CN109063368B - 一种基于超声波线矿井回风井的风速测算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于超声波线矿井回风井的风速测算方法，通过在矿井回风井中需要测试风速的位置建立超声波测速系统，并合理布置超声波测速仪；为提高准确度设置两组超声波测速仪；通过超声波测速仪测出该位置的两条交叉线各自的平均风速；通过建立表征回风井平均风速的线风速模型来计算回风井平均风速，该方法能够实现对回风井平均风速的快速准确测量，提高测量精度，并且能够适应回风井的恶劣环境，抗干扰能力强。

Description

一种基于超声波线矿井回风井的风速测算方法
技术领域
本发明涉及一种矿井风速测算方法，具体是一种基于超声波线矿井回风井的风速测算方法，属于矿井通风与安全技术领域。
背景技术
矿井通风是保障矿井安全的最主要技术手段之一，是防治瓦斯、火灾、粉尘灾害的最有效、最经济、最直接的手段，如果矿井通风不良可直接导致瓦斯爆炸、火灾等重特大事故。在矿井生产过程中，必须源源不断地将地面新鲜空气输送到井下各作业地点，以供给人员呼吸，并稀释和排除井下各种有毒、有害的气体和矿尘，创造良好的矿内工作环境，保障井下作业人员的身体健康和劳动安全。
井下风量快速准确测定是矿井通风安全管理的基础，但是，一般大中型矿井的通风系统通常是由几百条、甚至上千条风道组成的非线性流体网络，回风井风量大，环境恶劣，风流紊乱，很多矿井对回风井的风速采用人工监测或者点风速监测；
若采取人工测风，如果需要监测风速的井筒地表无风机，因回风井是井下粉尘、柴油铲运机、皮卡车等无轨设备尾气、采掘作业炮烟等有毒有害气体汇集排出地表的总通道，回风井尤其是主回风井风速达到10m/s以上，人工测风存在着有毒有害气体中毒、跌落风井的安全风险。通风实践中为了安全保障，采用风速仪表在井筒出口同一通风断面内测定几个点风速再求平均风速，但是井口风流不稳定，所测的点风速或平均风速误差很大；同时回风井回风相对湿度几乎达到100％饱和状态，其粉尘、炮烟、湿度不仅影响风速仪表的测定精度与可靠性，而且危害测定人员的呼吸健康；
若采取人工测风，如果需要监测风速的井筒地表安装风机，风机进风段风流较为平稳，一般选取在风机进风段测定，但是进风段距离风井位置较短，风机运行进风段风速可高达20m/s以上，巷道地面湿滑水雾又大，视野模糊，人工测风时稍有不慎可能跌落风井；当然同样存在粉尘、炮烟、湿度影响风速仪表的测定精度与可靠性、危害测定人员的呼吸健康问题；
点风速监测，普遍的做法是在井筒内或者风机进出口直接安装风速传感器，但风速传感器只能采集通风断面的1个点风速，更重要的是回风井污风水雾、粉尘成为风速传感器采集数据精度、使用寿命的瓶颈，直接降低通风在线监测系统数据的稳定可靠性，误差很大。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于超声波线矿井回风井的风速测算方法，该方法能够实现对回风井平均风速的测量，提高测量精度，并且能够适应回风井的恶劣环境，抗干扰能力强。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于超声波线矿井回风井的风速测算方法，包括以下步骤：
步骤一：在回风井内选择规整断面处建立超声波测速系统，所述超声波测速系统为两组超声波测速仪；
步骤二：利用超声波测速仪，测算出规整断面两测线平均风速VL1和VL2；
步骤三：根据矿井回风井的摩擦阻力系数α和半径r计算出回风井的绝对粗糙度ε
Figure GDA0002406069120000021
式中：ρ为回风井的空气密度；
步骤四：根据以上步骤测量出的两侧线平均风速VL1和VL2、绝对粗糙度ε和半径r计算回风井的巷道平均风速Vm，模型为：
Figure GDA0002406069120000022
步骤四中所述模型的具体推算过程如下：
(1)利用巷道平均风速Vm和巷道中某个点的风速
Figure GDA0002406069120000023
之间的关系：
Figure GDA0002406069120000024
选取回风井截面内超声波测速仪测量线直径上靠近发射端半径范围内的点风速
Figure GDA0002406069120000025
对y进行积分，再除以半径r，就可以得到线平均风速，即：
Figure GDA0002406069120000031
式中：VL为线平均风速；
y为由壁面起沿半径内向的距离；
(2)通过化简计算可以得到利用线平均风速VL计算风井平均风速Vm的公式：
Figure GDA0002406069120000032
(3)将两组交叉超声波测速仪测量数据(分别为VL1，VL2)取平均进行计算，对公式进行变形可得：
Figure GDA0002406069120000033
为了提高测量精度，本发明优选将两组超声波测速仪交叉布置，两组超声波测速仪测量线的交叉点经必须过回风井截面的圆心，两测量线水平面投影相互垂直。
为了确保超声波测速仪安装拆卸方便，本发明将超声波测速仪通过固定座安装在回风井内。
所述超声波测速仪还包括发射端和接收端，接收端用来接收对应发射端的发射信号。
本发明通过在矿井回风井中需要测试风速的位置建立超声波测速系统，并合理布置超声波测速仪；为提高准确度设置两组超声波测速仪；通过超声波测速仪测出该位置的两条交叉线各自的平均风速；通过建立表征回风井平均风速的线风速模型来计算回风井平均风速，该方法能够实现对回风井平均风速的快速准确测量，提高测量精度，并且能够适应回风井的恶劣环境，抗干扰能力强。
附图说明
图1是本发明回风井的竖剖结构示意图；
图2是本发明回风井的横剖结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
一种基于超声波线矿井回风井的风速测算方法，在回风井内合理的位置布置超声波测速系统，超声波测速系统为两组超声波测速仪，两组超声波测速仪交叉布置，通过固定座安装在回风井内，其测量线的交叉点经过回风井截面的圆心，两测量线水平面投影相互垂直，所述超声波测速仪还包括发射端和接收端，接收端用来接收对应发射端的发射信号；
其具体测量步骤如下：
步骤一：在回风井内选择规整断面处建立超声波测速系统，所述规整断面处是通过人的肉眼判断出来的回风井内较为光滑的截面，所述超声波测速系统为两组超声波测速仪；
步骤二：利用超声波测速仪，测算出规整断面两测线平均风速VL1和VL2，为两组超声波测速仪直径上的线平均风速；
步骤三：根据矿井回风井的摩擦阻力系数α和半径r计算出回风井的绝对粗糙度ε
Figure GDA0002406069120000041
式中：ρ为回风井的空气密度；
步骤四：根据以上步骤测量出的两侧线平均风速VL1和VL2、绝对粗糙度ε和半径r计算回风井的巷道平均风速Vm，模型为：
Figure GDA0002406069120000042
步骤四中所述模型的具体推算过程如下：
(1)利用巷道平均风速Vm和巷道中某个点的风速
Figure GDA0002406069120000043
之间的关系：
Figure GDA0002406069120000044
选取回风井截面内超声波测速仪测量线直径上靠近发射端半径范围内的点风速
Figure GDA0002406069120000054
对y进行积分，再除以半径r，就可以得到线平均风速，即：
Figure GDA0002406069120000051
式中：VL为线平均风速；
y为由壁面起沿半径内向的距离；
(2)通过化简计算可以得到利用线平均风速VL计算风井平均风速Vm的公式：
Figure GDA0002406069120000052
(3)将两组交叉超声波测速仪测量数据(分别为VL1，VL2)取平均进行计算，对公式进行变形可得：
Figure GDA0002406069120000053
因为回风井的平均风速受回风井表面的粗糙程度影响较大，再者为保证数据的可靠性，设置了两组超声波测速仪，两组超声波测速仪的布置必须经过截面圆心，且要选择较为规整的截面进行安装。
采取远距离的超声波测速技术，这是一种全新的适用于大距离线平均速度的测量技术。且超声波测速仪的设置方式和工作原理都是本领域技术人员公知的，在此不做详细阐述。因为要考虑绝对粗糙度ε和风井的半径r对断面风速分布的影响，而回风井的绝对粗糙度ε只能通过回风井的α系数和巷道半径r来计算，所以要查询回风井的α系数和回风井的半径r。
为保证精确度，选择对两组超声波测速仪的数据进行同时计算，然后取其平均值。

