采掘工作面突出危险性预测是防治煤与瓦斯突出的重要环节，钻孔瓦斯涌出初速度是工作面突出危险性预测常常采用的一个指标。在我国煤矿使用的钻孔瓦斯涌出初速度测定仪主要有孔板多级流量计、突出危险预报仪、浮子流量计等。郑煤集团公司各突出矿井原先主要采用浮子流量计测定钻孔瓦斯涌出初速度。浮子流量计测定钻孔瓦斯涌出初速度存在着仪表不专用、操作难以规范、读数误差大等缺点，降低了突出危险性预测的可靠性。开发研制钻孔瓦斯涌出初速度的瞬间测量仪表节流式压差流量计对提高突出危险性预测的可靠性、保证安全生产具有重要的意义。
1 浮子流量计应用分析
（1）气体浮子流量计一般采用空气标定，仪表刻度为空气流量，如实际使用流体密度、黏度与之不同，流量会偏离原分度值，要作换算修正。如不换算，将导致预测结果偏低。
（2）浮子流量计为低中等精确度仪表，通用型玻璃浮子流量计的基本误差：口径小于6mm为（2.5%~5.0%）FS，10~15mm为2.5%FS，25mm以上为（1.0%~2.5%）FS；测量钻孔瓦斯涌出初速度时，用于连接导气管和浮子流量计的软管口径一般小于6mm，精度难以满足准确度应优于2.5级的要求。
（3）绝大部分浮子流量计必须垂直安装在无振动的管道上，不应有明显的倾斜，流体自下而上流过仪表。测试工在测量时，手持浮子流量计，难以保证浮子流量计垂直度，造成读数误差。
（4）钻孔内瓦斯压力较低，造成浮子跳动，受人为因素影响大，读数不准。玻璃管浮子流量计的压力损失较小，小口径为0.2~2.0kPa，10~100mm为2~8kPa；金属管浮子流量计则稍高些，一般为2~8kPa，较高者为18~25kPa。流体的最低工作压力应高于压力损失若干倍，用于气体时压力过低容易产生浮子跳动。有些型号仪表的使用说明书规定流体压力最低值，有些建议液体的最低工作压力应大于2倍压力损失，气体则为5倍。
（5）玻璃转子流量计使用方法不一致，读数差距大。转子流量计测定q值时，转子跳动剧烈，各矿对此的读数标准不一样，如大平煤矿、超化煤矿取转子跳至最高处的读数作为预测结果，告成煤矿则利用转子流量计底部的调节阀，减小转子流量计进气口的面积，增大孔内瓦斯压力，使转子降至稳定再读数，2种读数方法数值相差很大。
（6）浮子流量计读数范围小，不满足煤炭行业标准MT/T639-1996《钻孔瓦斯涌出初速度的测定方法》的要求。
2 仪表总体技术指标
根据中华人民共和国煤炭行业标准《钻孔瓦斯涌出初速度的测定方法》（MT/T639-1996），预测钻孔瓦斯涌出初速度的流量仪表可以采用瞬间流量计和累计流量计，量程应包括1~30L/min的流量范围，准确度应优于2.5级，流量计应符合相应的国家计量检定规程的规定。
节流式差压流量计是在前苏联PΓ-2MA型钻孔瓦斯涌出初速度测试仪器的基础上研制开发的。
仪表总体技术指标：流量测量范围1~30L/min；测量精度等级±2.5%；刻度盘、指针夜光显示。
3 主要参数设计
3.1 节流式压差流量计流速计算
节流式压差流量计用于测量煤层钻孔瓦斯涌出初速度。在计算喷管出口瓦斯的流速时，假设瓦斯为100%甲烷。甲烷比热Cp=2227J/（kg·K），Cv=1709J/（kg·K），气体常数R=518J/（kg‰·K），绝热系数k=Cp/Cv=1.30。
在钻孔密封后的初始时刻，密封室内的自由甲烷压力P1与煤层瓦斯压力相比较小。但由于瓦斯压力梯度（P0-P1）的存在，瓦斯向密封室流动，结果在密封室内瓦斯压力升高，P1根据式（1）确定：
（1）
式中，k为甲烷的绝热系数；P1为密封室内的自由甲烷压力；P0为煤层的甲烷压力。
瓦斯由瓦斯密封室经过喷管向大气中的流动，可以假设为气体流过收缩比较大的收缩喷管向大气中流出。假设流动是绝能的，并且忽略摩擦损失，甲烷比热为常数。求喷管出口截面上甲烷速度υ2。
由于收缩喷管的收缩比较大，前面稳定段的流速υ1»0。根据h=CpT，将在稳定段和喷管出口写出的能量方程
（2）
改写成 （3）
进一步改写为 （4）
由此可得： （5）
因忽略流动摩擦损失，又是绝能的，故可认为瓦斯在喷嘴内流动是等熵过程，由此可得：
（6）
将式（6）代入式（5），则得喷管出口速度：
（7）
式中，υ2为甲烷的喷管出口速度，m/s；R为甲烷的气体常数，518J/（kg·K）；T1为甲烷在瓦斯测量室中的温度，K；P1为甲烷在瓦斯测量室中的压力，Pa；P2为喷管出口处的压力，Pa。
在煤矿井下的环境条件下，可取T1=293K，将k=1.30、R=518J/（kg·K）和T1=293K代入式（7），进行变换可得：
