CN109085379A - 巷道平均风速测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种巷道平均风速测量方法，包括S1：测量巷道测风地点的巷道腰线宽度或者巷道轴线高度；S2：根据巷道腰线宽度或者巷道轴线高度，获得巷道测风地点的巷道断面平均风速线位置；S3：测量巷道断面平均风速线上任一点的点风速；S4：对点风速进行校正，得到巷道测风地点的平均风速；本发明考虑到巷道风速分布等值线为封闭形状，且是巷道断面的轮廓线的相似图形，通过对巷道断面的风流速度规律的分析，获得巷道风速分布等值线的位置，在该位置上测量巷道的平均风速，解决了路线法或定点法测量时间长，便捷性差，测量精度不易保证的问题，能适应矿井恶劣环境，提高了测量的效率和精度，并且易于掌握，适用范围更广。
Description
技术领域
本发明涉及采矿工程矿井通风技术领域，具体涉及一种巷道平均风速测量方法。
背景技术
随着矿井的正常开拓生产，矿井巷道网络不断发生变化，为了保证井下的正常接替生产及矿井从业人员的安全用风需求，需及时更新调整矿井通风网络结构及不同用风地点的风量大小。在矿井通风网络结构调整过程中，通过对不同用风地点进行风速、风量的测量，进一步了解矿井现有通风网络结构的风速、风量分布情况，为接下来矿井通风网络结构的调整提供依据。
现阶段，我国矿井主要采用线路法或者定点法测量巷道平均风速以及风量。测定过程中，线路法将测风仪沿一定的路线均匀移动进行测定，定点法将巷道分成若干格，使测风仪在每格内停留相等的时间进行测定，然后算出平均风速，其中路线法是煤矿目前最常用的平均风速测量法。由于测风路线不易掌握，对测风员要求比较高，测风路线通常靠感觉、随意性较大，造成数据准确性不易保障；路线法耗费时间长，走完一条完成测风路线，通常需要1min以上，实际测风时，测风员为节省时间，不走标准路线，随意测量，测风仪移动速度过快，这些都会影响测风的准确性；在一些倾角较大、路面湿滑等条件较为恶劣的巷道，路线法还会产生人身安全隐患。在要求测风时间尽量短的通风阻力测定中，路线法更是受到很大的限制。定点法则需要将巷道平分若干格，耗费时间更长、更不易掌握。上述两种方法只是路线上或各测点的风速简单的平均，并没有考虑到断面风速实际分布规律，测量依靠的理论较为粗略，尤其对风速精度要求较高的测风站，很难满足精度要求。以上诸多情况导致路线法或定点法测量时间长，便捷性差，测量精度不易保证，影响了矿井通风网络结构调整过程中的合理性。
因此，需要提出一种在矿井通风网络结构调整及不同需风地点风速、风量的测量过程中测量风速更快，测量精度更高，能适应矿井恶劣环境的巷道平均风速测量方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种巷道平均风速测量方法，考虑到巷道风速分布等值线为封闭形状，可以近似看成是巷道断面的轮廓线的相似图形，借助巷道断面的风流速度规律，获得巷道风速分布等值线的位置，在该位置上测量巷道的平均风速，解决了路线法或定点法测量时间长，便捷性差，测量精度不易保证的问题，能适应矿井恶劣环境，提高了测量的效率和精度，并且易于掌握，适用范围更广。
本发明提供一种巷道平均风速测量方法，包括步骤
S1：测量巷道测风地点的巷道腰线宽度或者巷道轴线高度；
S2：根据巷道腰线宽度或者巷道轴线高度，获得巷道测风地点的巷道断面平均风速线位置；
S3：测量巷道断面平均风速线上任一点的点风速；
S4：对点风速进行校正，得到巷道测风地点的平均风速。
进一步，所述巷道为矩形巷道。
进一步，所述步骤S2中，所述巷道断面平均风速线位置的计算公式为
y＝elnb-1.5 (1)
