基于两点测流法的矿井巷道总空气动力阻力直接测定方法

《Mining》：Direct Measurement of Total Aerodynamic Resistance in Mine Roadways Using a Two-Point Flow-Based Method

　　

地下矿井通风(underground mine ventilation)的精确建模依赖于巷道空气动力阻力(aerodynamic resistance)的可靠估算。传统方法基于几何测量或气压(barometric)测压，存在明显局限，包括忽略局部损失(local losses)、耗时较长以及对环境扰动的敏感性。本文提出一种两点测流法(two-point flow-based method)，通过原位(in situ)测量直接确定巷道阻力。使用基础仪器（风速仪anemometer、差压计differential manometer、温度计及湿度计），在直巷道两处测点进行测量，依据伯努利方程(Bernoulli equation)计算压降(pressure drop)，无需依赖几何数据或摩擦因数假设即可确定阻力，该方法天然包含了摩擦阻力与局部损失。在越南某煤矿五个巷道段的现场试验表明，实测阻力值为纯理论摩擦估算值的10–15倍，凸显了局部损失的重要性。由实测阻力结合文献摩擦因数反算的等效过风断面面积与几何测量结果一致（典型偏差3–6%），表明测量具有内在一致性。尚需与独立气压法或CFD方法进行充分验证。该方法简便、快速、干扰小，兼容通风网络模拟软件，可在真实工况下提供实用且较准确的阻力估算替代方案。

论文解读：《基于两点测流法的矿井巷道总空气动力阻力直接测定方法》

一、研究背景与开展本研究的必要性

矿井通风网络模拟与计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)模型预测精度高度依赖于输入参数——特别是巷道的空气动力阻力（亦称Atkinson阻力R，单位N·s²/m⁸或Pa·s²/m⁸）。目前常用的阻力获取方法各有缺陷：（1）几何法（Geometric Method）依据设计图纸计算净断面面积并结合假定摩擦因数(friction factor, k)，忽略因堆料、设备、支护变形引起的断面缩小以及弯头、交汇等局部损失(local losses)，严重低估总阻力；（2）气压法（Barometric Method，测定ΔP = R·Q²）虽可反映实际总阻力，但受大气压波动、气流脉动、人员设备扰动影响大，短巷道中小压降易被仪器误差淹没，且费时费力需专门仪器与熟练人员；（3）三维激光扫描(Terrestrial Laser Scanner, TLS / mobile LiDAR)可获得高精度几何点云并重建断面，但设备昂贵、数据处理复杂，且仍需假定k值方能换算为阻力；（4）统计摩擦因数法源自大量现场数据统计，只能给出典型范围，无法表征具体巷道的局域特性。综上，现有方法难以兼顾简便、经济、快速与能综合反映摩擦+局部损失+基础设施影响的真实总阻力测定，因此研究人员提出并验证了一种基于伯努利方程的"两点法(two-point method)"。

二、主要关键技术方法概述

研究人员在越南某煤矿－250 m水平选取5条典型半圆拱形钢拱架(SVP-type)支护巷道段（长60–120 m，含有无带式输送机conveyor、风管cable/duct等情形），各段选两端A、B为测点，要求直巷、无分支/辅扇/断面突变以保证充分发展湍流(fully developed turbulent flow)。使用热式风速仪按ISO 3966:2020网格法分6–9子区测速求面均风速v，用差压计配皮托管(Pitot tube)测静压与全压，温湿传感器测t、φ，激光测距仪测高差Δh，依实测t、φ、绝对压力P_at按理想气体状态方程分段算湿空气密度ρ。由修正伯努利方程（引入速度分布修正系数α=1.03）算A→B总压降ΔP，再由二次阻力定律R = ΔP / Q_mean²（Q_mean为A、B风量均值，允许A、B风量差<10%）得该段总空气动力阻力。以几何实测断面算理论纯摩擦阻力R_ref（Atkinson公式，取文献k值）作参照，并反算等效断面S_eq与几何值比对；按GUM(Guide 98-3)做不确定度传播分析。

