气压计基点法测定矿井通风阻力的误差分析及机电位置的选择.pdf

安全技术 文章编号1003 - 496X200406 - 0010 - 03 气压计基点法测定矿井通风阻力的 误差分析及基点位置的选择 曲 方1,刘克功2,李迎业2,赵新华2 1. 中国矿业大学,江苏 徐州221008 ;2.潞安矿业集团 五阳煤矿,山西 襄垣046205 摘 要基点法测定矿井通风阻力具有省时、 省力、 速度快的特点。在基点法测定中,影响位压差 项、 速差项和静压差项精度的主要原因分别是测点标高的准确性、 风速和基点的位置,并且静压 差的精度对于整个测定工作精度的影响最大。为了提高测定的精度,测定工作应在检修班进行, 并采用多基点测定法。基点的位置应避开冲击气压的干扰。对于一般的矿井,在进风段、 用风段 和回风段的基点可分别设在地面井口、 采区下部车场和采区上部总回风入口附近。 关键词阻力测定;误差;基点法;气压计 中图分类号TD721 文献标识码B 1 概 述 矿井通风阻力测定是生产矿井通风管理的一 项重要内容。目前,矿井阻力测定已基本淘汰了 倾斜压差计测定法,大多采用省时省力、 操作简单 的气压计测定方法,特别是在大型矿井的全矿井 阻力测定中更是如此。采用气压计进行阻力测定 时,测定方法又分为基点法和同步法2种。同步 法是将2台气压计分别安置在井巷的两侧,并约 定时间同时读取风流的静压值。而基点法则是用 1台气压计监测基点气压的变化,另1台气压计 沿测定线路逐点测定风流的静压。由于同步法采 用2台气压计同时读数,从而有效地避免了地面 大气压力变化和其他扰动因素的影响。测定精度 主要受气压计性能本身的影响。若采用2台相同 精度和漂移性能的气压计,其测定精度易于保证。 但要求2台气压计同时读数,测定过程的联络和 配合较困难,测定速度慢。而基点法则相反,它是 目前较为常用的测定方法。 本文试图从基点法测定的原理入手,对测定 误差产生的原因、 基点位置的确定等问题进行探 讨,希望能为提高基点法在实际应用过程中的精 度有所帮助。 2 基点法测定误差来源分析 2. 1 基点法测定原理 采用基点法进行井巷通风阻力测定时,测定 段的通风阻力计算公式为 h1～2 [ K1 p 1- p2 K2 p 02- p01 ] 1 2 [ρ1V12-ρ2V22] [ Z1-Z2 g ρ1～2 ] 1 式中 K1、K2 移动气压计和基点监测气压 计的校正系数; p1、p2 移动气压计在井巷进风测点 和出风测点不同时刻的读数, Pa ; p01、p02 在读取p1和p2时,基点气压 计的读数,Pa ; V1、V2 井巷进风测点和出风测点不 同时刻的风速,m/ s; Z1、Z2 井巷进风测点和出风测点的 标高,m; ρ 1 、 ρ 2 井巷进风测点和出风测点处的 风流密度,kg/ m3; ρ 1～2 测定段风流平均密度,kg/ m3。 从形式上看 ,1 式和描述井巷通风阻力的典 01 第35卷 第6期 煤 矿 安 全 2004年6月 型的伯努利能量方程类似,具有相同的物理意义, 它们都表示任意井巷进、 出风2个断面上的能量 差。但是1式中的压力、 风速和密度等物理量是 气压计等仪器沿测定线路在测定段进出风测点不 同时刻的测定值,如果地面大气压力和井下风流 是严格的稳定流,并且在测定时间内不考虑地面 大气压力滞后等因素的影响 ,1 式就准确的反映 了测定段的通风阻力。但是矿井实际风流和地面 大气压力往往是变化的,这样由于2个测点读数 的非同时性,就必然导致测定过程中误差的产生, 这是由基点法本身所造成的。由于1式中各项 的物理意义不同,产生误差的原因也不同,因此有 必要对其分别进行讨论。 