通風(fēng)阻力測(cè)定方法分析

崔景昆 付明明 王月星 陳志彬 武江河 洛 鋒

(河北工程大學(xué),河北省邯鄲市,056038)

通風(fēng)阻力測(cè)定方法分析

崔景昆 付明明 王月星 陳志彬 武江河 洛 鋒

(河北工程大學(xué),河北省邯鄲市,056038)

分析了現(xiàn)階段各種測(cè)定通風(fēng)阻力方法的優(yōu)缺點(diǎn),提出了壓差計(jì)法和基點(diǎn)法結(jié)合使用的新方法。通過對(duì)邯鄲礦業(yè)集團(tuán)陶一礦通風(fēng)阻力測(cè)定和數(shù)據(jù)處理,最終表明,將壓差計(jì)法和基點(diǎn)法結(jié)合使用,不僅能夠減小測(cè)定數(shù)據(jù)的誤差,而且能夠解決井筒和積水處的通風(fēng)阻力測(cè)定問題。

通風(fēng)系統(tǒng) 通風(fēng)阻力 壓差計(jì)法 比值校正法 基點(diǎn)法

礦井通風(fēng)阻力是衡量礦井通風(fēng)狀況的主要指標(biāo),通風(fēng)阻力產(chǎn)生的原因是空氣沿巷道流動(dòng)時(shí),由于風(fēng)流分子粘滯性和慣性及巷道壁面的粗糙性,對(duì)風(fēng)流的阻滯、擾動(dòng)作用而形成通風(fēng)阻力,造成風(fēng)流損失。依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定:新建礦井在投產(chǎn)前必須進(jìn)行一次通風(fēng)阻力測(cè)定,以后每3年至少測(cè)1次。礦井新水平生產(chǎn)或改變一翼通風(fēng)系統(tǒng)后,必須重新進(jìn)行通風(fēng)阻力測(cè)定。目前所采用的阻力測(cè)定方法主要是壓差計(jì)法和基點(diǎn)法,但是這兩種方法都有局限性。

1 通風(fēng)阻力測(cè)定方法

1.1 比值校正法

比值校正法的基本原理是在地面井口附近設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),測(cè)定地面氣壓在一定時(shí)間Δt內(nèi)的變化量ΔP0,由此對(duì)井下測(cè)點(diǎn)i處氣壓計(jì)測(cè)得的靜壓在同一時(shí)間內(nèi)的變化值進(jìn)行校正。

1.2 壓差計(jì)法

壓差計(jì)法的基本原理是在巷道的前后兩測(cè)點(diǎn)各設(shè)置一個(gè)皮托管,用膠管把前后兩測(cè)點(diǎn)連接起來,用壓差計(jì)測(cè)量前后兩測(cè)點(diǎn)的壓差,用風(fēng)速表測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速,通過壓差和速壓求和計(jì)算,可得出該段巷道的阻力。

1.3 基點(diǎn)法

基點(diǎn)法的基本原理是用氣壓計(jì)測(cè)量出巷道風(fēng)流前后兩測(cè)點(diǎn)的靜壓差,同時(shí)測(cè)量測(cè)段內(nèi)巷道風(fēng)速、斷面積、干濕溫度等參數(shù),從而計(jì)算出兩測(cè)點(diǎn)間的通風(fēng)阻力。具體作法是利用2臺(tái)氣壓計(jì),1臺(tái)設(shè)在井上,1臺(tái)設(shè)在井下,井上固定在入風(fēng)井口的基點(diǎn)上,監(jiān)測(cè)地面大氣壓的變化,井下沿測(cè)定路線巡回測(cè)定。其測(cè)定結(jié)果能夠滿足一般性要求。

2 測(cè)定方法優(yōu)缺點(diǎn)比較

三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),有的原理較為簡(jiǎn)單,易懂易操作,但是誤差較大;有的比較精準(zhǔn),但是測(cè)定過程復(fù)雜,而且受到現(xiàn)場(chǎng)條件限制。為更好地利用其優(yōu)點(diǎn),避免其缺陷造成的誤差,三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析,見表3。

表1 通風(fēng)阻力測(cè)定方法優(yōu)缺點(diǎn)比較

3 采用壓差計(jì)法測(cè)風(fēng)阻較為準(zhǔn)確的理論分析

3.1 公式推導(dǎo)

壓差計(jì)測(cè)風(fēng)阻中使用的U型管兩邊所承受的壓力之差為:

式中:hre——是酒精表面的傾斜距離,m;

δ——酒精的比重,0.81 kg/m3;

c——壓差計(jì)的精度校正系數(shù),Pa;

Ps1——1測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)靜壓,Pa;

Ps2——2測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)靜壓,Pa;

