巷道風量全自動在線測試裝置研制與應用

孫永新，張 浪，楊 旭，劉彥青，馬 強，李 偉，張宏杰，趙 凱，段思恭

（1.山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048000；2.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013）

巷道風量準確在線測試是礦井通風管理的核心工作之一，研究人員開展了大量的研究工作，取得了一定成果。鹿廣利等[1]采用數值模擬方法計算巷道拐彎區域風速場結構尋找巷道斷面平均風速位置，優化風速傳感器布置位置；趙丹等[2]推導了圓形管道平均風速與點風速之間換算公式；王翰鋒[3]利用CFD方法對不同形狀巷道斷面內定點式風速傳感器最佳測風位置進行了優化確定；劉劍等[4]采用非接觸式激光多普勒測速儀對均直巷道的穩定流動及斷面突擴后風流狀態進行了實驗測試，實測了巷道風流風速的真實脈動狀態；趙丹等[5]采用一元線性回歸方法由風速傳感器測量值推導巷道平均風速；文獻[6-7]實驗研究了井巷斷面內單點風速與平均風速轉換機制；丁翠等[8]采用數值模擬和實驗室測試相結合方法研究了礦井通風巷道風流分布“關鍵環”分布規律；宋瑩等[9]采用數值模擬和實驗室測試相結合方法驗證了巷道風速分布與風速大小無關，主要取決于巷道形狀；張士嶺[10]利用超聲波測風儀實測了巷道風流風速平均脈動周期；李艷昌等[11]研究了人工測風過程中測風人員對測風結果的影響規律；劉劍等[12]明確了根據湍流統計平均特性進行風速及風壓等測試儀器設計研發；張浪[13]采用數值模擬方法優化了巷道測風站風速傳感器布置位置。為此，研制了巷道全自動在線測試裝置。

1 巷道斷面平均風速區域分布規律

以王坡煤礦輔運大巷測風站和上寺頭北翼回風巷測風站為研究對象，利用GMBIT 建模軟件構建的與實際巷道尺寸比例1∶1 的矩形巷道、半圓拱巷道三維模型如圖1。

圖1 巷道三維模型Fig.1 Three dimensional geometric model of roadway

巷道內空氣流動過程采用N-S 方程組求解，滿足質量守恒、動量守恒、能量守恒，巷道風流流模型采用方程，對不同巷道風量條件下巷道斷面風速場進行模擬解算。計算模型邊界條件：①巷道壁面：Wall（壁面）；②巷道入口：Velocity-in（風速入口）；③巷道出口：Flow-Out（風速出口）；④人員：Wall（壁面）。

對于礦井風量測試誤差要求而言，測風誤差越小，平均風速分布區域越??；對于風速傳感器采集數據方便性而言，平均風速分布區域越大，風速傳感器采集數據越方便，二者具有一定矛盾性，經過綜合考慮，選擇在[0.97vave，1.03vave]（vave為巷道平均風速值）標尺取值區間內部署風速傳感器，進行巷道平均風速測試，既能滿足礦井風量測試誤差要求，同時也方便部署風速傳感器進行數據采集。巷道斷面風速區間[0.97vave，1.03vave]分布區域如圖2。

圖2 巷道斷面風速區間[0.97vave,1.03vave]分布區域Fig.2 Distribution area of roadway section wind speed interval [0.97vave,1.03vave]

圖2 綠色區域為不同巷道風量條件下巷道斷面風速區間[0.97vave，1.03vave]分布區域，將風速傳感器布置在綠色區域內進行巷道平均風速數據采集，巷道平均風速測試精度達到97%以上，由圖2 可以看出，巷道風量大小對巷道斷面平均風速分布區域基本無影響。

為了進一步揭示巷道風量對巷道斷面平均風速分布區域基本無影響這一現象，以巷道斷面內各位置處風速與巷道中心位置處風速（巷道斷面內最大風速位置）比值為變量，對不同巷道風量條件下巷道斷面風速場進行無因次化處理，得到的巷道斷面無因次風速結構場如圖3。研究表明：巷道形狀與斷面尺寸固定不變條件下，巷道斷面無因次風速結構場與巷道風量無關。

圖3 巷道斷面無因次風速結構場Fig.3 Dimensionless wind speed structure field of roadway section

2 巷道斷面平均風速九點采集法

在巷道斷面平均風速區域內布置多個風速采集點理論上能夠顯著提高巷道平均風速測試準確性?；谙锏罃嗝鏌o因次風速結構場，在保持巷道斷面形狀、尺寸不變條件下，巷道實時風量大小不會影響巷道斷面各位置處無因次風速值，風速傳感器采集巷道斷面某一固定位置處無因次風速數據理論上為某一固定值，因此可根據巷道斷面某一固定位置無因次風速數據變化波動幅度檢測風速傳感器是否存在數據失真問題?；谏鲜觯岢隽讼锏罃嗝嫫骄L速九點采集法。在巷道斷面平均風速區域（圖2 中綠色區域）內布置8 個平均風速采集點，利用8 個平均風速采集點數據計算巷道平均風速值，乘以巷道斷面積求得巷道風量。在巷道中心位置（巷道斷面最大風速位置）布置1 個風速采集點，作為校驗風速傳感器風速采集點，根據平均風速采集點風速值與校驗風速傳感器風速采集點風速值比值變化波動幅度，檢驗風速傳感器是否存在數據失真問題。

巷道斷面平均風速區域與風速監測點布置圖如圖4。

圖4 巷道斷面平均風速區域與風速監測點布置圖Fig.4 Average wind speed area of roadway section and layout of wind speed monitoring points

