礦山回風井風量的間接測定裝置設計研究

伍海亮 黃壽元

(1.南京梅山冶金發展有限公司礦業分公司，江蘇 南京 210041；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000)

風量測量方法主要有機械式、電子式傳感器及靜壓差法測定[1-2]，其檢測儀表及測定技術得到不斷改進。如彭云[3]提出一種可實現多參數自動測量的礦井風量檢測儀的設計方案，采用超聲波探頭、超聲波時差法測量井巷風速，激光脈沖法測量巷道斷面積，但是該電子式風量檢測儀在礦井環境中實用性、準確性有待驗證；劉禹[4]設計了多聲道超聲時差法的煤礦主通風機風量監測系統，但風量監測儀表仍是電子式傳感器，受礦井回風井回風粉塵、潮濕水霧影響。礦井回風井風量監測采用機械式的靜壓差法比較實用可靠，將感壓部分與電子式儀表分開，防止回風井水霧對電子式儀表的影響。如徐州博聯科技有限公司的“雙均靜壓環風量檢測儀”采用2個靜壓環，測定2點靜壓差，由可編程控制系統接收靜壓差信號并加以運算便可計算出風量，但是該方案僅適用于地表有風機情況，且只能測定靜壓參數。

礦井通風系統進回風量測定是通風系統測定的基本內容[5]，礦井回風井風量測定傳統的方法是采用電子式或機械式風速儀表在井下、井口或井下井口同時測定。對于建立了通風在線監測系統的礦山則在回風井筒內(井口無風機)或地表(井口有風機)出風段布置傳統風速傳感器監測風量[6-7]。人工測定費時費力，且井口人工測定風量存在跌落風井安全風險及受礦井污風危害測定人員職業健康，采用井口自動監測風量卻存在含水霧礦井回風影響電子式風量監測儀表測定精度、使用壽命等一系列問題。本研究基于礦井風量檢測的基本原理，并結合回風井風量檢測的特殊性，設計了一套間接測定回風井風量的裝置，通過直接測定該通風斷面的靜壓及全壓(包括靜壓及動壓)，設置簡單實用的U型管測壓組件與壓力傳感器互為冗余，感壓部分與數據處理器獨立，并既滿足通風技術人員通風現場日常巡檢要求，又能滿足礦井通風系統的遠程集中監控管理，同時提高了通風在線監測系統的穩定可靠性及經濟性。

1 風量檢測裝置結構設計研究

1.1 裝置結構設計

間接測定礦井回風井風量裝置的結構示意見圖1。

圖1 間接測定礦井回風井風量裝置的結構1—外環；2—中間環；2′—內環；3—感靜壓孔；4—感全壓孔； 5—感全壓短立管；6—固定桿；7—聯通管；8—導靜壓接口； 9—導全壓接口；10—靜壓導壓軟管；10′—全壓導壓軟管； 11—靜壓三通；11′—全壓三通；12—靜壓U型管； 12＇—全壓U型管；13—靜壓壓力傳感器； 13＇—全壓壓力傳感器；14—通風在線監測系統

由圖1可以看出，間接測定礦井回風井風量的裝置是由感壓與導壓組件、測壓組件、通風在線監測系統連接組合構成。

感壓與導壓組件包括位于同一平面并與井筒內風流方向垂直的外環、中間環、內環，外環、中間環、內環水平安裝于距離井口1～2 m的回風井筒內，避免因太靠近井口其風流風壓不穩定影響數據準確性，同時減小靜壓導壓軟管、全壓導壓軟管壓力傳遞至測壓裝置因高差帶來的靜壓變化。外環為靜壓環，外環與井筒壁面可采用支架固定并布置在距離回風井井筒壁面200 mm左右，外環的內側側面設有4個感靜壓孔感應靜壓，感靜壓孔按90°均勻交叉分布，根據井筒內風速從壁面至井筒中心逐漸增大的特點，通風工程中以井筒通風斷面上的平均風速計算風量。

