張士嶺

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

礦井通風(fēng)阻力測定是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，通常包括前期通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)研、路線測點(diǎn)選擇、測定儀器儀表準(zhǔn)備、井下測試以及后期數(shù)據(jù)處理及報(bào)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(huán)境、井下生產(chǎn)作業(yè)、以及測點(diǎn)選擇等多方面的因素的影響，通風(fēng)阻力實(shí)際測定中一般很難測準(zhǔn)，甚至在數(shù)據(jù)處理中出現(xiàn)某些測段阻力為負(fù)值的情況，最后不得不對數(shù)據(jù)進(jìn)行人為調(diào)整。通過對我國通風(fēng)阻力測定技術(shù)現(xiàn)狀的分析，提出了從測定方法改進(jìn)、設(shè)備智能化等方面提高通風(fēng)阻力測定準(zhǔn)確性的發(fā)展方向。

1 通風(fēng)阻力測定方法現(xiàn)狀

目前依據(jù)測量設(shè)備的不同，測定通風(fēng)阻力方法分為3種：利用氣壓計(jì)的同步測定法和基點(diǎn)測定法，利用壓差計(jì)的傾斜壓差計(jì)法[1]。

1.1 壓差計(jì)法

壓差計(jì)法是通過測量風(fēng)流2點(diǎn)間的勢能差和動壓差，二者之和即為兩測點(diǎn)間的通風(fēng)阻力[4]。雖然測量結(jié)果相對準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)處理工作簡單，但現(xiàn)場需要鋪設(shè)膠皮管，操作繁瑣，勞動量大、耗時(shí)長，現(xiàn)已較少采用。

1.2 氣壓計(jì)基點(diǎn)法

基點(diǎn)法又稱逐點(diǎn)測定法，準(zhǔn)備2臺同型號氣壓計(jì)，1＃氣壓計(jì)作為基點(diǎn)監(jiān)視進(jìn)風(fēng)井口大氣壓力變化，2＃氣壓計(jì)按順序依次測出各測點(diǎn)的的絕對靜壓[5]。結(jié)合各測點(diǎn)的風(fēng)流速度、斷面尺寸、干濕球溫度等參數(shù)，最后計(jì)算出靜壓能、動能及勢能差值求出通風(fēng)阻力。

通風(fēng)阻力計(jì)算公式中的靜壓、速度和空氣密度等是在測定區(qū)間不同時(shí)間的測定值，在井下風(fēng)流是嚴(yán)格定常流，測定時(shí)間內(nèi)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(zhǔn)確反映了測定區(qū)間的通風(fēng)阻力。但地面大氣壓與井下風(fēng)流實(shí)際上是不穩(wěn)定的，這樣測點(diǎn)讀數(shù)的不同時(shí)，必然產(chǎn)生測定過程中誤差，這是基點(diǎn)法本身所導(dǎo)致的[6-7]。

位壓差項(xiàng)主要由標(biāo)高決定。通風(fēng)阻力測定中通常由地質(zhì)部門提供標(biāo)高，由于標(biāo)高提供的不完整或不準(zhǔn)確甚至?xí)?dǎo)致部分測定段的阻力出現(xiàn)負(fù)值，對位壓差的精確度有著嚴(yán)重的影響。基點(diǎn)法測定省時(shí)省力，數(shù)據(jù)整理比較簡單，其測定結(jié)果能夠滿足礦井一般性要求，適用于全礦井復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)阻力測定，應(yīng)用較為普遍。

1.3 氣壓計(jì)同步測定法

也叫雙測點(diǎn)同時(shí)測定法，與基點(diǎn)法同樣受標(biāo)高的影響比較大。如選2臺精度和性能相同的氣壓計(jì)，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(jì)讀數(shù)的同時(shí)性，配合與聯(lián)系較困難，比較費(fèi)時(shí)。該方法適合于小范圍通風(fēng)阻力測定，不適合較復(fù)雜大范圍的阻力測定[8]。

2 通風(fēng)阻力測定設(shè)備現(xiàn)狀

通風(fēng)阻力測定設(shè)備的發(fā)展經(jīng)歷了3代：模擬式、數(shù)字式和智能型檢測儀表[9]。

2.1 模擬式儀表

1）機(jī)械風(fēng)表。根據(jù)不同測風(fēng)原理將常用的通風(fēng)阻力測風(fēng)儀表分為3大類：電子翼式、熱效式、機(jī)械翼式[10]。目前最普遍使用的是機(jī)械翼式，因?yàn)槭茱L(fēng)表摩擦力與轉(zhuǎn)動部件的慣性等影響因素，翼輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速并不等于真實(shí)風(fēng)速，需要校正，并受身體占用巷道斷面面積導(dǎo)致風(fēng)速增大的影響[11]。因此風(fēng)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(fēng)表，并需秒表計(jì)時(shí)，過程繁瑣復(fù)雜。

