矿山回风井风量的间接测定装置设计研究

伍海亮 黄寿元

(1.南京梅山冶金发展有限公司矿业分公司，江苏 南京 210041；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山 243000；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243000)

风量测量方法主要有机械式、电子式传感器及静压差法测定[1-2]，其检测仪表及测定技术得到不断改进。如彭云[3]提出一种可实现多参数自动测量的矿井风量检测仪的设计方案，采用超声波探头、超声波时差法测量井巷风速，激光脉冲法测量巷道断面积，但是该电子式风量检测仪在矿井环境中实用性、准确性有待验证；刘禹[4]设计了多声道超声时差法的煤矿主通风机风量监测系统，但风量监测仪表仍是电子式传感器，受矿井回风井回风粉尘、潮湿水雾影响。矿井回风井风量监测采用机械式的静压差法比较实用可靠，将感压部分与电子式仪表分开，防止回风井水雾对电子式仪表的影响。如徐州博联科技有限公司的“双均静压环风量检测仪”采用2个静压环，测定2点静压差，由可编程控制系统接收静压差信号并加以运算便可计算出风量，但是该方案仅适用于地表有风机情况，且只能测定静压参数。

矿井通风系统进回风量测定是通风系统测定的基本内容[5]，矿井回风井风量测定传统的方法是采用电子式或机械式风速仪表在井下、井口或井下井口同时测定。对于建立了通风在线监测系统的矿山则在回风井筒内(井口无风机)或地表(井口有风机)出风段布置传统风速传感器监测风量[6-7]。人工测定费时费力，且井口人工测定风量存在跌落风井安全风险及受矿井污风危害测定人员职业健康，采用井口自动监测风量却存在含水雾矿井回风影响电子式风量监测仪表测定精度、使用寿命等一系列问题。本研究基于矿井风量检测的基本原理，并结合回风井风量检测的特殊性，设计了一套间接测定回风井风量的装置，通过直接测定该通风断面的静压及全压(包括静压及动压)，设置简单实用的U型管测压组件与压力传感器互为冗余，感压部分与数据处理器独立，并既满足通风技术人员通风现场日常巡检要求，又能满足矿井通风系统的远程集中监控管理，同时提高了通风在线监测系统的稳定可靠性及经济性。

1 风量检测装置结构设计研究

1.1 装置结构设计

间接测定矿井回风井风量装置的结构示意见图1。

图1 间接测定矿井回风井风量装置的结构1—外环；2—中间环；2′—内环；3—感静压孔；4—感全压孔； 5—感全压短立管；6—固定杆；7—联通管；8—导静压接口； 9—导全压接口；10—静压导压软管；10′—全压导压软管； 11—静压三通；11′—全压三通；12—静压U型管； 12＇—全压U型管；13—静压压力传感器； 13＇—全压压力传感器；14—通风在线监测系统

由图1可以看出，间接测定矿井回风井风量的装置是由感压与导压组件、测压组件、通风在线监测系统连接组合构成。

感压与导压组件包括位于同一平面并与井筒内风流方向垂直的外环、中间环、内环，外环、中间环、内环水平安装于距离井口1～2 m的回风井筒内，避免因太靠近井口其风流风压不稳定影响数据准确性，同时减小静压导压软管、全压导压软管压力传递至测压装置因高差带来的静压变化。外环为静压环，外环与井筒壁面可采用支架固定并布置在距离回风井井筒壁面200 mm左右，外环的内侧侧面设有4个感静压孔感应静压，感静压孔按90°均匀交叉分布，根据井筒内风速从壁面至井筒中心逐渐增大的特点，通风工程中以井筒通风断面上的平均风速计算风量。

中间环、内环为2个全压环，全压环的内环布置在距离回风井井筒中心距离300 mm以上，以300～400 mm为宜。中间环将内环与外环所围面积等分，在中间环、内环的底部分别开设有4个感全压孔，分别按90°均匀并交叉布置，8个感全压孔再各自连接感全压短立管感应全压即动压与静压，以得到平均风速计算风量。

中间环与内环之间通过联通管导通连接并固定，中间环再通过固定杆与外环连接固定而不联通；在外环上设置导静压接口，在中间环上设置导全压接口。

测压组件由带刻度的静压U型管、全压U型管、静压压力传感器、全压压力传感器、静压三通、全压三通构成；静压三通的进口通过静压导压软管与导静压接口联通，静压三通的2个出口分别与静压U型管的一端、静压压力传感器的一个接口联通；全压三通的进口通过全压导压软管与导全压接口联通，全压三通的2个出口分别与全压U型管的一端、全压压力传感器的一个接口联通；静压压力传感器、全压压力传感器再分别与通风在线监测系统连接。全压U型管的另一端、静压U型管的另一端及全压压力传感器的另一个接口、静压压力传感器的另一个接口均与大气相通。

