本發(fā)明屬于采礦工程礦井通風(fēng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種巷道平均風(fēng)速的單點(diǎn)統(tǒng)計測量方法。

背景技術(shù)：

礦井通風(fēng)工作是保證礦井安全生產(chǎn)的基本措施，煤礦領(lǐng)域以往發(fā)生的多起重大事故均是由于通風(fēng)管理不善和通風(fēng)狀況不良引起的。礦井通風(fēng)中，巷道平均風(fēng)速是一個最重要的基礎(chǔ)參數(shù)，巷道平均風(fēng)速的測量精度和效率直接決定著礦井通風(fēng)技術(shù)管理的水平，因此研究高效精準(zhǔn)的巷道平均風(fēng)速測量方法具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價值。

目前，巷道平均風(fēng)速的測量方法主要可分為單點(diǎn)法和多點(diǎn)法兩類。多點(diǎn)法是指在巷道斷面內(nèi)布設(shè)多個風(fēng)速傳感器，通過求各風(fēng)速傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值得到巷道平均風(fēng)速，這類方法可以獲得較高的測量精度，但測試效率低且多點(diǎn)布設(shè)傳感器會妨礙巷道的正常通行，因此不適于巷道風(fēng)速的長期監(jiān)測。巷道平均風(fēng)速的長期實(shí)時監(jiān)測主要依靠固定在巷道內(nèi)某點(diǎn)的單個風(fēng)速傳感器來獲得，其測量形式屬于單點(diǎn)測風(fēng)，具有快捷、高效的特點(diǎn)。然而，風(fēng)速傳感器只能監(jiān)測一個點(diǎn)的風(fēng)速，而巷道斷面上各點(diǎn)的風(fēng)速分布不均，因此，按照目前的測量方法將風(fēng)速傳感器所測得的風(fēng)速值作為斷面平均風(fēng)速存在較大誤差。另外，由于巷道內(nèi)風(fēng)流通常為湍流狀態(tài)，受湍流脈動影響，風(fēng)速傳感器的監(jiān)測示值始終處于波動狀態(tài)，表現(xiàn)出“測不準(zhǔn)”現(xiàn)象，進(jìn)一步加大了單點(diǎn)測風(fēng)的誤差，對此，以往的測量方法中均未提出合理的解決方案。巷道風(fēng)流的脈動特性和風(fēng)速的非均勻分布使得利用一點(diǎn)準(zhǔn)確測量巷道風(fēng)量成為礦井通風(fēng)領(lǐng)域亟待解決的一項(xiàng)技術(shù)難題。

本發(fā)明利用湍流統(tǒng)計方法實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)時均風(fēng)速的準(zhǔn)確測量，并提出了無量綱速度場結(jié)構(gòu)近似恒定原理，基于此實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)風(fēng)速與平均風(fēng)速的轉(zhuǎn)換。該方法可以消除點(diǎn)風(fēng)速與平均風(fēng)速間偏差，同時避免了點(diǎn)風(fēng)速監(jiān)測示值的波動性，從而實(shí)現(xiàn)巷道風(fēng)量的單點(diǎn)精準(zhǔn)測量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種巷道平均風(fēng)速的單點(diǎn)統(tǒng)計測量方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種巷道平均風(fēng)速的單點(diǎn)統(tǒng)計測量方法，包括以下步驟：

步驟1：確定待測量的巷道斷面采樣點(diǎn)位及采樣點(diǎn)數(shù)量n，以及各采樣點(diǎn)位面元的面積Δs_i，其中，i＝1，...，n；

步驟2：根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理通過設(shè)置采樣點(diǎn)風(fēng)速采樣標(biāo)準(zhǔn)誤差置信水平1-a和時均化誤差e確定采樣點(diǎn)風(fēng)速采樣數(shù)量m；

步驟3：在步驟1所確定的各采樣點(diǎn)位處布置風(fēng)速傳感器，采集各風(fēng)速傳感器的瞬時風(fēng)速u_ij，根據(jù)各風(fēng)速傳感器的瞬時風(fēng)速確定采樣點(diǎn)時均風(fēng)速并根據(jù)巷道平均風(fēng)速的統(tǒng)計測量數(shù)學(xué)模型確定巷道斷面平均風(fēng)速其中，j＝1，...，m為第j個瞬時風(fēng)速；

步驟4：選擇待測斷面中任一點(diǎn)作為單點(diǎn)測量點(diǎn)位，在單點(diǎn)測量點(diǎn)位處安裝風(fēng)速傳感器；

步驟5：根據(jù)單點(diǎn)測量點(diǎn)位所在采樣點(diǎn)的時均風(fēng)速和巷道斷面平均風(fēng)速確定該單點(diǎn)測量點(diǎn)位處的風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)k_v，其中，v＝1，...，n；

步驟6：實(shí)時采集單點(diǎn)測量點(diǎn)位處的瞬時風(fēng)速u′_vj，確定該單點(diǎn)測量點(diǎn)位處的當(dāng)前時均風(fēng)速

