CN104564120B - 一种矿井通风系统运行状态控制决策方法 - Google Patents

Abstract

一种矿井通风系统运行状态控制决策方法，属于煤矿通风控制决策方法。包括：1)建立或更新当前矿井通风系统模型；2)实时获取并更新通风系统参数；3)检验通风系统运行状态合理性；4)当通风系统运行状态不合理时，进行给定矿井总风量下的通风网络风量调节解算，若仍无可行解，则进行通风网络风量调节优化解算；5)确定风机匹配工况，若现有通风机能力不足，则按风机允许最大风压特性曲线对风网进行逐步扩大自然分风的风量调节解算；最后，确定矿井通风系统风量调节的最佳可执行方案。所述的风量调节解算采用质量流量和空气密度双层迭代法，可节省用于监测井下空气密度的传感器。为矿井通风系统长期保持合理、稳定、可靠、高效地运行提供技术支持。

Description

一种矿井通风系统运行状态控制决策方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿通风控制决策方法，具体涉及一种矿井通风系统运行状态控制决策方法。

背景技术

矿井通风系统是以机械通风的方法将地面新鲜空气直接或经处理后，通过进风井巷送入井下作业地点，将其中的污浊空气进行稀释，再通过回风井巷直接或经空气处理后排放至地面大气中。其基本作用是提供人呼吸所需的清洁空气、稀释和排除生产过程中产生的有害气体与粉尘、除去多余的热量与湿量，创造一个适宜人作业的生产环境。因此，合理构建和管理一个通风系统不仅是创造安全生产和卫生条件的基础，而且也是预防各种灾害发生的重要手段，对保证矿井安全生产具有重要意义。

矿井通风系统是一个复杂动态非线性流体网络系统，受地面和井下气压、温湿度变化、采掘工程进展、巷道变形等众多内外因素的影响，矿井通风网络结构、巷道风阻和井下空气密度将发生变化，进而导致矿井通风状态的变化，尤其是矿井关键地点采掘工作面的风量减少，可能导致瓦斯事故的发生。为了保证矿井通风稳定、可靠和有效，就必须对矿井通风系统运行进行日常维护控制。

目前，基于巷道风阻和空气密度为定值的矿井通风网络风流调节解算方法已较为成熟，实际上，在矿井巷道经过足够长时间的通风之后，风流温度和密度趋于稳定，但矿井风流调节后，由于井下各地点气压改变，空气密度也随之变化，这对风流控制方案解算的准确性产生影响。换言之，将空气密度作为常量所进行的矿井通风网络风流调节解算不能准确反映真实情况。另一方面，在矿井通风系统运行日常维护管理中，经验型调风仍占主导地位，然而人的经验判断总存在一定的局限性，若调节不当或调节过失，不仅影响风流调节的工作效率，而且可能引发通风系统的故障，给矿井安全生产带来不良后果。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种矿井通风系统运行状态控制决策方法，解决目前矿井通风时调节不当或调节过失，而影响风流调节的工作效率，及可能引发通风系统的故障，给矿井安全生产带来不良后果的问题。

本发明的目的是这样实现的，该通风控制决策方法，包括以下步骤：

步骤1，建立或更新当前矿井通风系统模型及数据库：根据矿井通风系统图，绘制矿井通风网络节点和分支，并以最新的矿井通风阻力测定和主要通风机性能鉴定结果作为矿井通风系统初始状态参数，所述的初始状态参数包括：井巷风阻、风窗调节风阻和井巷热湿参数，节点标高、空气密度和主要通风机风压和效率特性曲线；

步骤2，实时获取并更新当前矿井通风系统动态参数：根据分支巷道长度和断面变化快慢，将通风网络分支划分为固定风阻或可变风阻两类，其中可变风阻分支再划分为独立分支和非独立分支两类，对于风阻可变的非独立分支由传感器监测压差、风速换算成风阻，而风阻可变的独立分支用传感器监测风量，在已知当前矿井总进风口大气物理参数、井巷分支的风阻和热湿参数、可变风阻的独立分支风量、风窗风阻和风机风压的条件下，进行通风网络解算，确定其它所有风流参数；

