CN104131840B - 基于空气状态参数的矿井外部漏风率的测定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空气状态参数的矿井外部漏风率的测定方法，包括以下步骤：1）分别在回风井、风机房地面和风硐设置温湿度传感器和大气压力传感器；2）实时检测三处测点的大气压力、干球温度和相对湿度；3）利用步骤2）中所测量的三处测点的大气压力、干球温度和相对湿度计算出各测点空气的含湿量和比焓值；4）利用步骤3）计算所得的含湿量和比焓值计算出该测量状态下的矿井外部漏风率。本发明通过检测到的各测点的干球温度、大气压力和相对湿度就能实现对矿井外部漏风率的测定，测量方法简单，易于实现，并且提高整个测量过程的安全性，减少了产生误差的测量环节，提高了测量结果的准确性。

Description

基于空气状态参数的矿井外部漏风率的测定方法及装置

技术领域

本发明涉及矿井通风领域，特别涉及一种基于空气状态参数的矿井外部漏风率的测定方法及装置。

背景技术

矿井外部漏风率是指矿井外部漏风量与主通风机的工作风量之比。矿井外部漏风率是影响矿井通风系统合理运行的因素之一，同时也是衡量矿井主通风机运行状况和通风管理水平的一个重要指标。矿井安全管理部门经常需要测定这一参数，以便有效的控制矿井的外部漏风，改善矿井的通风状况。因此，准确地测算矿井外部漏风率，了解矿井的通风状况，对优化通风有重要意义。目前，矿井外部漏风率的测定方法主要有风表直接测定法、瓦斯等值法及示踪气体法等。风表直接测定法的原理为在风硐内选取适当的断面测得主通风机工作风量，同时在井下总回风巷道内选取合适的测点测得总回风量，通过主通风机工作风量和总回风量二者之差可计算出矿井外部漏风量和漏风率。风表直接测定法操作方便，计算简单直观，但由于风硐风速及断面较大，测量时的误差较大，而且测量过程不安全。瓦斯等值法根据同一时间矿井总回风巷道与矿井主通风机排出的绝对瓦斯涌出量相等的原理进行测定，瓦斯等值法测定的优点在于不需在风硐测定风量，比较安全，但该方法需要准确采集有代表性的气体样本，而气体浓度检测需要采用气相色谱仪分析，并且要求回风流中瓦斯浓度相对较高。示踪气体法测定原理为在井下总回风巷道中释放示踪气体，当风流携带示踪气体流入回风井和风硐，若矿井存在外部漏风，则风机入口风量增加，示踪气体浓度降低，通过取样并检测示踪气体浓度的降低值即可计算出矿井的外部漏风率，该种测定方法的精度主要取决于释放装置的释放流量和取样点的浓度分布是否均匀，采用该方法测定时，需提前做多次试验来确定示踪气体释放量、采样时间、采样位置等参数，准备工作较为繁琐。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种测量过程安全、测量结果精度高，便于实现的基于空气状态参数的矿井外部漏风率的测定方法以及用于实现测定方法的装置。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于空气状态参数的矿井外部漏风率的测定方法，包括以下步骤：

1)分别在回风井、风机房地面和风硐设置温湿度传感器和大气压力传感器；

2)利用步骤1)中设置的温湿度传感器和大气压力传感器实时检测回风井、风机房地面和风硐三处测点的大气压力、干球温度和相对湿度；

3)根据湿空气热力性质关系，利用步骤2)中所测量的三处测点的大气压力、干球温度和相对湿度计算出各测点空气的含湿量和比焓值；

4)根据混合过程的质量平衡和热力学能量平衡关系，利用步骤3)计算所得的含湿量和比焓值计算出该测量状态下的矿井外部漏风率；

所述步骤3)中，根据湿空气热力性质关系，空气的饱和水蒸气压力为：

$\begin{array}{c}{p}_s=\exp \{\frac{-5800.221}{t+273.15}+1.3915-0.0486\×(t+27.315)+0.41765\×{10}^{-4}\×{(t+273.15)}^2\\ -0.1445\×{10}^{-7}\×{(t+273.15)}^3+6.546\×\ln (t+273.15)\}\end{array}---\left(1\right)$