静压导压软管、全压导压软管均采用耐腐蚀的胶皮软管。外环、中间环、内环、 感全压短立管等部件材质采用细铜管或者钢管材料。

为了保证全压中动压感应的准确性，必须保证该装置的感全压短立管与风流方向垂直，外环、中间环、内环均保持水平安装，以提高测定精度，减少测定误差。

对于回风井为方形井筒，其整套装置类似，将感压、导压组件中的外环、中间环及内环改为方形截面，四边中点布设感压孔，测压组件不变。

1.2 装置结构参数

矿井回风井风量测量装置的结构参数：①外环、中间环、内环内径相同，均为20～40 mm；②感静压孔与感全压孔内径相同，均为5～10 mm；③感全压短立管内径与感全压孔的孔径相同，感全压短立管的长度20～40 mm；④导静压接口、导全压接口内径均为6～10 mm，静压导压软管、全压导压软管的内径相同，均为4～8 mm。

2 风量检测方法

通风现场直接读取静压U型管、全压U型管内的水柱差，即全压U型管内两侧的水柱高度差H1，静压U型管内两侧的水柱高度差H2。而对于风井的断面尺寸S是固定不变的。结合流体力学中风流全压和静压、动压三者之间的数学关系可以推导出简单实用的风量计算公式。推导过程如下：

同理，对于压力传感器的压力信号可远传至通风在线监测系统，利用上述风量计算关系式，在线实时监测风量，其数据可以与目前矿山的“六大系统”对接，实现矿井通风系统的远程集中监控管理。

3 结 论

(1)设计研究的矿井回风井风量测定装置通过在井筒断面内均匀环形布置感压点，全压及静压数据准确，装置结构简单，操作方便、实用性强，风量计算公式简单易懂，适合于矿山通风技术人员理解掌握。

(2)现场设置带刻度U型管及压力传感器，并将压力信号远传至通风在线监测系统，其数据可与目前矿山的“六大系统”对接，既能满足通风技术人员通风现场日常巡检要求，又能满足矿井通风系统的远程集中监控管理。

(3)相对设置风速传感器的通风在线监测系统省去了风速传感器的设置，增设简单实用的U型管测压组件与压力传感器互为冗余，感压部分与数据处理器独立，进一步提高通风在线监测系统的可靠稳定性及经济性。

(4)结合我矿通风系统情况以及即将开展的回风井除雾工程项目，拟定采用该设计装置，进行回风井风量检测，与年度通风系统检测数据进行比较对照，为除雾系统工艺设计提供处理风量基础数据。

[1] 于 栋，张新民.矿用主通风机风量测试方法的研究[J].煤炭工程，2007(5):84-86．

Yu Dong,Zhang Xinming.Research on ventilation quantity m easuring m ethod of m ine m ain ventilator[J].Coal Engineering，2007(5):84-86．

[2] 彭明辉．煤矿现场主通风机风量测试方法及优缺点分析[J].煤矿现代化，2014(4):106-108．

Peng Minghui.The advantages and disadvantages analysis of coal mine main fan flow rate testing methods[J].Coal Mine Modernization，2014(4):106-108．

[3] 彭 云，赵伏军.一种矿井风量检测仪的设计[J].工况自动化，2012(1)：76-78.

Peng Yun,Zhao Fujun.Design of a mine used airflow detector[J].Industry and Mine Automation，2012(1)：76-78.

[4] 刘 禹.基于多声道超声时差法的煤矿主要通风机风量监测系统[J].煤矿安全，2016(5):126-129.

Liu Yu.Air volume monitoring system of coal mine main ventilator based on multi channel ultrasonictime-difference method[J].Safety in Coal Mines，2016(5):126-129.

[5] 孙魁明，黄寿元，居伟伟.冬瓜山铜矿老区通风系统测定与分析[J].煤矿安全，2014(5):114-116.

Sun Kuiming，Huang Shouyuan，Ju Weiwei.Determination and analysis of ventilation system in the old area of Dongguashan copper mine[J].Safety in Coal Mine，2014,(5):114-116.

[6] 贾安民.井下多级机站通风监控与节能技术研究[J].金属矿山，2012(6):113-119.

Jia Anming Remote monitoring and energy saving research of multistage fan station ventilation[J].Metal Mine，2012(6):113-119.

[7] 贾安民，黄寿元.井下通风远程监控技术在苍山铁矿的应用[J].现代矿业，2012(7):75-78.

Jia Anming Huang Shouyuan.Application of remote ventilation remote monitoring technology in cangshan iron mine[J].Modern Mining，2012(7):75-78.