步骤3，根据近期矿井关键用风地点回风流瓦斯浓度、风量和气温监测数据，并考虑采掘工作面推进速度和最多同时作业人数的因素，实时计算矿井各用风地点所需风量和总风量，所述的用风地点为采掘工作面、备用工作面、机电硐室和其他行人通风巷道；

步骤4，检验当前矿井总风量、所有巷道风量、风速和风向以及主要通风机工况是否合理，即是否满足通风技术条件；如果满足，则不进行任何调节；否则，执行下一步骤5；

步骤5，按当前独立用风地点和调节风窗位置，对矿井通风网络进行总风量一定下的风量按需调节解算；转下一步骤6；

步骤6，获得各调节风窗所需的风阻值R′_w和各主要通风机所需的工作参数：风量Q′_f、风压H′_f和风阻R′_f，，检验主要通风机能力是否满足，如果满足，转步骤8；否则执行下一步骤7；

步骤7，如果主要通风机能力不足，按风机允许的最大风压特性曲线对矿井通风网络进行风量按需调节解算，当出现减阻调节时，将减阻调节量最大的定流独立分支修改为自然分风分支再解算，重复这一过程，直到增阻调节解出现为止，即获得当前矿井最大通风能力解，转下一步骤8；

步骤8，根据通风机相似比例定律，按各主要通风机所需风量、风压和实际空气密度，确定最佳匹配的风机转速n_b和叶片安装角θ_b，并进行带该风机的通风网络风量按需调节解算，确定该风机风量Q_fb、风压H_fb和功率N_fb，以及风窗调节目标风阻值R_wb；转下一步骤9；

步骤9，判断当前风机转速是否需要调节，如果风机当前的转速值n或叶片安装角θ等于目标值即n＝n_b或θ＝θ_b，则不需要调节；如果n＜n_b或θ＜θ_b，则必须进行风机增压调节；如果n＞n_b或θ＞θ_b，且风机降压调节功效(N_f-N_fb)/N_f大于预设的最小可调节功效，或者转速调节变化量|n-n_b|大于最小可调节量，则进行风机降压节能调节，否则不调；转下一步骤10；

步骤10，检验风窗当前的目标调节变化量是否存在小于最小可调节量的情况，如果存在，则假定取消对该风窗的调节，进行带风窗和风机的矿井通风网络解算，检验通风系统运行状态是否合理，如果合理，则接受修改，否则对风机转速进行适量渐进式调节，直到通风系统运行状态变成合理为止，最终获得技术上可以实现的风量调节方案，决策过程结束，输出结果。

进一步，在上述矿井通风系统运行状态控制方法中，对于任何一种通风网络解算方式，矿井各条分支井巷的风量、空气密度、调节压力以及井下各节点静压、密度和温湿度，都是由矿井地面总进风节点的空气静压、温湿度、密度监测值、已知的井巷分支风阻和热湿参数，对通风网络进行质量流量和空气密度的双层迭代解算确定的，具体算法如下：

①以分支风阻与风量的乘积为权值，选择通风网络最小生成树、独立分支即余树弦和独立回路，建立矿井通风网络风量和空气密度双层迭代解算的基本方程组：

回路风压平衡方程：

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ij}}(R_j{q}_j^2\text{-}{F}_i-N_j)=0,i=L+\mathrm{1,2},L,M$

节点质量流量平衡方程：

$G_j={\mathrm{\ρ}}_j{q}_i=\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ij}}{G}_{Y\left(i\right)}+\underset{i=L+1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ij}}{G}_{Y\left(i\right)},j=\mathrm{1,2},L,n$

风机风压特性曲线：

$F_i=\left\{\begin{array}{cc}{A}_0+A_1{q}_i-A_2{q}_i^2,& i\∈Y_F\\ 0,& i\∉Y_F\end{array}\right.$

分支位压差：

N_j＝ρ_jg[Z_a(j)-Z_b(j)]

定流独立分支调节压力或反求风阻的巷道阻力值：

$\mathrm{\Δ}{h}_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ij}}(N_j-R_j{q}_j^2),i=\mathrm{1,2},L,L$