步驟7：根據(jù)單點(diǎn)測量點(diǎn)位處的當(dāng)前時均風(fēng)速和該單點(diǎn)測量點(diǎn)位處的風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)k_v，確定當(dāng)前巷道斷面平均風(fēng)速

所述確定待測量的巷道斷面采樣點(diǎn)位及采樣點(diǎn)數(shù)量n的方法為：采用9點(diǎn)法、16點(diǎn)法、對數(shù)-切比雪夫法將測量巷道斷面離散為n。

所述根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理通過設(shè)置采樣點(diǎn)風(fēng)速采樣標(biāo)準(zhǔn)誤差置信水平1-a和時均化誤差e確定采樣點(diǎn)風(fēng)速采樣數(shù)量m的計算公式如下所示：

m＝(Z_a/2)²p(1-p)/e²；

其中，z_a/2為統(tǒng)計量，p為樣本比例。

所述巷道平均風(fēng)速的統(tǒng)計測量數(shù)學(xué)模型的計算公式如下所示：

其中，S為巷道斷面面積。

所述根據(jù)單點(diǎn)測量點(diǎn)位所在采樣點(diǎn)面元的時均風(fēng)速和巷道斷面平均風(fēng)速確定該單點(diǎn)測量點(diǎn)位處的風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)k_v的計算公式如下所示：

所述根據(jù)單點(diǎn)測量點(diǎn)位處的當(dāng)前時均風(fēng)速和該單點(diǎn)測量點(diǎn)位處的風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)k_v，確定當(dāng)前巷道斷面平均風(fēng)速的計算公式如下所示：

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提出一種巷道平均風(fēng)速的單點(diǎn)統(tǒng)計測量方法，本發(fā)明利用湍流統(tǒng)計方法實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)風(fēng)速真正意義上的時均化測量，可以避免目前傳感器監(jiān)測示值的波動現(xiàn)象，可以獲得斷面上一點(diǎn)的高保真時均風(fēng)速值；基于速度場結(jié)構(gòu)近似恒定原理實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)風(fēng)速向平均風(fēng)速的轉(zhuǎn)換，避免了直接將風(fēng)速傳感器的監(jiān)測值視為斷面平均風(fēng)速帶來的誤差；本發(fā)明方法既保留了多點(diǎn)測風(fēng)法的精度又具有單點(diǎn)法簡捷高效的優(yōu)勢，是一種單點(diǎn)精準(zhǔn)測風(fēng)方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實(shí)施方式中巷道平均風(fēng)速的單點(diǎn)統(tǒng)計測量方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明具體實(shí)施方式中待測量的矩形巷道斷面中采樣點(diǎn)位和風(fēng)速傳感器位置示意圖；

其中，A為風(fēng)速傳感器位置；

圖3為本發(fā)明具體實(shí)施方式中單點(diǎn)測量點(diǎn)位瞬時風(fēng)速的采樣序列圖；

圖4為本發(fā)明具體實(shí)施方式中單點(diǎn)測量點(diǎn)位瞬時風(fēng)速頻數(shù)分布直方圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實(shí)施方式加以詳細(xì)的說明。

本發(fā)明提出一種巷道平均風(fēng)速的單點(diǎn)統(tǒng)計測量方法，如圖1所示，包括以下步驟：

步驟1：確定待測量的巷道斷面采樣點(diǎn)位及采樣點(diǎn)數(shù)量n，以及各采樣點(diǎn)位面元的面積Δs_i，其中，i＝1，...，n。

確定待測量的巷道斷面采樣點(diǎn)位及采樣點(diǎn)數(shù)量n的方法為：采用9點(diǎn)法、16點(diǎn)法、對數(shù)-切比雪夫法將測量巷道斷面離散為n。

本實(shí)施方式中，如圖2所示，待測量的矩形巷道斷面寬4.4m，高3.6m，采用16點(diǎn)法確定采樣點(diǎn)位，將巷道斷面離散為面積大小一致的測風(fēng)面元，采樣點(diǎn)數(shù)量n＝16，各采樣點(diǎn)位面元的面積Δs_i＝0.99m²。

步驟2：根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理通過設(shè)置采樣點(diǎn)風(fēng)速采樣標(biāo)準(zhǔn)誤差置信水平1-a和時均化誤差e確定采樣點(diǎn)風(fēng)速采樣數(shù)量m。

根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理通過設(shè)置采樣點(diǎn)風(fēng)速采樣標(biāo)準(zhǔn)誤差置信水平1-a和時均化誤差e確定采樣點(diǎn)風(fēng)速采樣數(shù)量m的計算公式如式(1)所示：

m＝(Z_a/2)²p(1-p)/e² (1)

其中，Z_a/2為統(tǒng)計量，p為樣本比例。

本實(shí)施方式中，采樣標(biāo)準(zhǔn)誤差置信水平1-a為95％，時均化誤差e＝5％，查正態(tài)分布表可得Z_a/2＝1.96，確定的采樣點(diǎn)風(fēng)速采樣數(shù)量m如式(2)所示：

m＝1.96²×0.5(1-0.5)/0.05²＝385 (2)

