礦井通風(fēng)實時網(wǎng)絡(luò)解算技術(shù)研究

李　偉，霍永金，張　浪，王　恩，桑　聰

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013；3.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017399)

礦井通風(fēng)實時網(wǎng)絡(luò)解算技術(shù)研究

李偉1，2，霍永金3，張浪1，2，王恩1，2，桑聰1，2

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013；3.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017399)

摘要：針對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算滯后于井下的風(fēng)量變化和風(fēng)量監(jiān)測無法覆蓋到所有巷道問題，提出礦井通風(fēng)實時網(wǎng)絡(luò)解算方法：讀取風(fēng)量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并以此為基準(zhǔn)，在監(jiān)控系統(tǒng)巡檢周期內(nèi)快速求解其他巷道的實時風(fēng)量，消除了風(fēng)量監(jiān)控盲區(qū)。在實時網(wǎng)絡(luò)解算過程中采用全回路調(diào)節(jié)法，避免了阻力誤差集中在固定風(fēng)量回路。

關(guān)鍵詞：礦井通風(fēng)；風(fēng)量監(jiān)測；實時網(wǎng)絡(luò)解算

自1953年Scott和Hinsley首先提出利用計算機來解算通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)問題以來，各國學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了一系列創(chuàng)新性研究，開發(fā)了諸如VentGraph、VentSim、VentPC、風(fēng)丸、VentAnaly[1]、MVSS等大量優(yōu)秀的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算軟件，并取得了廣泛的應(yīng)用。但目前網(wǎng)絡(luò)解算過程均是以某一時刻的礦井通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)為假設(shè)條件進(jìn)行計算，風(fēng)門開閉、罐籠或礦車運行、風(fēng)機運行狀態(tài)改變、有毒有害氣體的涌出等因素均能導(dǎo)致礦井通風(fēng)系統(tǒng)無時無刻不在變化。因此，目前的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算不能準(zhǔn)確反映井下的實際情況。

經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)涌現(xiàn)出了大量優(yōu)秀的安全監(jiān)控系統(tǒng)，這些監(jiān)控系統(tǒng)基本都有著完善的安全監(jiān)控、報警和數(shù)據(jù)存儲打印等功能。但目前礦井的安全監(jiān)控系統(tǒng)在井下布置的多是瓦斯、一氧化碳等有毒有害氣體濃度傳感器和風(fēng)機風(fēng)門等通風(fēng)設(shè)施運行狀態(tài)傳感器，風(fēng)速傳感器布置的較少，容易形成風(fēng)量監(jiān)控盲區(qū)。

本文嘗試將網(wǎng)絡(luò)解算與通風(fēng)系統(tǒng)實時監(jiān)測相結(jié)合，以井下實時監(jiān)測風(fēng)量為基準(zhǔn)，快速求解通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中所有巷道的風(fēng)量，解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算落后于礦井實際情況的問題，消除了礦井風(fēng)量監(jiān)控盲區(qū)。

1礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算

1.1風(fēng)網(wǎng)解算的基本原理

礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算的方法有很多種，但不論哪種方法其本質(zhì)都是以阻力定律、節(jié)點風(fēng)量平衡、回路阻力平衡三大定律為基本原理[2]。

1.1.1阻力定律

(1)

式中：Hj為第j條分支的摩擦阻力，Pa；Rj為第j條分支的摩擦風(fēng)阻，Ns2/m8；Qj為第j條分支的風(fēng)量，m3/s。

1.1.2節(jié)點風(fēng)量平衡定律

在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，通常將風(fēng)流視為不可壓縮流體，對于任意一個節(jié)點，流入流出該節(jié)點的風(fēng)量代數(shù)和為0，見式(2)。

(2)

式中：bj為與節(jié)點關(guān)聯(lián)的第j條分支符號因數(shù)，風(fēng)量流入節(jié)點取1，風(fēng)量流出節(jié)點取-1；qi為與節(jié)點關(guān)聯(lián)的第j條分支的風(fēng)量，m3/s。