式中，C_ij为通风网络独立回路矩阵，n为分支总数，L为定流独立分支数，M为独立回路数，G_Y(i)为第i回路独立分支Y(i)的质量流量，m为节点总数，j为分支序号，R_j、q_j、ρ_j、G_j和N_j分别为分支巷道j的实际风阻、体积流量、平均空气密度、质量流量和位压差，g为重力加速度，Z_a(j)、Z_b(j)分别为分支始末节点的标高，Δh_i为定流分支调节风压，F_i为风机风压，Y_F为风机独立分支集合；

②赋节点和分支初始参数：包括各节点和分支的空气密度，以及分支实际风阻、位压差和质量流量的初始值；

③采用哈迪克劳斯法或牛顿迭代法对上述基本方程组进行质量流量修正迭代计算，直到达到收敛准则为止，获得各分支质量流量、体积流量、阻力和调节压力的新值；

④计算节点空气静压：以地面总进风节点参数为基准开始，根据上述所得分支参数新值和巷道风流能量方程，采用有向图广度优先搜索法，分别按下式计算修改各节点全压P_t，k、风速V_k和静压P_k：

$P_{t,b\left(j\right)}=P_{t,a\left(j\right)}-R_j{q}_j^2-\mathrm{\Δ}{h}_j+N_j,j=\mathrm{1,2},L,n$

$V_k=\left\{\begin{array}{cc}\underset{d_{\mathrm{kj}}<0}{\mathrm{\&Sigma;}}\left|d_{\mathrm{kj}}\right|q_j/\underset{d_{\mathrm{kj}}<0}{\mathrm{\&Sigma;}}\left|d_{\mathrm{kj}}\right|S_j,& I\left(k\right)>O\left(k\right)\\ \underset{d_{\mathrm{kj}}<0}{\mathrm{\&Sigma;}}{d}_{\mathrm{kj}}{q}_j/\underset{d_{\mathrm{kj}}>0}{\mathrm{\&Sigma;}}{d}_{\mathrm{kj}}{S}_j,& I\left(k\right)<O\left(k\right)\end{array}\right.$

$P_k=P_{t,k}-\frac{1}{2}{\mathrm{\&rho;}}_k{V}_k^2,k=\mathrm{1,2},L,m$

式中，d_kj为通风网络关联矩阵，k为节点序号，I(k)、O(k)分别为节点k的入度和出度，S_j为分支巷道横断面积；

⑤计算各节点和分支空气参数：以总进风节点即进风井口空气参数为基准参数开始，所述的空气参数包括：压力、干球温度、湿球温度、相对湿度、密度、焓和含湿量，考虑每条潮湿巷道围岩、机电设备、热水沟、空气压缩、有机物氧化和人体热源散热影响，采用巷道分段递推的温度和含湿量联合迭代法，在各节点静压、分支风量和阻力已知条件下，由巷道分支始端空气参数，分段递推计算出巷道分支终端空气参数以及分支平均空气密度和位压差；并根据节点多股气流混合的热湿平衡方程，采用有向图广度优先搜索法，分别计算各节点单股风流空气参数或多股风流混合后节点空气参数；

⑥判断各分支平均空气密度和各节点空气多参数前后两次偏差是否满足迭代收敛准则，如果满足，则终止外层迭代计算，转⑦；否则用步骤⑤计算所得的各节点和分支空气状态参数新值，修改分支实际风阻、质量流量和位压差，以及风机特性曲线，返回③；

⑦算法结束，输出计算结果。

与现有技术相比的有益效果：本发明提供了一种矿井通风系统运行状态控制方案的科学决策方法，考虑了风流调节和地面气候变化引起的井下空气密度变化，对通风网络进行质量流量和空气密度的双层迭代解算，可减少对井下空气温湿度的监测，并提高数值计算的准确性，避免了传统经验型调节的盲目性和不确定性，尤其对于高瓦斯复杂矿井通风系统，因调节不当而导致的瓦斯聚集和超限，从而可显著提高矿井通风系统运行的安全可靠性、有效性和经济性。