x＝elna-1.5 (2)
其中，y为平均风速线到巷道底板或顶板的距离，x为平均风速线到巷道左帮或者右帮的距离，2b为巷道轴线长度，2a为巷道腰线宽度，e为自然数对数的底数。
进一步，巷道风流速度分布公式为
其中，v为巷道断面中任一位置的点风速；k为混合长度系数；y为巷道中任一流层到巷道壁的距离；C为积分常数；α为摩擦阻力系数；ρ为井巷中风流密度；为巷道断面的平均风速。
巷道平均风速的计算公式为
其中，为平均风速；Q为巷道风量；A为巷道断面面积；
进一步，获得所述平均风速线到巷道底板的距离的计算公式包括：
对于矩形巷道断面，所述巷道底板为矩形巷道轮廓线的底边线，以矩形巷道轮廓线的底边线的中点为原点，以矩形巷道轮廓线的底边线所在直线为横轴，以矩形巷道断面中的巷道轴线为纵轴，建立矩形巷道断面区域的直角坐标系；
矩形巷道轮廓线的底边线与矩形巷道轮廓线的左边线的交点坐标为(-a,0)，矩形巷道轮廓线的底边线与矩形巷道轮廓线的右边线的交点坐标为(a,0)，矩形巷道轮廓线的顶边线与矩形巷道轮廓线的左边线的交点坐标为(-a,2b)，矩形巷道轮廓线的顶边线与矩形巷道轮廓线的右边线的交点坐标为(a,2b)；
设矩形巷道断面任一条风速等值线的底边线到矩形巷道轮廓线的底边线的距离为y，该风速等值线的右边线到中轴线的距离为x；所述平均风速线为风速为平均风速的风速等值线；
根据矩形巷道轮廓线的底边线与风速等值线的底边线的比，等于矩形巷道轮廓线的顶边线与风速等值线的顶边线的比，等于矩形巷道轮廓线的左边线与风速等值线的左边线的比的规律，得到
对(5)式进行变换得到
根据(6)式，得到矩形巷道断面的微分面积dA的表达式Ⅰ为
根据矩形的对称性，由(3)式和(7)式，积分得到
其中，
化简(8)式得到
Q＝4afb ln b-6afb+4abC (9)
将(9)式代入(4)式，得到
联立(3)式、(10)式，得到矩形巷道断面平均风速线的底边线到矩形巷道轮廓线的底边线的距离的计算公式为y＝elnb-1.5，也就是平均风速线到巷道底板的距离的计算公式为y＝elnb-1.5。
进一步，根据矩形的底边线和顶边线关于右边线中点和左边线中点的连线对称的性质，以及矩形巷道轮廓线的对角线交点和矩形巷道断面平均风速线的对角线交点重合的规律，得到所述平均风速线到巷道顶板的距离的计算公式与平均风速线到巷道底板的距离的计算公式相同，从而得到(1)式。
进一步，获得所述平均风速线到巷道两帮的距离的计算公式包括：
对于矩形巷道断面，所述巷道两帮为矩形巷道轮廓线的左边线和右边线；
根据矩形的左边线和右边线关于巷道轴线对称的性质，以及矩形巷道轮廓线的对角线交点和矩形巷道断面平均风速线的对角线交点重合的特征，得到所述平均风速线到巷道左边线的距离的计算公式与平均风速线到巷道右边线的距离的计算公式相同，故只用获得所述平均风速线到巷道左边线的距离的计算公式，即可得到所述平均风速线到巷道两帮的距离的计算公式；
对(5)式进行变换得到
根据(11)式，得到矩形巷道断面的微分面积dA的表达式Ⅱ为
根据矩形的对称性，由(3)式和(12)式，积分得到
化简(13)式得到
Q＝4bfa ln a-6bfa+4abC (14)
将(14)式代入(4)式，得到
联立(3)式、(15)，得到矩形巷道断面平均风速线的左边线到矩形巷道轮廓线的左边线的距离的计算公式为x＝elna-1.5，从而得到(2)式。
进一步，所述步骤S4包括用校正系数乘以点风速，得到巷道测风点的平均风速；
所述校正系数的计算公式为
其中，s为巷道断面净面积，s0为测量人员在巷道断面上所占面积。
进一步，所述步骤S3中，点风速的测量时间不小于该点风速的平均脉动周期。
