矿井通风阻力测定误差分析及其控制

周金祥，王　飞，刘红威

（1.太原理工大学矿业工程学院，太原030024；2.太原煤炭（气化）集团有限公司炉峪口煤矿，太原030203）



矿井通风阻力测定误差分析及其控制

周金祥1，2，王飞1，刘红威1

（1.太原理工大学矿业工程学院，太原030024；2.太原煤炭（气化）集团有限公司炉峪口煤矿，太原030203）

摘要：针对矿井通风阻力测定中存在较大的误差进行了分析研究，并结合大量的现场操作，提出了相应的控制措施，实现了从理论、方法、仪器、操作、测点选择等多方面控制误差、确保精度的目的，保证了通风阻力测定工作的实用效果。

关键词：通风阻力；能量方程；误差分析；空气扰动

我国《煤矿安全规程》[1]第119条对矿井通风阻力测定做了相关规定。在实际的测定过程中，测定结果往往存在较大的误差，使通风阻力测定失去了其应有的价值。针对这种情况，本文对通风阻力测定工作的每个环节进行分析研究，明确了整个流程中的误差所在，从理论、方法、仪器、操作、测点选择等多方面来控制误差、确保精度，保证了通风阻力测定工作的实用效果。

1　通风阻力测定方法及计算公式

目前矿井通风阻力测定常用方法根据测量仪器的不同分为两类三种，一类是基于压差计的倾斜压差计法，一类是基于气压计的气压计基点测定法和气压计同步测定法。阻力测定方法详细过程可参看有关矿井通风阻力测定方法的MT/T 440-2008标准[2]。三种测定方法步骤及阻力计算公式如下：

1）倾斜压差计法。在巷道风流前后的2个测点处各设置1个静压管，在后测点的下风侧6 m～8 m处安设压差计。待胶管内的空气温度等于巷道内的空气温度后，将短胶管的一端连接在后测点的静压管上（或皮托管的静压端），另一端接在压差计的“-”端上；长胶管的一端连接在前测点的静压管上，另一端在压差计的“+”端上，待压差计液面稳定后读数。

式中：hrij为断面i，j间的通风阻力，Pa；K为倾斜压差计的校正系数；L为倾斜压差计读数，Pa；ρi，ρj为断面i，j处的空气密度，kg/m3；vi，vj为断面i，j处的空气流速，m/s。

2）气压计基点测定法。在井口调试好两台精密气压计（I、II），并记录初始读数。仪器II留在原地监视大气压力变化，每隔10 min记录1次读数，仪器I按测点顺序分别测出各测点风流的相对基点的静压。

式中：K1，K2为气压计I，II的校正系数；Pi，Pj为气压计II在i，j处的静压读数，Pa；P0 i，P0 j为与Pi、Pj同步时间气压计I的读数，Pa；Zi，Zj为测点i，j的标高，m；g为当地重力加速度，N/kg；ρij为i，j间空气平均密度，实际计算中常取（ρi+ρj）/2，kg/m3。

3）气压计同步测定法。在测点处，调好两台精密气压计（I、II），并记录初始测点风流的静压。然后仪器I留在原处不动，仪器II放置在测点j，在约定时间内两台仪器同时读取测点风流的静压。再把仪器I移到测点j，同时记录初始测点风流的静压，仪器I不动，将仪器II移到下一个测点，再在约定时间内两台仪器同时读取测点风流的静压。如此前进直至巷道测试完毕为止。

式中符号代表含义同上。

2　通风阻力测定误差分析

在矿井通风阻力测定过程中，经常出现的一个问题就是测量误差过大，井下实测全矿井的通风阻力和风机水柱房水柱读数难以在误差范围内吻合，巷道间阻力有时甚至会出现负值的情况。下面就从以下几个方面对误差出现的原因进行详细的分析。

2.1理论误差

力学、热力学[3]、流体力学[4]的发展为矿井通风的研究奠定了基础。矿井通风阻力计算过程中公式（1）（2）（3）来源于空气流动的连续性方程和通风能量方程（即伯努利方程）[5]，通风能量方程表达了空气在流动过程中压能、动能、位能的变化规律，是能量守恒和转换定律在矿井通风中的应用。但是，由于井下空气流动的复杂性，在实际的阻力计算过程中，阻力计算公式是人们对不同的条件进行了限制和简化后得到的。在矿井通风阻力的研究过程中，人们习惯于将井下空气视为在流动过程中既无漏风又无补给的一维稳定流，同时根据不同的需求来考虑空气的可压缩性与否。严格地说矿井风流是可压缩的，并且风流的能量不仅包括压能、动能、位能组成的机械能，还应该包括自身内（热）能，根据理论分析和现场实测可知空气的可压缩性以及风流与矿井的热能交换、井下电气设备的做功和散热对阻力计算有较大的影响，而这一点在现实中往往被忽视[6-7]。

