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北京消防|氣壓計(jì)基點(diǎn)法測定礦井通風(fēng)阻力的誤差分析及基點(diǎn)位置的選擇|消防檢測|電氣檢測
發(fā)布日期：2019-02-05 04:18:12
1 概述
礦井通風(fēng)阻力測定是生產(chǎn)礦井通風(fēng)管理的一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前，礦井阻力測定已基本淘汰了傾斜壓差計(jì)測定法，大多采用省時(shí)省力，操作簡單的氣壓計(jì)測定方法，特別是在大型礦井的全礦井阻力測定中更是如此。采用氣壓計(jì)進(jìn)行阻力測定時(shí)，測定方法又分為基點(diǎn)法和同步法2種。同步法是將2臺(tái)氣壓計(jì)分別安置在井巷的兩側(cè)，并約定時(shí)間同時(shí)讀取風(fēng)流的靜壓值。而基點(diǎn)法則是用1臺(tái)氣壓計(jì)監(jiān)測基點(diǎn)氣壓的變化，另1臺(tái)氣壓計(jì)沿測定線路逐步測定風(fēng)流的靜壓。由于同步法采用2臺(tái)氣壓計(jì)同時(shí)讀數(shù)，從而有效地避免了地面大氣壓力變化和其他擾動(dòng)因素的影響。測定精度主要受氣壓計(jì)性能本身的影響。若采用2臺(tái)相同精度和漂移性能的氣壓計(jì)，其測定精度易于保證。但要求2臺(tái)氣壓計(jì)同時(shí)讀數(shù)，測定過程的聯(lián)絡(luò)和配合較困難，測定速度慢。而基點(diǎn)法則相反，它是目前較為常用的測定方法。
本文試圖從基點(diǎn)法測定的原理入手，對(duì)測定誤差產(chǎn)生的原因、基點(diǎn)位置的確定等問題進(jìn)行探討，希望能為提高基點(diǎn)法在實(shí)際應(yīng)用過程中的精度有所幫助。
2 基點(diǎn)法測定誤差來源分析
2.1 基點(diǎn)法測定原理
采用基點(diǎn)法進(jìn)行井巷通風(fēng)阻力測定時(shí)，測定段的通風(fēng)阻力計(jì)算公式為：
式中 K1、K2——移動(dòng)氣壓計(jì)和基點(diǎn)監(jiān)測氣壓計(jì)的校正系數(shù)；
P1、P2——移動(dòng)氣壓計(jì)在井巷進(jìn)風(fēng)測點(diǎn)和出風(fēng)測點(diǎn)不同時(shí)刻的讀數(shù)，Pa；
P01、P02——在讀取P1和P2時(shí)，基點(diǎn)氣壓計(jì)的讀數(shù)，Pa；
V1、V2——井巷進(jìn)風(fēng)測點(diǎn)和出風(fēng)測點(diǎn)不同時(shí)刻的風(fēng)速，m/s；
Z1、Z2——井巷進(jìn)風(fēng)測點(diǎn)和出風(fēng)測點(diǎn)的標(biāo)高，m；
%u3C11、%u3C12——井巷進(jìn)風(fēng)測點(diǎn)和出風(fēng)測點(diǎn)處的風(fēng)流密度，kg/m3
%u3C11～2——測定段風(fēng)流平均密度，kg/m3。從形式上看，（1）式和描述井巷通風(fēng)阻力的典型的伯努利能量方程類似，具有相同的物理意義，它們都表示任意井巷進(jìn)、出2個(gè)斷面上的能量差。但是（1）式中的壓力、風(fēng)速和密度等物理量是氣壓計(jì)等儀器沿測定線路在測定段進(jìn)出風(fēng)測點(diǎn)不同時(shí)刻的測定值，如果地面大氣壓力和井下風(fēng)流是嚴(yán)格的穩(wěn)定流，并且在測定時(shí)間內(nèi)不考慮地面大氣壓力滯后等因素的影響，（1）式就準(zhǔn)確的反映了測定段的通風(fēng)阻力。但是礦井實(shí)際風(fēng)流和地面大氣壓力往往是變化的，這樣由于2個(gè)測點(diǎn)讀數(shù)的非同時(shí)性，就必然導(dǎo)致測定過程中誤差的產(chǎn)生，這是由基點(diǎn)法本身所造成的。由于（1）式中各項(xiàng)的物理意義不同，產(chǎn)生誤差的原因也不同，因此有必要對(duì)其分別進(jìn)行討論。