三、研究结果

3.1 测试地点与测量条件(Test Sites and Measurement Conditions)

研究人员在越南某煤矿－250 m水平选取5条具代表性的半拱形SVP支护巷道段（长度60–120 m，温度30–33℃，相对湿度>90%），各段满足直巷、几何连续、无明显通风元件干扰的要求，涵盖有/无输送机及附带风管电缆的情形，作为试验对象。

3.2 参照测量(Reference Measurements)

研究人员对各段A、B端点进行激光测距几何测量并扣除运输设备、管线所占面积得有效净断面S_geo，A、B断面相差约4%–6%，以此作为几何参照值用于后续比对。

3.3 两点法测量(Two-Point Method Measurements)

研究人员在A、B点按前述仪器与网格法获静压P_stat、绝对压力P_at、风速v、温度t、相对湿度φ及高差Δh，由v×S_geo算风量Q。观测到A、B风量差多数为5%–7%（最大未超10%），属井下可接受微小漏风/局部入流范围，满足两点法适用前提。

3.4 结果与一致性评估(Results and Consistency Assessment)

研究人员依湿空气状态方程求各点ρ（A、B间ρ差<0.5%），代入伯努利方程得ΔP，进而算R_meas。结果表明：各段R_meas为纯摩擦理论R_ref的10–15倍（取不同文献k值则倍率约8–20倍），证实局部损失与基础设施附加阻力在实际工况中占主导。由R_meas结合文献k反算等效断面S_eq与几何S_geo相对偏差为3.0%–6.3%（均值4.5%），证明实测阻力物理自洽、可合理反映有效过风断面。带输送机(S3)及带风管电缆(S2)段阻力增幅更显著（分别约10倍与12.1倍）。

3.5 不确定度分析(Uncertainty Analysis)

研究人员按ISO/IEC Guide 98-3对ΔP_stat(±5 Pa)、v(±0.05 m/s)、A(±0.1 m²)、t(±0.3℃)、φ(±2%)、Δh(±0.2 m)做误差传递，得到阻力R的合成相对不确定度约为8%–12%，主因为静压差(~6–8%)与风量测定(~4–6%)，满足矿井通风网络标定通常所需精度（同类巷道阻力变幅常>20%–30%）。

四、讨论与结论翻译

讨论指出两点法测得的总阻力显著包含壁面摩擦、局部损失及基础设施扰动的综合效应，其比值R_meas/R_ref高度依赖所选k值，文中k引自波兰煤矿统计数据，用于说明趋势而非绝对标准；两点法给出A–B段积分总阻而不能单独分离各分量。该法适用于>50–80 m的长直进/回风巷道，短段或强湍流区建议辅以气压法或TLS+CFD。建议分层策略：长直段用两点法获代表阻力→复杂节点/短段用气压法→关键变形/阻塞区用三维激光扫描辅助CFD。两点法应视为通风网络模型标定筛查工具而非全场景替代手段。

结论部分翻译如下：

本研究提出并验证了基于巷道两点原位测量的矿井巷道空气动力阻力测定两点法，仅需测定流场参数即可直接求取阻力，无需查表摩擦系数或使用简化几何模型。在矿内五条巷道段的现场应用表明，两点法可在真实工况下确定空气动力阻力；几何断面13.55–14.68 m²，A、B点断面变异3%–6%；算得阻力值0.2206–0.2447 N·s²/m⁸，为纯摩擦计算的10–15倍，说明该方法同时涵盖摩擦损失、局部损失、基础设施影响及巷道实际状况；由阻力反算断面与几何值吻合（平均误差4.5%，最简段最低3.0%，复杂流场段最高6.3%）；带基础设施段阻力更高且被方法捕获而无需逐件测量设备。该方法操作简便、无需专用昂贵设备、对生产干扰小，结果可直接用于通风网络模型校准，较传统方法更真实地反映矿井 airflow 条件，今后需在更多类型巷道及更复杂工况下扩大验证。