巷道风量全自动在线测试装置研制与应用

孙永新，张 浪，杨 旭，刘彦青，马 强，李 伟，张宏杰，赵 凯，段思恭

（1.山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048000；2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013）

巷道风量准确在线测试是矿井通风管理的核心工作之一，研究人员开展了大量的研究工作，取得了一定成果。鹿广利等[1]采用数值模拟方法计算巷道拐弯区域风速场结构寻找巷道断面平均风速位置，优化风速传感器布置位置；赵丹等[2]推导了圆形管道平均风速与点风速之间换算公式；王翰锋[3]利用CFD方法对不同形状巷道断面内定点式风速传感器最佳测风位置进行了优化确定；刘剑等[4]采用非接触式激光多普勒测速仪对均直巷道的稳定流动及断面突扩后风流状态进行了实验测试，实测了巷道风流风速的真实脉动状态；赵丹等[5]采用一元线性回归方法由风速传感器测量值推导巷道平均风速；文献[6-7]实验研究了井巷断面内单点风速与平均风速转换机制；丁翠等[8]采用数值模拟和实验室测试相结合方法研究了矿井通风巷道风流分布“关键环”分布规律；宋莹等[9]采用数值模拟和实验室测试相结合方法验证了巷道风速分布与风速大小无关，主要取决于巷道形状；张士岭[10]利用超声波测风仪实测了巷道风流风速平均脉动周期；李艳昌等[11]研究了人工测风过程中测风人员对测风结果的影响规律；刘剑等[12]明确了根据湍流统计平均特性进行风速及风压等测试仪器设计研发；张浪[13]采用数值模拟方法优化了巷道测风站风速传感器布置位置。为此，研制了巷道全自动在线测试装置。

1 巷道断面平均风速区域分布规律

以王坡煤矿辅运大巷测风站和上寺头北翼回风巷测风站为研究对象，利用GMBIT 建模软件构建的与实际巷道尺寸比例1∶1 的矩形巷道、半圆拱巷道三维模型如图1。

图1 巷道三维模型Fig.1 Three dimensional geometric model of roadway

巷道内空气流动过程采用N-S 方程组求解，满足质量守恒、动量守恒、能量守恒，巷道风流流模型采用方程，对不同巷道风量条件下巷道断面风速场进行模拟解算。计算模型边界条件：①巷道壁面：Wall（壁面）；②巷道入口：Velocity-in（风速入口）；③巷道出口：Flow-Out（风速出口）；④人员：Wall（壁面）。

对于矿井风量测试误差要求而言，测风误差越小，平均风速分布区域越小；对于风速传感器采集数据方便性而言，平均风速分布区域越大，风速传感器采集数据越方便，二者具有一定矛盾性，经过综合考虑，选择在[0.97vave，1.03vave]（vave为巷道平均风速值）标尺取值区间内部署风速传感器，进行巷道平均风速测试，既能满足矿井风量测试误差要求，同时也方便部署风速传感器进行数据采集。巷道断面风速区间[0.97vave，1.03vave]分布区域如图2。

图2 巷道断面风速区间[0.97vave,1.03vave]分布区域Fig.2 Distribution area of roadway section wind speed interval [0.97vave,1.03vave]

图2 绿色区域为不同巷道风量条件下巷道断面风速区间[0.97vave，1.03vave]分布区域，将风速传感器布置在绿色区域内进行巷道平均风速数据采集，巷道平均风速测试精度达到97%以上，由图2 可以看出，巷道风量大小对巷道断面平均风速分布区域基本无影响。

为了进一步揭示巷道风量对巷道断面平均风速分布区域基本无影响这一现象，以巷道断面内各位置处风速与巷道中心位置处风速（巷道断面内最大风速位置）比值为变量，对不同巷道风量条件下巷道断面风速场进行无因次化处理，得到的巷道断面无因次风速结构场如图3。研究表明：巷道形状与断面尺寸固定不变条件下，巷道断面无因次风速结构场与巷道风量无关。

图3 巷道断面无因次风速结构场Fig.3 Dimensionless wind speed structure field of roadway section

2 巷道断面平均风速九点采集法

在巷道断面平均风速区域内布置多个风速采集点理论上能够显著提高巷道平均风速测试准确性。基于巷道断面无因次风速结构场，在保持巷道断面形状、尺寸不变条件下，巷道实时风量大小不会影响巷道断面各位置处无因次风速值，风速传感器采集巷道断面某一固定位置处无因次风速数据理论上为某一固定值，因此可根据巷道断面某一固定位置无因次风速数据变化波动幅度检测风速传感器是否存在数据失真问题。基于上述，提出了巷道断面平均风速九点采集法。在巷道断面平均风速区域（图2 中绿色区域）内布置8 个平均风速采集点，利用8 个平均风速采集点数据计算巷道平均风速值，乘以巷道断面积求得巷道风量。在巷道中心位置（巷道断面最大风速位置）布置1 个风速采集点，作为校验风速传感器风速采集点，根据平均风速采集点风速值与校验风速传感器风速采集点风速值比值变化波动幅度，检验风速传感器是否存在数据失真问题。

巷道断面平均风速区域与风速监测点布置图如图4。

图4 巷道断面平均风速区域与风速监测点布置图Fig.4 Average wind speed area of roadway section and layout of wind speed monitoring points

