精准测风措施在通风阻力测定中的研究与应用

曹卫星 郭玉印 赵文彬

(1.山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤电，山东 汶上 272502；

2.山东科技大学，山东 青岛 266590)

准确掌握矿井通风阻力是煤矿通风技术管理工作的重要内容之一。矿井通风阻力对矿井通风系统、矿井安全生产和经济效益有重要影响。准确测定通风阻力，了解矿井通风系统通风阻力的大小和分布，可为进一步改善矿井通风条件、降低通风阻力、降低能耗提供依据。测量矿井巷道的摩擦阻力系数和风阻值，可为矿井通风设计、优化和调节风压以及矿井防灭火提供科学依据[1]。

1 风流不稳定性分析

1.1 风流特点分析

当风流在巷道中流动时，不同的流速将形成不同的流动状态。一个是流体颗粒彼此不混合，并且沿平行于管轴的方向进行分层运动，被称为层流。一个是流体颗粒的速度在尺寸和方向上随时变化，并且变成彼此混合的湍流，称为湍流。层流不利于矿井中有害气体的管理，因此矿井风流中不允许层流中的风流。由于空气的粘度和轴的壁表面的摩擦，道路截面上的风速分布是不均匀的。在壁附近仍然存在层流薄层，即层流层。在层流层之外，风速从车道壁逐渐增加到车道轴线，形成抛物线分布。受矿井的横截面形状和支撑形式的影响，以及局部阻力的存在，最大风速不一定在井内。在车道轴线上，风速分布不一定是对称的[1]。

1.2 风流测定影响因素分析

1.2.1 测定方法对比分析

在测定矿井通风阻力过程中，选取合适的测定方法，可以大大提高测量精度，并能使测定工作更加方便快捷。几种常用的测定方法如下:

（1）压差计法

压差计法是采用矿用压差计、测压管和胶皮管相结合的方式来测定巷道开始和结束时断面的风流的静压差，同时确定其他相关参数来计算巷道通风阻力。

（2）气压计法

气压计法是使用精密数字气压计分别测定巷道开始和结束时断面风流的静压，同时测量计算干湿温度、巷道断面以及风速等相关参数。考虑在测定过程中大气压力变化等因素的影响，又分为逐点法和两点同时法测定静压力。

① 逐点法

逐点法是使用相同的精密气压计分别测得断面1-1、断面2-2 的静压p1、p2，同时另外一台气压计设在固定点（基点）用于监测在测量过程中气压、温度等因素引起的压力变化。

② 两点同时法

两点同时法是使用两台精密数字气压计同时对断面1-1、断面2-2 的静压p1、p2[2]进行测定。

针对不同的情况，三种方法各有利弊，为更精准测得通风阻力，需恰当选取。现对三种方法优缺点进行比较，如表1 所示。

表1 通风阻力测定方法优缺点比较

1.2.2 外界环境对精准测风的影响

外界环境的改变是影响基点测定法产生误差的主要原因。在现场实际测定的过程中，环境剧烈的变化是影响测定结果的主要因素，其中包括：风门的突然打开和关闭、人员的走动、设备的运输，这些因素使周围空气流动产生变化，影响静压能和动能，从而使测量结果产生较大的误差。

1.2.3 其他因素的影响

除上述两种因素影响测风的精度以外，在测风的过程中还有许多因素会影响其精度，主要包括以下几个方面：

（1）设备问题。目前国内测风设备种类繁多，设备水平参差不齐，而井下环境相对复杂，对设备精度是一个巨大的考验。在设备使用之前应先对其进行校验，确定其误差在允许的范围之内，避免引起较大的误差。