1.1.3回路矩陣

在一個由M個節(jié)點和N個分支組成的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，有若干個回路組成，其中線性獨立的回路數(shù)為D=N-M+1個，線性獨立回路矩陣見式(3)[3]。

(3)

1.1.4回路阻力平衡定律

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的任一回路中的風(fēng)流都遵循阻力平衡定律：回路中的各分支阻力、自然風(fēng)壓和回路中的機械風(fēng)壓代數(shù)和為0，見式(4)。

(4)

式中：fi為第i個回路中的風(fēng)壓代數(shù)和，Pa；Pj為回路中第j條分支的自然風(fēng)壓，Pa；Fj(Qj)為回路中第j條分支的機械風(fēng)壓，Pa。

1.2Cross迭代算法

(5)

2礦井風(fēng)量實時監(jiān)測

2.1風(fēng)量監(jiān)測

目前絕大多數(shù)井工開采的煤礦都安裝了礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，并在井下布置了各類傳感器。這些傳感器多是瓦斯、一氧化碳等有毒有害氣體濃度傳感器和風(fēng)機風(fēng)門等通風(fēng)設(shè)施運行狀態(tài)傳感器。風(fēng)速傳感器布置的較少，僅在采區(qū)、一翼回風(fēng)巷及總回風(fēng)巷的測風(fēng)站等地點安裝了風(fēng)速傳感器，無法對礦井所有巷道，尤其是皮帶機頭、機尾、硐室等容易造成煤塵瓦斯積聚的微風(fēng)巷道形成有效監(jiān)測。

風(fēng)速傳感器應(yīng)設(shè)置在巷道前后10m內(nèi)無分支風(fēng)流、無拐彎、無障礙巷道頂板或者側(cè)幫處[4]，依據(jù)事先標(biāo)定好的測風(fēng)站斷面積，利用式(6)計算監(jiān)測風(fēng)量。

Q=SV

(6)

式中：Q為監(jiān)測風(fēng)量，m3/s；S為測風(fēng)站面積，m2；V為監(jiān)測風(fēng)速，m/s。

如圖1所示，一個具有11條分支(其中用虛線表示的e11是人為加入的風(fēng)阻為0的虛擬分支)，8個節(jié)點的小型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，在回風(fēng)井e10上安裝了風(fēng)機。該通風(fēng)系統(tǒng)安裝了某型的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，并在角聯(lián)分支[5]e7(巷道斷面積8.00m2)安裝了風(fēng)速傳感器V。風(fēng)速等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過井下分站、環(huán)網(wǎng)上傳到地面主機存儲在SQL SERVER 2008數(shù)據(jù)庫中，監(jiān)測數(shù)據(jù)及其存儲格式見表1。

圖1　小模型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控示意圖

ID……監(jiān)測地點監(jiān)測值傳感器類型時間………………………………1819……e70.90風(fēng)速傳感器10:25:18………………………………1831……e70.86風(fēng)速傳感器10:25:36………………………………

2.2監(jiān)測數(shù)據(jù)實時讀取

采用C++面向?qū)ο缶幊趟枷虢Y(jié)合ADO數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，遠(yuǎn)程讀取風(fēng)量監(jiān)測數(shù)據(jù)。

ADO (ActiveX Data Objects，ActiveX數(shù)據(jù)對象)是Microsoft提出的應(yīng)用程序接口，用以實現(xiàn)訪問關(guān)系或非關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。ADO庫包含三個基本接口:_ConnectionPtr接口、_CommandPtr接口和_RecordsetPtr接口。

風(fēng)量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取的關(guān)鍵過程如下所述。

1)使用_ConnectionPtr接口對象m_pConn打開位于IP地址為192.168.1.34主機上的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。

m_pConnection->Open("Provider=SQLOLEDB;Data Source=198.168.1.34，1433;Persist Security Info=True；User ID=sa;Password=sa；Initial Catalog=%s"，""，""，adModeUnknown)。

