礦井有限空間通風檢測設備優化分析

徐 婷 婷

（同煤集團，挖金灣煤業公司，山西 大同 037042）

0 引 言

巷道掘進工作面通風環境良好與否，會直接影響掘進工作面中工作人員掘進工作和生命安全，同時也會間接影響接下來的回采煤工作面的工作，因此為防止瓦斯堆積，巷道掘進工作面的通風不容忽視[1-4]。

目前最常使用的是局部通風機，來改善巷道里的通風環境。但是，由于巷道掘進工作面，空間狹窄，并且是開采礦前先挖掘，巷道內沒有安裝實時監測系統。要想了解所安裝的局部通風機性能好壞，只能采用人工對局部通風機進行性能檢測。為了適應各種工況，提高現場測量的準確性和實用性，本文設計了一種測量裝置，該裝置主要針對礦下有限空間惡劣環境下作業。設計原理是測出局部通風機風速后，根據平均風速與速度常系數的關系，得出風量值[5-7]。

1 局部通風方式的研究

1.1 通風方法選用

1）壓入式通風。將局部通風機安裝在巷道進口處，新空氣被通風機從風筒壓進掘進工作面，形成局部貼壁氣流，同時將掘進工作面產生的廢氣推出巷道。

2） 抽出式通風。將局部通風機安裝在巷道出風口，新空氣隨著氣流沿著巷道流進工作面，再由出口處的局部通風機抽出巷道內的廢氣和生產時的礦塵。排出礦塵效果好壞與距離風筒遠近有關，在距離達到某個臨界值時就沒有吸入礦塵的效果。

3）混合式通風。包含壓入式和抽出式兩種局部通風機，根據安裝目的和位置，安裝相應工作方式的通風機。工作方式是由入口處的壓入式通風機風筒壓入新鮮空氣，稀釋渾濁氣流，由出口處抽出式通風機抽出廢氣和工作礦塵，這樣改善通風條件的工作效率很高。不過安裝兩套通風裝置，耗電量翻倍，對于掘進工作面來說不經濟合理，而且增加了管理難度。

1.2 通風工況的調整

巷道內的通風工況會隨著挖掘工作的持續行進而發生改變，隨工況改變及時的調整通風系統，可以避免通風空間增加或瓦斯含量改變而引起的供風量不足。因此，應當定時的對巷道實際工況進行檢測和調整。通風機在巷道排風時會遇到各種情況，其中包括通風機本體性能和工作時系統管路運行狀態。風機在運行過程中需要同時滿足其安全性和有效性。因此，必須避免在工作狀態時通風工況點出現交錯，交錯工況點的出現會導致通風系統喘振從而引發故障。另外，由圖1 可知，通風機的流量、流速以及通風工況會共同影響通風系統的效率，為滿足其高效運行可按以下方式對通風機進行調節。

圖1 不同管網下的特性曲線

1）若巷道內通風流量經常改變，應調整通風系統中管道閥門的開合程度以增加或減少系統的內壓力，其優勢在于可以及時的調整風機流量，應變性強。劣勢是如果閥門開啟度減小，則增大了流動阻力，導致能量浪費。

2） 變速調節，風機性能的調節還可采用變頻調速。變頻調速技術近些年發展較成熟，其安全性能相應較高。這種調速方式是利用電源頻率與通風機轉速關系，改變其電源頻率來控制通風機速度。

3） 通風機性能與通風機葉輪的外徑大小聯系密切。為使工況點處于高效區域，可通過改變通風機葉輪外徑來實現。值得注意的是，葉輪切削時如果切削量過大，將大幅度降低通風機工作效率，因此必須嚴格計算其切削量。

2 通風機測量參數測定

根據通風機的工作轉速以及風流量繪制出的性能曲線圖可以清楚的描述系統現有的工作情況。但通風機的工作情況并不能有效證明整個通風系統是否滿足通風要求。通風機在工作狀態時產生的風速，風壓和風量是核定通風系統是否具備條件的主要檢測項目。我們在現場能夠精確測量通風系統的各項參數，可以給提高整改現有通風系統，改變通風機工作狀況提供很重要的數據。

2.1 局部通風機風壓測定

把測量裝置放置在通風機出口的兩側，這樣就能夠得到工作狀態下，風筒出口的斷面靜壓；再把所測得的靜壓數據代入方程計算，就可得到精確的實際斷面全壓和斷面風量。但由于風的流速和流向在管壁內通常是變化的，檢測得到的靜壓值往往不是風向與測壓孔垂直的狀態。單獨靜壓管所得出的數據一般存在很大的誤差。若采增加額外設備滿足狹窄礦道內風向與測孔垂直，不但空間受限，費用也過于高昂。

