武永勝，劉云琰，李 林

(1.中檢集團 公信安全科技有限公司，山東 棗莊 277101；2.華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

風量是煤礦進行通風管理的關鍵參數(shù)之一，風量參數(shù)決定著通風機性能的好壞[1，2]。《煤礦安全規(guī)程》第一百六十三條第一款規(guī)定“掘進巷道必須采用礦井全風壓通風或者局部通風機通風。”局部通風機是地下開采礦山非常重要的安全生產設備。其主要作用是為未形成全風壓通風系統(tǒng)的掘進工作面或通風困難的工作地點提供新鮮風量[3]。地下開采礦山局部通風機使用量大，一方面可以源源不斷地向井下各用風地點提供質優(yōu)量足的新鮮空氣，保證工作人員的呼吸，另一方面能夠稀釋并排放粉塵等各種有毒有害物質，降低作業(yè)地點的環(huán)境溫度，給井下工人創(chuàng)造良好的工作環(huán)境。在發(fā)生災變時，還能有效、及時地控制風向及風量，并與其他措施相結合，防止災害的擴大，進而預防事故，減少人員傷亡和財產損失。由于地下開采礦山的掘進巷道內作業(yè)環(huán)境十分復雜且作業(yè)條件較為惡劣，不易測得相應區(qū)域的工況參數(shù)，所以目前對于地下開采礦山局部通風機風量測試的研究相對較少[4]，大多數(shù)學者集中在煤礦主要通風機的風量測試研究上[13，14]?，F(xiàn)有的風量測試方法有流速測定法[5，6]、速壓測定法[6]和靜壓差法測風法[1，5-7]。流速測定法主要包括風速傳感器法或者人工測風，根據所測結果結合斷面積進行風量計算。風速傳感器測風受人為因素影響較小，所測風量相對準確。在測風前需做大量準備工作，如在測風道內安設支撐架，將傳感器固定等；安裝時易受現(xiàn)場條件限制；測風過程中，風流攜帶的硬物可能損壞傳感器；測風結束后傳感器的多次清洗會對其精度產生影響，需要不斷調試和校準[2，5]。該測風法要求礦方停止作業(yè)，尤其不適用于高瓦斯礦井。人工測風主要是對小型通風機的風量進行測量，測量大型通風機風量易受到斷面高度和風流流場影響，不僅會導致測量誤差較大，而且具有危險性[5]。速壓測定中主要采用等面積平均速壓測定法，通過直接“綁扎皮托管”固定或皮托管逐步插入到定點位置進行測定，該法容易受到風流擾動及渦流影響，導致測試數(shù)據不穩(wěn)定[6]。流速測定法和速壓測定法對現(xiàn)場測試條件要求較高，操作困難，所測結果誤差較大，實際應用也會受限[5，6]。因此，本文提出采用一種對現(xiàn)場條件適應性強、測試數(shù)據穩(wěn)定且誤差較小的風量測定法——靜壓差法對FBD對旋局部通風機風量進行測試。

1 靜壓差法測定風量

1.1 測風裝置

GB/T 2624.4-2006/ISO 5167-4：2003《用安裝在圓形截面管道中的壓差裝置測量滿管流體流量 第4部分：文丘里管》[9]提供了測量局部通風機風量的設施——文丘里管。文丘里管主要分為4部分，如圖1所示，分別是入口圓筒段、圓錐收縮段、圓筒喉部和圓錐擴散段，入口圓筒段和圓筒喉部之間存在靜壓差。當校準后的裝置與該裝置在幾何上是相似的，且使用條件也相同時，可通過壓差實際測量值和所具有的流體條件來確定流量。推廣利用文丘里管檢測局部通風機風量是創(chuàng)新檢測方法。

圖1 文丘里管

運用文丘里管原理[9]加工局部通風機測風裝置。通過這一裝置測量運行工況下的靜壓，精準測量局部通風機風量。加工局部通風機測風裝置時，將文丘里管入口圓筒段簡化成大氣環(huán)境，圓筒擴散段與待測局部通風機部分共用，尺寸長度按標準文丘里管結構縮放，其結構示意圖如圖2所示。

圖2 局部通風機測風裝置結構示意圖

1.2 測風原理

靜壓差法測風依據了流體力學原理[12]。當流體流經通風機內部的變徑管時，流體流速變化和對應的阻力大小受到影響[10]，內部能量出現(xiàn)相互轉化的現(xiàn)象，其能量轉化大小與流體風量、風流流速、變徑管幾何尺寸和形狀有關[1，5，6]。通過確定上述關系便能夠準確測定流體的風量。

在文丘里管入口圓筒段和圓筒喉部選擇兩個近距離斷面測定靜壓差，然后計算風量。由于文丘里管入口圓筒段平直且有收縮均勻段，滿足靜壓差測試風量的要求。根據能量方程和相近斷面的能量轉換關系，列出伯努利方程[9]和連續(xù)性方程：

(1)

V1S1=V2S2

(2)

式中，P1、P2為兩斷面的平均絕對靜壓；V1、V2為兩斷面的平均風速；H1、H2為兩斷面相對于基準面的標高；S1、S2為兩斷面的過流面積；ζ為兩斷面的局部阻力系數(shù)。

因為所選的兩個斷面間距相差很小，流場比較穩(wěn)定，勢能相等，所以兩個斷面間的局部阻力可以忽略，即ρ1≈ρ2=ρ，H1≈H2，ζ=0[1][8]。將入口圓筒簡化成大氣環(huán)境，由于斷面無限大，故入口風速可以認為是“0”。同時考慮到局部通風機測風裝置的校正系數(shù)k。將公式(1)和公式(2)及所述條件聯(lián)立求解，所得的通風機風量計算公式為：

