赵名名 赵永波 马志国
赤峰柴胡栏子黄金矿业有限公司 内蒙古赤峰024039
摘要：矿用局部通风机的任务艰巨，主要负责为掘进工作场所进行新鲜空气的运送，以及将掘进巷道的瓦斯和粉尘等有害气体排出处理等。矿用局部通风机的性能与掘进工作和工人的安全息息相关，所以，测试矿用局部通风机的性能，并对掘进现场的通风量测定是非常必要的。
关键词：矿用局部通风机；研究应用；等环面积
本文主要对普遍应用的风量测试手段的原理和优劣势进行分析，在比较之后得出，等环面积法是唯一可以用来对矿用局部通风机进行风量测试的方式。针对圆形通风管道是否存在支架的两种风速情况，利用等环面积法进行风量测试，实施仿真模拟和建模分析，得出支架的安置会对风流和风速的分布造成些许影响。
1研究意义
当前科技飞速发展，现代工业突飞猛进，针对能源的使用率要大大高于前几年。我国主要的发展消费能源是煤炭，尽管我国的综采技术也在不断发展，且在煤炭开采领域获得较高成就，然而，一些安全问题仍然成为困扰技术发展的一大难题。矿用局部通风机，能够为掘进巷道和工作场地运送新鲜的外部空气，并将掘进巷道和工作场地的粉尘和瓦斯等有害气体排出处理，避免出现瓦斯爆炸等重大事故给人身造成的伤害。矿用局部通风机能够保证掘进的安全性，机器的性能好坏对掘进效率产生很大影响。
若矿用局部通风机发生故障，会导致生产进度停滞，且可能危害到工人的生命安全。因此，针对矿用局部通风机进行性能监测是十分重要的，但是当前很大部分煤矿并不配备相关机器的性能监测系统。目前许多研究是矿井主通风机，而无法应用于矿用局部通风机实施性能监测的实践。矿用局部通风机的实践环境要更为复杂，因此对于矿用局部通风机实施性能监测较为困难，且无法确保机器性能的实时性和精确性。使用矿用局部通风机性能监测，可以评估机器是否满足安全生产的要求。
2 风量测试方法
对矿用通风机采取性能的监测，可以确保工人的生命安全以及工作顺利实施。而机器性能的检测手段是通过各项性能参数进行评估，最为主要的是对矿用局部通风机的风量进行评估。矿井下实践情况复杂，空间狭小，通风机的进出口风流分布不均匀。如下图3某矿用风机距离闸门2.5D直线段峰流速度分布图，该风机采用的是反风门调节阻力。该图清楚的反映风流经过阻力调节装置不可能在风筒内形成稳定的流场，势必会造成风速不均匀分布，风机入口处断面各点风速并不相同。矿用通风机的风量一般不能直接测得，主要是通过测风断面上的平均风速而间接测得。因此如何测量平均风速成为了测量矿用通风机风量的关键。目前主要通过以下方法测量风机风速∶直接法—采用风速计（比如：机械式风表、热敏电阻风速计、超声波风速仪等）按照某一固定线路对风速进行测量；间接法一用毕托管来测定速压，通过压力计上的速压值来准确测量风速以及风量。常用的风量测试方法有如下几种：
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图3 某矿用风机距闸门2.5D直线风流速度分布图
2.1 风表法测风
很多矿井在测量通风机风量时都
是通过人工手持风速表完成的，采用风表测量矿井巷道风量的工作原理∶当风表在矿井巷道内受到风力作用时。
实物图所示，风表叶轮上的叶片在风力的作用下带动叶轮转动，叶轮通过一套齿轮传动机构使指针发生摆动。风速与叶片表面的受力大小成正比，叶轮转速又与叶片表面的受力大小成正比，因此风表叶轮转速与风速大小存在一定的线性关系，可得出以下关系式：
V真=a+bV表式中：
V真——矿井巷道中的真实风速，m/s；
V真——风表中的显示值，m/s；
a、b——风表修正系数。
采用风表测量矿用通风机风量时需按照如下要求进行：
1）归零，实际操作为在开启开关前让叶轮转动而指针保持不动，随后轻触归零杆，使指针均指在“0”，同时备好秒表，显示值调为 0；