中間環、內環為2個全壓環，全壓環的內環布置在距離回風井井筒中心距離300 mm以上，以300～400 mm為宜。中間環將內環與外環所圍面積等分，在中間環、內環的底部分別開設有4個感全壓孔，分別按90°均勻并交叉布置，8個感全壓孔再各自連接感全壓短立管感應全壓即動壓與靜壓，以得到平均風速計算風量。

中間環與內環之間通過聯通管導通連接并固定，中間環再通過固定桿與外環連接固定而不聯通；在外環上設置導靜壓接口，在中間環上設置導全壓接口。

測壓組件由帶刻度的靜壓U型管、全壓U型管、靜壓壓力傳感器、全壓壓力傳感器、靜壓三通、全壓三通構成；靜壓三通的進口通過靜壓導壓軟管與導靜壓接口聯通，靜壓三通的2個出口分別與靜壓U型管的一端、靜壓壓力傳感器的一個接口聯通；全壓三通的進口通過全壓導壓軟管與導全壓接口聯通，全壓三通的2個出口分別與全壓U型管的一端、全壓壓力傳感器的一個接口聯通；靜壓壓力傳感器、全壓壓力傳感器再分別與通風在線監測系統連接。全壓U型管的另一端、靜壓U型管的另一端及全壓壓力傳感器的另一個接口、靜壓壓力傳感器的另一個接口均與大氣相通。

靜壓導壓軟管、全壓導壓軟管均采用耐腐蝕的膠皮軟管。外環、中間環、內環、 感全壓短立管等部件材質采用細銅管或者鋼管材料。

為了保證全壓中動壓感應的準確性，必須保證該裝置的感全壓短立管與風流方向垂直，外環、中間環、內環均保持水平安裝，以提高測定精度，減少測定誤差。

對于回風井為方形井筒，其整套裝置類似，將感壓、導壓組件中的外環、中間環及內環改為方形截面，四邊中點布設感壓孔，測壓組件不變。

1.2 裝置結構參數

礦井回風井風量測量裝置的結構參數：①外環、中間環、內環內徑相同，均為20～40 mm；②感靜壓孔與感全壓孔內徑相同，均為5～10 mm；③感全壓短立管內徑與感全壓孔的孔徑相同，感全壓短立管的長度20～40 mm；④導靜壓接口、導全壓接口內徑均為6～10 mm，靜壓導壓軟管、全壓導壓軟管的內徑相同，均為4～8 mm。

2 風量檢測方法

通風現場直接讀取靜壓U型管、全壓U型管內的水柱差，即全壓U型管內兩側的水柱高度差H1，靜壓U型管內兩側的水柱高度差H2。而對于風井的斷面尺寸S是固定不變的。結合流體力學中風流全壓和靜壓、動壓三者之間的數學關系可以推導出簡單實用的風量計算公式。推導過程如下：

同理，對于壓力傳感器的壓力信號可遠傳至通風在線監測系統，利用上述風量計算關系式，在線實時監測風量，其數據可以與目前礦山的“六大系統”對接，實現礦井通風系統的遠程集中監控管理。

3 結 論

(1)設計研究的礦井回風井風量測定裝置通過在井筒斷面內均勻環形布置感壓點，全壓及靜壓數據準確，裝置結構簡單，操作方便、實用性強，風量計算公式簡單易懂，適合于礦山通風技術人員理解掌握。

(2)現場設置帶刻度U型管及壓力傳感器，并將壓力信號遠傳至通風在線監測系統，其數據可與目前礦山的“六大系統”對接，既能滿足通風技術人員通風現場日常巡檢要求，又能滿足礦井通風系統的遠程集中監控管理。

(3)相對設置風速傳感器的通風在線監測系統省去了風速傳感器的設置，增設簡單實用的U型管測壓組件與壓力傳感器互為冗余，感壓部分與數據處理器獨立，進一步提高通風在線監測系統的可靠穩定性及經濟性。

(4)結合我礦通風系統情況以及即將開展的回風井除霧工程項目，擬定采用該設計裝置，進行回風井風量檢測，與年度通風系統檢測數據進行比較對照，為除霧系統工藝設計提供處理風量基礎數據。

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