巷道中風速傳感器布設位置優化研究

王云龍

(山西義棠煤業有限責任公司,山西 晉中 032000)

礦井通風系統能夠準確有效地監控巷道風量是保障煤礦安全生產的重要因素[1]。現階段礦井通風的主要監測方式為懸掛風速傳感器和人工檢測。其中風速在線監測系統可實現不間斷地對巷道風速監測,能夠及時發現異常情況,并采取相應的措施。研究確定風速傳感器的懸掛位置,有助于準確監測風速,提高檢測結果的科學性。但目前的研究大都采用理論計算[2-9]、軟件模擬[4]和現場實測[10]的方法,針對無其他設施布置的巷道進行研究,并總結出不同巷道的風速分布規律。但在實際情況下,巷道中總是不可避免地需要布置一些設施,例如抽采管路、排水管路、皮帶輸送機等,這些物體都會對巷道內平均風速的分布產生影響。因此,使用Fluent軟件對現場情況進行模擬,根據模擬結果,確定現場平均風速的分布情況,有針對性地安裝風速傳感器,最大程度保證監測結果的真實性,從而為井下風量調控提供依據。

1 工程概況

1.1 基本情況

2013年,山西義棠煤業有限責任公司(以下稱“公司”)經鑒定為高瓦斯礦井,隨后建立了地面固定瓦斯抽采系統。在下組煤西翼回風大巷及下組煤回采工作面回風順槽布置抽采管路，在適合的位置設置測風站并配置風速傳感器。經過現場總結發現,巷道中無大直徑管路的情況下,風速傳感器讀數與人工實測值相差不大,在允許范圍內；而在布置有大直徑管路的巷道中,普遍出現風速傳感器讀數偏高的情況。

選擇下組煤西翼回風大巷(以下稱“巷道1”)和100510回風順槽(以下稱“巷道2”)為例進行研究。其中巷道1為錨噴支護方式,巷道內右下部鋪設有兩趟Φ600 mm×8 mm環氧樹脂鋼管,現場人工實測平均風速為3.5 m/s;巷道2為錨網支護方式,左上部吊掛有兩趟Φ320 mm×4 mm環氧樹脂鋼管,現場人工實測平均風速為2.2 m/s。具體尺寸見圖1所示。

(a) 巷道1

(b) 巷道2

1.2 風速傳感器布置

公司選用GFW15風速傳感器,外形尺寸為252 mm×126 mm×51 mm,如圖2所示,基本誤差±0.3 m/s。根據以往經驗及相關研究,現公司井下風速傳感器一般懸掛在巷道的中上部,將固定桿固定在錨桿上,下部傳感頭組件距頂板在250～400 mm之間,使傳感頭組件口正對風流風向。

圖2 傳感器外形圖

1.3 巷道風速差異

在實際運行中,發現巷道1和巷道2處風速傳感器顯示值與人工實測值有較大誤差,已超過儀器允許的基本誤差范圍。為此,組織人員在巷道1和巷道2中進行風速核定。具體步驟為:將JFY-2礦井通風參數檢測儀懸掛在巷道風速傳感器附近,進行風速對比;測風員使用CFJ25型機械式風表和JFY-2礦井通風參數檢測儀進行巷道平均風速測定。測定數據見表1所示。其中,相對誤差為電子測風儀與機械式風表實測值的誤差,用于檢驗機械風表的準確性;絕對誤差為機械風表實測值與風速傳感器的差值,用于檢驗風速傳感器的準確性。由表中數據可知,相對誤差均小于5%,可以保證機械風表檢測的準確性。同時,風速傳感器數值與電子測風儀數值誤差在規定范圍內,基本排除風速傳感器故障。綜上所述可知,風速傳感器數值普遍高于實際平均風速值,已超過誤差允許范圍。一旦出現風速低于規定值等的微風情況,無法及時發現,造成一定的安全隱患。

表1 現場風速檢驗測定統計表

2 Fluent模擬

2.1 巷道模型及參數設定

依靠Fluent軟件,對巷道1和巷道2的風速進行參數建模。已知巷道1、巷道2均為矩形。巷道的寬分別為5.5 m、4.2 m,巷高均為2.8 m,巷道長度均取200 m,在巷道內各布置有2根抽采管路。巷道建模和網格劃分見圖3。

(a) 巷道1

假定風流與巷道壁面無熱交換,即假定壁面絕熱。巷道中無外部質量源輸入,風流視為不可壓縮流體,空氣密度為常數,大氣壓為1.013 25×105Pa,巷道沿途內壁粗糙程度相同,抽采管路外壁光滑,風流不經過抽采管路內部。選用realizablek-ε湍流模型方程,速度采用絕對速度,用Simplec算法求解流速和壓力耦合,壓力場采用標準離散方式[1]。

巷道1和巷道2模型各包括1個風流入口、1個風流出口和2根管路,其余面為壁面,風流入口作為模型邊界入口,巷道出口作為模型邊界出口,巷道壁面為固定邊界。風流入口類型為velocity-inlet,根據有關規定及礦井實際情況,巷道1風速在3.5 m/s左右,巷道2風速在2.3 m/s左右。故巷道1風速取3.0 m/s和4.0 m/s,巷道2風速取2.0 m/s和2.5 m/s。風流以指定風速均勻地分布在巷道入口橫截面上,垂直于巷壁的壓力梯度為零。出口設置為pressure-outlet。壁面采用無滑移邊界條件。在巷道100 m處橫截面上設置觀察面。