空气含湿量d的计算公式为：

空气比焓值h的计算公式为：

h＝1.005t+0.001d(2501.0+1.86t)(3)

其中：p_b为对应测点的大气压力，t为对应测点的干球温度，为对应测点的相对湿度；

所述步骤4)中，根据热力学的热、湿平衡关系，建立矿井总回风与外部漏风混合过程中的热量平衡与湿量平衡关系式：

m_a,1+m_a,2＝m_a,3(4)

m_a，1d₁+m_a，2d₂＝m_a，3d₃(5)

m_a,1h₁+m_a,2h₂＝m_a,3h₃(6)

由矿井外部漏风率的定义可得其计算公式为：

$\mathrm{\η}=\frac{m_{a,2}}{m_{a,1}+m_{a,2}}---\left(7\right)$

由式(4)和式(5)可得：

$\frac{m_{a,2}}{m_{a,1}}=\frac{d_3-d_1}{d_2-d_3}---\left(8\right)$

由式(4)和式(6)可得：

$\frac{m_{a,2}}{m_{a,1}}=\frac{h_3-h_1}{h_2-h_3}---\left(9\right)$

由式(7)～式(9)可得矿井外部漏风率为

$\mathrm{\η}=\frac{d_3-d_1}{d_2-d_1}=\frac{h_3-h_1}{h_2-h_1}$

其中：m_a,1为矿井总回风中干空气的质量，m_a,2为矿井外部漏风中干空气的质量，m_a,3为通风机工作风流干空气的质量，d₁为矿井总回风含湿量，d₂为风机房附近地面空气的含湿量，d₃为通风机工作风流的含湿量，h₁为矿井总回风比焓值，h₂为风机房附近地面空气的比焓值，h₃为通风机工作风流的比焓值。

一种实现上述矿井外部漏风率测定方法的装置，包括数据处理单元、多个温湿度传感器和多个大气压力传感器，温湿度传感器分别安装在回风井、风硐和风机房，采集回风井、风硐和风机房的温度湿度信号，大气压力传感器分别安装在回风井、风硐和风机房，采集回风井、风硐和风机房的压力信号，温湿度传感器和大气压力传感器分别将采集到的温度湿度信号和压力信号送入数据处理单元，数据处理单元对信号进行处理后得出测量结果。

上述实现矿井外部漏风率测定方法的装置中，所述温湿度传感器、大气压力传感器的信号输出端通过引线接至接线端子，接线端子用数据通讯线连接至数据处理单元。

上述实现矿井外部漏风率测定方法的装置中，所述数据处理单元包括信号采集电路、信号放大电路、A/D转换电路、微处理器，所述信号采集电路、信号放大电路、A/D转换电路、微处理器依次串接，信号采集电路采集温湿度传感器和大气压力传感器输出的模拟信号，并将模拟信号送入信号放大电路进行放大，放大后的模拟信号由A/D转换电路转换为数字信号后送入微处理器，微处理器对数字信号进行处理后得出测量结果。

上述实现矿井外部漏风率测定方法的装置中，所述数据处理单元还包括显示屏，所述显示屏与微处理器相连，将微处理器的测量结果显示出来。

上述实现矿井外部漏风率测定方法的装置中，所述数据处理单元还包括I/O电路，所述I/O电路与微处理器相连，并通过串行通讯端口与上位机相连，将微处理器的测量结果传至上位机中。

本发明的有益效果在于：本发明通过传感器实时检测各测点的干球温度、大气压力和相对湿度，通过检测到的各测点的干球温度、大气压力和相对湿度就能实现对矿井外部漏风率的测定，测量方法简单，易于实现，由于无需直接测量风硐和总回风巷道风量，提高整个测量过程的安全性，同时也简化了测量过程，减少了产生误差的测量环节，提高了测量结果的准确性。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构示意图。