3.2.膜盒压力表量程计算
3.2.1.喷管直径设计
喷管直径按6个序列初步设计：d1=0.5mm，d2=1.0mm，d3=1.5mm，d4=2.0mm，d5=2.5mm，d6=3.0mm。
3.2.2.压力表量程计算
（1） 测量范围为0~1600Pa（表1）。压力表最小读数Pmin=80Pa，最大读数Pmax=1600Pa。井下大气压力按1个标准大气压考虑，则钻孔瓦斯涌出初速度测定仪的喷管出口处的瓦斯压力为P2=Pa=101396.16Pa，瓦斯测量室内的瓦斯压力为Pa+Pmin≤P1≤Pa+Pmax。与最小、最大瓦斯压力相对应的喷管出口速度分别为υ2min=15.4719m/s、υ2max=68.8761m/s。
表1 不同喷管直径、不同测量范围压力表的流量范围
（2） 测量范围为0~2500Pa（表1）。压力表最小读数Pmin=125Pa，最大读数Pmax=2500Pa。井下大气压力按1个标准大气压考虑，则钻孔瓦斯涌出初速度测定仪的喷管出口处的瓦斯压力为P2=Pa=101396.16Pa，瓦斯测量室内的瓦斯压力为Pa+Pmin≤P1≤Pa+Pmax。与最小、最大瓦斯压力相对应的喷管出口速度分别为υ2min=19.3372m/s、υ2max=85.8644m/s。
（3） 测量范围为0~5000Pa（表1）。压力表最小读数Pmin=250Pa，最大读数Pmax=5000Pa。井下大气压力按1个标准大气压考虑，则钻孔瓦斯涌出初速度测定仪的喷管出口处的甲烷压力为P2=Pa=101396.16Pa，瓦斯测量室内的瓦斯压力为Pa+Pmin≤P1≤Pa+Pmax。与最小、最大瓦斯压力相对应的喷管出口速度分别为υ2min=27.3393m/s、υ2max=120.5411m/s。
3.3 膜盒压力表量程和喷管直径的选择
压力表和喷管直径的选取遵守以下4个原则：
（1）技术指标满足《钻孔瓦斯涌出初速度的测定方法》（MT/T639-1996）的要求，流量范围覆盖1~30L/min。
（2）最小读数压差小，处于100~300Pa之间，表针始动灵敏度高。
（3）流量计安装4个流量调节喷管。
（4）1''喷管和2''喷管、2''喷管和3''喷管、3''喷管和4''喷管之间的测量范围要有所重叠，不能出现读数空白区域。
按照上述原则分析各种微压膜盒压力表（0~1600，0~2500，0~5000Pa），测量范围0~2500和0~5000Pa的压力表符合原则条件要求。从仪表稳定性能考虑，选择测量范围0~5000Pa的压力表，与其配套的喷管直径分别为0.5，1.0，2.0和3.0mm。
4 关键技术及工艺
节流差压式流量计属于精密仪表，为了保证其可靠性与测量精度，必须掌握其关键技术及工艺。
（1）膜盒压力表膜盒材质和量程的选择。为了保证膜盒压力表读数的精度，膜盒压力表膜盒材质采用铍青铜制作，并经过严格测试，可以无故障重复2万次以上，满足现场2a的测试工作量，保证在2a内仪表的精确测量。
在选择膜盒压力表量程时，主要考虑5方面的因素：始动阻力、流量大小、表盘大小、读数精度和标校工作量。经综合分析，选用量程0~5kPa的膜盒压力表比较合适。
（2）流量调节阀的设计。为了克服前苏联钻孔瓦斯涌出初速度测量仪器喷管转换麻烦、易丢失等缺点，设计制作了内置式流量调节阀，通过开关转换实现流量调节。
（3）样机标校。流量标校采用河南省计量测试研究院验收许可的流量标校系统，精度1.0%。标校方式为干校，测试介质为空气，然后换算为100%甲烷流量。每台仪表需标校80个点。
5 结论
新型节流式差压流量计是在学习借鉴前苏联2!型钻孔瓦斯涌出初速度测量仪器的基础上，经过重新设计而研制成功的。该仪表的研制，在技术指标方面达到了《钻孔瓦斯涌出初速度的测定方法》（MT/T639-1996）的规定，在性能和结构等方面优于国内外同类仪表，测试精度进一步提高，填补了国内空白，为煤与瓦斯突出危险性预测提供了一种新型预测仪表。与国内外目前的钻孔瓦斯涌出初速度测定仪表相比，该测定仪的主要优点是：
（1）可以测定出钻孔瓦斯涌出初速度最大值，提高预测可靠性。
（2）指针稳定，读数准确，不像浮子流量计的浮子那样上下跳动。
（3）采用膜盒微压表作为压差传感装置，不像ZLD2型孔板多级流量计那样造成水柱压出，保证测试工作的正常进行。
（4）设计制作的专用流量调节阀，克服了前苏联2!型仪器挡位转换的不足，保证挡位切换的迅速方便，能够准确测定钻孔瓦斯涌出初速度的最大值。