优点：该方法利用最新的矿井通风阻力全面测定、通风机性能鉴定和矿井通风监测数据，实时获取矿井通风系统运行状态参数，并根据不同的通风状况，考虑井巷与风流的热湿交换，采用质量流量与空气密度双层迭代的通风网络解算方法，确定相应的矿井通风系统风量调节方案，为矿井通风系统长期保持合理、稳定、可靠、高效地运行提供技术支持。

附图说明

下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为矿井通风系统运行状态控制决策方法总体概要框图。

图2为矿井通风系统实施例示意图。

图3为矿井通风系统运行状态控制决策方法详细流程框图。

图4为图3中确定风机最佳匹配叶片角和转速的详细流程图。

图5为矿井通风网络风量和空气密度双层迭代解算方法流程框图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

本发明总体技术方案如图1所示。首先建立矿井通风系统模型及初始数据库，随着矿井通风系统结构和参数的变化，实时获取当前矿井通风参数并更新数据库，同时计算矿井需风量，检验矿井通风状况是否合理，对不合理的情况，进行矿井通风系统运行状态控制决策分析，为矿井通风系统长期保持合理、稳定、可靠、高效地运行提供技术支持。

图2为矿井通风系统运行状态控制决策方法详细流程框图，具体步骤如下：

步骤1：建立或修改当前矿井通风系统模型及数据库：绘制当前矿井通风网络图的节点和分支，同时输入节点和分支属性参数，经合法性检验确定后自动存入矿井通风系统数据库中。

图3为本实施例所建立的通风系统模型，而通风系统数据库是由矿井通风网络分支、节点、用风地点、风窗和主要通风机等系统单元属性参数表组成。

节点参数表包括：节点号、标高、原始岩温、气压、温湿度、空气密度和节点类型。

分支参数表包括：分支号、始末节点号、巷道名称、长度、断面形状、断面积及周长、百米风阻或摩擦阻力系数、标态风阻、空气密度、实际风阻、风量、风速、阻力、分支类别、调节类别、允许最高最低风量或风速，以及热湿参数。

调节风窗参数表包括：分支号、风窗风量、风窗压差、风窗风阻、风窗开口面积等。

矿井主要通风机特性参数表包括：风机分支号、风机型号、转速、动轮叶片角(轴流风机)、空气密度、风量、风压、工作风阻、效率、功率、自然风压、允许最高最低转速、最大最小工作风量和风压、风机风压特性函数2次多项式系数、效率特性函数3次多项式系数。

用风地点主要为采掘工作面，其参数包括：分支号、巷道名称、回风流风量、瓦斯浓度、温度、绝对瓦斯涌出量、瓦斯涌出不均衡系数、CO₂涌出量、一次爆破最大炸药量、最多同时作业人数、局部通风机吸风量和工作面需风量等。

在本实施例的矿井通风系统某一稳定时段的开始，根据最新的矿井通风阻力全面测定结果和井下巷道热湿参数，由通风网络质量流量和空气密度双层迭代解算，经实测检验得到的可信参数作为初始值，具体包括以下几个方面的参数：

(1)矿井通风网络节点初始参数，如表1所示。

表1 通风网络节点初始参数表

(2)矿井通风网络分支初始基本参数，如表2所示。

表2 通风网络分支参数表

续表2

续表2

根据最新的矿井主要通风机性能实测结果，输入矿井主要通风机特性参数表包括风机型号DBK618-8-No25，额定转速1200r/min，叶片安装角0°，空气密度1.2kg/m³时的风机风压特性曲线为F＝2281+28.5q-0.257q²，使用时换算成实际空气密度的风机风压特性曲线，其它风机初始参数见表3。

表3 矿井主要通风机现行工况点参数

步骤2，获取当前矿井通风系统风流参数。根据当前矿井关键地点风流参数监测实际值，在已知矿井总进风口大气物理参数和风机风压的条件下，对通风网络未知分支风量和空气密度进行双层迭代解算，确定矿井通风系统所有其它风流参数，如图5所示，具体迭代计算如下：