（2）标高误差。此误差主要针对一些测点的标高值不确定而导致某段的通风阻力计算错误的现象[4]。

（3）基点位置的选择。选择不同的基点位置，对静压结果会产生不同的影响。应避免将基点位置设在受外界环境因素影响而变化较大的区域[5]。

（4）人为因素。人的测量技术水平以及疲劳会导致注意力不集中等因素，从而影响原始数据的准确性。

（5）尽量避免活塞风、喷淋系统开启、爆破等因素影响。

2 提高测风精度的措施

（1）从测定方法选取考虑

采用逐点法时应根据大气压变化来修正能量方程[2]：

式中：

Δp12-由基点气压计监测的大气压引起的压力变化。

运用两点同时法时应根据大气压变化来修正能量方程：

式中：

ΔB12-两仪器的初始读数之差。

在测风过程中，应尽量选择人员少，当设备进行检修、维护时，应尽可能在1d 内完成，以避免设备由于运输、人员操作和风门的开关而造成测量误差。

（2）合理地进行测点布置

应尽量将测点布置在标高确定的位置上。对于测点选择在未知标高的测点，应根据上下位置的标高进行推算。

（3）选择合理的测风位置

在测风过程中，应尽量避免人员走动。对于风速变化大的巷道或区域，应进行多次测量，取其平均值，减小误差。

图1 CPD120 型矿用携带式气压测定器

图2 干湿温度计

（4）选择先进的仪器

选择先进的测量仪器，如图1、图2 所示，能够在测量过程中起到事半功倍的效果。先进的测量仪器不仅能够加快测量速度，还能够在以后的计算过程中加快进度，减少失误，从而降低测算误差。

3 精准测风应用

3.1 测定方法

结合阳城煤矿实际情况，采用逐点法和两点同时法进行测定，对测量结果误差进行分析比较。

3.2 测定路线和测点的选取

测定路线要选择风量较大、通过回采工作面的主要风流方向、路线较长且路线内有多种井巷类型和支护方式的路线。

测定路线：副井→井底车场→-312 轨道石门→轨道暗斜井→-650 轨道石门→三采区轨道下山→3306 工作面→三采区皮带下山→-650 回风石门→回风暗斜井→回风井。

根据MT/T440-2008《矿井通风阻力测定方法》的要求：（1）选择的测定路线要包含矿井阻力最大风流路线；（2）测点应布置在巷道分风点或风流交汇前(或后)处；（3）测点前后3m 范围内巷道支护情况良好，无杂物堆积且两测点间无分风点或风流交汇点。根据测点的测量布置要求，在主测风线路上共布置28 个测点。

3.3 通风阻力结果计算

3.3.1 主要计算参数

（1）巷道通风阻力

式（1）、（2）中，p1和p2分别代表两个断面处的静压；v1和v2分别是两点的测量风速；ρ1和ρ2分别是两点的密度；g 代表重力加速度；Z1和Z2分别为两点的测量标高。

（2）矿井通风总阻力

式中：

j-巷道号，j=1，2，……，n；

n-主测路线的测段数；

HRm-矿井通风总阻力，Pa；

hrj-第j 测段的通风阻力，Pa。

（3）矿井自然风压

式中：

ρ0-地面空气平均密度，kg/m3；

z0-风硐测压处标高与进风井口标高之差，m；

hzj-第j 测段的位压差，Pa。

（4）相对误差

式中：

δ-通风系统阻力测定的相对误差，%；

∑hi-矿井通风的总阻力，Pa；

hr-通风阻力值，Pa。

（5）矿井通风系统阻力hr

式中：

h硐-风机房相对静压值，Pa；

h硐速-风硐处速压平均值，Pa；

h自-自然风压，Pa。

3.3.2 计算结果及其校核

（1）通风阻力计算结果

通过对通风测定工作进行调节，基点法和两点同时法分别测算通风阻力为2636.2 Pa、2671.29 Pa。

（2）结果校核

经过计算，本次测定通风阻力相对误差为1.6%和2.0%，两种方法的测算误差远小于5%，两点同时法的实测数据具有较高的精度。

4 结论

通过实施精准测风措施，大大提高了通风阻力测定的准确性，能够实现矿井的精确测风，为以后的矿井通风管理工作打下了坚实的基础。