本發(fā)明涉及礦井通風與安全領域，具體涉及一種集約化礦井通風阻力測算方法。

背景技術：

目前，礦井通風阻力測定的常用方法有氣壓計法和壓差計法兩種方法。兩種方法相比，氣壓計法的測量精度較低，導致測定結果誤差較大；壓差計法的測量難度大，不適合全礦性大規(guī)模測量。無論哪種方法，都需要一定數量的專業(yè)技術人員對全礦進行人工普查式測量。而礦井通風的風網解算已經發(fā)展到可以利用計算機編程實現，如礦井通風仿真軟件(ventilationsimulationexpert)。由此可見，現階段礦井通風阻力測定的方法已經嚴重限制礦井通風與安全數字化、智能化的發(fā)展。

在我國所有煤礦均裝備了安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的背景下，煤礦指揮中心可以通過監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)獲取并儲存大量數據，如瓦斯?jié)舛取L速等。一般情況下，煤礦井下巷道數量較多、實況復雜，監(jiān)測數據無法覆蓋井下全部地點，只能重點監(jiān)測部分關鍵地點。近年來，隨著“一井一面”理念在煤礦安全高效生產的探索實踐中不斷深入，井下每一條獨立的巷道都建立通風阻力測定子系統(tǒng)是完全可以實現的。一旦將礦井通風阻力測定系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)對接，就可以實現一井一面通風阻力測定實時監(jiān)測。能夠節(jié)省目前壓差計法測礦井通風阻力所需的資源，避免人為因素造成的測量誤差，實現高精度礦井通風網絡在線解算，有利于礦井通風系統(tǒng)的智能調控與超前預警。

技術實現要素：

針對上述現有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種集約化礦井通風阻力測算方法，該方法能夠節(jié)省目前壓差計法測礦井通風阻力所需要的資源，能避免人為因素所造成的測量誤差，能實現高精度礦井通風網絡在線解算，有利于礦井通風系統(tǒng)的智能調控與超前預警。

為了實現上述目的，本發(fā)明提供一種集約化礦井通風阻力測算方法，包括以下步驟：

步驟一：在井下巷道中以每條獨立的巷道為對象建立若干通風阻力測定子系統(tǒng)，并選定pvc鋼絲軟管作為阻力測定子系統(tǒng)內的測壓管線，測壓管線分為長管線和短管線；

步驟二：使井下互為并聯的兩條或多條巷道，共用始節(jié)點和末節(jié)點，在巷道的始節(jié)點和末節(jié)點處均安設皮托管，其中使皮托管頭部垂直巷道斷面并正對風流方向；在進風井中、通風井中均設置有風速傳感器；

步驟三：在每個通風阻力測定子系統(tǒng)中，使長管線沿巷道內壁腰線固定布設，其進風端與始節(jié)點處皮托管的+端連接，靠近進風口處的皮托管所在的斷面記為斷面i，靠近出風口處的皮托管所在的的斷面記為斷面ii，長管線的進風端位于斷面i內，短管線沿巷道內壁腰線固定布設，其進風端與末節(jié)點處皮托管的+端連接，短管線的進風端位于斷面ii內；

步驟四：設礦井最大通風阻力路線上共有i條巷道，在這i條巷道中都布設有通風阻力測定子系統(tǒng)，在每條巷道中，使長管線的出風端、短管線的出風端分別與壓差傳感器的兩測量接口連接，壓差傳感器的示數即是巷道斷面i和斷面ii的全壓差，即巷道的通風阻力hi；

步驟五：計算礦井通風阻力h，具體步驟如下：

(1)通過設置在進風井和回風井中的風速傳感器獲得進風井風速vin和回風井風速vout；

(2)計算進風井風量qin和回風井風量qout，其中qin＝vin·sin，qout＝vout·sout，

式中，sin、sout分別為進風井和回風井的斷面積，單位m²；

(3)計算進風井通風阻力hin和回風井通風阻力hout，其中hin＝rin·qin²，hout＝rout·qout²，

式中，rin、rout分別為進風井和回風井風阻，為已知定值，單位ns²/m⁸；

(4)計算礦井通風阻力h，計算公式為h＝hin+(h1+h2+…+hi)+hout；

步驟六：計算出每條巷道的風阻ri，具體步驟如下：

(1)在通風網絡圖獨立分支所對應的巷道中均布置風速傳感器；

(2)計算出各個獨立分支巷道的風量qn，其中qn＝vn·sn，

式中，vn為各獨立分支巷道的巷道風速，由風速傳感器示數獲得；

sn為各獨立分支巷道的巷道斷面積，單位m²；

(3)根據布置在獨立分支巷道中的風速傳感器并結合節(jié)點風量平衡方程計算出非獨立分支所有巷道的風量，節(jié)點風量平衡方程的矩陣形式為：qm＝c^t·qy，