(3)

式中，Q為局部通風機的吸風量，m3/min；S為測風斷面的斷面積，m2；P為(P1-P2)，測風斷面處相對靜壓差，Pa；ρ為風道內氣體密度，kg/m3。

1.3 注意事項

在使用靜壓差法實際測定局部通風機風量時，準備工作簡單，測試參數(shù)較少，操作簡單，數(shù)據便于現(xiàn)場獲取且較為穩(wěn)定，但要特別注意測壓計本身所存在的精度問題[10]、穩(wěn)定性問題以及所選斷面的面積問題等[2，5，6，11]。

(1) 在選擇測風斷面時，盡量保證所選的兩個斷面在引風道中，斷面間距相差較小，斷面面積相差30%～50%，最好大于50%，風流較為穩(wěn)定，且能夠很容易地引出靜壓管。

(2) 進行測量時要確保管道和兩個鄰近斷面間沒有出現(xiàn)堵塞或者漏氣現(xiàn)象，防止作業(yè)人員踩踏膠管。

(3) 要妥善保管固定膠管，避免其在風流中隨意擺動，引出膠管時要防止其受到風門的擠壓。

(4) 進行局部通風機安全性能檢測時，也應把基于文丘里管改進裝置的靜壓差測風法納入到相關標準中，推廣利用文丘里管檢測局部通風機風量這一創(chuàng)新檢測方法。

2 測試實例

利用圖2所示裝置測定FBD№6.0/2×15[16]型局部通風機風量，檢測數(shù)據如表1所示。經實驗分析，局部通風機測風裝置的修正系數(shù)k值為0.987，現(xiàn)場實測的風量計算結果如表2所示。只有將計算所得參數(shù)換算成標準狀態(tài)下的參數(shù)才能夠使實測數(shù)據更具有普遍性和代表性。

表1 FBD№6.0/2×15型局部通風機測試數(shù)據

表2 FBD№6.0/2×15型局部通風機數(shù)據分析結果

轉速校正系數(shù)Kn、空氣密度校正系數(shù)Kρ、標準狀態(tài)下風機的風量Q和風壓Htd轉化公式如下：

Kn=n0/ni

(4)

式中，n0為風機額定轉速，r/min；ni為風機在工況點時的實際轉速，r/min。

由于風機額定轉速和風機在各個工況點時的實際轉速是基本相同的，故Kn取1。

Kρ=ρ0/ρi

(5)

式中，ρ0為礦井標準狀態(tài)下空氣密度，kg/m3；ρi為第i工況點時的空氣密度，kg/m3。

Q=Kn·Q′

(6)

式中，Q′為計算所得風量值，m3/s。

(7)

經轉化，標準狀態(tài)值如表2所示。根據標準狀態(tài)值，以風量為橫坐標，以風壓為縱坐標，繪制局部通風機在礦井標準狀態(tài)下的實測特性曲線[13]，即將各工況點數(shù)據繪制在圖中，并連成曲線。標準性能曲線見圖3。FBD№6.0/2×15型通風機風量范圍為4～7 m3/s，風壓范圍為350～5150 Pa，由圖3可看出，利用通風機裝置試驗得到的標準性能曲線滿足要求，通風機裝置使用性能良好。

圖3 FBD №6.0/2×15型局部通風機測量標準性能曲線

FBD№6.0/2×15型局部通風機出廠性能曲線如圖4所示。分析實測局部通風機標準狀態(tài)性能曲線，對比分析FBD№6.0/2×15型局部通風機出廠性能曲線，測試誤差見表3。

圖4 FBD №6.0/2×15型局部通風機出廠性能曲線

表3 FBD№6.0/2×15型局部通風機數(shù)據對比分析結果

利用通風機測風裝置進行通風機性能測試，靜壓差法計算通風機風量繪制性能曲線和通風機出廠性能曲線對比，得出如表3所列數(shù)據。經過統(tǒng)計分析，絕對誤差在0.3～0.6m3/s之間，中位數(shù)0.5 m3/s；相對誤差中位數(shù)8%，在誤差允許范圍區(qū)間[15]。

3 結論

(1) 井下掘進巷道作業(yè)環(huán)境復雜且參數(shù)獲取難度大。我國煤礦更傾向于研究主要通風機風量測定方法，包括流速測定法、速壓測定法和靜壓差法測風法。與前兩個方法相比，靜壓差測風法對環(huán)境要求低，測試數(shù)據穩(wěn)定，且實際應用不受限制，故煤礦多采用靜壓差測風法。

(2) 我國現(xiàn)行標準GB/T 2624.4-2006提出測量局部通風機風量的設施——文丘里管?；谖那鹄锕艿撵o壓差法測量局部通風機風量，操作簡單，測量結果準確，適合現(xiàn)場局部通風機風量檢測。推廣使用這種測量方法，可以提高現(xiàn)場使用局部通風機風量測試方法的科學性，規(guī)范、統(tǒng)一局部通風機的測試方法。

(3) 定期開展局部通風機安全檢測檢驗工作，可為礦山企業(yè)的設備管理和礦山企業(yè)監(jiān)督管理部門的安全監(jiān)管提供技術支持和執(zhí)法依據，對提高局部通風機的使用效果、保障非全風壓供風地點的需風量具有重要的作用和意義。