2.2 基點(diǎn)法測定誤差分析
為了詳細(xì)的分析基點(diǎn)法測定中誤差產(chǎn)生的原因，將（1）式分成3個(gè)部分如加以討論，即位壓差項(xiàng)、速壓差項(xiàng)、靜壓差項(xiàng)。
?。?）位壓差項(xiàng)：任一測段位壓差的表達(dá)式為：hz1~2=( Z1－Z2)g%u3C1z1~2 (2)
在正常生產(chǎn)條件下，風(fēng)流的密度變化較小，并且也易于測算。對(duì)位壓差hz1~2影響最大的是測點(diǎn)的標(biāo)高。在實(shí)際測定中，由于測定標(biāo)高的不準(zhǔn)確而導(dǎo)致測定段的阻力出現(xiàn)負(fù)值的情況時(shí)發(fā)生。為此，在測定線路布點(diǎn)時(shí)，盡可能將測點(diǎn)布置在標(biāo)高已知的地方，并且事先將測線布置圖送有關(guān)的地質(zhì)部門，以便準(zhǔn)確確定出測點(diǎn)的標(biāo)高數(shù)值。對(duì)于測點(diǎn)難以選在已知標(biāo)高的位置時(shí)，可根據(jù)具體情況進(jìn)行推算。這里有2種情況，一種是測定段位于在巷、石門或者上下山等坡度已知的巷道時(shí)，則可根據(jù)巷道的坡度和已知標(biāo)高測點(diǎn)到未知標(biāo)高測點(diǎn)的距離進(jìn)行推算。另一種對(duì)于巷道起伏變化大，又缺乏坡度變化準(zhǔn)確資料的測段，采用上述的推算方法比較困難時(shí)，可根據(jù)前后測點(diǎn)的有關(guān)參數(shù)推算待求測點(diǎn)的最可能標(biāo)高值，并以此作為該測點(diǎn)的準(zhǔn)確標(biāo)高進(jìn)行位壓差的計(jì)算。
?。?）速壓差項(xiàng)：速壓差的測算公式為：
影響速壓差項(xiàng)精度的主要因素是進(jìn)出風(fēng)測點(diǎn)的風(fēng)速。井巷中運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)行、大批人員的移動(dòng)對(duì)風(fēng)表的讀數(shù)都會(huì)產(chǎn)生直接的影響，從而引起測點(diǎn)風(fēng)速值的誤差。因此，測風(fēng)點(diǎn) 應(yīng)設(shè)在免受上述因素干擾的地點(diǎn)。由于風(fēng)流匯合或分流都會(huì)產(chǎn)生渦旋，對(duì)于處在交叉點(diǎn)附近的測點(diǎn)，為了避開渦旋，在從分風(fēng)點(diǎn)或合風(fēng)點(diǎn)流出的風(fēng)流中，測點(diǎn)的位置與該分風(fēng)點(diǎn)或合風(fēng)點(diǎn)的距離不小于巷道寬度的12～14倍；在流入分風(fēng)點(diǎn)或事風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)流中，測點(diǎn)的位置與該分風(fēng)點(diǎn)合風(fēng)點(diǎn)的距離不小于巷道寬度的3～4倍，并且務(wù)分支的風(fēng)量都要進(jìn)行測量，以便相互驗(yàn)證。一般而言，井下風(fēng)流的動(dòng)能值較小，速壓差在阻力中所占比例很小，不會(huì)引起較大的誤差。但是如果在測點(diǎn)附近設(shè)有風(fēng)門，若恰好在測定時(shí)風(fēng)門開啟或者關(guān)閉，則可能引起較大的誤差。所以在測風(fēng)速時(shí)，應(yīng)采用多次測定，取平均值的方法，避免粗大誤差的產(chǎn)生。