本发明的有益效果：本发明根据井下巷道风流湍流速度分布规律，巷道风速分布等值线为封闭形状，可近似看成与巷道断面的轮廓线的相似图形，获得巷道风速分布等值线的位置，在该位置上测量巷道的平均风速，解决了路线法或定点法测量时间长，便捷性差，测量精度不易保证的问题，能适应矿井恶劣环境，尤其在积水大、路面湿滑、倾角大等危险地段更有独特优势。提高了测量的效率和精度，并且易于掌握，适用范围更广。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的方法流程图；
图2为矩形巷道断面区域的直角坐标系示意图；
图3为计算巷道风量中，对dA1求积分后的面积区域示意图；
图4为半圆拱形巷道的平均风速线示意图；
图5为梯形巷道的平均风速线示意图；
图6为三心拱形巷道的平均风速线示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的一种巷道平均风速测量方法方法，包括步骤：
S1：测量巷道测风地点的巷道腰线宽度或者巷道轴线高度；
S2：根据巷道腰线宽度或者巷道轴线高度，获得巷道测风地点的巷道断面平均风速线位置；
S3：测量巷道断面平均风速线上任一点的点风速；
S4：对点风速进行校正，得到巷道测风地点的平均风速。
通过上述方法，根据井下巷道风流湍流速度分布规律，巷道风速分布等值线为封闭形状，可近似看成与巷道断面的轮廓线的相似图形，获得巷道风速分布等值线的位置，在该位置上测量巷道的平均风速，解决了路线法或定点法测量时间长，便捷性差，测量精度不易保证的问题，能适应矿井恶劣环境，尤其在积水大、路面湿滑、倾角大等危险地段更有独特优势。提高了测量的效率和精度，并且易于掌握，适用范围更广。
本实施例中，所述步骤S1采用精度为毫米的卷尺、直尺或其它长度度量工具测量巷道测风地点的巷道腰线宽度或者巷道轴线高度。
本实施例中，所述步骤S3是采用精度为毫米的卷尺、直尺或其他长度度量工具根据步骤S2的结果确定平均风速线位置后，用测风仪测量巷道断面平均风速线上任一点的点风速。所述平均风速线上任一点位置由平均风速线到巷道轮廓线的距离表征。
本实施例中，巷道中的障碍物会扰乱风流的速度场，使巷道中的风速场分布更加复杂，风速分布规律性更难以掌握，因此步骤S3测量巷道断面平均风速线上任一点的点风速，应选择无障碍物、推积物的测点位置，以保障风速测量的准确性。
根据布辛涅斯克理论和普朗克湍流理论，以及大量实验和研究表明，巷道中风速分布等值线为封闭的形状，形状与巷道轮廓线适形对应，因此其中必然有一条风速分布等值线为平均风速线，而且与巷道轮廓线适形对应。在巷道测风地点巷道断面的平均风速线上的每一点的点风速均等于该巷道测风地点的平均风速。
所述巷道为矩形巷道。在矩形巷道中，平均风速线与巷道轮廓线适形对应为平均风速线位于巷道断面的轮廓线的封闭区间内，且为矩形，矩形巷道轮廓线的底边线与平均风速线的底边线的比，等于矩形巷道轮廓线的顶边线与平均风速线的顶边线的比，等于矩形巷道轮廓线的左边线与平均风速线的左边线的比，且平均风速线对角线交点与矩形巷道轮廓线对角线交点重合。
本实施例中，所述巷道腰线为矩形巷道断面轮廓线的左边线的中点与右边线的中点的连线，所述巷道轴线为矩形巷道断面轮廓线的顶边线的中点与底边线的中点的连线。
所述步骤S2中，所述巷道断面平均风速线位置的计算公式为
y＝elnb-1.5 (1)
x＝elna-1.5 (2)
其中，y为平均风速线到巷道底板或顶板的距离，x为平均风速线到巷道两帮的距离，2b为巷道轴线长度，2a为巷道腰线宽度，e为自然数对数的底数。
在靠近巷道壁的区域存在很薄的粘性底层，这个区域风流速度是层流分布，在此层流分布区域，粘性底层厚度可近似表示为
