礦井智能通風(fēng)精準(zhǔn)阻力測(cè)定與初始化技術(shù)研究

盧新明，郭 英，李 靜，張 超

（1.山東藍(lán)光軟件有限公司，山東 泰安 271000；2.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司鮑店煤礦，山東 濟(jì)寧 277600）

0 引言

鮑店煤礦礦井通風(fēng)方式為兩翼對(duì)角式，主要通風(fēng)機(jī)工作方法為抽出式，南翼主要通風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)六采區(qū)、八采區(qū)、十采區(qū)3個(gè)采區(qū)的通風(fēng)，北翼主要通風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)五采區(qū)、七采區(qū)的通風(fēng)。礦井共布置4個(gè)井筒，分別為主井、副井、南風(fēng)井和北風(fēng)井，其中主井、副井進(jìn)風(fēng)，南風(fēng)井、北風(fēng)井回風(fēng)。

鮑店煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的智能化作為煤礦智能化建設(shè)的重要一環(huán)，其核心技術(shù)是實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的智能精準(zhǔn)調(diào)控和按需供風(fēng)，而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)風(fēng)控風(fēng)的一個(gè)必要前提是要知道一個(gè)比較準(zhǔn)確的通風(fēng)系統(tǒng)初始狀態(tài)，特別是各分支的風(fēng)阻。如果已知的參數(shù)精度較低，甚至是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，那么無(wú)論計(jì)算方法再先進(jìn)、計(jì)算結(jié)果再精確、調(diào)節(jié)手段再智能也是徒勞的[1]。傳統(tǒng)的通風(fēng)人工阻力測(cè)定方法大多選取礦井的2條或以上通風(fēng)線路進(jìn)行阻力測(cè)定，并且獲取的是測(cè)定風(fēng)道的摩擦阻力，再加上由于礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜多變，以及測(cè)定時(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、儀器精度、人員讀數(shù)等會(huì)帶來(lái)一定的誤差，缺少對(duì)阻力測(cè)定數(shù)據(jù)的平差計(jì)算，無(wú)法獲得每條風(fēng)道可靠的初始狀態(tài)參數(shù)，不能滿足智能化通風(fēng)系統(tǒng)精準(zhǔn)調(diào)控的建設(shè)需求。

煤礦實(shí)現(xiàn)智能通風(fēng)是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)，獲取礦井可靠的通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最基本條件[2]。如何獲得比較可靠的通風(fēng)系統(tǒng)初始狀態(tài)參數(shù)就是“通風(fēng)系統(tǒng)初始化技術(shù)”，實(shí)踐證明最直接的初始化技術(shù)就是全局阻力測(cè)定[3]，因此，本文提出了全局精準(zhǔn)阻力測(cè)定的方法，該方法將風(fēng)道的風(fēng)阻分為摩擦風(fēng)阻、局部風(fēng)阻和調(diào)節(jié)風(fēng)阻，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)定和多次平差計(jì)算，獲得各風(fēng)道的摩擦阻力系數(shù)、摩擦風(fēng)阻、局部風(fēng)阻、調(diào)節(jié)風(fēng)阻、風(fēng)量、阻力和自然風(fēng)壓等風(fēng)道參數(shù)，得到通風(fēng)系統(tǒng)精準(zhǔn)的初始狀態(tài)，為礦井的通風(fēng)系統(tǒng)分析、通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化、監(jiān)測(cè)點(diǎn)和調(diào)節(jié)設(shè)施優(yōu)化布局、通風(fēng)系統(tǒng)精準(zhǔn)調(diào)控等提供精準(zhǔn)的基礎(chǔ)參數(shù)，為鮑店煤礦智能通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)提供精準(zhǔn)的通風(fēng)系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)。

1 精準(zhǔn)阻力測(cè)定方案

鮑店煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、測(cè)量范圍大，井巷線路長(zhǎng)，如果方案制定得當(dāng)，可以在保證精度的同時(shí)省時(shí)省力，提高效率[4-5]。因此，結(jié)合實(shí)際情況制定合理的精準(zhǔn)阻力測(cè)定方案。