ρ′1-2——膠皮管內(nèi)空氣的平均密度,kg/m3;

Z——1、2測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高差,m;

β1——U型管傾角,(°)

g——空氣重力加速度,9.81 m2/s。

根據(jù)能量方程,知兩端面間的通風(fēng)阻力為:

式中:hr1-2——1、2測(cè)點(diǎn)間的巷道通風(fēng)阻力,Pa;

V1,V2——分別是起末端面的平均風(fēng)速,m/s;

ρ1——測(cè)點(diǎn)1處空氣密度,kg/m3。

ρ2——測(cè)點(diǎn)2處空氣密度,kg/m3。

ρ1-2——兩斷面間巷道內(nèi)的空氣密度平均值,kg/m3。

由于巷道內(nèi)的空氣進(jìn)入皮管內(nèi),則皮管內(nèi)和巷道內(nèi)的空氣密度平均值相等,因而皮管內(nèi)和巷道內(nèi)空氣柱產(chǎn)生的重力壓強(qiáng)相等,即:

由以上三式可得兩斷面間通風(fēng)阻力的測(cè)算式為:

3.2 公式分析

由上式可以看出,用壓差計(jì)法所測(cè)兩點(diǎn)間的讀數(shù)值是靜壓與位壓的總和,不是單純靜壓值,避免了在求取阻力時(shí),先將靜壓、位壓和速壓逐一單獨(dú)求出后,再相加求和,只需用所測(cè)讀數(shù)值與速壓相加即可,而速壓可根據(jù)風(fēng)速計(jì)算得到。由此得出,采用壓差計(jì)法所得的測(cè)量值與兩測(cè)點(diǎn)間的高差Z無關(guān),采用此種方法測(cè)算阻力,不受高差測(cè)定過程中產(chǎn)生的誤差影響。然而在現(xiàn)場(chǎng)巷道起伏和變形較大,巷道內(nèi)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高測(cè)量誤差是不可避免的。因此,為了避免測(cè)定高差帶來的誤差,應(yīng)盡可能采用測(cè)量準(zhǔn)確度較高的壓差計(jì)法進(jìn)行測(cè)定。

基點(diǎn)法中采用的精密氣壓計(jì)精度高,隨標(biāo)高變化靈敏,而且便于攜帶。基點(diǎn)法測(cè)量得到的直接數(shù)據(jù)是靜壓值,需要根據(jù)標(biāo)高求得位壓值,根據(jù)風(fēng)速求得速壓值,三者相加才能得到通風(fēng)阻力值。而且在測(cè)量標(biāo)高時(shí)流程繁瑣,存在不可避免的誤差,給氣壓計(jì)測(cè)量讀數(shù)造成影響。

同時(shí),壓差計(jì)法測(cè)算也有其局限性,在風(fēng)井井筒、存在積水地段和風(fēng)硐口等處無法鋪設(shè)皮托管測(cè)量,而且在積水較深的地方,水容易進(jìn)入皮托管,給讀數(shù)造成較大影響。因此,在這些局部位置,應(yīng)該用基點(diǎn)法來測(cè)得這些區(qū)域和地點(diǎn)的靜壓值。

綜上所述,壓差計(jì)法比較準(zhǔn)確,在巷道條件允許的情況下,應(yīng)予以采用,但是不能測(cè)到風(fēng)井、積水處等通風(fēng)測(cè)點(diǎn);基點(diǎn)法簡(jiǎn)便,可以在風(fēng)井、積水處使用。所以,將兩種方法結(jié)合使用,便可以彌補(bǔ)單一使用時(shí)的不足,也能使所得數(shù)據(jù)也更為合理。

4 綜合法測(cè)定礦井通風(fēng)阻力的實(shí)踐應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

邯鄲礦業(yè)集團(tuán)陶一礦位于邯鄲市西部,生產(chǎn)能力65萬t/a,礦井開采深度600 m,礦井通風(fēng)方式為中央邊界式通風(fēng),通風(fēng)方法為抽出式通風(fēng)。經(jīng)過分析確定礦井測(cè)定線路為:

主井→井底繞道→井底車場(chǎng)→集中下山→-85大巷→七采區(qū)泵房入口→七采區(qū)車場(chǎng)→七采區(qū)軌道坡頭→集中下山與六個(gè)連巷交叉口→工作面運(yùn)輸巷→12705采煤工作面→12705回風(fēng)巷→七采區(qū)回風(fēng)巷→瓦斯泵站→七采總回風(fēng)上山→風(fēng)井底→風(fēng)井→風(fēng)硐。