2)使用_RecordsetPtr接口對象m_pSet循環(huán)遍歷數(shù)據(jù)庫讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)。

CSring strV=m_pSet->GetFiledValue(“監(jiān)測值”)。

CSring strTime=m_pSet->GetFiledValue(“監(jiān)測時間”)。

3)根據(jù)式(6)計算監(jiān)測風(fēng)量。

double dQ=atof(strV)*8.0。

通過計算t1(10：25：18)時刻和t2(10：25：36)時刻監(jiān)測到風(fēng)量分別為7.20m3/s和6.90m3/s。

3礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實時解算

3.1實時網(wǎng)絡(luò)解算的定義

礦井通風(fēng)實時網(wǎng)絡(luò)結(jié)算就是在已知通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、所有巷道風(fēng)阻、風(fēng)機特性曲線等基礎(chǔ)參數(shù)的前提下，以井下風(fēng)速傳感器的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)在規(guī)定時間內(nèi)求解其他井巷風(fēng)量分配的計算過程。

假設(shè)一個通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)為M，分支數(shù)為N，在S(S

3.2實時網(wǎng)絡(luò)解算的可行性

絕大多數(shù)井工開采的煤礦都安裝了安全監(jiān)控系統(tǒng)，并在用風(fēng)地點和主要進(jìn)回風(fēng)巷安裝了風(fēng)速傳感器，以及其他類型的傳感器，安全監(jiān)控系統(tǒng)的最大巡檢周期不大于30s[6]，大型礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的巡檢周期一般在20s左右。風(fēng)量監(jiān)控數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控主機，可以方便的訪問利用，為實時網(wǎng)絡(luò)解算提供了完備的硬件條件。

隨著計算機硬件的性能的快速提高，以及網(wǎng)絡(luò)解算算法的優(yōu)化改進(jìn)，礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算軟件解算速度越來越快，一般規(guī)模的通風(fēng)系統(tǒng)在5s內(nèi)即可收斂，遠(yuǎn)小于監(jiān)控系統(tǒng)巡檢周期，因此在監(jiān)控系統(tǒng)巡檢周期內(nèi)，快速完成迭代計算在技術(shù)上是可行的。

3.3實時網(wǎng)絡(luò)解算方法

由于有S條分支安裝了風(fēng)速傳感器，風(fēng)量是已知固定的。在傳統(tǒng)的Cross算法迭代計算的過程中，將這S條分支所在的回路舍棄，選擇剩余的L=N-M-S+1個回路進(jìn)行迭代計算，這些回路的阻力代數(shù)和能夠很好的趨于0，但回路阻力誤差將全部集中在S個含有固定風(fēng)量分支的回路上面。

(7)

算法流程如下所述。

1)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)初始化，設(shè)定各分支的風(fēng)阻與風(fēng)量、為動力裝置賦予動力曲線方程；設(shè)定監(jiān)控系統(tǒng)巡檢周期T；創(chuàng)建實時網(wǎng)絡(luò)解算線程。

2)記錄系統(tǒng)當(dāng)前時間T1，讀取實時監(jiān)測風(fēng)速，換算得出風(fēng)量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)Q1，Q2，…Qs。

3)利用Prime算法，確定最小生成樹。務(wù)必使安裝有風(fēng)速傳感器的分支作為余支，這樣能夠保證每個安裝傳感器的樹支都在獨立的回路中。

4)通過向最小生成樹中加入余支的辦法，確定獨立回路。

5)令迭代計數(shù)器k=0。

6)根據(jù)式(7)，對所有參與計算的獨立回路計算風(fēng)量修正量。

7)遍歷所有參與計算的獨立回路，使用對該獨立回路內(nèi)的所有分支進(jìn)行風(fēng)量修正，見式(8)。

(8)

9)k=k+1。

10)結(jié)束迭代計算，輸出風(fēng)量分配結(jié)果。記錄當(dāng)前系統(tǒng)時間T2。

11)實時網(wǎng)絡(luò)解算線程休眠(T-T2+T1)s，

12)休眠時間結(jié)束，喚醒線程，轉(zhuǎn)2)，進(jìn)入下一周期的網(wǎng)絡(luò)解算。

3.4計算實例

如圖1所示的小型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，在回風(fēng)井e10上安裝了主通風(fēng)機，其性能曲線方程見式(9)。