1）利用藍(lán)光智能化礦井通防系統(tǒng)軟件，根據(jù)礦井?dāng)?shù)字化通風(fēng)系統(tǒng)圖繪制節(jié)點(diǎn)和風(fēng)道，形成具有唯一節(jié)點(diǎn)編號(hào)和唯一風(fēng)道編號(hào)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。方法是：在巷道的分風(fēng)點(diǎn)和匯風(fēng)點(diǎn)處繪制節(jié)點(diǎn)，沿風(fēng)流方向由始節(jié)點(diǎn)到終節(jié)點(diǎn)繪制風(fēng)道。所有用風(fēng)風(fēng)道和有調(diào)節(jié)設(shè)施的風(fēng)道一律不能簡(jiǎn)化，連接局扇的風(fēng)筒需單獨(dú)繪制風(fēng)道。

2）在始節(jié)點(diǎn)“處布置“始測(cè)點(diǎn)”，在“終節(jié)點(diǎn)”處布置“終測(cè)點(diǎn)”，在巷道相對(duì)平整，附近3 m范圍內(nèi)無(wú)雜物等影響風(fēng)流流動(dòng)的位置布置“中間測(cè)點(diǎn)”，井下實(shí)測(cè)時(shí)可根據(jù)具體情況增減測(cè)點(diǎn)。在節(jié)點(diǎn)位置測(cè)氣壓、標(biāo)高，在始測(cè)點(diǎn)和終測(cè)點(diǎn)測(cè)風(fēng)速，在中間測(cè)點(diǎn)測(cè)斷面、風(fēng)速。

圖1 節(jié)點(diǎn)風(fēng)道和測(cè)點(diǎn)布置圖

3）根據(jù)繪制的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D自動(dòng)生成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，在圖中標(biāo)注由主要用風(fēng)風(fēng)道構(gòu)成的最小網(wǎng)絡(luò)割集，以便進(jìn)行精準(zhǔn)阻力測(cè)定時(shí)統(tǒng)計(jì)出礦井總風(fēng)量。

4）在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中選取從進(jìn)風(fēng)井口到回風(fēng)井口的主風(fēng)流路線，且確保經(jīng)過(guò)工作面及路線最長(zhǎng)的作為通風(fēng)阻力流線，并在系統(tǒng)圖中進(jìn)行標(biāo)注，以便進(jìn)行精準(zhǔn)阻力測(cè)定時(shí)統(tǒng)計(jì)出礦井的總阻力。

5）根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)割集、通風(fēng)阻力流線等規(guī)劃測(cè)定路線，并進(jìn)行人員安排。

6）根據(jù)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的初步分析，編制測(cè)定數(shù)據(jù)記錄表格。

7）選擇測(cè)定儀器儀表，包括CFJD5型礦用電子式風(fēng)速表、CFJD25型礦用電子式風(fēng)速表、數(shù)字精密氣壓計(jì)、DHM3型書面聲明通風(fēng)干濕表、YHJ200J型激光測(cè)距儀、鋼卷尺等。

8）編制阻力測(cè)定方案，包括測(cè)定目的、執(zhí)行的規(guī)范及技術(shù)要求、阻力測(cè)定相關(guān)理論、測(cè)量方法、儀器選擇、人員安排、測(cè)定路線、測(cè)定數(shù)據(jù)表格等內(nèi)容。

2 精準(zhǔn)阻力測(cè)定方法

本次通風(fēng)阻力測(cè)定是針對(duì)全礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行的全局精準(zhǔn)阻力測(cè)定，根據(jù)MT/T 440-2008《礦井通風(fēng)阻力測(cè)定方法》[6]，采用“氣壓計(jì)同步法”進(jìn)行測(cè)定，并將風(fēng)道的風(fēng)阻分為摩擦風(fēng)阻（不包括巷道中設(shè)施和構(gòu)筑物形成的風(fēng)阻）、局部風(fēng)阻（在風(fēng)窗開到可調(diào)范圍最大時(shí)設(shè)施和構(gòu)筑物形成的風(fēng)阻）和調(diào)節(jié)風(fēng)阻（風(fēng)窗的開度對(duì)應(yīng)的風(fēng)阻），經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)定，并利用藍(lán)光智能化礦井通防系統(tǒng)進(jìn)行多次平差計(jì)算，獲得各風(fēng)道的摩擦阻力系數(shù)、摩擦風(fēng)阻、局部風(fēng)阻、調(diào)節(jié)風(fēng)阻、風(fēng)量、阻力等風(fēng)道參數(shù)。