其中，δ为粘性底层厚度；d为巷道断面宽度；Re为雷诺数，无因次；α为摩擦阻力系数；ρ为井巷中风流密度。
进一步，在巷道壁的粘性底层外部，风流呈湍流(紊流)状态，在此湍流分布区域，巷道风流速度分布公式为
其中，v为巷道断面中任一位置的点风速；k为混合长度系数；y为巷道中任一流层到巷道壁的距离；C为积分常数；α为摩擦阻力系数；ρ为井巷中风流密度；为巷道断面的平均风速。
由公式(18)计算得出巷道粘性底层厚度一般小于0.01m，因此忽略粘性底层厚度，认为整个巷道断面符合湍流风速分布规律，即整个巷道风速的分布规律满足(3)式。
巷道平均风速的计算公式为
其中，为平均风速；Q为巷道风量；A为巷道断面面积。
获得所述平均风速线到巷道底板的距离的计算公式包括：
如图2，对于矩形巷道断面，所述巷道底板为矩形巷道轮廓线的底边线，以矩形巷道轮廓线的底边线的中点为原点，以矩形巷道轮廓线的底边线所在直线为横轴，以矩形巷道断面中的巷道轴线为纵轴，建立矩形巷道断面区域的直角坐标系。矩形巷道断面区域的直角坐标系的横轴和纵轴将矩形断面平均分为四个区域，即区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ、区域IV。图2中，三种阴影线标注的封闭区域，表示风速等值线围成的区域。
矩形巷道轮廓线的底边线与矩形巷道轮廓线的左边线的交点坐标为(-a,0)，矩形巷道轮廓线的底边线与矩形巷道轮廓线的右边线的交点坐标为(a,0)，矩形巷道轮廓线的顶边线与矩形巷道轮廓线的左边线的交点坐标为(-a,2b)，矩形巷道轮廓线的顶边线与矩形巷道轮廓线的右边线的交点坐标为(a,2b)。
设矩形巷道断面任一条风速等值线的底边线到矩形巷道轮廓线的底边线的距离为y，该风速等值线的右边线到中轴线的距离为x；所述平均风速线为风速为平均风速的风速等值线。
根据矩形巷道轮廓线的底边线与风速等值线的底边线的比，等于矩形巷道轮廓线的顶边线与风速等值线的顶边线的比，等于矩形巷道轮廓线的左边线与风速等值线的左边线的比的规律，得到
对(5)式进行变换得到
由此得到区域I的左下区域部分的微分面积dA1的表达式为
区域I的右上区域部分，微分面积为dA2的表达式为
如图2所示，所述矩形巷道轮廓线的其中一条对角线将区域I划分成两个区域部分，位于左下方的区域部分为区域I的左下区域部分，位于右上方的区域部分为区域I的右上区域部分。
因此，
dA1＝dA2 (7-3)
故根据(6)式，得到矩形巷道断面的微分面积dA的表达式Ⅰ为
所述对dA1求积分后的面积区域如图3阴影部分所示，图3中O’点为巷道腰线和轴线的交点，根据矩形的对称性，可得O’点也是矩形巷道对角线的交点，也是平均风速线对角线的交点。O’点的坐标为(0，b)。
根据(3)式、(4)式和(7)式，在区域I积分得
其中，Q1为通过区域I的风量。
根据矩形的对称性，，由(3)式和(7)式，积分得到
化简(8)式，过程如下：
化简(8)式得到
Q＝4afb ln b-6afb+4abC (9)
将(9)式代入(4)式，得到
联立(3)式、(10)式，得到矩形巷道断面平均风速线的底边线到矩形巷道轮廓线的底边线的距离的计算公式为y＝elnb-1.5，也就是平均风速线到巷道底板的距离的计算公式为y＝elnb-1.5；
本实施例中，所述矩形的对称性包括：矩形的轴对称性和中心对称性。
根据矩形的底边线和顶边线关于右边线中点和左边线中点的连线对称的性质，以及矩形巷道轮廓线的对角线交点和矩形巷道断面平均风速线的对角线交点重合的规律，得到所述平均风速线到巷道顶板的距离的计算公式与平均风速线到巷道底板的距离的计算公式相同，从而得到(1)式。
获得所述平均风速线到巷道两帮的距离的计算公式包括：
