2023年《安全技术》之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.docx

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 　　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，矿井阻力测定已根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。而基点法那么是用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步测定风流的静压。由于同步法采用2台气压计同时读数，从而有效地防止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。假设采用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。而基点法那么相反，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、基点位置确实定等问题进行探讨，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： 　　 　　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； 　　 ρ1、ρ2——井巷进风测点和出风测点处的风流密度，kg/m3; 　　 ρ1～2——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个局部如加以讨论，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)gρz1~2 (2) 　　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发生。为此，在测定线路布点时，尽可能将测点布置在标高的地方，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，一种是测定段位于在巷、石门或者上下山等坡度的巷道时，那么可根据巷道的坡度和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： 　　 　　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。由于风流集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；在流入分风点或事风点的风流中，测点的位置与该分风点合风点的距离不小于巷道宽度的3～4倍，并且务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，假设恰好在测定时风门开启或者关闭，那么可能引起较大的误差。所以在测风速时，应采用屡次测定，取平均值的方法，防止粗大误差的产生。 　　（3）静压差项：静压差项的测算公式为： 　　hs=K1( P1－P2) ＋K2( P02－P01) （4） 　　上式由2项组成，第1项表示测段进行风测点的静压差，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＝（K1 P1－K2 P01）＋（K1 P2－K2 P02） （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项那么相当于基点和测点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，那么以上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，误差的产生是不可防止的。 　　3 基点位置确实定 　　由于基点法阻力测定中，静压差的精度直接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，并一在1d之内其变化的趋势和幅度也不同。根据观测，在白天大气压力的为化可达100Pa左右（晴天），每小时的变化幅度可达50Pa左右，并且大气压力的变化是渐变的，根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久，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，那么气压降低。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根本一致。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，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。（曲方）