图2为图1中数据处理单元的结构框图。

图3为本发明测定方法的原理图。

图中：1—温湿度传感器Ⅰ；2—大气压力传感器Ⅰ；3—温湿度传感器Ⅱ；4—大气压力传感器Ⅱ；5—温湿度传感器Ⅲ；6—大气压力传感器Ⅲ；7—接线端子；8—数据处理单元；9—引线；10—数据通讯线；11—总回巷道；12—回风井；13—风硐；14—主通风机；15—扩散塔；16—防爆门；17—安全出口；18—电源；19—信号采集电路；20—信号放大电路；21—A/D转换电路；22—微处理器；23—显示屏；24—I/O电路；25—电源线；26—串行通讯端口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的测定装置包括温湿度传感器Ⅰ1、大气压力传感器Ⅰ2、温湿度传感器Ⅱ3、大气压力传感器Ⅱ4、温湿度传感器Ⅲ5、大气压力传感器Ⅲ6、数据处理单元8，所述温湿度传感器Ⅰ1、温湿度传感器Ⅱ3、温湿度传感器Ⅲ5分别安装在回风井12、风硐13和风机房，所述大气压力传感器Ⅰ2、大气压力传感器Ⅱ4、大气压力传感器Ⅲ6分别安装在回风井12、风硐13和风机房，上述所有温湿度传感器、压力传感器的信号输出端通过引线9接至接线端子7，接线端子7用数据通讯线10连接至数据处理单元8。

如图2所示，数据处理单元8包括电源18、信号采集电路19、信号放大电路20、A/D转换电路21、微处理器22、显示屏23以及I/O电路24，所述电源18用于提供工作电源，所述信号采集电路19、信号放大电路20、A/D转换电路21、微处理器22依次串接，信号采集电路19采集温湿度传感器和压力传感器输出的模拟信号，并将模拟信号送入信号放大电路20进行放大，放大后的模拟信号由A/D转换电路21转换为数字信号后送入微处理器22，微处理器22对数字信号进行处理后得出测量结果，所述微处理器与显示屏23相连，微处理器22的测量结果在显示屏23上显示出来，I/O电路24与微处理器22相连，并通过串行通讯端口26与上位机相连，将微处理器22的测量结果传至上位机中，可实现数据的存储与输出打印功能。

本发明基于空气状态参数的矿井外部漏风率的测定方法，包括以下步骤：

1)在回风井12的中上部选择合适断面布置温湿度传感器Ⅰ1和大气压力传感器Ⅰ2；在主通风机14的入口风硐13内选择合适断面布置温湿度传感器Ⅱ3和大气压力传感器Ⅱ4；在风机房地面防爆门16和安全出口17之间布置温湿度传感器Ⅲ5和大气压力传感器Ⅲ6。

2)用上述传感器实测某一时刻回风井12的空气状态参数为：p_b1＝98.38kPa，t₁＝19.3℃，同一时刻风机房地面防爆门16和安全出口17之间位置的空气状态参数为：p_b2＝99.22kPa，t₂＝10.7℃，入口风硐13的空气状态参数为：p_b3＝98.33kPa，t₃＝18.9℃，

3)根据步骤2)中所测量的三处测点的大气压力、干球温度和相对湿度，利用湿空气热力性质关系计算出各测点空气的含湿量和比焓值：

根据湿空气热力性质关系，空气的饱和水蒸气压力为：

$\begin{array}{c}{p}_s=\exp \{\frac{-5800.221}{t+273.15}+1.3915-0.0486\×(t+273.15)+0.41765\×{10}^{-4}\×{(t+273.15)}^2\\ -0.1445\×{10}^{-7}\×{(t+273.15)}^3+6.546\×\ln (t+273.15)\}\end{array}---\left(1\right)$

空气含湿量d的计算公式为：

空气比焓值h的计算公式为：

h＝1.005t+0.001d(2501.0+1.86t)(3)

其中：p_b为对应测点的大气压力，kPa；t为对应测点的干球温度，℃；为对应测点的相对湿度。

由式(1)～式(3)计算以上三处测点的含湿量和比焓值分别为：

d₁＝13.91g/kg，h₁＝54.67kJ/kg；

d₂＝4.34g/kg，h₂＝21.69kJ/kg；

d₃＝13.17g/kg，h₃＝52.33kJ/kg；

其中：d₁为矿井总回风含湿量，d₂为风机房附近地面空气的含湿量，d₃为通风机工作风流的含湿量，h₁为矿井总回风比焓值，h₂为风机房附近地面空气的比焓值，h₃为通风机工作风流的比焓值