?。?）靜壓差項(xiàng)：靜壓差項(xiàng)的測算公式為：
hs=K1( P1－P2) ＋K2( P02－P01) （4）
上式由2項(xiàng)組成，第1項(xiàng)表示測段進(jìn)行風(fēng)測點(diǎn)的靜壓差，第2項(xiàng)表示井下移動(dòng)氣壓計(jì)在測點(diǎn)讀數(shù)時(shí)刻，基點(diǎn)氣壓計(jì)的變化情況。如前所述，基點(diǎn)法通風(fēng)阻力測算公式是根據(jù)穩(wěn)定流的伯努利能量方程而得到的。而礦井風(fēng)流并??是嚴(yán)格的穩(wěn)定流，并且基點(diǎn)法測定過程中對(duì)測點(diǎn)氣壓的讀數(shù)不是在同一時(shí)刻進(jìn)行的，所以不能照搬伯努力利方程，必須對(duì)其進(jìn)行修正，這樣就引入了（4）中的第2項(xiàng)。對(duì)上式進(jìn)行變形得到；
hs＝（K1 P1－K2 P01）＋（K1 P2－K2 P02） （5）
在不考慮基點(diǎn)氣壓計(jì)和井下移動(dòng)氣壓計(jì)儀器本身誤差的條件下，（5）式的第一項(xiàng)相當(dāng)于同時(shí)測定法中基點(diǎn)和測點(diǎn)1在某時(shí)刻的靜壓差，而第2項(xiàng)則相當(dāng)于基點(diǎn)和測點(diǎn)2在另一時(shí)刻的靜壓差。如果井下風(fēng)流（包括地面大氣壓）是嚴(yán)格的定常流，則以上2項(xiàng)的差就準(zhǔn)確的表示某段井巷始末點(diǎn)的靜壓差。由（5）式就更加清楚地看出風(fēng)流的非定常性和測點(diǎn)讀數(shù)的非同時(shí)性是基點(diǎn)法誤差產(chǎn)生的根本原因。實(shí)際觀測也證明了上述推論，用1臺(tái)氣壓計(jì)觀測井下某點(diǎn)的氣壓，很容易發(fā)現(xiàn)在不同時(shí)刻，該點(diǎn)的氣壓將有不同的讀數(shù)，而2個(gè)測點(diǎn)在不同時(shí)刻得到的讀數(shù)，代入（5）式進(jìn)行靜壓差的計(jì)算，誤差的產(chǎn)生是不可避免的。
3 基點(diǎn)位置的確定
由于基點(diǎn)法阻力測定中，靜壓差的精度直接關(guān)系到整個(gè)測定工作的精度，因此從測定方法本身著手考慮如何降低靜壓差的誤差是十分重要的。而對(duì)靜壓差精度影響最大的是基點(diǎn)氣壓計(jì)的位置。合理的基點(diǎn)位置應(yīng)使礦井風(fēng)流的非定常性給阻力測定帶來的影響降到最小。引起井下測點(diǎn)靜壓波動(dòng)的原因有2類：①由于地面大氣壓的變化；②井下作業(yè)在礦井風(fēng)網(wǎng)中引起的局部附加沖擊壓力。不同的基點(diǎn)位置，這2個(gè)因素對(duì)靜壓差有著不同的影響。
3.1 基點(diǎn)設(shè)在進(jìn)風(fēng)井口
當(dāng)基點(diǎn)位于進(jìn)風(fēng)井口附近時(shí)，校正氣壓計(jì)的讀數(shù)主要受地面大氣壓變化的影響。地面大氣壓力的變化與天氣有一定的關(guān)系，并一在1d之內(nèi)其變化的趨勢和幅度也不同。根據(jù)觀測，在白天大氣壓力的為化可達(dá)100Pa左右（晴天），每小時(shí)的變化幅度可達(dá)50Pa左右，并且大氣壓力的變化是漸變的，基本上沒有突變的情況發(fā)生，氣壓隨時(shí)間的變化曲線比較平穩(wěn)。大氣壓力的這種變化將傳遞過程中有一定滯后和衰減，其滯后的時(shí)間和衰減的幅度取決于井下測點(diǎn)距井口的距離。
3.2 基點(diǎn)設(shè)在井底車場