式中，c^t為獨立回路矩陣c的轉置，對于給定的巷道通風網絡，c已知；

qy為獨立分支巷道的風量qn組成的矩陣列向量；

(4)計算出每條巷道的風阻ri，

所述步驟一中，在并聯的巷道中選定最短的一條巷道布設通風阻力測定子系統(tǒng)。

所述步驟六中的(1)中的風速傳感器布置的位置與巷道進風口處的皮托管的位置相同，對于無法布置風速傳感器的通風網絡圖獨立分支所對應的巷道，將風速傳感器布置在與其等效的其他通風網絡圖獨立分支所對應的巷道，對于有必要重點監(jiān)測而沒有布置的巷道，額外增設風速傳感器；對于給定的通風網絡，在全礦井布置的風速傳感器的最少數量與通風網絡圖獨立分支個數n相等，其中，n＝n-m+1

式中，n為通風網絡圖的所有分支數；m為巷道中的所有節(jié)點數。

所述步驟二中的始節(jié)點處皮托管安設在巷道進風口下風側8倍巷道寬度的巷道斷面內，末節(jié)點處皮托管安設在巷道出風口上風側3倍巷道寬度的巷道斷面內。

所述的皮托管安設位置前后3m內巷道支護完好，無堆積物。

所述的皮托管安設位置所在巷道斷面內，由錨固在巷道頂板上的剛性支架將pvc鋼絲軟管和皮托管從巷道內壁延伸到斷面水平中間位置，皮托管尖端距巷道頂板中心線的高度為300mm。

所述步驟四的壓差傳感器安設在末節(jié)點處皮托管下風側6m處的巷道內壁上。

所述的皮托管、壓差傳感器與pvc鋼絲軟管連接處，均采用法蘭密封連接。

所述步驟二中的在巷道節(jié)點處布置氣壓傳感器。

本發(fā)明所述方法能夠節(jié)省目前壓差計法測礦井通風阻力所需的資源，避免人為因素造成的測量誤差，能實現集約化礦井通風阻力高精度測算，有利于礦井通風系統(tǒng)的智能調控與超前預警。所述方法測定礦井通風阻力，簡便可行，尤其適用一井一面高度集約化新建礦井。該方法可以有利于礦井通風阻力的實時在線測算，能夠避免人工測算過程的繁瑣工序，也能降低人為因素所產生的誤差。該方法可以便于與煤礦現有的安全監(jiān)測系統(tǒng)對接，通過該方法的應用，相當于在煤礦里的安全監(jiān)測系統(tǒng)里增加了一個監(jiān)控模塊，能實時在線地獲取礦井通風阻力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的巷道中通風阻力測定子系統(tǒng)的布設示意圖；

圖2是本發(fā)明應用于弧頂形巷道中的皮托管處的斷面示意圖；

圖3是本發(fā)明應用于方頂形巷道中的皮托管處的斷面示意圖；

圖4是本發(fā)明中并聯巷道中通風阻力測定子系統(tǒng)的布設路線示意圖。

圖中：1、長管線，2、短管線，3、皮托管，4、壓差傳感器，5、測壓管線，6、剛性支架，7、污風，8、新鮮風。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，一種集約化礦井通風阻力測算方法，以每條獨立的巷道為對象建立通風阻力測定子系統(tǒng)，并合理布置風速傳感器，巷道節(jié)點處布置氣壓傳感器和壓差傳感器4，短管線2的部位同時也是長管線1和短管線2的重合部位，具體包括以下步驟：

步驟一：在井下巷道中以每條獨立的巷道為對象建立若干通風阻力測定子系統(tǒng)，并選定pvc鋼絲軟管作為阻力測定子系統(tǒng)內的測壓管線5，測壓管線5分為長管線1和短管線2；

步驟二：使井下互為并聯的兩條或多條巷道，共用始節(jié)點和末節(jié)點，在巷道的始節(jié)點和末節(jié)點處均安設皮托管3，其中使皮托管3頭部垂直巷道斷面并正對風流方向；在進風井中、通風井中均設置有風速傳感器；長管線1和短管線2的出風端分別與壓差傳感器4連接；利用監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)對阻力測定子系統(tǒng)和等速傳感器進行狀態(tài)診斷，能重點監(jiān)測各傳感器是否故障以及pvc鋼絲軟管是否漏氣、進水和堵塞，以便及時修復或更換。由于采用了上述方案，本發(fā)明的通風阻力實時監(jiān)測方法，能夠節(jié)省目前壓差計法測礦井通風阻力所需的資源，避免人為因素造成的測量誤差，能實現高精度礦井通風網絡在線解算，有利于礦井通風系統(tǒng)的智能調控與超前預警。該方案能解決目前礦井通風阻力測定的實施方案已經無法很好地與技術方案相匹配，嚴重限制礦井通風與安全數字化、智能化趨勢發(fā)展的問題，達到了本發(fā)明的目的。

步驟三：在每個通風阻力測定子系統(tǒng)中，使長管線1沿巷道內壁腰線固定布設，其進風端與始節(jié)點處皮托管3的+端連接，靠近進風口處的皮托管3所在的斷面記為斷面i，靠近出風口處的皮托管3所在的的斷面記為斷面ii，長管線1的進風端位于斷面i內，短管線2沿巷道內壁腰線固定布設，其進風端與末節(jié)點處皮托管3的+端連接，短管線2的進風端位于斷面ii內；