4)根据热力学的热、湿平衡关系，建立矿井总回风与外部漏风混合过程中的热量平衡与湿量平衡关系式：

m_a,1+m_a,2＝m_a,3(4)

m_a，1d₁+m_a，2d₂＝m_a，3d₃(5)

m_a,1h₁+m_a,2h₂＝m_a,3h₃(6)

由矿井外部漏风率的定义可得其计算公式为：

$\mathrm{\η}=\frac{m_{a,2}}{m_{a,1}+m_{a,2}}---\left(7\right)$

由式(4)和式(5)可得：

$\frac{m_{a,2}}{m_{a,1}}=\frac{d_3-d_1}{d_2-d_3}---\left(8\right)$

由式(4)和式(6)可得：

$\frac{m_{a,2}}{m_{a,1}}=\frac{h_3-h_1}{h_2-h_3}---\left(9\right)$

由式(7)和式(8)可得出基于质量守恒的矿井外部漏风率为

${\mathrm{\η}}_1=\frac{d_3-d_1}{d_2-d_1}---\left(10\right)$

同理，由式(7)和式(9)可得出基于能量守恒的矿井外部漏风率为

${\mathrm{\η}}_2=\frac{h_3-h_1}{h_2-h_1}---\left(11\right)$

η₁和η₂是分别基于湿空气混合前、后质量守恒和能量守恒推导出的外部漏风率计算公式，二者在数值上应该相等即

${\mathrm{\η}}_1={\mathrm{\η}}_2=\frac{d_3-d_1}{d_2-d_1}=\frac{h_3-h_1}{h_2-h_1}---\left(12\right)$

其中：m_a,1为矿井总回风中干空气的质量，m_a,2为矿井外部漏风中干空气的质量，m_a,3为通风机工作风流干空气的质量；

由式(10)计算矿井的外部漏风率η₁：

${\mathrm{\η}}_1=\frac{d_3-d_1}{d_2-d_1}=\frac{13.17-13.91}{4.34-13.91}=7.73\%---\left(16\right)$

由式(11)计算矿井的外部漏风率η₂：

${\mathrm{\η}}_2=\frac{h_3-h_1}{h_2-h_1}=\frac{52.33-54.67}{21.69-54.67}=7.36\%---\left(17\right)$

对比基于质量守恒和能量守恒的矿井外部漏风率计算结果η₁和η₂，由于仪器仪表的测量误差，导致二者计算值存在0.37％的绝对误差，为提高测点精度可以取二者的平均值作为最终矿井外部漏风率的测定值，即：

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\η}}_1+{\mathrm{\η}}_2}{2}=\frac{7.73\%+7.36\%}{2}=7.55\%---\left(18\right).$

本发明通过传感器实时检测各测点的干球温度、大气压力和相对湿度，通过检测到的各测点的干球温度、大气压力和相对湿度就能实现对矿井外部漏风率的测定，测量方法简单，易于实现，由于无需直接测量风硐和总回风巷道风量，提高整个测量过程的安全性，同时也简化了测量过程，减少了产生误差的测量环节，提高了测量结果的准确性。

Claims (6)

1.一种基于空气状态参数的矿井外部漏风率的测定方法，包括以下步骤：

1)分别在回风井、风机房地面和风硐设置温湿度传感器和大气压力传感器；

2)利用步骤1)中设置的温湿度传感器和大气压力传感器实时检测回风井、风机房地面和风硐三处测点的大气压力、干球温度和相对湿度；

3)根据湿空气热力性质关系，利用步骤2)中所测量的三处测点的大气压力、干球温度和相对湿度计算出各测点空气的含湿量和比焓值；

4)根据混合过程的质量平衡和热力学能量平衡关系，利用步骤3)计算所得的含湿量和比焓值计算出该测量状态下的矿井外部漏风率；

所述步骤3)中，根据湿空气热力性质关系，空气的饱和水蒸气压力为：

$\begin{array}{c}{p}_s=\exp \{\frac{-5800.221}{t+273.15}+1.3915-0.0486\×(t+273.15)+0.41765\×{10}^{-4}\×{(t+273.15)}^2\\ -0.1445\×{10}^{-7}\×{\left(t+273.15\right)}^3+6.546\×\ln \left(t+273.15\right)\}\end{array}---\left(1\right)$

