nèi)側風速明顯減少,巷道內(nèi)其他區(qū)域風速增大,巷道中心線上平均風速距頂板距離減少。

3)矩形巷道1(高2.8 m,寬5.5 m)和巷道2(高2.8 m,寬4.2 m)中分別鋪設2趟DN600和2趟DN300管路,中線上平均風速位置距頂板距離分別等于巷道的6.6%和8.0%;相較于矩形巷道內(nèi)無管路的平均風速位置距頂板的距離一般等于巷道的11%～12%。平均風速位置距頂板距離占巷道比例提高3.0%～5.4%。