①在初始时刻，本实施例的矿井通风网络巷道和风窗的风阻以及主要通风机风压特性曲线已知，如表2和表3所示。其中分支风阻相对稳定的巷道为矿井进回风井、主要进回风巷道和采区轨道和胶带上山、采区车场巷道；而风阻会时常发生变化的巷道为采煤工作面运输巷(16、14号分支)、材料巷(22、19号分支)和辅运巷(15、13号分支)，以及3号双巷掘进工作面(7号分支)和4号双巷掘进工作面(8号分支)共8条关键用风地点巷道。由于关键地点16、14、22、19、7和8号分支可作为定流独立分支，故分别安装风速传感器，并用巷道风速场数值模拟与现场实测相结合的方法对风速监测数据进行联合校正，所得结果见表4中当前监测的风速和风量值。而对于无法入选定流独立分支的采煤工作面辅运巷(15、13号分支)安装风速、气压、温度和相对湿度传感器，采用气压传感器同步法实时监测其风阻值变化。矿井总进风量和总回风量分别由安装在进风大巷(2号分支)和采区回风石门(24号分支)中的风速传感器监测而得。

随着矿井采掘工程的进展，在1号采煤工作面从初始距停采线400m处向前推进300m，由回采转入回撤状态，2号工作面由备用转入回采状态，而3号和4号双巷掘进工作面的通风距离分别由2000m和1000m延长至4000m和2000m时，7、8号分支风阻增大，15、16、22号分支风阻减小，导致通风网络风量分配发生较大变化，如表4所示。因此必须重新确定已变化的巷道分支风阻，以及各分支的风量和空气密度等其它参数。为此，以当前关键地点(7、8、16、22号分支)作为定流独立分支，其风量设为此时监测值，利用15号分支温度、相对湿度及其始末节点气压的监测值，采用气压传感器同步法测得变化后的风阻值为0.019979kg/m⁷，并用这些变化后的参数更新通风系统数据库，主要通风机风压特性曲线不变，再进行如下的通风网络质量流量和空气密度的双层迭代解算。

②选择通风网络最小生成树、独立分支(余树弦)和独立回路，建立矿井通风网络风量和空气密度双层迭代解算的基本方程组。

回路风压平衡方程：

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_{\mathrm{ij}}(R_j{q}_j^2\text{-}{F}_i-N_j)=0,i=L+\mathrm{1,2},L,M$

节点质量流量平衡方程：

$G_j={\mathrm{\&rho;}}_j{q}_i=\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_{\mathrm{ij}}{G}_{Y\left(i\right)}+\underset{i=L+1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_{\mathrm{ij}}{G}_{Y\left(i\right)},j=\mathrm{1,2},L,n$

风机风压特性曲线：

$F_i=\left\{\begin{array}{cc}{A}_0+A_1{q}_i-A_2{q}_i^2,& i\&Element;Y_F\\ 0,& i\&NotElement;Y_F\end{array}\right.$

分支位压差：

N_j＝ρ_jg[Z_a(j)-Z_b(j)]

定流独立分支调节压力或反求风阻的巷道阻力值：

$\mathrm{\&Delta;}{h}_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_{\mathrm{ij}}(N_j-R_j{q}_j^2),i=\mathrm{1,2},L,L$

③赋节点和分支初始参数，其中分支实际风阻、质量流量分别由标准风阻和体积流量按实际空气密度换算而得。

④采用牛顿法或哈蒂克劳斯法对式(2)进行质量流量修正迭代计算，直到质量流量修正值且回路风压闭合差小于给定的迭代精度或达到最大迭代次数时结束迭代，获得各分支质量流量、体积流量、阻力、以及定流独立分支(7、8、16、22号分支)和风机(26号分支)的调节压力新值。

⑤计算节点空气静压：以地面总进风节点参数为基准开始，根据上述所得分支参数新值和巷道风流能量方程，采用有向图广度优先搜索法，分别按下式计算修改各节点全压P_t，k、风速V_k和静压P_k：

$P_{t,b\left(j\right)}=P_{t,a\left(j\right)}-R_j{q}_j^2-\mathrm{\&Delta;}{h}_j+N_j,j=\mathrm{1,2},L,n$