得到采樣點(diǎn)風(fēng)速采樣數(shù)量為385。

步驟3：在步驟1所確定的各采樣點(diǎn)位處布置風(fēng)速傳感器，采集各風(fēng)速傳感器的瞬時風(fēng)速u_ij，根據(jù)各風(fēng)速傳感器的瞬時風(fēng)速確定采樣點(diǎn)時均風(fēng)速并根據(jù)巷道平均風(fēng)速的統(tǒng)計測量數(shù)學(xué)模型確定巷道斷面平均風(fēng)速其中，j＝1，...，m為第j個瞬時風(fēng)速。

本實(shí)施方式中，各采樣點(diǎn)位處風(fēng)速傳感器布置于巷道中軸線距頂板0.3m的位置。

根據(jù)各風(fēng)速傳感器的瞬時風(fēng)速確定采樣點(diǎn)時均風(fēng)速的計算公式如式(3)所示：

巷道平均風(fēng)速的統(tǒng)計測量數(shù)學(xué)模型的計算公式如式(4)所示：

其中，S為巷道斷面面積。

采集各風(fēng)速傳感器的采樣點(diǎn)時均風(fēng)速和巷道斷面平均風(fēng)速如表1所示：

表1各風(fēng)速傳感器的采樣點(diǎn)時均風(fēng)速和巷道斷面平均風(fēng)進(jìn)

步驟4：選擇待測斷面中任一點(diǎn)作為單點(diǎn)測量點(diǎn)位，在單點(diǎn)測量點(diǎn)位處安裝風(fēng)速傳感器。

步驟5：根據(jù)單點(diǎn)測量點(diǎn)位所在采樣點(diǎn)的時均風(fēng)速和巷道斷面平均風(fēng)速確定該單點(diǎn)測量點(diǎn)位處的風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)k_v，其中，v＝1，...，n。

本實(shí)施方式中，根據(jù)單點(diǎn)測量點(diǎn)位所在采樣點(diǎn)的瞬時風(fēng)速和公式(3)計算得到單點(diǎn)測量點(diǎn)位所在采樣點(diǎn)的時均風(fēng)速

根據(jù)單點(diǎn)測量點(diǎn)位所在采樣點(diǎn)的時均風(fēng)速和巷道斷面平均風(fēng)速確定該單點(diǎn)測量點(diǎn)位處的風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)k_v的計算公式如式(5)所示：

本實(shí)施方式中，得到的該單點(diǎn)測量點(diǎn)位處的風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)k_v＝0.75。

步驟6：實(shí)時采集單點(diǎn)測量點(diǎn)位處的瞬時風(fēng)速u′_vj，確定該單點(diǎn)測量點(diǎn)位處的當(dāng)前時均風(fēng)速

本實(shí)施方式中，確定該單點(diǎn)測量點(diǎn)位處的當(dāng)前時均風(fēng)速采集單點(diǎn)測量點(diǎn)位處瞬時風(fēng)速的采樣序列如圖3所示，采集單點(diǎn)測量點(diǎn)位處瞬時風(fēng)速頻數(shù)分布直方圖如圖4所示。

步驟7：根據(jù)單點(diǎn)測量點(diǎn)位處的當(dāng)前時均風(fēng)速和該單點(diǎn)測量點(diǎn)位處的風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)k_v，確定當(dāng)前巷道斷面平均風(fēng)速

根據(jù)速度場結(jié)構(gòu)近似恒定原理，根據(jù)單點(diǎn)測量點(diǎn)位處的當(dāng)前時均風(fēng)速和該單點(diǎn)測量點(diǎn)位處的風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)k_v，確定當(dāng)前巷道斷面平均風(fēng)速的計算公式如式(6)所示：

本實(shí)施方式中，確定當(dāng)前巷道斷面平均風(fēng)速

為檢驗(yàn)本發(fā)明巷道平均風(fēng)速的單點(diǎn)統(tǒng)計測量方法的精度，采用傳統(tǒng)16點(diǎn)法測試風(fēng)速改變后的巷道斷面平均風(fēng)速，各風(fēng)速傳感器的采樣點(diǎn)時均風(fēng)速和巷道斷面平均風(fēng)速如表2所示。

表2采用傳統(tǒng)16點(diǎn)法測試各風(fēng)速傳感器的采樣點(diǎn)時均風(fēng)速和巷道斷面平均風(fēng)速

本發(fā)明得到的當(dāng)前巷道斷面平均風(fēng)速與傳統(tǒng)16點(diǎn)法測試巷道斷面平均風(fēng)速的相對誤差由此可知采用本發(fā)明方法得到的當(dāng)前巷道斷面平均風(fēng)速與傳統(tǒng)16點(diǎn)法測試巷道斷面平均風(fēng)速的相對誤差滿足工程實(shí)際需求。