計(jì)算公式，兩點(diǎn)之間的空氣阻力：

從風(fēng)道阻力損失角度得到（紊流）：

摩擦風(fēng)阻：

圖2中D1至D2的風(fēng)道中有調(diào)節(jié)設(shè)施，存在局部風(fēng)阻，當(dāng)調(diào)節(jié)設(shè)施的調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)阻時(shí)(風(fēng)門開度，風(fēng)窗推拉等)存在調(diào)節(jié)風(fēng)阻。

D1至D2的風(fēng)道總風(fēng)阻分解為摩擦風(fēng)阻Rmc、局部風(fēng)阻Rjz和調(diào)節(jié)風(fēng)阻Rtz三部分。摩擦風(fēng)阻和局部風(fēng)阻為固定風(fēng)阻，調(diào)節(jié)風(fēng)阻為動(dòng)態(tài)風(fēng)阻。

圖2 風(fēng)道測(cè)點(diǎn)示意圖

由P1、P2兩點(diǎn)測(cè)出的風(fēng)阻為摩擦風(fēng)阻RP1P2，由此可算出單位長(zhǎng)度風(fēng)阻值：

式中：LP1P2為P1、P2兩點(diǎn)間距離。RP1P2為D1、D2兩點(diǎn)間的摩擦風(fēng)阻：

式中：LD1D2為D1、D2兩點(diǎn)間距離。

當(dāng)調(diào)節(jié)設(shè)施開到可調(diào)范圍最大時(shí)，測(cè)量D1、D2兩點(diǎn)的風(fēng)阻為總風(fēng)阻Rz1，局部風(fēng)阻Rjz則為：

當(dāng)調(diào)節(jié)設(shè)施開至一定狀態(tài)時(shí)，測(cè)量D1、D2兩點(diǎn)的風(fēng)阻為總風(fēng)阻Rz2，調(diào)節(jié)風(fēng)阻Rtz則為：

2.1 摩擦阻力測(cè)定

在巷道內(nèi)沒(méi)有可調(diào)設(shè)施的情況下進(jìn)行摩擦阻力測(cè)定。摩擦阻力計(jì)算見公式（3）。

2.1.1 風(fēng)壓測(cè)量

1）在測(cè)點(diǎn)Ⅰ處，調(diào)好2臺(tái)精密氣壓計(jì)(Ⅰ、Ⅱ)，并記錄初讀數(shù)，進(jìn)行氣壓校對(duì)。然后儀器Ⅰ留在原處不動(dòng)，儀器Ⅱ放置在測(cè)點(diǎn)2，在約定時(shí)間內(nèi)2臺(tái)儀器同時(shí)讀數(shù)，時(shí)間間隔5 min后，再同時(shí)讀取氣壓、干濕溫度。再把儀器Ⅰ移到測(cè)點(diǎn)2，同時(shí)讀數(shù)，記錄初讀數(shù)，然后再將儀器Ⅱ移到測(cè)點(diǎn)3，再在約定時(shí)間內(nèi)兩臺(tái)儀器同時(shí)讀數(shù)，如此前進(jìn)直至測(cè)完。

3）在距離相對(duì)較短的兩測(cè)點(diǎn)處（小于50 m），可以根據(jù)實(shí)際情況考慮利用壓差計(jì)法進(jìn)行同時(shí)測(cè)量。壓差計(jì)法測(cè)量時(shí)，氣壓計(jì)計(jì)干濕溫度也相應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。

2.1.2 風(fēng)速測(cè)量

1）風(fēng)道兩端風(fēng)速一般采用全斷面M法，即1 min內(nèi)在巷道截?cái)嗝鎯?nèi)沿“M”軌跡勻速移動(dòng)風(fēng)速表，依次每次測(cè)量3遍，若3次測(cè)量值之間的誤差大于5%，需重新測(cè)量，確保3次測(cè)量誤差在5%內(nèi)。

2）風(fēng)道中間則采取一次采用半巷道9點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)量，2次“M”法。9點(diǎn)法即：由巷道中心向左幫（或右?guī)停┤芜x其一，由巷道中心點(diǎn)距幫平均分3段劃豎直線和平行線，形成9個(gè)交叉點(diǎn)。每個(gè)交叉點(diǎn)測(cè)量風(fēng)速1次，9點(diǎn)風(fēng)速的平均值作為該風(fēng)道的1次風(fēng)速值。