2. 2 基点法测定误差分析 为了详细的分析基点法测定中误差产生的原 因,将1式分成3个部分加以讨论,即位压差项、 速压差项、 静压差项。 1位压差项任一测段位压差的表达式为 hZ1～2 Z1-Z2 g ρ1～22 在正常生产条件下,风流的密度变化较小,并 且也易于测算。对位压差hZ1～2影响最大的是测 点的标高。在实际测定中,由于测定标高的不准 确而导致测定段的阻力出现负值的情况时有发 生。为此,在测定线路布点时,尽可能将测点布置 在标高已知的地方,并且事先将测线布置图送有 关的地质部门,以便准确确定出测点的标高数值。 对于测点难以选在已知标高的位置时,可根据具 体情况进行推算。这里有2种情况,一种是测定 段位于大巷、 石门或者上下山等坡度已知的巷道 时,则可根据巷道的坡度和已知标高测点到未知 标高测点的距离进行推算。另一种对于巷道起伏 变化大,又缺乏坡度变化准确资料的测段,采用上 述的推算方法比较困难时,可根据前后测点的有 关参数推算待求测点的最可能标高值,并以此作 为该测点的准确标高进行位压差的计算。 2速压差项速压差的测算公式为 hv 1 2ρ 1V12- 1 2ρ 2V22 3 影响速压差项精度的主要因素是进出风测点 的风速。井巷中运输设备的运行、 大批人员的移 动对风表的读数都会产生直接的影响,从而引起 测点风速值的误差。因此,测风点应设在免受上 述因素干扰的地点。由于风流汇合或分流都会产 生涡旋,对于处在交叉点附近的测点,为了避开涡 旋,在从分风点或合风点流出的风流中,测点的位 置与该分风点或合风点的距离不小于巷道宽度的 12～14倍;在流入分风点或合风点的风流中,测 点的位置与该分风点或合风点的距离不小于巷道 宽度的3～4倍,并且各分支的风量都要进行测 量,以便相互验证。一般而言,井下风流的动能值 较小,速压差在阻力中所占比例很小,不会引起较 大的误差。但是如果在测点附近设有风门,若恰 好在测定时风门开启或者关闭,则可能引起较大 的误差。所以在测风速时,应采用多次测定,取平 均值的方法,避免粗大误差的产生。 3静压差项静压差项的测算公式为 hsK1 p 1- p2 K2 p 02- p014 上式由2项组成,第1项表示测段进出风测 点的静压差,第2项表示井下移动气压计在测点 读数时刻,基点气压计的变化情况。如前所述,基 点法通风阻力测算公式是根据稳定流的伯努利能 量方程而得到的。而矿井风流并不是严格的稳定 流,并且基点法测定过程中对测点气压的读数不 是在同一时刻进行的,所以不能照搬伯努力利方 程,必须对其进行修正,这样就引入了4中的第 2项。对上式进行变形得到 hs K1p1-K2p01 - K1p2-K2p02 5 在不考虑基点气压计和井下移动气压计仪器 本身误差的条件下 ,5 式的第一项相当于同时测 定法中基点和测点1在某时刻的静压差,而第2 项则相当于基点和测点2在另一时刻的静压差。 如果井下风流包括地面大气压是严格的定常 流,则以上2项的差就准确的表示某段井巷始末 点的静压差。由5式就更加清楚地看出风流的 非定常性和测点读数的非同时性是基点法误差产 生的根本原因。实际观测也证明了上述推论,用 1台气压计观测井下某点的气压,很容易发现在 不同时刻,该点的气压将有不同的读数,而2个测 点在不同时刻得到的读数,代入5式进行静压差 的计算,误差的产生是不可避免的。 3 基点位置的确定 由于基点法阻力测定中,静压差的精度直接 11 第35卷 第6期 煤 矿 安 全 2004年6月 关系到整个测定工作的精度,因此从测定方法本 身着手考虑如何降低静压差的误差是十分重要 的。而对静压差精度影响最大的是基点气压计的 位置。