Claims (5)

1.一种基于超声波线矿井回风井的风速测算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在回风井内选择规整断面处建立超声波测速系统，所述超声波测速系统为两组超声波测速仪，两组超声波测速仪测量线的交叉点经过回风井截面的圆心，两测量线水平面投影相互垂直；
步骤二：利用超声波测速仪，测算出规整断面两测线平均风速VL1和VL2；
步骤三：根据矿井回风井的摩擦阻力系数α和半径r计算出回风井的绝对粗糙度ε，
Figure FDA0002406069110000011
式中：ρ为回风井的空气密度；
步骤四：根据以上步骤测量出的两侧线平均风速VL1和VL2、绝对粗糙度ε和半径r计算回风井的巷道平均风速Vm，模型为：
Figure FDA0002406069110000012
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波线矿井回风井的风速测算方法，其特征在于，所述步骤四中模型的具体推算过程如下：
(1)利用巷道平均风速Vm和巷道中某个点的风速
Figure FDA0002406069110000013
之间的关系：
Figure FDA0002406069110000014
选取回风井截面内超声波测速仪测量线直径上靠近发射端半径范围内的点风速
Figure FDA0002406069110000015
对y进行积分，再除以半径r，就可以得到线平均风速，即：
Figure FDA0002406069110000016
式中：VL为线平均风速；
y为由壁面起沿半径内向的距离；
(2)通过化简计算可以得到利用线平均风速VL计算风井平均风速Vm的公式：
Figure FDA0002406069110000021
(3)将两组交叉超声波测速仪测量的数据VL1，VL2取平均值进行计算，对公式进行变形可得：
Figure FDA0002406069110000022
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波线矿井回风井的风速测算方法，其特征在于，所述步骤二中的两测线平均风速VL1和VL2为两组超声波测速仪之间测量线的直径上的线平均风速。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声波线矿井回风井的风速测算方法，其特征在于，所述超声波测速仪通过固定座安装在回风井内。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声波线矿井回风井的风速测算方法，其特征在于，所述超声波测速仪还包括发射端和接收端，接收端用来接收对应发射端的发射信号。
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