徐 婷 婷

（同煤集團，挖金灣煤業(yè)公司，山西 大同 037042）

0 引 言

巷道掘進工作面通風(fēng)環(huán)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(fēng)不容忽視[1-4]。

目前最常使用的是局部通風(fēng)機，來改善巷道里的通風(fēng)環(huán)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(nèi)沒有安裝實時監(jiān)測系統(tǒng)。要想了解所安裝的局部通風(fēng)機性能好壞，只能采用人工對局部通風(fēng)機進行性能檢測。為了適應(yīng)各種工況，提高現(xiàn)場測量的準(zhǔn)確性和實用性，本文設(shè)計了一種測量裝置，該裝置主要針對礦下有限空間惡劣環(huán)境下作業(yè)。設(shè)計原理是測出局部通風(fēng)機風(fēng)速后，根據(jù)平均風(fēng)速與速度常系數(shù)的關(guān)系，得出風(fēng)量值[5-7]。

1 局部通風(fēng)方式的研究

1.1 通風(fēng)方法選用

1）壓入式通風(fēng)。將局部通風(fēng)機安裝在巷道進口處，新空氣被通風(fēng)機從風(fēng)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(chǎn)生的廢氣推出巷道。

2） 抽出式通風(fēng)。將局部通風(fēng)機安裝在巷道出風(fēng)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(fēng)機抽出巷道內(nèi)的廢氣和生產(chǎn)時的礦塵。排出礦塵效果好壞與距離風(fēng)筒遠近有關(guān)，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(fēng)。包含壓入式和抽出式兩種局部通風(fēng)機，根據(jù)安裝目的和位置，安裝相應(yīng)工作方式的通風(fēng)機。工作方式是由入口處的壓入式通風(fēng)機風(fēng)筒壓入新鮮空氣，稀釋渾濁氣流，由出口處抽出式通風(fēng)機抽出廢氣和工作礦塵，這樣改善通風(fēng)條件的工作效率很高。不過安裝兩套通風(fēng)裝置，耗電量翻倍，對于掘進工作面來說不經(jīng)濟合理，而且增加了管理難度。

1.2 通風(fēng)工況的調(diào)整

巷道內(nèi)的通風(fēng)工況會隨著挖掘工作的持續(xù)行進而發(fā)生改變，隨工況改變及時的調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)，可以避免通風(fēng)空間增加或瓦斯含量改變而引起的供風(fēng)量不足。因此，應(yīng)當(dāng)定時的對巷道實際工況進行檢測和調(diào)整。通風(fēng)機在巷道排風(fēng)時會遇到各種情況，其中包括通風(fēng)機本體性能和工作時系統(tǒng)管路運行狀態(tài)。風(fēng)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(tài)時通風(fēng)工況點出現(xiàn)交錯，交錯工況點的出現(xiàn)會導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)喘振從而引發(fā)故障。另外，由圖1 可知，通風(fēng)機的流量、流速以及通風(fēng)工況會共同影響通風(fēng)系統(tǒng)的效率，為滿足其高效運行可按以下方式對通風(fēng)機進行調(diào)節(jié)。

圖1 不同管網(wǎng)下的特性曲線

1）若巷道內(nèi)通風(fēng)流量經(jīng)常改變，應(yīng)調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)中管道閥門的開合程度以增加或減少系統(tǒng)的內(nèi)壓力，其優(yōu)勢在于可以及時的調(diào)整風(fēng)機流量，應(yīng)變性強。劣勢是如果閥門開啟度減小，則增大了流動阻力，導(dǎo)致能量浪費。

2） 變速調(diào)節(jié)，風(fēng)機性能的調(diào)節(jié)還可采用變頻調(diào)速。變頻調(diào)速技術(shù)近些年發(fā)展較成熟，其安全性能相應(yīng)較高。這種調(diào)速方式是利用電源頻率與通風(fēng)機轉(zhuǎn)速關(guān)系，改變其電源頻率來控制通風(fēng)機速度。

3） 通風(fēng)機性能與通風(fēng)機葉輪的外徑大小聯(lián)系密切。為使工況點處于高效區(qū)域，可通過改變通風(fēng)機葉輪外徑來實現(xiàn)。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(fēng)機工作效率，因此必須嚴格計算其切削量。