由于測(cè)定線路長(zhǎng),測(cè)量范圍大,而且總回風(fēng)巷部分路段積水較深,無法采用皮托管法測(cè)量;風(fēng)井和風(fēng)硐口附近也無法拉管測(cè)量,所以這些區(qū)域采用精密氣壓計(jì)法測(cè)量。但為確保測(cè)定數(shù)據(jù)盡可能精準(zhǔn),在其他地段巷道條件允許條件下,應(yīng)采用壓差計(jì)法測(cè)量。因此,最終采用了基點(diǎn)法和壓差計(jì)法相結(jié)合的方法進(jìn)行通風(fēng)阻力測(cè)定。

4.2 結(jié)果分析

礦井通風(fēng)阻力按下式計(jì)算:hr=∑hi=2367.23 Pa(通風(fēng)阻力P<2500 Pa,不是高阻礦井)。測(cè)定結(jié)果見表2。

表2 通風(fēng)阻力分布表

風(fēng)機(jī)房水柱計(jì)讀數(shù)為2300 Pa,經(jīng)計(jì)算動(dòng)壓為39.75 Pa,自然風(fēng)壓為36.0 Pa,理論計(jì)算通風(fēng)阻力為2300 Pa-39.75 Pa+36 Pa=2296.25 Pa。

風(fēng)井系統(tǒng)的絕對(duì)誤差:Δh=|2367.23 Pa-2296.25 Pa|=70.98 Pa

5 結(jié)論及建議

由礦井通風(fēng)阻力測(cè)定結(jié)果可以看出,礦井通風(fēng)阻力為2367.23 Pa,系統(tǒng)通風(fēng)阻力不高,系統(tǒng)通風(fēng)阻力至風(fēng)機(jī)最大靜壓工作風(fēng)阻尚有較大的儲(chǔ)備,表明礦井與風(fēng)機(jī)匹配較為合理,礦井通風(fēng)系統(tǒng)具備一定的穩(wěn)定性、可靠性和較強(qiáng)的抗災(zāi)變能力。

通風(fēng)系統(tǒng)總阻力為2367.23 Pa,其中進(jìn)風(fēng)段通風(fēng)阻力776.09 Pa,占系統(tǒng)總阻力的33%;用風(fēng)段阻力700.71Pa,占總阻力的30%;回風(fēng)段阻力890.43 Pa,占總阻力的37%。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,礦井進(jìn)風(fēng)、用風(fēng)段和回風(fēng)段通風(fēng)阻力的比例相近,說明礦井阻力分配較為合理。綜上數(shù)據(jù)可以看出,采用兩種方法相結(jié)合所測(cè)數(shù)據(jù)誤差小,符合規(guī)程規(guī)定,測(cè)定的數(shù)據(jù)更合理、可靠。

該礦具有礦井通風(fēng)線路長(zhǎng)、用風(fēng)地點(diǎn)多的特點(diǎn),建議把巷道普查、阻力測(cè)定、巷道修復(fù)和動(dòng)態(tài)調(diào)整做為通風(fēng)管理的一項(xiàng)內(nèi)容,以減小井巷局部阻力、減少礦井內(nèi)部漏風(fēng)、提高有效風(fēng)量,穩(wěn)定礦井通風(fēng)系統(tǒng),減少通風(fēng)成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 鮮林,高朋杰.礦井通風(fēng)阻力測(cè)定結(jié)果分析與對(duì)策措施[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2010(1)

[2] 黃顯東,劉志海.礦井通風(fēng)阻力測(cè)定方法及應(yīng)用[J].煤礦安全,2004(8)

[3] 黃元平.礦井通風(fēng)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003

[4] 林興,何海斌,王海峰.觀音堂煤業(yè)公司謝村風(fēng)井降阻分析[J].中州煤炭,2010(1)

Analysis on comprehensive methods for ventilation resistance measurement

Cui Jingkun,Fu Mingming,Wang Yuexing,Chen Zhibin,Wu Jianghe,Luo Feng
(Hebei University of Engineering,Handan,Hebei 056038,China)

The present measuring methods for ventilation resistance were comprehensively analyzed and the combination of differential pressure meter with base point method was used to measure the ventilation resistance.Through the measurement on ventilation resistance in Handan Mining Group such as Taoyi coal mine,the data showed that the combination of differential pressure meter with base point method not only decreased the error,but also solved the problems of ventilation resistance measurement in ventilation shaft and stagnant backwater.

ventilation system,ventilation resistance,differential pressure meter,ratio-rectifying algorithm,base point method

TD722

B

崔景昆(1960-),男,河北正定人,教授,碩士學(xué)位,河北工程大學(xué)資源學(xué)院礦業(yè)工程教研室主任,主要從事采煤新技術(shù)及三下采煤等方面的研究。

(責(zé)任編輯 梁子榮)