根據上述理論，為提高測量局部通風機風壓的精度，可以通過以下方法來提高測量的準確性。

1）放置多個靜壓孔共同測量壓力，將多個比托管放置在同一個斷面上，然后將每個比托管的壓力輸出孔共同接合到斷面測壓儀上，能夠大幅度的提高精度。

2）各個靜壓孔的連接管建議使用橡膠材質，巷道空間狹小，橡膠管具有重量輕，易便攜，方便布置等優點。另外橡膠軟管柔軟易操作，能夠及時發現測量時的缺陷點和故障點。

圖2 局部通風機

2.2 局部通風機風量測定

測量巷道內通風風量的方法有很多，其中大部分原理均為根據相對風速與風量的關系，在檢測出橫截面風速的情況下，通過計算求出風量。具體檢測設備包括使用風速表，風速傳感器，靜壓落差等。本文主要研究使用靜壓落差來檢測風量的方法。

根據已有研究表明，斷面風速是由靜壓壓力、動壓壓力以及動靜壓差因子確定的。檢測方法如圖2 所示。在通風機進氣口處和出口處增加檢測孔，橫截面為A1和A2，橫截面動靜壓P1和P2，這樣可以檢測到巷道內橫截面風速。

由于橫截面上不同位置的風速時不一樣的，其動靜壓差因子屬于變量，按照常規檢測方法得到的斷面風速，無法真實的反映具體風量值。為提高測量局部通風機風量的精度，根據其測量原理，可以將要檢測的風筒橫截面按照一定的比例分割成多個小型截面，每個截面上都有測壓裝置，即能得到具體的橫截面風速分布情況，把已知的各點風速計算，測得的平均風量的準確性更高。

3 測量裝置設計

現場測量掘進工作面中通風機的風壓，最常采用的測壓的方法是畢托管測差壓。通過畢托管測出局部通風機氣流差壓，經過計算得出風量值。因為測量現場的環境中，空氣粉塵含量大，易堵塞測壓管測孔，并且現場存在其他氣流干擾。若使用畢托管單點測壓，測量結果誤差太大。因此，測量時需要增加測量點，保證測量結果準確性。本文旨在設計的這套風壓測量裝置，可以一次性在同一測量斷面安裝多測點，同時測得多點壓力值，從而解決了上述問題，通過多點壓力求出平均壓力值，這樣更接近測量真值。

3.1 風量測量設計

多個測點按照等環面積法測量原理分布。即測量斷面上布滿等面積圓環，然后保證每個測孔組的動壓四孔在同一圓環上，且均勻分布。測孔位置和數量可通過等面積環法計算得到。如圖3 所示。

圖3 測點分布圖

將多點測孔的每個孔里都安裝上畢托管，利用畢托管測出測量斷面上多點的速壓，通過計算得到平均風速。平均風速與相同時間通過此測量斷面風速經過計算公式得出速度場系數，最終求出風量。

3.2 風壓測量設計

目前，對通風孔的靜壓檢測方法有很多，其中穩定性較好的測量方法是壁面測壓，即在風筒出口側橫截面上鉆削靜壓孔，孔與靜壓差計相連。該方法測量出的靜壓值為相對壓差，由于風壓不一定均勻的分布在風筒內壁上，為提高準確性，我們在橫截面上增加了多個靜壓孔，如圖4 所示。

多個靜壓孔通過軟管和多孔接頭連接到一起后，再與壓差計相連，這樣靜壓孔提供給壓差計上的數值是風筒內壁上各處風壓的均值，在減少后期因環境復雜而增加數值差補計算的同時，其數據也更為的精確。

4 結 論

圖4 壁面取壓法安裝圖

本文提出了一套專門針對復雜工況下通風風壓檢測儀器，該設備將傳統單個點測壓更改為同一面內多個環點測壓，并采用等面積靜壓檢測原理，計算出各個截面的靜壓值。

同時該設備采用多塊面積分解的方式對速壓進行檢測，系統的模擬出了巷道內斷面速壓場，這樣根據風筒橫截面積來計算出的風量值更加精確。可以很大程度上解決因礦內空間狹窄、浮塵過多等問題而引起的測量誤差。