2）BJ-1型空盒氣壓計(jì)。BJ-1型空盒氣壓計(jì)屬于模擬式檢測儀表范疇，最終以指針的運(yùn)動來顯示測量結(jié)果。BJ-1型氣空盒壓計(jì)采用應(yīng)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(yù)熱20～30 min，功能單一，現(xiàn)已較少采用。

2.2 數(shù)字式儀表

JFY-4型礦井通風(fēng)參數(shù)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(fēng)速、濕度以及溫度多種參數(shù)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(shí)支持多種通風(fēng)參數(shù)，有助于提升測定參數(shù)的方便性，但壓力測定精度低，難以滿足通風(fēng)阻力測定的高精度要求。

雖然數(shù)字式檢測儀表相對于模擬式給人以直觀的感覺，響應(yīng)速度也提高很多，但不具備記憶、數(shù)據(jù)分析、可程控以及與計(jì)算機(jī)、智能設(shè)備互聯(lián)等功能。

2.3 智能檢測儀表

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)與人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，我國最新研制出了CPD120風(fēng)壓表、CFD15型高精度風(fēng)速儀等智能化儀表儀器。

1）CPD120風(fēng)壓表。CPD120風(fēng)壓表是我國最新型的智能氣壓測定儀表，CPD120風(fēng)壓表結(jié)構(gòu)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(yōu)良的性能指標(biāo)[13-14]，絕對壓力分辨率精確至1 Pa，同時(shí)便于與計(jì)算機(jī)連接，構(gòu)成高精度的智能化測量系統(tǒng)。CPD120風(fēng)壓表具有自動記憶存儲功能，將測定的時(shí)間與壓力值通過內(nèi)置無線傳輸模塊上傳至計(jì)算機(jī)，減輕了井下測量記錄的工作，并可利用配套軟件對數(shù)據(jù)整理分析。

圖1 CPD120風(fēng)壓表結(jié)構(gòu)圖

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

3）CFZZ4通風(fēng)阻力測定儀。CFZZ4通風(fēng)阻力測定儀是近年發(fā)展起來的多功能通風(fēng)參數(shù)檢測儀，采用奧地利熱膜式風(fēng)速變送器，內(nèi)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(fēng)速、濕度、溫度測量和數(shù)據(jù)存儲，基點(diǎn)氣壓測量可通過設(shè)定時(shí)間間隔自動記錄。通過USB接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并通過配套軟件自動對通風(fēng)阻力相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，簡化了后期數(shù)據(jù)處理工作。

3 通風(fēng)阻力測定結(jié)果分析現(xiàn)狀

礦井通風(fēng)阻力測定結(jié)果主要反映地是計(jì)算通風(fēng)系統(tǒng)總阻力、測點(diǎn)之間的阻力以及評價(jià)礦井通風(fēng)難易程度。

3.1 通風(fēng)系統(tǒng)阻力

將通風(fēng)阻力測定路線所含測段通風(fēng)阻力累加可得礦井通風(fēng)系統(tǒng)總阻力公式：

式中：n為測定路線總測點(diǎn)數(shù)；hZ為通風(fēng)系統(tǒng)總阻力，Pa；k′、k″為測點(diǎn)氣壓計(jì)、基點(diǎn)氣壓計(jì)的校正系數(shù)；pq、pm為起始測點(diǎn)、末尾測點(diǎn)處的絕對靜壓，為與起、末測點(diǎn)對應(yīng)時(shí)刻的基點(diǎn)氣壓值，Pa；ρi、ρi＋1、ρq、ρm為 i、i＋1、起、末測點(diǎn)處空氣密度，kg/m3；vq、vm為起、末測點(diǎn)處的平均風(fēng)速，m/s；Zi、Zi+1為 i、i＋1 測點(diǎn)處的標(biāo)高，m；g為重力加速度，m/s2。

在計(jì)算總通風(fēng)阻力式（1）中，靜壓差項(xiàng)中間測點(diǎn)的靜壓、動壓被消去，只剩起點(diǎn)與末點(diǎn)的靜壓值，速壓差項(xiàng)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(biāo)高值的不準(zhǔn)確帶來的誤差抵消掉一部分。因此系統(tǒng)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(fēng)阻力則往往與實(shí)際相差較大，甚至出現(xiàn)負(fù)值，嚴(yán)重影響分段巷道阻力的計(jì)算。