半圓拱巷道和矩形巷道均以巷道中心位置（巷道斷面最大風速位置）作為校驗風速傳感器風速采集點。對于矩形巷道，根據巷道斷面平均風速分布區域，通過圖4 中a、b、c 3 個尺寸可確定矩形巷道斷面8 個平均風速采集點位置；對于半圓拱巷道，根據巷道斷面平均風速分布區域，通過圖4 中a、b、c、d、e、f 6 個位置尺寸可確定半圓拱巷道斷面8 個平均風速采集點位置。

3 巷道風量全自動在線測試裝置

根據巷道形狀差異性和巷道斷面平均風速區域分布特征，分別設計了適用于拱形巷道、矩形巷道的折疊式和龍門式巷道風量全自動在線測試裝置，非測風時期裝置不影響巷道行人行車。根據巷道斷面平均風速分布區域確定巷道斷面平均風速采集點位置，根據巷道斷面平均風速采集點位置設計巷道風量全自動在線測試裝置結構尺寸與運動軌跡，使得測試裝置在1 次測風周期（測風周期為60 s，與人工測風周期相同）中能夠采集到巷道斷面內預設的所有平均風速采集點位置處風速數據。

巷道風量全自動在線測試裝置三維模型如圖5。

圖5 巷道風量全自動在線測試裝置三維模型Fig.5 Three dimensional model of roadway air volume automatic on-line test device

1）折疊式巷道風量全自動在線測試裝置以折疊形式吊掛在巷道頂板上，測試裝置橫梁上安裝有3臺風速傳感器。測風開始，首先采集位置點2 風速數據；然后橫梁開始向下運動，橫梁到達巷道斷面較高位置處，采集位置點1、位置點3 采集風速數據；橫梁繼續向下運動，橫梁到達巷道斷面中間高度位置，風速傳感器沿水平方向伸出展開，采集位置點4、位置點5、位置點6 風速數據；橫梁繼續向下運動，橫梁到達到巷道斷面較低位置，采集位置點7、位置點8、位置點9 風速數據；最后橫梁收縮恢復到巷道頂板高度；上位機軟件根據采集風速數據計算巷道平均風速，計算巷道風量，并檢測風速傳感器是否存在數據失真問題。

2）龍門式巷道風量全自動在線測試裝置橫梁上安裝有3 臺風速傳感器，橫梁自上向下運動。測風開始，橫梁運動至巷道斷面較高位置，采集位置點1、位置點2、位置點3 風速數據；橫梁運動至巷道斷面中部高度位置，采集位置點4、位置點5、位置點6 風速數據；橫梁運動至巷道斷面較低位置，采集位置點7、位置點8、位置點9 風速數據；最后橫梁由巷道斷面較低位置運動恢復到巷道斷面較高位置；上位機軟件根據采集風速數據計算巷道平均風速，計算巷道風量，并檢測風速傳感器是否存在數據失真問題。

4 現場應用

王坡煤礦井下10 個測風站位置部署了巷道風量全自動在線測試裝置?？紤]到不同位置處巷道斷面形狀與尺寸均有差異，對部署巷道風量全自動在線測試裝置的所有井下測風站巷道，均需要進行CFD 模擬計算，確定每1 個井下測風站巷道的巷道斷面平均風速區域分布，通過每1 個測風站巷道進行CFD 數值模擬，獲得每1 個測風站巷道斷面平均風速區域分布，確定了巷道平均風速采集點位置，即獲得了矩形巷道斷面a、b、c 3 個位置尺寸和半圓拱巷道斷面a、b、c、d、e、f 6 個位置尺寸，根據巷道平均風速采集點位置加工定制了巷道風量全自動在線測試裝置。巷道風量全自動在線測試裝置測試數據與人工測試數據對比見表1。

表1 巷道風量全自動在線測試裝置測試數據與人工測試數據對比Table 1 Comparison between test data of roadway air volume full-automatic online test device and manual test data

將測試裝置風量測試數據與人工測風數據進行對比，相對誤差不超過8%，驗證了測試裝置測風結果的準確性，同時實現了全礦井范圍內10 個測風站同步在線測風。

5 結 語

1）以王坡煤礦上寺頭北翼回風巷和輔運大巷為研究對象，采用CFD 方法模擬了矩形巷道、半圓拱巷道斷面平均風速分布區域，獲得巷道斷面無因次風速結構場，研究表明巷道風量對巷道斷面內平均風速分布區域無影響，為巷道斷面內布置多個位置點采集風速數據求取巷道平均風速奠定了理論基礎

2）基于巷道斷面無因次風速結構場，構建了巷道全斷面平均風速九點采集法，根據巷道斷面平均風速分布區域確定巷道平均風速采集點位置。

3）根據巷道形狀差異性和巷道斷面平均風速區域分布特征，分別研制了適用于拱形巷道、矩形巷道的折疊式和龍門式巷道風量全自動在線測試裝置，結合巷道全斷面平均風速九點采集法，設計定制了巷道風量全自動在線測試裝置結構尺寸和傳感器運動軌跡，實現了采集巷道斷面平均風速區域多個位置點風速數據求得巷道平均風速。

4）王坡煤礦井下10 個測風站部署了基于巷道風量全自動在線測試裝置，對比同一時間段內人工測風數據和測試裝置測風數據，相對誤差在8%以內。研究表明：測試裝置測風精度能夠滿足礦井風量測試精度要求，同時能夠實現全礦井多個巷道風量同步在線測試。