1）考虑内（热）能变化[8]，根据能量守恒定律、能量转换定律、热力学第一定律等理论推导出单位质量的可压缩定常流空气的能量方程为：

式中：ρm为断面i，j间按状态过程考虑的空气平均密度，kg/m3。

式中：n为多变过程中的过程指数。

我国矿井通风中习惯使用单位体积（1 m3）流体的能量方程：

2）上述公式中vi，vj为断面i，j处的平均风速，由于矿井巷道断面处各个位置风速分布的不均匀性，利用断面平均速度求出的断面处的总动能并不是断面实际的动能大小，这里引入动能修正系数K:

式中：u为微分面积ds上的风速。

但是在矿井通风阻力的测定过程中我们会发现动压占整体能量的比例较小，一般不再对动能进行修正。

3）将公式（5）（6）与公式（1）（2）（3）进行比较（不考虑仪器修正系数的影响）：在三种不同方法下通风阻力实际测定过程中，在不考虑动能误差的情况下，密度是影响误差的主要原因，考虑到现场工作的可操作性，公式（1）（2）（3）的动能计算时断面i，j处的密度ρi，ρj代替平均密度ρm，位能计算时用（ρi+ρj）/2代替ρm，当巷道断面i，j间的高差比较大时，会使动能和位能产生较大的误差，尤其是位能。

2.2测定方法的选择对测量结果的影响

2.2.1倾斜压差计法

通过对三种测定方法下公式（1）（2）（3）之间的相互比较我们可以发现，采用倾斜压差计法能够用压差计直接测定出空气的压能和位能，误差只产生在动能的计算中，而这一部分的误差所占比例相对较小。采用气压计测量的两种方法则需要人工计算位能和动能，误差较大。倾斜压差计法在三种测定方法中最精确，但操作也最为复杂，目前在实际测定工作中已经基本上被淘汰。

2.2.2气压计基点测定法

气压计基点测定法由于操作的方便性，是目前使用最多的阻力测定方法。下面就对该方法测定阻力时产生误差的原因进行详细分析。

气压计基点测定法自身严重的不足-静压差测定存在较大误差[9-10]，在阻力测定过程中，一般情况下静压差所占比例较大，因此在高差不大的情况下静压差测定的精度直接影响着阻力测定的成败。公式（2）中的第一项[K1（Pi-Pj）-K2（P0i-P0j）]为两点间的静压差的计算式，其中K1（Pi-Pj）为断面i，j间的静压差。但是该方法是用一台仪器对各个断面处进行逐一测定，这样两个不同断面在测定中存在一定的时间差。由于井下空气并不是严格的稳定流，测完i断面处静压再去测j断面处时，断面处的静压很有可能已经发生了变化，故引入了K2（P0i-P0j）项来对K1（Pi-Pj）项由于时间差引起的误差进行修正。但这种修正仍然不能将误差完全消除，原因是K2（P0i-P0j）中是P0i，P0j记录的与i，j同时刻测量的井口的大气压力，用测定i，j时的时间差内大气压力的变化来代替测定断面j时，断面i处静压在该时间差内的变化量。这种等效代替的前提是不考虑地面大气压力对井下断面处静压的滞后和衰减影响，而这种静压传递的滞后性和衰减性是不可避免的，尤其在距离井口较远的测点处，这种滞后和衰减现象更加明显，故使用该方法存在有不可消除的误差。

人们针对这种现象对该方法进行了一定的改进：随着测点离井口位置距离的不断加大，在测定过程中随着测点的推进不断更换基点的位置[11]，通常会在在进风井口、采区下部车场附近、总回风巷入口附近先后设立3个基点,实行多基点测定,以弥补基点法本身的缺陷。但是，该方法效果并不显著，有时反而产生更大误差。

2.2.3气压计同步测定法

气压计同步测定法则弥补了基点测定法的不足，公式（3）中K2（Pi-Pj）为不同时刻断面i，j间的静压差，K1（P0i-P0 j）为该断时间差内断面i处静压变化量。但是该方法同样由于操作过于繁琐而不常使用。

2.3井下空气扰动对阻力测定的影响

测定环境的改变是气压计基点测定法产生误差的主要诱因。在大量现场操作的过程中，我们发现通风阻力测定过程中对其测定结果影响最大的因素是测定环境的剧烈变化。这里所说的测定环境的改变主要是指：地面大气压力的变化、主要通风机运行状况的变化、矿井运输设备的移动带来的空气扰动、风门随机的开关带来的井下参数的剧烈变化、矿井发生灾变带来的井下参数的剧烈变化、成群结队的人员走动对空气的扰动等。