2.1.3 井巷參數(shù)測(cè)量與計(jì)算

利用激光測(cè)距儀進(jìn)行測(cè)量，獲取巷道斷面的長(zhǎng)、寬，然后根據(jù)巷道斷面形狀，利用軟件自動(dòng)進(jìn)行面積和周長(zhǎng)參數(shù)的計(jì)算。同時(shí)利用軟件繪制巷道標(biāo)高點(diǎn)和連接關(guān)系，然后自動(dòng)計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高和風(fēng)道長(zhǎng)度。

2.1.4 大氣物理參數(shù)測(cè)量

用精密氣壓計(jì)測(cè)量或精密數(shù)字型氣壓計(jì)測(cè)量大氣壓力，用通風(fēng)干濕溫度計(jì)測(cè)量空氣的干球溫度和濕球溫度。

在始測(cè)點(diǎn)、終測(cè)點(diǎn)處測(cè)量氣壓（獲得靜壓差）、干溫度和濕溫度（獲得空氣密度）、風(fēng)速（獲得動(dòng)壓差），在中間測(cè)點(diǎn)處測(cè)量風(fēng)速（獲得風(fēng)量）、斷面長(zhǎng)寬（獲得面積周長(zhǎng)）。

2.2 局部阻力測(cè)定

在巷道內(nèi)有可調(diào)設(shè)施的情況下要進(jìn)行設(shè)施局部阻力的測(cè)量，要求在測(cè)量過(guò)程中可調(diào)設(shè)施應(yīng)處于可調(diào)狀態(tài)最大范圍。

測(cè)量方法：首先測(cè)量可調(diào)設(shè)施處于可調(diào)狀態(tài)最大范圍條件下風(fēng)道的摩擦阻力（選取一段較理想風(fēng)道測(cè)量摩擦阻力后，用摩擦阻力除以選取風(fēng)道長(zhǎng)度獲得巷道米風(fēng)阻，用巷道米風(fēng)阻乘以巷道總長(zhǎng)度獲得總巷道摩擦阻力），然后測(cè)量可調(diào)設(shè)施處于可調(diào)狀態(tài)最大范圍時(shí)風(fēng)道的總阻力，用風(fēng)道總阻力減去風(fēng)道摩擦阻力即為可調(diào)設(shè)施局部阻力。局部阻力計(jì)算方法見公式（6）。

2.3 調(diào)節(jié)阻力測(cè)定

在巷道內(nèi)有可調(diào)設(shè)施的情況下也要進(jìn)行設(shè)施調(diào)節(jié)阻力的測(cè)量，要求在測(cè)量過(guò)程中可調(diào)設(shè)施應(yīng)處于可調(diào)狀態(tài)最大范圍。

測(cè)量方法：首先測(cè)量可調(diào)設(shè)施處于可調(diào)狀態(tài)最大范圍條件下風(fēng)道的摩擦阻力（選取一段較理想風(fēng)道測(cè)量摩擦阻力后，用摩擦阻力除以選取風(fēng)道長(zhǎng)度獲得巷道米風(fēng)阻，用巷道米風(fēng)阻乘以巷道總長(zhǎng)度獲得總巷道摩擦阻力），然后測(cè)量可調(diào)設(shè)施處于調(diào)節(jié)狀態(tài)下風(fēng)道的總阻力，用風(fēng)道總阻力減去風(fēng)道摩擦阻力即為可調(diào)設(shè)施調(diào)節(jié)阻力。調(diào)節(jié)阻力計(jì)算方法見公式（7）。

3 測(cè)定數(shù)據(jù)處理與平差計(jì)算

測(cè)定結(jié)果數(shù)據(jù)主要包括始點(diǎn)氣壓、始點(diǎn)風(fēng)速、始點(diǎn)標(biāo)高、始點(diǎn)干溫、始點(diǎn)濕溫、終點(diǎn)氣壓、終點(diǎn)風(fēng)速、終點(diǎn)標(biāo)高、終點(diǎn)干溫、終點(diǎn)濕溫、巷道風(fēng)速、巷道截面積、巷道周長(zhǎng)、巷道長(zhǎng)度，部分測(cè)定原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中的效果見下表：