$V_k=\left\{\begin{array}{cc}\underset{d_{\mathrm{kj}}<0}{\mathrm{\&Sigma;}}\left|d_{\mathrm{kj}}\right|q_j/\underset{d_{\mathrm{kj}}<0}{\mathrm{\&Sigma;}}\left|d_{\mathrm{kj}}\right|S_j,& I\left(k\right)>O\left(k\right)\\ \underset{d_{\mathrm{kj}}<0}{\mathrm{\&Sigma;}}{d}_{\mathrm{kj}}{q}_j/\underset{d_{\mathrm{kj}}>0}{\mathrm{\&Sigma;}}{d}_{\mathrm{kj}}{S}_j,& I\left(k\right)<O\left(k\right)\end{array}\right.$

$P_k=P_{t,k}-\frac{1}{2}{\mathrm{\&rho;}}_k{V}_k^2,k=\mathrm{1,2},L,m$

⑥计算各节点和分支空气参数。以总进风节点(进风井口)空气参数(包括：压力、干球温度、湿球温度、相对湿度、密度、焓和含湿量)为基准参数开始，考虑每条潮湿巷道围岩、机电设备、热水沟、空气压缩、有机物氧化和人体等热源散热影响，采用巷道分段递推的温度和含湿量联合迭代法，在各节点静压、分支风量和阻力已知条件下，由巷道分支始端空气参数，分段递推计算出巷道分支终端空气参数以及分支平均空气密度和位压差，并根据节点多股气流混合的热湿平衡方程，采用有向图广度优先搜索法，分别计算各节点单股风流空气参数或多股风流混合后节点空气参数。

⑦判断各分支平均空气密度和各节点空气多参数前后两次偏差是否满足迭代收敛准则，如果满足，则终止外层迭代计算，转⑧；否则用步骤⑥计算所得的各节点和分支空气状态参数新值，修改分支实际风阻、质量流量和位压差，以及风机特性曲线，返回④。

⑧根据计算所得的定流独立分支(已变风阻巷道7、8、16、22号分支)的风量和调节压力值反算新的风阻值，算法结束，输出计算结果，见表4和表5。

以下通风网络各种方式解算均采用上述质量流量和空气密度双层迭代法。

表4 可变风阻测算及用风地点风量检验结果

步骤3：实时计算矿井当前需风量变化。由于当前1号工作面由回采转入回撤状态，2号工作面由备用转入回采状态，故采煤工作面需风量发生变化。从监测系统中获取当前矿井各用风地点回风流的有害气体浓度(煤矿主要是瓦斯)、气温和风量等监测数据，并考虑当前矿井生产能力、一次爆破最大炸药量、井下最多同时作业人数等其它因素，按不同因素计算并取其中最大值，经作业地点最高最低允许风速验算，确定矿井各用风分支当前需风量，见表5。由于矿井风流总是从进风分区子网，经各用风地点，流到回风分区子网，故矿井通风网络总存在一个由各独立用风分支构成的割集，单位时间内流入流出该割集的空气质量相等，故将各独立用风分支所需风量求和，并考虑一定备用系数(抽出式通风取1.15～1.2，压入式通风取1.25～1.3，本实施例取1.15)可得矿井总风量，矿井和各用风分支的最大允许风量按需风量的1.3倍计算，目标供风量取需风量与最大供风量之间的中值，见表5。

表5 矿井风量调节量计算表

步骤4：计算当前矿井及各用风地点的实际供风量Q是否在当前需风量与最大允许风量之间，如表5所示，检验结果表明矿井总风量不合格且井下各用风地点风量分配也存在不合格的情况，故执行下一步骤5。

步骤5：按当前独立用风地点和调节风窗位置，对矿井通风网络进行总风量一定下的风量按需调节解算。在本实施例中，按当前分支和风窗的风阻值，以表5中所列的各独立用风地点分支，除了风量调节量为最大的用风分支(19号分支)之外，其它全部作为定流独立分支，设其风量为所需风量，此外，将安装风机的分支作为定流风机独立分支，其风量是由19号分支对应的基本割集分支(表5所列用风分支)的质量流量代数和确定的，并将这些定流独立分支作为调节点，对矿井通风网络未知分支质量流量和分支空气密度进行双层迭代计算，直到分支质量流量和空气密度前后两次迭代误差小于给定精度为止，得到所述实施例的一个通风网络风量按需分配的增阻调节解，见表6，转步骤6。

