矿井通风阻力测定技术发展现状及趋势

2019-08-05张士岭

煤矿安全 2019年6期

张士岭

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039）

矿井通风阻力测定是一项非常复杂的工作，通常包括前期通风系统调研、路线测点选择、测定仪器仪表准备、井下测试以及后期数据处理及报告输出等[1-3]。由于受仪器的精度与可靠性、测定方法、自然环境、井下生产作业、以及测点选择等多方面的因素的影响，通风阻力实际测定中一般很难测准，甚至在数据处理中出现某些测段阻力为负值的情况，最后不得不对数据进行人为调整。通过对我国通风阻力测定技术现状的分析，提出了从测定方法改进、设备智能化等方面提高通风阻力测定准确性的发展方向。

1 通风阻力测定方法现状

目前依据测量设备的不同，测定通风阻力方法分为3种：利用气压计的同步测定法和基点测定法，利用压差计的倾斜压差计法[1]。

1.1 压差计法

压差计法是通过测量风流2点间的势能差和动压差，二者之和即为两测点间的通风阻力[4]。虽然测量结果相对准确，数据处理工作简单，但现场需要铺设胶皮管，操作繁琐，劳动量大、耗时长，现已较少采用。

1.2 气压计基点法

基点法又称逐点测定法，准备2台同型号气压计，1＃气压计作为基点监视进风井口大气压力变化，2＃气压计按顺序依次测出各测点的的绝对静压[5]。结合各测点的风流速度、断面尺寸、干湿球温度等参数，最后计算出静压能、动能及势能差值求出通风阻力。

通风阻力计算公式中的静压、速度和空气密度等是在测定区间不同时间的测定值，在井下风流是严格定常流，测定时间内不考虑地面大气压力滞后等因素的影响条件下，方程中的能量差就准确反映了测定区间的通风阻力。但地面大气压与井下风流实际上是不稳定的，这样测点读数的不同时，必然产生测定过程中误差，这是基点法本身所导致的[6-7]。

位压差项主要由标高决定。通风阻力测定中通常由地质部门提供标高，由于标高提供的不完整或不准确甚至会导致部分测定段的阻力出现负值，对位压差的精确度有着严重的影响。基点法测定省时省力，数据整理比较简单，其测定结果能够满足矿井一般性要求，适用于全矿井复杂通风系统阻力测定，应用较为普遍。

1.3 气压计同步测定法

也叫双测点同时测定法，与基点法同样受标高的影响比较大。如选2台精度和性能相同的气压计，则地面气压变化和其他外部因素的影响可以有效避免。测定过程由于2台气压计读数的同时性，配合与联系较困难，比较费时。该方法适合于小范围通风阻力测定，不适合较复杂大范围的阻力测定[8]。

2 通风阻力测定设备现状

通风阻力测定设备的发展经历了3代：模拟式、数字式和智能型检测仪表[9]。

2.1 模拟式仪表

1）机械风表。根据不同测风原理将常用的通风阻力测风仪表分为3大类：电子翼式、热效式、机械翼式[10]。目前最普遍使用的是机械翼式，因为受风表摩擦力与转动部件的惯性等影响因素，翼轮的实际转速并不等于真实风速，需要校正，并受身体占用巷道断面面积导致风速增大的影响[11]。因此风速需多次换算校正，误差较大。测量过程需携带低、中、高3种不同量程的风表，并需秒表计时，过程繁琐复杂。

2）BJ-1型空盒气压计。BJ-1型空盒气压计属于模拟式检测仪表范畴，最终以指针的运动来显示测量结果。BJ-1型气空盒压计采用应变式压力传感器，相对压力测量分辨率1 Pa，绝对压力测量分辨率10 Pa，测量精度不高，启动较慢，需预热20～30 min，功能单一，现已较少采用。

2.2 数字式仪表

JFY-4型矿井通风参数检测仪是精密手持便携式仪器，支持井下相对压力、绝对压力、风速、湿度以及温度多种参数测定，绝对气压测量分辨率为100 Pa，相对气压测量分辨率为10 Pa[12]。该仪器同时支持多种通风参数，有助于提升测定参数的方便性，但压力测定精度低，难以满足通风阻力测定的高精度要求。

虽然数字式检测仪表相对于模拟式给人以直观的感觉，响应速度也提高很多，但不具备记忆、数据分析、可程控以及与计算机、智能设备互联等功能。

2.3 智能检测仪表

随着移动互联网与人工智能技术的迅速发展，我国最新研制出了CPD120风压表、CFD15型高精度风速仪等智能化仪表仪器。

1）CPD120风压表。CPD120风压表是我国最新型的智能气压测定仪表，CPD120风压表结构图如图1，传感器采用美国MENSOR硅谐振式原理，比硅基压阻式和电容式传感器有更优良的性能指标[13-14]，绝对压力分辨率精确至1 Pa，同时便于与计算机连接，构成高精度的智能化测量系统。CPD120风压表具有自动记忆存储功能，将测定的时间与压力值通过内置无线传输模块上传至计算机，减轻了井下测量记录的工作，并可利用配套软件对数据整理分析。