半圆拱巷道和矩形巷道均以巷道中心位置（巷道断面最大风速位置）作为校验风速传感器风速采集点。对于矩形巷道，根据巷道断面平均风速分布区域，通过图4 中a、b、c 3 个尺寸可确定矩形巷道断面8 个平均风速采集点位置；对于半圆拱巷道，根据巷道断面平均风速分布区域，通过图4 中a、b、c、d、e、f 6 个位置尺寸可确定半圆拱巷道断面8 个平均风速采集点位置。

3 巷道风量全自动在线测试装置

根据巷道形状差异性和巷道断面平均风速区域分布特征，分别设计了适用于拱形巷道、矩形巷道的折叠式和龙门式巷道风量全自动在线测试装置，非测风时期装置不影响巷道行人行车。根据巷道断面平均风速分布区域确定巷道断面平均风速采集点位置，根据巷道断面平均风速采集点位置设计巷道风量全自动在线测试装置结构尺寸与运动轨迹，使得测试装置在1 次测风周期（测风周期为60 s，与人工测风周期相同）中能够采集到巷道断面内预设的所有平均风速采集点位置处风速数据。

巷道风量全自动在线测试装置三维模型如图5。

图5 巷道风量全自动在线测试装置三维模型Fig.5 Three dimensional model of roadway air volume automatic on-line test device

1）折叠式巷道风量全自动在线测试装置以折叠形式吊挂在巷道顶板上，测试装置横梁上安装有3台风速传感器。测风开始，首先采集位置点2 风速数据；然后横梁开始向下运动，横梁到达巷道断面较高位置处，采集位置点1、位置点3 采集风速数据；横梁继续向下运动，横梁到达巷道断面中间高度位置，风速传感器沿水平方向伸出展开，采集位置点4、位置点5、位置点6 风速数据；横梁继续向下运动，横梁到达到巷道断面较低位置，采集位置点7、位置点8、位置点9 风速数据；最后横梁收缩恢复到巷道顶板高度；上位机软件根据采集风速数据计算巷道平均风速，计算巷道风量，并检测风速传感器是否存在数据失真问题。

2）龙门式巷道风量全自动在线测试装置横梁上安装有3 台风速传感器，横梁自上向下运动。测风开始，横梁运动至巷道断面较高位置，采集位置点1、位置点2、位置点3 风速数据；横梁运动至巷道断面中部高度位置，采集位置点4、位置点5、位置点6 风速数据；横梁运动至巷道断面较低位置，采集位置点7、位置点8、位置点9 风速数据；最后横梁由巷道断面较低位置运动恢复到巷道断面较高位置；上位机软件根据采集风速数据计算巷道平均风速，计算巷道风量，并检测风速传感器是否存在数据失真问题。

4 现场应用

王坡煤矿井下10 个测风站位置部署了巷道风量全自动在线测试装置。考虑到不同位置处巷道断面形状与尺寸均有差异，对部署巷道风量全自动在线测试装置的所有井下测风站巷道，均需要进行CFD 模拟计算，确定每1 个井下测风站巷道的巷道断面平均风速区域分布，通过每1 个测风站巷道进行CFD 数值模拟，获得每1 个测风站巷道断面平均风速区域分布，确定了巷道平均风速采集点位置，即获得了矩形巷道断面a、b、c 3 个位置尺寸和半圆拱巷道断面a、b、c、d、e、f 6 个位置尺寸，根据巷道平均风速采集点位置加工定制了巷道风量全自动在线测试装置。巷道风量全自动在线测试装置测试数据与人工测试数据对比见表1。

表1 巷道风量全自动在线测试装置测试数据与人工测试数据对比Table 1 Comparison between test data of roadway air volume full-automatic online test device and manual test data

将测试装置风量测试数据与人工测风数据进行对比，相对误差不超过8%，验证了测试装置测风结果的准确性，同时实现了全矿井范围内10 个测风站同步在线测风。

5 结 语

1）以王坡煤矿上寺头北翼回风巷和辅运大巷为研究对象，采用CFD 方法模拟了矩形巷道、半圆拱巷道断面平均风速分布区域，获得巷道断面无因次风速结构场，研究表明巷道风量对巷道断面内平均风速分布区域无影响，为巷道断面内布置多个位置点采集风速数据求取巷道平均风速奠定了理论基础

2）基于巷道断面无因次风速结构场，构建了巷道全断面平均风速九点采集法，根据巷道断面平均风速分布区域确定巷道平均风速采集点位置。

3）根据巷道形状差异性和巷道断面平均风速区域分布特征，分别研制了适用于拱形巷道、矩形巷道的折叠式和龙门式巷道风量全自动在线测试装置，结合巷道全断面平均风速九点采集法，设计定制了巷道风量全自动在线测试装置结构尺寸和传感器运动轨迹，实现了采集巷道断面平均风速区域多个位置点风速数据求得巷道平均风速。

4）王坡煤矿井下10 个测风站部署了基于巷道风量全自动在线测试装置，对比同一时间段内人工测风数据和测试装置测风数据，相对误差在8%以内。研究表明：测试装置测风精度能够满足矿井风量测试精度要求，同时能够实现全矿井多个巷道风量同步在线测试。