將獲得的所有測(cè)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入藍(lán)光智能化通防系統(tǒng)軟件進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，初步得到風(fēng)道的始點(diǎn)密度、終點(diǎn)密度、風(fēng)道阻力、風(fēng)道風(fēng)量、風(fēng)道每米風(fēng)阻、摩阻系數(shù)、標(biāo)摩系數(shù)、全壓差、風(fēng)阻、自然風(fēng)壓等參數(shù)。

圖3 阻力測(cè)定原始數(shù)據(jù)

圖4 精準(zhǔn)阻力測(cè)定數(shù)據(jù)計(jì)算

復(fù)雜礦井的通風(fēng)阻力測(cè)定由于工作量大、測(cè)定周期較長(zhǎng)、干擾因素多及測(cè)量?jī)x器本身的誤差等原因，使得測(cè)定結(jié)果或多或少存在著一定的誤差[6]。因此，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的準(zhǔn)確度，利用軟件提供的平差計(jì)算功能[7]對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多次平差計(jì)算，直至所有風(fēng)道與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)得的風(fēng)量誤差在5 %以內(nèi)。平差方法是將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)風(fēng)量和風(fēng)壓的精度劃分成不同的級(jí)別，對(duì)于不同的級(jí)別分別賦予風(fēng)量權(quán)值和風(fēng)壓權(quán)值，權(quán)值越大，表示測(cè)得的數(shù)據(jù)越精確。

圖5 阻力測(cè)定數(shù)據(jù)平差數(shù)據(jù)編輯

4 測(cè)定結(jié)果分析與應(yīng)用

本次通風(fēng)阻力測(cè)定實(shí)際測(cè)量風(fēng)道448條。阻力測(cè)定計(jì)算結(jié)果分析如下：

1）礦井總回風(fēng)：330.296 m3/s(19 817.76 m3/min)；礦井總進(jìn)風(fēng)：325.235 m3/s（19 514.1 m3/min）。

2）主井風(fēng)量74.759 m3/s（4 485.54 m3/min）；副井風(fēng)量250.476 m3/s（15 028.56 m3/min）；北風(fēng)井回風(fēng)量150.003 m3/s（9 000.18 m3/min）、總負(fù)壓2 816.088 2 Pa、等積孔3.3637 m2；南風(fēng)井回風(fēng)量180.293 m3/s（10 817.58 m3/min）、總負(fù)壓1 696.449 2 Pa、等積孔5.23 m2，礦井總等積孔8.370 5 m2。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核監(jiān)測(cè)，得到的礦井總進(jìn)風(fēng)量19 514.1 m3/min，總回風(fēng)量19 817.76 m3/min，本次阻力測(cè)定結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果誤差在5 %以內(nèi)。因此，可以認(rèn)為本次測(cè)定數(shù)據(jù)有效,計(jì)算結(jié)果可靠，可為實(shí)現(xiàn)智能通風(fēng)精準(zhǔn)遠(yuǎn)程調(diào)控提供基礎(chǔ)參數(shù)。

3）計(jì)算結(jié)果應(yīng)用。將平差計(jì)算得到的每條風(fēng)道的風(fēng)阻、風(fēng)量、風(fēng)壓參數(shù)自動(dòng)填入風(fēng)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)風(fēng)道參數(shù)初始化，形成通風(fēng)空間地理信息，不僅可以進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)模擬分析[8]，更重要的是為智能通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)提供精精準(zhǔn)的基礎(chǔ)參數(shù)。

圖6 通風(fēng)風(fēng)道參數(shù)初始化

5 總 結(jié)

精準(zhǔn)可靠的通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)煤礦智能通風(fēng)的基本條件。采用全局精準(zhǔn)阻力測(cè)定方法，可以獲得礦井每條風(fēng)道的精準(zhǔn)基礎(chǔ)參數(shù)，為礦井通風(fēng)系統(tǒng)正常時(shí)期的最優(yōu)調(diào)控、災(zāi)變時(shí)期的風(fēng)流風(fēng)向控制提供最基本的條件，在此基礎(chǔ)上融合通風(fēng)智能調(diào)控裝備，實(shí)現(xiàn)煤礦通風(fēng)精準(zhǔn)遠(yuǎn)程調(diào)控。