图1 CPD120风压表结构图

2）CFD15型高精度测风仪。CFD15型高精度测风仪是最新研制的手持式风速风向测定仪表，利用超声波在顺风和逆风条件下的传播速度不同的测速原理[15]。这种测量方法与机械风表相比反映速度块，精度高，无机械磨损，启动风速低至0.1 m/s，分辨率为0.01 m/s。针对井下风流湍流流动的速度脉动特征，CFD15风速仪支持平均风速和瞬时风速2种测量模式，其中平均风速模式可测量任一路线、任一时间段内的平均风速。相对于传统的检测仪表一般只能对某一特征参数进行测量的功能单一缺点，增添了大气压、湿度、温度等多个通道、多个参数测量，属于多功能智能化通风安全检测仪表。

3）CFZZ4通风阻力测定仪。CFZZ4通风阻力测定仪是近年发展起来的多功能通风参数检测仪，采用奥地利热膜式风速变送器，内置瑞士温湿度传感器与高精度大气压采集器[16]。支持矿井静压、风速、湿度、温度测量和数据存储，基点气压测量可通过设定时间间隔自动记录。通过USB接口与计算机进行数据传输，并通过配套软件自动对通风阻力相关数据进行分析计算，简化了后期数据处理工作。

3 通风阻力测定结果分析现状

矿井通风阻力测定结果主要反映地是计算通风系统总阻力、测点之间的阻力以及评价矿井通风难易程度。

3.1 通风系统阻力

将通风阻力测定路线所含测段通风阻力累加可得矿井通风系统总阻力公式：

式中：n为测定路线总测点数；hZ为通风系统总阻力，Pa；k′、k″为测点气压计、基点气压计的校正系数；pq、pm为起始测点、末尾测点处的绝对静压，为与起、末测点对应时刻的基点气压值，Pa；ρi、ρi＋1、ρq、ρm为 i、i＋1、起、末测点处空气密度，kg/m3；vq、vm为起、末测点处的平均风速，m/s；Zi、Zi+1为 i、i＋1 测点处的标高，m；g为重力加速度，m/s2。

在计算总通风阻力式（1）中，静压差项中间测点的静压、动压被消去，只剩起点与末点的静压值，速压差项也同样如此。由于井下空气密度变化不大，位压在累加中也会将由于中间测段某些标高值的不准确带来的误差抵消掉一部分。因此系统总阻力相对误差是可以控制在一定范围的，但是各测段的通风阻力则往往与实际相差较大，甚至出现负值，严重影响分段巷道阻力的计算。

3.2 等积孔

计算等积孔是通风阻力测定结果分析的重要内容，也是评价矿井通风难易程度的重要标准[17-18]。近年来，等积孔分级方法面临不适应现代矿井的问题，出现矿井等积孔面积大于2 m2的条件下，井下通风实际处于困难时期的现象。究其原因，现代矿井通风路线不断增长和需风量大幅度增大，而等积孔面积与风量呈正比，在矿井通风阻力不超过2 940 Pa的要求下，风量超过10 000 m3/min时，任何情况下，等积孔面积总是大于2 m2，都属于通风容易，导致了等积孔原计算标准相对失效。

针对等积孔指标失效的问题，国内外专家学者进行了广泛的研究。赵以蕙认为风量与等积孔之间是一种强相关关系，应根据不同的条件确定等积孔的上下限，并推导出了等积孔的修正公式[19]。胡朝仕等提出了不同风量范围内新等积孔分级标准[20]。由于矿井通风的影响因素较多，目前仍没有一个能够准确衡量矿井通风难易程度的指标。

4 发展趋势

4.1 测定方法

基点气压计测定法因为过程简单、易操作，应用越来越普遍。针对气压计基点法中井下产生的空气扰动，可通过非定常能量方程在阻力测定中的应用，通过观测扰动源下的压力脉冲振幅对对静压波动进行修正[21]。考虑到井下路线各测点随地面大气压变化非同步性，利用比值修正法或深度修正法，采用测点压力值与地面压力值的比值或通过矿井深度的不同对地面大气压力引起的压力变化进行修正。利用动基点或多基点法也是气压计测定发展的方向之一，不同的基点设置在不同的测段内，动态的修正测点压力值，在一定程度上消除风流不稳定对测点气压的影响。

井下实际测定工作中，现场操作经验同样是不可忽视的一方面。井下测量中应时刻监视路线上测点静压的变化，在平巷中，从进风到回风沿着测风路线，在速度变化不大的条件下，静压值应该逐渐减小，若发现有增大的现象，应及时校验。遇到坡度较大测段应在图上予以标注，以便到地面对标高变化准确确定，减少各测段误差的出现。

4.2 仪器仪表

仪器仪表的发展由模拟化、数字化转向智能化。随着人工智能的发展和应用，使其能够自动对外界各种信息进行检测、采集、处理以及自我诊断，在测量多种参数同时，还可以对这些参数进行处理和评价。利用发展的物联网技术实现仪器仪表与计算机、智能设备的互联，同时为通风网络动态解算、风网在线监测、智能通风在线提供风量、风阻、断面。