根據(jù)觀測，當(dāng)基點(diǎn)設(shè)在井底車場附近時(shí)，氣壓的波動(dòng)幅度較大，并且有突變的情況發(fā)生。產(chǎn)生這種情況的原因在于，井底車場附近的氣壓除受地面大氣壓力波動(dòng)的直接影響久，還會(huì)受到井下不同形式擾動(dòng)的影響。例如，當(dāng)副井的罐籠向下運(yùn)行，而大巷的電機(jī)車向井底車場方向運(yùn)行時(shí)，井底車場附近的空氣被壓縮，氣壓升高；反之，則氣壓降低。這樣就造成了井底車場附近氣壓的變化曲線較井口附近的氣壓變化曲線起伏多，變化的幅度大。
3.3 基點(diǎn)設(shè)在采區(qū)下部車場及回風(fēng)大巷起點(diǎn)
當(dāng)基點(diǎn)設(shè)在采區(qū)下部車場不受運(yùn)輸影響的巷道內(nèi)時(shí)，如果不考慮采區(qū)內(nèi)風(fēng)門的開啟和關(guān)閉的影響，基點(diǎn)氣壓計(jì)的波動(dòng)和采區(qū)內(nèi)測點(diǎn)氣壓的波動(dòng)在趨勢和時(shí)間上基本一致。這是由于在采區(qū)內(nèi)部受到的運(yùn)輸干擾較少，產(chǎn)生壓力躍階的因素減少；同時(shí)，基點(diǎn)和測點(diǎn)的距離較近，基點(diǎn)氣壓延遲效應(yīng)降低，從而使二者的波動(dòng)一致。在回風(fēng)系統(tǒng)的測定，將基點(diǎn)設(shè)在采區(qū)上部回風(fēng)大巷起點(diǎn)附近，也具有類似的結(jié)果。
綜合以上討論，用基點(diǎn)法進(jìn)行礦阻力測定時(shí)，由于井下風(fēng)流的非定常性和前后測點(diǎn)讀數(shù)的非同時(shí)性，從理論上講誤差存在是必然的。要降低測定的誤差，就必須從這2個(gè)方面入手。為此，阻力測定應(yīng)該在人員活動(dòng)少、運(yùn)輸量輕的檢修班進(jìn)行。將進(jìn)風(fēng)井到出風(fēng)井的阻力測定路線分為3段，即進(jìn)風(fēng)段，用風(fēng)段和回風(fēng)段。從入風(fēng)井到采區(qū)下部車場為進(jìn)風(fēng)段，在這一測段，由于礦井的運(yùn)輸和提升設(shè)備對(duì)測定結(jié)果的影響大于大氣壓力波動(dòng)滯后的影響，因此，一般基點(diǎn)應(yīng)設(shè)在進(jìn)風(fēng)井口附近。對(duì)于特別深的礦井或者進(jìn)風(fēng)線路特別長的礦井，可考慮將基點(diǎn)設(shè)在井底車場附近。在采區(qū)下部車場到總回風(fēng)巷的用風(fēng)段測定中，可將基點(diǎn)設(shè)在采區(qū)下部車場不受運(yùn)輸影響的地點(diǎn)，以縮短基點(diǎn)和測點(diǎn)間的距離。同時(shí)，為了消除風(fēng)門開啟或者關(guān)閉造成的躍階對(duì)測定精度的影響，必須在氣壓穩(wěn)定后讀數(shù)。在從總回風(fēng)巷入口到回風(fēng)井的回風(fēng)段測定中，基點(diǎn)應(yīng)設(shè)在采區(qū)上部總回風(fēng)巷入口附近。為了剔除測定工作中可能出現(xiàn)的粗大誤差，測定時(shí)應(yīng)采用至少4臺(tái)氣壓計(jì)。在從進(jìn)風(fēng)井口到回風(fēng)井口的整條測線內(nèi)，隨著測定工作的前移，在進(jìn)風(fēng)井口、采區(qū)下部車場附近、總回風(fēng)巷入口附近先后設(shè)立3個(gè)基點(diǎn)，實(shí)行多基點(diǎn)測定，以彌補(bǔ)基點(diǎn)法本身的缺陷。（曲方）
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