礦井通風阻力測定技術發展現狀及趨勢

張士嶺

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

礦井通風阻力測定是一項非常復雜的工作，通常包括前期通風系統調研、路線測點選擇、測定儀器儀表準備、井下測試以及后期數據處理及報告輸出等[1-3]。由于受儀器的精度與可靠性、測定方法、自然環境、井下生產作業、以及測點選擇等多方面的因素的影響，通風阻力實際測定中一般很難測準，甚至在數據處理中出現某些測段阻力為負值的情況，最后不得不對數據進行人為調整。通過對我國通風阻力測定技術現狀的分析，提出了從測定方法改進、設備智能化等方面提高通風阻力測定準確性的發展方向。

1 通風阻力測定方法現狀

目前依據測量設備的不同，測定通風阻力方法分為3種：利用氣壓計的同步測定法和基點測定法，利用壓差計的傾斜壓差計法[1]。

1.1 壓差計法

壓差計法是通過測量風流2點間的勢能差和動壓差，二者之和即為兩測點間的通風阻力[4]。雖然測量結果相對準確，數據處理工作簡單，但現場需要鋪設膠皮管，操作繁瑣，勞動量大、耗時長，現已較少采用。

1.2 氣壓計基點法

基點法又稱逐點測定法，準備2臺同型號氣壓計，1＃氣壓計作為基點監視進風井口大氣壓力變化，2＃氣壓計按順序依次測出各測點的的絕對靜壓[5]。結合各測點的風流速度、斷面尺寸、干濕球溫度等參數，最后計算出靜壓能、動能及勢能差值求出通風阻力。

通風阻力計算公式中的靜壓、速度和空氣密度等是在測定區間不同時間的測定值，在井下風流是嚴格定常流，測定時間內不考慮地面大氣壓力滯后等因素的影響條件下，方程中的能量差就準確反映了測定區間的通風阻力。但地面大氣壓與井下風流實際上是不穩定的，這樣測點讀數的不同時，必然產生測定過程中誤差，這是基點法本身所導致的[6-7]。

位壓差項主要由標高決定。通風阻力測定中通常由地質部門提供標高，由于標高提供的不完整或不準確甚至會導致部分測定段的阻力出現負值，對位壓差的精確度有著嚴重的影響。基點法測定省時省力，數據整理比較簡單，其測定結果能夠滿足礦井一般性要求，適用于全礦井復雜通風系統阻力測定，應用較為普遍。

1.3 氣壓計同步測定法

也叫雙測點同時測定法，與基點法同樣受標高的影響比較大。如選2臺精度和性能相同的氣壓計，則地面氣壓變化和其他外部因素的影響可以有效避免。測定過程由于2臺氣壓計讀數的同時性，配合與聯系較困難，比較費時。該方法適合于小范圍通風阻力測定，不適合較復雜大范圍的阻力測定[8]。

2 通風阻力測定設備現狀

通風阻力測定設備的發展經歷了3代：模擬式、數字式和智能型檢測儀表[9]。

2.1 模擬式儀表

1）機械風表。根據不同測風原理將常用的通風阻力測風儀表分為3大類：電子翼式、熱效式、機械翼式[10]。目前最普遍使用的是機械翼式，因為受風表摩擦力與轉動部件的慣性等影響因素，翼輪的實際轉速并不等于真實風速，需要校正，并受身體占用巷道斷面面積導致風速增大的影響[11]。因此風速需多次換算校正，誤差較大。測量過程需攜帶低、中、高3種不同量程的風表，并需秒表計時，過程繁瑣復雜。

2）BJ-1型空盒氣壓計。BJ-1型空盒氣壓計屬于模擬式檢測儀表范疇，最終以指針的運動來顯示測量結果。BJ-1型氣空盒壓計采用應變式壓力傳感器，相對壓力測量分辨率1 Pa，絕對壓力測量分辨率10 Pa，測量精度不高，啟動較慢，需預熱20～30 min，功能單一，現已較少采用。

2.2 數字式儀表

JFY-4型礦井通風參數檢測儀是精密手持便攜式儀器，支持井下相對壓力、絕對壓力、風速、濕度以及溫度多種參數測定，絕對氣壓測量分辨率為100 Pa，相對氣壓測量分辨率為10 Pa[12]。該儀器同時支持多種通風參數，有助于提升測定參數的方便性，但壓力測定精度低，難以滿足通風阻力測定的高精度要求。

雖然數字式檢測儀表相對于模擬式給人以直觀的感覺，響應速度也提高很多，但不具備記憶、數據分析、可程控以及與計算機、智能設備互聯等功能。

2.3 智能檢測儀表

隨著移動互聯網與人工智能技術的迅速發展，我國最新研制出了CPD120風壓表、CFD15型高精度風速儀等智能化儀表儀器。

1）CPD120風壓表。CPD120風壓表是我國最新型的智能氣壓測定儀表，CPD120風壓表結構圖如圖1，傳感器采用美國MENSOR硅諧振式原理，比硅基壓阻式和電容式傳感器有更優良的性能指標[13-14]，絕對壓力分辨率精確至1 Pa，同時便于與計算機連接，構成高精度的智能化測量系統。CPD120風壓表具有自動記憶存儲功能，將測定的時間與壓力值通過內置無線傳輸模塊上傳至計算機，減輕了井下測量記錄的工作，并可利用配套軟件對數據整理分析。