2.2 模擬結果及分析

經過Fluent軟件運行模擬后,得到巷道1、巷道2在100 m處橫截面上的風速分布圖,如圖4所示。

(a) 巷道1風速3.0 m/s模擬圖

根據模擬結果可知,巷道1和巷道2在各自兩種不同風速模擬情況下,巷道內風速分布規律基本不變,巷道1和巷道2內風速分布整體均呈現邊緣小、中心大的特征。但受巷道內管路分布的影響,管路內側風速分布較低,均不足平均風速的一半,向另一側擠壓風流,造成橫截面上風速等值線的中心向未布置管路側巷壁偏移。

根據圖4的模擬結果可知,對巷道橫截面中心軸線上的平均風速位置距頂板距離進行統計,見表2所示。經統計發現,風速對巷道內平均風速的分布影響很小。

表2 巷道橫截面中心軸線平均風速位置距頂板距離統計表

相較于理論上巷道中無其他設施布置時的情況,根據王翰鋒[4]對巷道平均風速位置的研究可知,矩形巷道在中心線上平均風速距頂板距離一般等于巷高的11%～12%。本次模擬結果偏低,主要原因有以下兩方面:一方面是巷道中管路擠占了巷道空間,減少了巷道有效通風斷面;另一方面,結合圖4可知,巷道中管路內側區域風速分布較低,進一步增加了巷道其他空間內的通行風量,提高了風速。二者共同作用,提高了巷道中軸線上平均風速距頂板的分布位置。

3 現場試驗

3.1 風速傳感器重新布置及數值修正

根據模擬結果,在現有位置的基礎上,對巷道1和巷道2風速傳感器進行重新吊掛,減少風速傳感器距頂板的距離,但由于風速傳感器長度為252 mm,大于巷道1和巷道2的平均風速距離。對巷道1和巷道2風速傳感器進行重新吊掛,將風速傳感器上部緊貼頂板固定牢靠,其他位置保持不變,位于巷道的中心位置上。由于巷道中心風速較高,造成在距頂板252 mm處風速大于平均風速,對二者風速監測結果進行系數校正,使顯示結果為平均風速值。

根據圖4的模擬結果,重新吊掛后巷道1和巷道2的風速傳感器平均風速的修正系數分別為0.936和0.923,見表3所示。

表3 巷道1和巷道2距頂板252 mm處風速與平均風速對比及修正系數

3.2 實測風速對比

風速傳感器安裝完成后,組織人員進行平均風速測量及對比,分3次進行測量。人工測試采用網格測風法和路線測風法兩種方法進行測試,具體網格劃分和線路路徑見圖5所示。

首先,結合Fluent模擬結果,進行網格和路線設計,由于巷道抽采管路內側風速較低,故以包含管路在內的矩形斷面為一個網格,其他區域依次等分。網格法是在各個網格內的中心處測試風速,路線法是在規定的時間內沿著路線行走,最后計算風速。其次,記錄現場風速,人員按照預先方案進行測試后,現場計算出初步風速。最后,需要對測試數據進行修正,由于測試儀器的自身誤差及測試人員對風流的影響,需要對現場測試初步風速進行修正,最后計算出實際風速。

(a) 巷道1網格法示意圖

每次人工測試的同時記錄風速傳感器讀數,將測量數據匯總后進行統計,見表4所示。巷道1風速傳感器現場顯示3.87 m/s,經過修正后為3.62 m/s;巷道2風速傳感器現場顯示3.87 m/s,經過修正后為3.62 m/s。

通過3次測試后,網格法測得巷道1平均風速3.56 m/s,巷道2平均風速2.53 m/s;路線法測得巷道1平均風速3.60 m/s,巷道2平均風速2.56 m/s。綜合平均后:巷道1平均風速為3.58 m/s,巷道2平均風速為2.55 m/s。巷道1人工實測平均風速與風速傳感器讀數相對誤差為1.10%,巷道2人工實測平均風速與風速傳感器讀數相對誤差為1.18%,均在誤差允許范圍內。說明經過重新安裝及修正后,風速傳感器能較好地體現巷道中平均風速值。

表4 現場風速實測對比表

4 結論

1)在巷道支護形式、尺寸不變的情況下,巷道中軸線上的平均風速距頂板距離隨風速變化基本保持不變。

2)巷道橫截面上總體呈現中心大、邊緣小的特征。巷道內一旦出現大尺寸管路,會對巷道內平均風速分布有影響。管路直徑越大,對巷道內風速影響也越大,且管路內側風速明顯減少,巷道內其他區域風速增大,巷道中心線上平均風速距頂板距離減少。

3)矩形巷道1(高2.8 m,寬5.5 m)和巷道2(高2.8 m,寬4.2 m)中分別鋪設2趟DN600和2趟DN300管路,中線上平均風速位置距頂板距離分別等于巷道的6.6%和8.0%;相較于矩形巷道內無管路的平均風速位置距頂板的距離一般等于巷道的11%～12%。平均風速位置距頂板距離占巷道比例提高3.0%～5.4%。