H=-1.1953Q2-0.5230Q+

1956.260(0

(9)

各分支風(fēng)阻值見表1。分支e7在t1、t2時刻監(jiān)測到風(fēng)量分別為7.20m3/s和6.90m3/s。

表2　實時網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果表

如表3所示，由于固定風(fēng)量分支的存在，參與迭代的回路數(shù)減小，迭代次數(shù)減少，加速了網(wǎng)絡(luò)收斂，但同時回路阻力誤差明顯高于自然分風(fēng)回路阻力誤差。由于使用了全回路調(diào)節(jié)法，誤差沒有僅集中在含固定風(fēng)量回路中，而是分?jǐn)偟搅怂谢芈飞稀?/p>

圖2　t2時刻實時網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果三維顯示

網(wǎng)絡(luò)解算回路阻力誤差/%C1C2C3C4迭代次數(shù)自然分風(fēng)0.2120.0030.0010.00415t1時刻0.4070.1891.2552.5449t2時刻0.4590.2241.3041.97611

4結(jié)語

1)實時讀取風(fēng)量監(jiān)控數(shù)據(jù)，并以此為基準(zhǔn)，在監(jiān)控系統(tǒng)巡檢周期內(nèi)快速完成實時網(wǎng)絡(luò)解算，能有消除通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量監(jiān)控盲區(qū)。

2)采用全回路調(diào)節(jié)法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Cross算法，將阻力誤差分?jǐn)偟剿谢芈分?，避免集中于含固定風(fēng)量回路上。

參考文獻(xiàn)

[1]黃顯華，張浪，李偉，等.基于VentAnaly的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)節(jié)研究[J].煤礦安全，2013，44(11)：187-190.

[2]張國樞.通風(fēng)安全學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2011:103-107.

[3]劉劍，賈進(jìn)章，鄭丹.流體網(wǎng)絡(luò)理論[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2002：19-22.

[4]孫繼平.煤礦監(jiān)控技術(shù)裝備與標(biāo)準(zhǔn)上冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2011：200-201.

[5]李偉，張浪，王翰鋒，等.基于改進(jìn)節(jié)點位置法的角聯(lián)風(fēng)路識別[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40(11)：77-79.

[6]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ6201-2006煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求[S].2006.

[7]黃光球，陸秋琴，鄭彥全.存在固定風(fēng)量分支的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算新方法[J].金屬礦山，2004(10)：52-54.

Research on ventilation real time network solution

LI Wei1，2，Huo Yong-jin3，ZHANG Lang1，2，WANG En1，2，SANG Cong1，2

(1.The Institute of Coal Safety and Technology，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.State Key Laboratory of Coal Efficient Mining and Clean Utilization(China Coal Research Institute)，Beijing 100013，China；3.Zhongtian Hechuang Energy Co.，Ltd.，Erdos 017399，China)

Abstract:Traditional network solution lags behind actual change in ventilation system and air flow monitor cannot cover all roadways.To solve these problems，we propose real-time mine ventilation network solution technology that based on real time air volume monitoring data，quickly solve other roadway real time air volume in the inspection cycle.This eliminates airflow blind spots.In the real time network solution process，adjustment of all independent circuits method was used，avoid resistance error concentrate on the circuit with fixed volume.

Key words：ventilation；air quantity monitor；real time network solution

收稿日期：2015-07-06

基金項目：科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項資金項目資助(編號：2014EG122192)；國家科技支撐計劃課題資助(編號：2012BAB13B02-05)；國債“高瓦斯礦井零超限瓦斯治理技術(shù)示范”項目資助；中國煤炭科工集團技術(shù)創(chuàng)新基金面上項目資助(編號：2012MS001)

中圖分類號：TD722

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)03-0167-04