圖1 CPD120風壓表結構圖

2）CFD15型高精度測風儀。CFD15型高精度測風儀是最新研制的手持式風速風向測定儀表，利用超聲波在順風和逆風條件下的傳播速度不同的測速原理[15]。這種測量方法與機械風表相比反映速度塊，精度高，無機械磨損，啟動風速低至0.1 m/s，分辨率為0.01 m/s。針對井下風流湍流流動的速度脈動特征，CFD15風速儀支持平均風速和瞬時風速2種測量模式，其中平均風速模式可測量任一路線、任一時間段內的平均風速。相對于傳統的檢測儀表一般只能對某一特征參數進行測量的功能單一缺點，增添了大氣壓、濕度、溫度等多個通道、多個參數測量，屬于多功能智能化通風安全檢測儀表。

3）CFZZ4通風阻力測定儀。CFZZ4通風阻力測定儀是近年發展起來的多功能通風參數檢測儀，采用奧地利熱膜式風速變送器，內置瑞士溫濕度傳感器與高精度大氣壓采集器[16]。支持礦井靜壓、風速、濕度、溫度測量和數據存儲，基點氣壓測量可通過設定時間間隔自動記錄。通過USB接口與計算機進行數據傳輸，并通過配套軟件自動對通風阻力相關數據進行分析計算，簡化了后期數據處理工作。

3 通風阻力測定結果分析現狀

礦井通風阻力測定結果主要反映地是計算通風系統總阻力、測點之間的阻力以及評價礦井通風難易程度。

3.1 通風系統阻力

將通風阻力測定路線所含測段通風阻力累加可得礦井通風系統總阻力公式：

式中：n為測定路線總測點數；hZ為通風系統總阻力，Pa；k′、k″為測點氣壓計、基點氣壓計的校正系數；pq、pm為起始測點、末尾測點處的絕對靜壓，為與起、末測點對應時刻的基點氣壓值，Pa；ρi、ρi＋1、ρq、ρm為 i、i＋1、起、末測點處空氣密度，kg/m3；vq、vm為起、末測點處的平均風速，m/s；Zi、Zi+1為 i、i＋1 測點處的標高，m；g為重力加速度，m/s2。

在計算總通風阻力式（1）中，靜壓差項中間測點的靜壓、動壓被消去，只剩起點與末點的靜壓值，速壓差項也同樣如此。由于井下空氣密度變化不大，位壓在累加中也會將由于中間測段某些標高值的不準確帶來的誤差抵消掉一部分。因此系統總阻力相對誤差是可以控制在一定范圍的，但是各測段的通風阻力則往往與實際相差較大，甚至出現負值，嚴重影響分段巷道阻力的計算。

3.2 等積孔

計算等積孔是通風阻力測定結果分析的重要內容，也是評價礦井通風難易程度的重要標準[17-18]。近年來，等積孔分級方法面臨不適應現代礦井的問題，出現礦井等積孔面積大于2 m2的條件下，井下通風實際處于困難時期的現象。究其原因，現代礦井通風路線不斷增長和需風量大幅度增大，而等積孔面積與風量呈正比，在礦井通風阻力不超過2 940 Pa的要求下，風量超過10 000 m3/min時，任何情況下，等積孔面積總是大于2 m2，都屬于通風容易，導致了等積孔原計算標準相對失效。

針對等積孔指標失效的問題，國內外專家學者進行了廣泛的研究。趙以蕙認為風量與等積孔之間是一種強相關關系，應根據不同的條件確定等積孔的上下限，并推導出了等積孔的修正公式[19]。胡朝仕等提出了不同風量范圍內新等積孔分級標準[20]。由于礦井通風的影響因素較多，目前仍沒有一個能夠準確衡量礦井通風難易程度的指標。

4 發展趨勢

4.1 測定方法

基點氣壓計測定法因為過程簡單、易操作，應用越來越普遍。針對氣壓計基點法中井下產生的空氣擾動，可通過非定常能量方程在阻力測定中的應用，通過觀測擾動源下的壓力脈沖振幅對對靜壓波動進行修正[21]。考慮到井下路線各測點隨地面大氣壓變化非同步性，利用比值修正法或深度修正法，采用測點壓力值與地面壓力值的比值或通過礦井深度的不同對地面大氣壓力引起的壓力變化進行修正。利用動基點或多基點法也是氣壓計測定發展的方向之一，不同的基點設置在不同的測段內，動態的修正測點壓力值，在一定程度上消除風流不穩定對測點氣壓的影響。

井下實際測定工作中，現場操作經驗同樣是不可忽視的一方面。井下測量中應時刻監視路線上測點靜壓的變化，在平巷中，從進風到回風沿著測風路線，在速度變化不大的條件下，靜壓值應該逐漸減小，若發現有增大的現象，應及時校驗。遇到坡度較大測段應在圖上予以標注，以便到地面對標高變化準確確定，減少各測段誤差的出現。

4.2 儀器儀表

儀器儀表的發展由模擬化、數字化轉向智能化。隨著人工智能的發展和應用，使其能夠自動對外界各種信息進行檢測、采集、處理以及自我診斷，在測量多種參數同時，還可以對這些參數進行處理和評價。利用發展的物聯網技術實現儀器儀表與計算機、智能設備的互聯，同時為通風網絡動態解算、風網在線監測、智能通風在線提供風量、風阻、斷面。

5 結語

1）根據礦井的實際條件選擇合適的方法或進行幾種方法的有機組合可提高通風阻力測定的準確性。選擇進風井口、采區下部車場附近、總回風巷等動基點或多基點測量法是未來測定通風阻力發展的方向。

2）通風阻力測定儀器儀表的智能化、數字化發展是一種必然的趨勢，它是移動互聯網和微電子技術迅速發展的結果，提高新型通風參數測定儀可靠性、準確度無疑是提高通風阻力測定準確性最為可行的方法之一。