空气含湿量d的计算公式为：

空气比焓值h的计算公式为：

h＝1.005t+0.001d(2501.0+1.86t)(3)

其中：p_b为对应测点的大气压力，t为对应测点的干球温度，为对应测点的相对湿度；

所述步骤4)中，根据热力学的热、湿平衡关系，建立矿井总回风与外部漏风混合过程中的热量平衡与湿量平衡关系式：

m_a,1+m_a,2＝m_a,3(4)

m_a，1d₁+m_a，2d₂＝m_a，3d₃(5)

m_a,1h₁+m_a,2h₂＝m_a,3h₃(6)

由矿井外部漏风率的定义可得其计算公式为：

$\mathrm{\η}=\frac{m_{a,2}}{m_{a,1}+m_{a,2}}---\left(7\right)$

由式(4)和式(5)可得：

$\frac{m_{a,2}}{m_{a,1}}=\frac{d_3-d_1}{d_2-d_3}---\left(8\right)$

由式(4)和式(6)可得：

$\frac{m_{a,2}}{m_{a,1}}=\frac{h_3-h_1}{h_2-h_3}---\left(9\right)$

由式(7)～式(9)可得矿井外部漏风率为

$\mathrm{\η}=\frac{d_3-d_1}{d_2-d_1}=\frac{h_3-h_1}{h_2-h_1}$

其中：m_a,1为矿井总回风中干空气的质量，m_a,2为矿井外部漏风中干空气的质量，m_a,3为通风机工作风流干空气的质量，d₁为矿井总回风含湿量，d₂为风机房附近地面空气的含湿量，d₃为通风机工作风流的含湿量，h₁为矿井总回风比焓值，h₂为风机房附近地面空气的比焓值，h₃为通风机工作风流的比焓值。

2.一种实现如权利要求1所述的矿井外部漏风率测定方法的装置，其特征在于：包括数据处理单元、多个温湿度传感器和多个大气压力传感器，温湿度传感器分别安装在回风井、风硐和风机房，采集回风井、风硐和风机房的温度湿度信号，大气压力传感器分别安装在回风井、风硐和风机房，采集回风井、风硐和风机房的压力信号，温湿度传感器和大气压力传感器分别将采集到的温度湿度信号和压力信号送入数据处理单元，数据处理单元对信号进行处理后得出测量结果。

3.如权利要求2所述的实现矿井外部漏风率测定方法的装置，其特征在于：所述温湿度传感器、大气压力传感器的信号输出端通过引线接至接线端子，接线端子用数据通讯线连接至数据处理单元。

4.如权利要求2所述的实现矿井外部漏风率测定方法的装置，其特征在于：所述数据处理单元包括信号采集电路、信号放大电路、A/D转换电路、微处理器，所述信号采集电路、信号放大电路、A/D转换电路、微处理器依次串接，信号采集电路采集温湿度传感器和大气压力传感器输出的模拟信号，并将模拟信号送入信号放大电路进行放大，放大后的模拟信号由A/D转换电路转换为数字信号后送入微处理器，微处理器对数字信号进行处理后得出测量结果。

5.如权利要求2所述的实现矿井外部漏风率测定方法的装置，其特征在于：所述数据处理单元还包括显示屏，所述显示屏与微处理器相连，将微处理器的测量结果显示出来。

6.如权利要求2所述的实现矿井外部漏风率测定方法的装置，其特征在于：所述数据处理单元还包括I/O电路，所述I/O电路与微处理器相连，并通过串行通讯端口与上位机相连，将微处理器的测量结果传至上位机中。