3.2 等積孔

計(jì)算等積孔是通風(fēng)阻力測定結(jié)果分析的重要內(nèi)容，也是評價(jià)礦井通風(fēng)難易程度的重要標(biāo)準(zhǔn)[17-18]。近年來，等積孔分級方法面臨不適應(yīng)現(xiàn)代礦井的問題，出現(xiàn)礦井等積孔面積大于2 m2的條件下，井下通風(fēng)實(shí)際處于困難時(shí)期的現(xiàn)象。究其原因，現(xiàn)代礦井通風(fēng)路線不斷增長和需風(fēng)量大幅度增大，而等積孔面積與風(fēng)量呈正比，在礦井通風(fēng)阻力不超過2 940 Pa的要求下，風(fēng)量超過10 000 m3/min時(shí)，任何情況下，等積孔面積總是大于2 m2，都屬于通風(fēng)容易，導(dǎo)致了等積孔原計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)相對失效。

針對等積孔指標(biāo)失效的問題，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究。趙以蕙認(rèn)為風(fēng)量與等積孔之間是一種強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，應(yīng)根據(jù)不同的條件確定等積孔的上下限，并推導(dǎo)出了等積孔的修正公式[19]。胡朝仕等提出了不同風(fēng)量范圍內(nèi)新等積孔分級標(biāo)準(zhǔn)[20]。由于礦井通風(fēng)的影響因素較多，目前仍沒有一個(gè)能夠準(zhǔn)確衡量礦井通風(fēng)難易程度的指標(biāo)。

4 發(fā)展趨勢

4.1 測定方法

基點(diǎn)氣壓計(jì)測定法因?yàn)檫^程簡單、易操作，應(yīng)用越來越普遍。針對氣壓計(jì)基點(diǎn)法中井下產(chǎn)生的空氣擾動，可通過非定常能量方程在阻力測定中的應(yīng)用，通過觀測擾動源下的壓力脈沖振幅對對靜壓波動進(jìn)行修正[21]?？紤]到井下路線各測點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行修正。利用動基點(diǎn)或多基點(diǎn)法也是氣壓計(jì)測定發(fā)展的方向之一，不同的基點(diǎn)設(shè)置在不同的測段內(nèi)，動態(tài)的修正測點(diǎn)壓力值，在一定程度上消除風(fēng)流不穩(wěn)定對測點(diǎn)氣壓的影響。

井下實(shí)際測定工作中，現(xiàn)場操作經(jīng)驗(yàn)同樣是不可忽視的一方面。井下測量中應(yīng)時(shí)刻監(jiān)視路線上測點(diǎn)靜壓的變化，在平巷中，從進(jìn)風(fēng)到回風(fēng)沿著測風(fēng)路線，在速度變化不大的條件下，靜壓值應(yīng)該逐漸減小，若發(fā)現(xiàn)有增大的現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)校驗(yàn)。遇到坡度較大測段應(yīng)在圖上予以標(biāo)注，以便到地面對標(biāo)高變化準(zhǔn)確確定，減少各測段誤差的出現(xiàn)。

4.2 儀器儀表

儀器儀表的發(fā)展由模擬化、數(shù)字化轉(zhuǎn)向智能化。隨著人工智能的發(fā)展和應(yīng)用，使其能夠自動對外界各種信息進(jìn)行檢測、采集、處理以及自我診斷，在測量多種參數(shù)同時(shí)，還可以對這些參數(shù)進(jìn)行處理和評價(jià)。利用發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)儀器儀表與計(jì)算機(jī)、智能設(shè)備的互聯(lián)，同時(shí)為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)解算、風(fēng)網(wǎng)在線監(jiān)測、智能通風(fēng)在線提供風(fēng)量、風(fēng)阻、斷面。

5 結(jié)語

1）根據(jù)礦井的實(shí)際條件選擇合適的方法或進(jìn)行幾種方法的有機(jī)組合可提高通風(fēng)阻力測定的準(zhǔn)確性。選擇進(jìn)風(fēng)井口、采區(qū)下部車場附近、總回風(fēng)巷等動基點(diǎn)或多基點(diǎn)測量法是未來測定通風(fēng)阻力發(fā)展的方向。

2）通風(fēng)阻力測定儀器儀表的智能化、數(shù)字化發(fā)展是一種必然的趨勢，它是移動互聯(lián)網(wǎng)和微電子技術(shù)迅速發(fā)展的結(jié)果，提高新型通風(fēng)參數(shù)測定儀可靠性、準(zhǔn)確度無疑是提高通風(fēng)阻力測定準(zhǔn)確性最為可行的方法之一。