因此，矿井通风阻力的测定工作，一般选择在井下风流比较稳定的时期，尽管如此，还是很难控制空气扰动对阻力测定的影响。针对这种现象，王树刚等人提出了空气非定常流动能量方程在阻力测定中的应用[12-13]，对矿井生产过程中由于空气扰动产生的压力脉冲值进行观测，用观测值来修正原有的阻力测定结果。

2.4其它因素误差分析

除了上文介绍的理论误差和不同测定方法存在的自身误差外，阻力测定过程中还有许多因素会影响测定结果[14]，概括起来主要有以下几个方面：

1）仪器误差：在测定过程中如果条件允许尽量使用精度较高的仪器，保证同类仪器具有相同的精度和漂移性能。

2）操作误差：测定过程中会有大量的人工操作过程，在测定中要确保操作的准确性。

3）测定节点的选择误差：在满足要求的前提下节点应尽量选择在标高确定的位置处；由于风流汇合或分流都会产生涡旋,对于处在交叉点附近的测点,应避开涡旋。

3　结论

1）矿井风流是可压缩的，并且风流的能量不仅包括压能、动能、位能组成的机械能，还应该包括自身内（热）能，本文提出利用公式（5）（6）来代替传统的（1）（2）（3）计算公式，这样能使阻力测定结果更加精确，并且公式（5）（6）中的各个变量易于测定，因此比传统的阻力计算公式更加符合工程实际。

2）三种测定方法对比发现：倾斜压差计法最为精确，但是操作也最复杂；气压计基点测定法操作最为简便，但是在矿井较深、测定路线较长的情况下存在严重的自身误差；气压计同步测定法精度和操作的难易度介于上面两种方法之间，但是操作较为繁琐。

3）测定环境的改变即井下空气的扰动能够对矿井通风阻力的测定结果产生较大误差，应该严格控制并提出相应的改进措施。

4）为了确保测定工作的准确性，还应从仪器选择与校正、人员操作、测点、基点选择等多方面入手。

矿井通风阻力测定是一项看似简单实则繁琐的过程，只有严格控制测定工作中的每一环节才能确保测定工作的准确性，才能使测定结果能够真正起到其应有的作用。

参考文献：

[1]国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程2010版[S].北京：煤炭工业出版社，2010.

[2]国家安全生产监督管理总局.MT/T440- 2008.矿井通风阻力测定方法[S].北京：煤炭工业出版社，2010.

[3]赵凯华，罗蔚茵.热学[M].北京:高等教育出版社，1998.

[4]潘文全.流体力学基础[M].北京:清华大学出版社，1988.

[5]马逸吟.关于矿井通风学中的伯努利方程[J].淮南矿业学院学报，1983（1）:74- 85.

[6]周心权,吴兵,杜红兵.矿井通风基本概念的理论基础分析[J].中国矿业大学学报，2003（2）:30- 34.

[7]张国枢.通风安全学[M].徐州:中国矿业大学出版社，2000.

[8]牛国庆.矿井通风阻力的热力学计算[J].焦作工学院学报（自然科学版），2001（2）:84- 86.

[9]曲方，刘克功，李迎业，等.气压计基点法测定矿井通风阻力的误差分析及基点位置的选择[J].煤矿安全,2004(6):10- 12.

[10]唐辉雄，赵伏军，张柏，等.基点气压计法在矿井通风阻力测定中的分析[J].煤，2014（5）:50- 53.

[11]柳忠起.对用动基点法和定基点法测定矿井通风阻力的比较[J].山西煤炭，1999（4）:22- 25.

[12]王树刚，刘宝勇，刘淑娟.矿内空气非定常流动数值模拟分析[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版，2000（5）:449- 453.

[13]王树刚，刘宝勇，刘贵文.矿内空气非定常流动能量方程及在测阻中的应用[J].矿业安全与环保，2001（1）:28- 30.

[14]张树川.矿井通风系统阻力测定方法及误差分析[J].矿业安全与环保，2014（2）:93- 96.

（编辑：樊敏）

Error Analysis and Control of Resistance Measurement of Ventilation in Mines

ZHOU Jinxiang1,2, WANG Fei1, LIU Hongwei1
(1. College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. Luyukou Mine, Taiyuan Coal Gasification Group, Taiyuan 030203, China)

Abstract:Bigger errors exist in the resistance measurement of ventilation in mines. To solve the problem, combined with abundant field operations, the errors were analyzed and corresponding control measures were proposed to realize the error control in terms of theory, method, equipment, operation, and selection of measurement points, and finally to ensure the accuracy and the practical effects of the measurement.

Keywords:ventilation resistance; energyequation; error analysis; air turbulence

作者简介：周金祥（1963-），男，江苏张家港人，在读工程硕士，高级工程师，从事煤炭生产经营管理。

收稿日期：2015- 09- 15

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.003

文章编号：1672- 5050（2016）01- 0008- 04

中图分类号：TD72

文献标识码：A