对于矩形巷道断面，所述巷道两帮为矩形巷道轮廓线的左边线和右边线；
根据矩形的左边线和右边线关于巷道轴线对称的性质，以及矩形巷道轮廓线的对角线交点和矩形巷道断面平均风速线的对角线交点重合的特征，得到所述平均风速线到巷道左边线的距离的计算公式与平均风速线到巷道右边线的距离的计算公式相同，故只用获得所述平均风速线到巷道左边线的距离的计算公式，即可得到所述平均风速线到巷道两帮的距离的计算公式；
对(6)式进行变换得到
根据(12)式，得到矩形巷道断面的微分面积dA的表达式Ⅱ为
根据矩形的对称性，由(3)式和(12)式，积分得到
(13)式的化简过程类似(9)式的化简过程，在此不赘述。
化简(13)式得到
Q＝4bfa ln a-6bfa+4abC (14)
将(14)式代入(4)式，得到
联立(3)式、(15)，得到矩形巷道断面平均风速线的左边线到矩形巷道轮廓线的左边线的距离的计算公式为x＝elna-1.5，从而得到(2)式。
考虑到测风时人体所占的面积，测得的点风速乘以校正系数k，便可求得巷道的真实平均风速。所述步骤S4包括用校正系数乘以点风速，得到巷道测风点的平均风速；
所述校正系数的计算公式为
其中，s为巷道断面净面积，s0为测量人员在巷道断面上所占面积。本实施例中s0取0.4平方米。
所述步骤S3中，由于煤矿井下风流绝大多数处于湍流状态，鉴于湍流速度具有脉动特点，测量时间应不小于测点的平均脉动周期，点风速的测量时间不小于该点风速的平均脉动周期，以保证平均风速测量的准确性。
进一步，对于半圆拱形巷道、梯形巷道、三心拱形巷道的断面的平均风速线位置，有类似于(1)式和(2)式的计算公式。图4为半圆拱形巷道的平均风速线示意图，图5为梯形巷道的平均风速线示意图，图6为三心拱形巷道的平均风速线示意图。图4至图6中，虚线为平均风速线，实线为巷道轮廓线。
为了进一步验证本方法的效果，在某煤矿进行应用试验，通过与矿上现有传统路线法进行井下多点实地测量得到如表所示数据：
表1 3316运输巷测风对比应用情况
表2 3316回风巷测风对比应用情况
表3 3309回风联络巷测风对比应用情况
其中，3316运输巷和3316回风巷为矩形巷道，3309回风巷为半圆拱形巷道。由试验测试结果可知，本发明测风时间明显快于传统路线法，测风时间由原来的60s缩减为现在的27～30s，单点测试时间节省超过50％，测量准确度较高，和路线法相比误差一般不超过5％，满足矿井的精度要求。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种巷道平均风速测量方法，其特征在于：包括步骤
S1：测量巷道测风地点的巷道腰线宽度或者巷道轴线高度；
S2：根据巷道腰线宽度或者巷道轴线高度，获得巷道测风地点的巷道断面平均风速线位置；
S3：测量巷道断面平均风速线上任一点的点风速；
S4：对点风速进行校正，得到巷道测风地点的平均风速。
2.根据权利要求1所述巷道平均风速测量方法，其特征在于：所述巷道为矩形巷道。
3.根据权利要求2所述巷道平均风速测量方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述巷道断面平均风速线位置的计算公式为
y＝elnb-1.5 (1)
x＝elna-1.5 (2)
其中，y为平均风速线到巷道底板或顶板的距离，x为平均风速线到巷道左帮或者右帮的距离，2b为巷道轴线长度，2a为巷道腰线宽度，e为自然数对数的底数。
4.根据权利要求3所述巷道平均风速测量方法，其特征在于：巷道风流速度分布公式为
其中，v为巷道断面中任一位置的点风速；k为混合长度系数；y为巷道中任一流层到巷道壁的距离；C为积分常数；α为摩擦阻力系数；ρ为井巷中风流密度；为巷道断面的平均风速。