2 通風(fēng)機測量參數(shù)測定

根據(jù)通風(fēng)機的工作轉(zhuǎn)速以及風(fēng)流量繪制出的性能曲線圖可以清楚的描述系統(tǒng)現(xiàn)有的工作情況。但通風(fēng)機的工作情況并不能有效證明整個通風(fēng)系統(tǒng)是否滿足通風(fēng)要求。通風(fēng)機在工作狀態(tài)時產(chǎn)生的風(fēng)速，風(fēng)壓和風(fēng)量是核定通風(fēng)系統(tǒng)是否具備條件的主要檢測項目。我們在現(xiàn)場能夠精確測量通風(fēng)系統(tǒng)的各項參數(shù)，可以給提高整改現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)，改變通風(fēng)機工作狀況提供很重要的數(shù)據(jù)。

2.1 局部通風(fēng)機風(fēng)壓測定

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

根據(jù)上述理論，為提高測量局部通風(fēng)機風(fēng)壓的精度，可以通過以下方法來提高測量的準(zhǔn)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(zhì)，巷道空間狹小，橡膠管具有重量輕，易便攜，方便布置等優(yōu)點。另外橡膠軟管柔軟易操作，能夠及時發(fā)現(xiàn)測量時的缺陷點和故障點。

圖2 局部通風(fēng)機

2.2 局部通風(fēng)機風(fēng)量測定

測量巷道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)量的方法有很多，其中大部分原理均為根據(jù)相對風(fēng)速與風(fēng)量的關(guān)系，在檢測出橫截面風(fēng)速的情況下，通過計算求出風(fēng)量。具體檢測設(shè)備包括使用風(fēng)速表，風(fēng)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(fēng)量的方法。

根據(jù)已有研究表明，斷面風(fēng)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(fēng)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(nèi)橫截面風(fēng)速。

由于橫截面上不同位置的風(fēng)速時不一樣的，其動靜壓差因子屬于變量，按照常規(guī)檢測方法得到的斷面風(fēng)速，無法真實的反映具體風(fēng)量值。為提高測量局部通風(fēng)機風(fēng)量的精度，根據(jù)其測量原理，可以將要檢測的風(fēng)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(fēng)速分布情況，把已知的各點風(fēng)速計算，測得的平均風(fēng)量的準(zhǔn)確性更高。

3 測量裝置設(shè)計

現(xiàn)場測量掘進工作面中通風(fēng)機的風(fēng)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(fēng)機氣流差壓，經(jīng)過計算得出風(fēng)量值。因為測量現(xiàn)場的環(huán)境中，空氣粉塵含量大，易堵塞測壓管測孔，并且現(xiàn)場存在其他氣流干擾。若使用畢托管單點測壓，測量結(jié)果誤差太大。因此，測量時需要增加測量點，保證測量結(jié)果準(zhǔn)確性。本文旨在設(shè)計的這套風(fēng)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(fēng)量測量設(shè)計

多個測點按照等環(huán)面積法測量原理分布。即測量斷面上布滿等面積圓環(huán)，然后保證每個測孔組的動壓四孔在同一圓環(huán)上，且均勻分布。測孔位置和數(shù)量可通過等面積環(huán)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(fēng)速。平均風(fēng)速與相同時間通過此測量斷面風(fēng)速經(jīng)過計算公式得出速度場系數(shù)，最終求出風(fēng)量。

3.2 風(fēng)壓測量設(shè)計

目前，對通風(fēng)孔的靜壓檢測方法有很多，其中穩(wěn)定性較好的測量方法是壁面測壓，即在風(fēng)筒出口側(cè)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(fēng)壓不一定均勻的分布在風(fēng)筒內(nèi)壁上，為提高準(zhǔn)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(shù)值是風(fēng)筒內(nèi)壁上各處風(fēng)壓的均值，在減少后期因環(huán)境復(fù)雜而增加數(shù)值差補計算的同時，其數(shù)據(jù)也更為的精確。

4 結(jié) 論

圖4 壁面取壓法安裝圖

本文提出了一套專門針對復(fù)雜工況下通風(fēng)風(fēng)壓檢測儀器，該設(shè)備將傳統(tǒng)單個點測壓更改為同一面內(nèi)多個環(huán)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(shè)備采用多塊面積分解的方式對速壓進行檢測，系統(tǒng)的模擬出了巷道內(nèi)斷面速壓場，這樣根據(jù)風(fēng)筒橫截面積來計算出的風(fēng)量值更加精確?？梢院艽蟪潭壬辖鉀Q因礦內(nèi)空間狹窄、浮塵過多等問題而引起的測量誤差。