合理的基点位置应使矿井风流的非定常性 给阻力测定带来的影响降到最小。引起井下测点 静压波动的原因有2类① 由于地面大气压的变 化;② 井下作业在矿井风网中引起的局部附加冲 击压力。不同的基点位置,这2个因素对静压差 有着不同的影响。 3. 1 基点设在进风井口 当基点位于进风井口附近时,校正气压计的 读数主要受地面大气压变化的影响。地面大气压 力的变化与天气有一定的关系,并且在1 d之内 其变化的趋势和幅度也不同。根据观测,在白天 大气压力的变化可达100 Pa左右晴天 , 每小时 的变化幅度可达50 Pa左右,并且大气压力的变 化是渐变的,基本上没有突变的情况发生,气压随 时间的变化曲线比较平稳。大气压力的这种变化 将传递到井下测点上,但在传递过程中有一定滞 后和衰减,其滞后的时间和衰减的幅度取决于井 下测点距井口的距离。 3. 2 基点设在井底车场 根据观测,当基点设在井底车场附近时,气压 的波动幅度较大,并且有突变的情况发生。产生 这种情况的原因在于,井底车场附近的气压除受 地面大气压力波动的直接影响外,还会受到井下 不同形式扰动的影响。例如,当副井的罐笼向下 运行,而大巷的电机车向井底车场方向运行时,井 底车场附近的空气被压缩,气压升高;反之,则气 压降低。这样就造成了井底车场附近气压的变化 曲线较井口附近的气压变化曲线起伏多、 变化的 幅度大。 3. 3 基点设在采区下部车场及回风大巷起点 当基点设在采区下部车场不受运输影响的巷 道内时,如果不考虑采区内风门的开启和关闭的 影响,基点气压计的波动和采区内测点气压的波 动在趋势和时间上基本一致。这是由于在采区内 部受到的运输干扰较少,产生压力跃阶的因素减 少;同时,基点和测点的距离较近,基点气压延迟 效应降低,从而使二者的波动一致。在回风系统 的测定中,将基点设在采区上部回风大巷起点附 近,也具有类似的结果。 综合以上讨论,用基点法进行矿井阻力测定 时,由于井下风流的非定常性和前后测点读数的 非同时性,从理论上讲误差存在是必然的。要降 低测定的误差,就必须从这2个方面入手。为此, 阻力测定应该在人员活动少、 运输量轻的检修班 进行。将进风井到出风井的阻力测定路线分为3 段,即进风段、 用风段和回风段。从入风井到采区 下部车场为进风段,在这一测段,由于矿井的运输 和提升设备对测定结果的影响大于大气压力波动 滞后的影响,因此,一般基点应设在进风井口附 近。对于特别深的矿井或者进风线路特别长的矿 井,可考虑将基点设在井底车场附近。在采区下 部车场到总回风巷的用风段测定中,可将基点设 在采区下部车场不受运输影响的地点,以缩短基 点和测点间的距离。同时,为了消除风门开启或 者关闭造成的压力跃阶对测定精度的影响,必须 在气压稳定后读数。在从总回风巷入口到回风井 的回风段测定中,基点应设在采区上部总回风巷 入口附近。为了剔除测定工作中可能出现的粗大 误差,测定时应采用至少4台气压计。在从进风 井口到回风井口的整条测线内,随着测定工作的 前移,在进风井口、 采区下部车场附近、 总回风巷 入口附近先后设立3个基点,实行多基点测定,以 弥补基点法本身的缺陷。 作者简介曲 方,中国计量学院安全工程专业副教 授,1985年毕业于中国矿业大学采矿系,1993年在中国 矿业大学北京研究生部获工学硕士学位,现为中国矿业 大学在职博士研究生,主要从事矿山通风与安全、 煤层气 开采、 火灾防治以及安全经济与管理等方面的科研与教 学工作,先后完成科研项目近10项,发表论文10余篇。 收稿日期2004 - 01 - 12 ;责任编辑郭瑞年 21 第35卷 第6期 煤 矿 安 全 2004年6月