巷道平均风速的计算公式为
其中，为平均风速；Q为巷道风量；A为巷道断面面积。
5.根据权利要求4所述巷道平均风速测量方法，其特征在于：获得所述平均风速线到巷道底板的距离的计算公式包括：
对于矩形巷道断面，所述巷道底板为矩形巷道轮廓线的底边线，以矩形巷道轮廓线的底边线的中点为原点，以矩形巷道轮廓线的底边线所在直线为横轴，以矩形巷道断面中的巷道轴线为纵轴，建立矩形巷道断面区域的直角坐标系；
矩形巷道轮廓线的底边线与矩形巷道轮廓线的左边线的交点坐标为(-a,0)，矩形巷道轮廓线的底边线与矩形巷道轮廓线的右边线的交点坐标为(a,0)，矩形巷道轮廓线的顶边线与矩形巷道轮廓线的左边线的交点坐标为(-a,2b)，矩形巷道轮廓线的顶边线与矩形巷道轮廓线的右边线的交点坐标为(a,2b)；
设矩形巷道断面任一条风速等值线的底边线到矩形巷道轮廓线的底边线的距离为y，该风速等值线的右边线到中轴线的距离为x；所述平均风速线为风速为平均风速的风速等值线；
根据矩形巷道轮廓线的底边线与风速等值线的底边线的比，等于矩形巷道轮廓线的顶边线与风速等值线的顶边线的比，等于矩形巷道轮廓线的左边线与风速等值线的左边线的比的规律，得到
对(5)式进行变换得到
根据(6)式，得到矩形巷道断面的微分面积dA的表达式Ⅰ为
根据矩形的对称性，由(3)式和(7)式，积分得到
其中，
化简(8)式得到
Q＝4afblnb-6afb+4abC (9)
将(9)式代入(4)式，得到
联立(3)式、(10)式，得到矩形巷道断面平均风速线的底边线到矩形巷道轮廓线的底边线的距离的计算公式为y＝elnb-1.5，也就是平均风速线到巷道底板的距离的计算公式为y＝elnb-1.5。
6.根据权利要求5所述巷道平均风速测量方法，其特征在于：根据矩形的底边线和顶边线关于右边线中点和左边线中点的连线对称的性质，以及矩形巷道轮廓线的对角线交点和矩形巷道断面平均风速线的对角线交点重合的规律，得到所述平均风速线到巷道顶板的距离的计算公式与平均风速线到巷道底板的距离的计算公式相同，从而得到(1)式。
7.根据权利要求6所述巷道平均风速测量方法，其特征在于：获得所述平均风速线到巷道两帮的距离的计算公式包括：
对于矩形巷道断面，所述巷道两帮为矩形巷道轮廓线的左边线和右边线；
根据矩形的左边线和右边线关于巷道轴线对称的性质，以及矩形巷道轮廓线的对角线交点和矩形巷道断面平均风速线的对角线交点重合的特征，得到所述平均风速线到巷道左边线的距离的计算公式与平均风速线到巷道右边线的距离的计算公式相同，故只用获得所述平均风速线到巷道左边线的距离的计算公式，即可得到所述平均风速线到巷道两帮的距离的计算公式；
对(5)式进行变换得到
根据(11)式，得到矩形巷道断面的微分面积dA的表达式Ⅱ为
根据矩形的对称性，由(3)式和(12)式，积分得到
化简(13)式得到
Q＝4bfalna-6bfa+4abC (14)
将(14)式代入(4)式，得到
联立(3)式、(15)，得到矩形巷道断面平均风速线的左边线到矩形巷道轮廓线的左边线的距离的计算公式为x＝elna-1.5，从而得到(2)式。
8.根据权利要求1所述巷道平均风速测量方法，其特征在于：所述步骤S4包括用校正系数乘以点风速，得到巷道测风点的平均风速；
所述校正系数的计算公式为
其中，s为巷道断面净面积，s0为测量人员在巷道断面上所占面积。
9.根据权利要求1所述巷道平均风速测量方法，其特征在于：所述步骤S3中，点风速的测量时间不小于该点风速的平均脉动周期。
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