步驟四：設礦井最大通風阻力路線上共有i條巷道，在這i條巷道中都布設有通風阻力測定子系統(tǒng)，在每條巷道中，使長管線1的出風端、短管線2的出風端分別與壓差傳感器4的兩測量接口連接，壓差傳感器4的示數即是巷道斷面i和斷面ii的全壓差，即巷道的通風阻力hi；

步驟五：計算礦井通風阻力h，具體步驟如下：

(1)通過設置在進風井和回風井中的風速傳感器獲得進風井風速vin和回風井風速vout；

(2)計算進風井風量qin和回風井風量qout，其中qin＝vin·sin，qout＝vout·sout，

式中，sin、sout分別為進風井和回風井的斷面積，單位m²；

(3)計算進風井通風阻力hin和回風井通風阻力hout，其中hin＝rin·qin²，hout＝rout·qout²，

式中，rin、rout分別為進風井和回風井風阻，為已知定值，單位ns²/m⁸；

(4)計算礦井通風阻力h，計算公式為h＝hin+(h1+h2+…+hi)+hout；

步驟六：因進風井、回風井服務壽命長、巷道變形小，故認為其進風井風阻和回風井風阻為定值，并根據常規(guī)阻力測定程序進行一次人工測量確定進風井風阻和回風井風阻值，這個過程僅需要獲取風量q值，不需要再布設阻力測定子系統(tǒng)；對于阻力小于10pa的巷道，也不需要再布設阻力測定子系統(tǒng)；在全礦井通風阻力實時計算過程中，進風井、回風井的阻力h計算依據為h＝rq²，式中風阻r已知；

所以只需要計算出每條巷道的風阻ri，具體步驟如下：

(1)在通風網絡圖獨立分支所對應的巷道中均布置風速傳感器；

(2)計算出各個獨立分支巷道的風量qn，其中qn＝vn·sn，

式中，vn為各獨立分支巷道的巷道風速，由風速傳感器示數獲得；

sn為各獨立分支巷道的巷道斷面積，單位m²；

(3)根據布置在獨立分支巷道中的風速傳感器并結合節(jié)點風量平衡方程計算出非獨立分支所有巷道的風量，節(jié)點風量平衡方程的矩陣形式為：qm＝c^t·qy，

式中，c^t為獨立回路矩陣c的轉置，對于給定的巷道通風網絡，c已知；

qy為獨立分支巷道的風量qn組成的矩陣列向量；

(4)計算出每條巷道的風阻ri，依據

因為井下互為并聯的兩條或多條巷道，共用始節(jié)點和末節(jié)點，而并聯巷道的壓力差相等，故所述步驟一中通風阻力測定子系統(tǒng)選擇安設在并聯巷道的最短巷道中。這樣既節(jié)省了材料和成本，又保證了阻力測定子系統(tǒng)的長期使用性，比如采煤工作面與某巷道并聯，阻力測定子系統(tǒng)應選擇安設在與采煤工作面并聯的某巷道中，如圖4所示。圖4中對污風7和新鮮風8的流向進行了標識。

所述步驟六中的(1)中的風速傳感器布置的位置與巷道進風口處的皮托管3的位置相同，對于無法布置風速傳感器的通風網絡圖獨立分支所對應的巷道，將風速傳感器布置在與其等效的其他通風網絡圖獨立分支所對應的巷道，對于有必要重點監(jiān)測而沒有布置的巷道，額外增設風速傳感器；對于給定的通風網絡，在全礦井布置的風速傳感器的最少數量與通風網絡圖獨立分支個數n相等，其中，n＝n-m+1，

式中，n為通風網絡圖的所有分支數；m為巷道中的所有節(jié)點數。

所述步驟二中的始節(jié)點處皮托管3安設在巷道進風口下風側8倍巷道寬度的巷道斷面內，末節(jié)點處皮托管3安設在巷道出風口上風側3倍巷道寬度的巷道斷面內。

所述的皮托管3安設位置前后3m內巷道支護完好，無堆積物。

如圖2和圖3所示，所述的皮托管3安設位置所在巷道斷面內，由錨固在巷道頂板上的剛性支架6將pvc鋼絲軟管和皮托管3從巷道內壁延伸到斷面水平中間位置，皮托管3尖端距巷道頂板中心線的高度為300mm。

所述步驟四的壓差傳感器4安設在末節(jié)點處皮托管3下風側6m處的巷道內壁上。

所述的皮托管3、壓差傳感器4與pvc鋼絲軟管連接處，均采用法蘭密封連接。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，方便實現計算機監(jiān)測礦井通風阻力及風阻等參數，并實時生成阻力測定報告，本發(fā)明還可用于礦井通風智能調控與超前預警，有必要指出，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，根據本發(fā)明的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變，都應在本發(fā)明保護范圍之內。