2）手持风速表时，应使风流方向与叶轮表面垂直，并在开始测风前使其在测风处空转一段时间，防止测风时产生转动抵抗力；
3）开始测风时，同时轻按风表与秒表开关；
4）按照相应的测风要求，手持风速表的工人必须在规定的路线上行走，并且结合秒表在规定的时间内到达路线终点即刻制动风表指针，再将从表盘上读取的数代入式（2-1）得到巷道中的实际风速；
5）如若实际风速超过风速表的量程，可在风表表面增加一个扩速装置亦可达到测风目的。
矿用通风机工作时，掘进巷道内的风流由于受到通风阻力和管道摩擦力的影响并不是匀速运动的。巷道中心风流速度最大，而且逐渐向贴壁面处减小，贴近内壁处风速最小。
因为采用机械式风表测风速简单实用，早期测量矿井巷道通风量时都采用机械式风表测风速。但是由于井下条件比较复杂，机械式风表所测风量精度越来越不能满足工作人员的要求，并且其不能用来测量局部通风机风量，采用机械式风表测风速的方法逐渐被时代淘汰。
2.2 等环面积法测风
由工程流体力学知识可知，流体在流经任何物体时，都会存在一些流速为零的点，称之为驻点。其物理意义为∶ 在无外力作用下，流体流经物体时速度减为零会在物体表面产生压力，流体的动能转化为压力能。同理，流体流经的物体上存在另外一些点，流体的压力等于未受干扰流体的压力（静压），这些点上所测压力即为流体的静压；在临界点开压力孔引出的压力就是流体的总压，总压与静压之差就是流体的动压。利用 U型管连接总压孔和静压孔，所测压力即为流体动压。
根据以上理论所设计出来的毕托管（又称皮托管）能测量流体速度，其为等环面积法测风量所用到的主要测量仪器。检测通风机性能测定性能参数时，矿井通风巷道有时比较狭小，巷道内风流速度比较大，采用机械式风表测量通风机风量十分不易，使用起来很不方便，测量结果准确度不高。因此，在测量通风巷道比较狭小尤其是送风管路中一般采用等环面积法测量通风机风量。选用测量仪器时一定要根据所需的测量精度和目的。由于所需测量精度比较高，可选择弹性好抗弯性能高的传压胶管连接测压计和毕托管以此组成一套完整的速压测定系统，并通过相应的测试方法测得有关速压参数。关于采用等环面积法测量风速时，测风原理以及风速计算下文第三章将作详细阐述。
2.3 区域等分法测风
等环面积法主要适用于风筒或巷道的测风断面为圆形时的风量测试。而实际的通风巷道截面大多不是圆形的，巷道截面形状多种多样，甚至会出现很多不规则的截面形状。对于非圆形截面的巷道内测风断面，可选用区域等分法测量通风量。区域等分法就是将测风断面划分为若干个面积相等的区域，将风速传感器置于每个区域中心，所测风速的平均值即可作为通过此断面风流的平均风速值，进而计算出通风量。区域等分法测风量需要借助在测风断面上布置风速传感器支架实现，本文将以矩形巷道为例阐述如何采用区域等分法测风量。目前采用区域等分法测量风量时，常使用的仪器为风速传感器。
总结：
风表法通常只能用来测量巷道通风量，且不能保证测量精度； 等环面积法测量风量时，测量结果准确度比较高，其可用来测量矿用局部通风机的风量，但安装测试支架会比较困难；区域等分法测风量常用于非圆形巷道截面的风量测量，安装传感器支架所需空间比较大，不能用于测量矿用局部通风机风量；静压差法可用于主通风机的风量测试，也多用于实验条件下，风机的风量测试，不能用于矿用局部通风机的风量测试。综上所述，上述风量测试方法中，有三种都是针对主通风机与通风巷道的风量测试，只有等环面积法能用于矿用局部通风机的风量测试。
参考文献：
[1]吴宪. 矿用局部通风机现场风量测试方法研究与应用[D]. 安徽理工大学， 2019.
[2]王建， 吴宪. 矿用局部通风机现场风量测试方法研究[J]. 福建质量管理, 2019, 000(019):268-269.
[3]武永胜、刘云琰、李林. 局部通风机风量测试方法研究[J]. 华北科技学院学报, 2020, v.17;No.86(04):12-17.