表6 实施例的一个通风网络风量按需分配的增阻调节解

步骤6：经解算获得各风窗所需的风阻调节值R′_w和各主要通风机所需的工作风量Q＇_f、工作风压H＇_f和工作风阻R＇_f，见表6和表7，检验主要通风机能力可以满足，故跳过步骤7，而转步骤8。

表7 主要通风机所需工况参数

步骤8：根据得到的主要通风机所需工况参数，采用改变转速的方式进行通风机工况点优化调节，按通风机相似比例定律，确定各主要通风机实际最佳匹配的目标工况参数组：风机转速n_b和叶片安装角θ_b，以及风机风量Q_fb、风压H_fb和功率N_fb，见表8。转下一步骤9。

表8 主要通风机转速调节工况参数

步骤9：判断当前风机转速是否需要调节。由于风机当前转速为n＝1000r/min，叶片安装角θ＝0°而目标转速值n_b＝1128r/min，θ_b＝0°；即风机转速调节增量较大为128r/min，故应对风机进行增速调节，而叶片安装角可以不调。安装增速后的风机再进行矿井通风网络风量按需调节解算，得到风窗调节目标风阻值R_wb，见表9。转下一步骤10。

表9 带风机的通风网络风量调节方案结果

步骤10：检验风窗当前的目标调节变化量是否存在小于最小可调节量的情况。由本实施例风流调节解算结果表8和表9可知，风机和风窗当前的目标调节变化量均大于最小可调节量，故表8和表9所确定的目标调节方案是可以实现的。

以上所述，仅为本发明部分的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种矿井通风系统运行状态控制决策方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立或更新当前矿井通风系统模型及数据库：根据矿井通风系统图，绘制矿井通风网络节点和分支，以最新的矿井通风阻力测定和主要通风机性能鉴定结果作为矿井通风系统初始状态参数，主要是井巷风阻、风窗调节风阻和井巷热湿参数，节点标高、空气密度和主要通风机风压和效率特性曲线；

步骤2，实时获取并更新当前矿井通风系统动态参数：根据分支巷道长度和断面变化快慢，将通风网络分支划分为固定风阻或可变风阻两类，其中可变风阻分支再划分为独立分支和非独立分支两类，对于风阻可变的非独立分支由传感器监测压差、风速换算风阻，而风阻可变的独立分支用传感器监测风量，在已知当前矿井总进风口大气参数、井巷分支的风阻和热湿参数、可变风阻独立分支风量、风窗风阻和风机风压的条件下，进行通风网络解算，确定其它所有风流参数；

步骤3，根据近期矿井关键用风地点回风流瓦斯浓度、风量和气温监测数据，并考虑采掘工作面推进速度和最多同时作业人数因素，实时计算矿井各用风地点所需风量和总风量；

步骤4，检验当前矿井总风量、所有巷道风量、风速和风向以及主要通风机工况的合理性，如果合理，则不进行任何调节；否则，执行下一步骤5；

步骤5，按当前独立用风地点和调节风窗位置，对矿井通风网络进行总风量一定下的风量按需调节解算，转步骤6；

步骤6，获得各调节风窗所需的风阻值R'_w和各主要通风机所需的工作参数：风量Q'_f、风压H'_f和风阻R'_f，检验主要通风机能力是否满足，如果满足，转步骤8；否则执行下一步骤7；

步骤7，如果主要通风机能力不足，按风机允许的最大风压特性曲线对矿井通风网络进行风量按需调节解算，当出现减阻调节时，将减阻调节量最大的定流独立分支修改为自然分风分支再解算，重复这一过程，直到增阻调节解出现为止，即获得当前矿井最大通风能力解，转下一步骤8；

步骤8，根据通风机相似比例定律，按各主要通风机所需风量、风压和实际空气密度，确定最佳匹配的风机转速n_b和叶片安装角θ_b，并进行带风机的通风网络风量按需调节解算，确定该风机风量Q_fb、风压H_fb和功率N_fb，以及风窗调节目标风阻值R_wb；转下一步骤9；

步骤9，判断当前风机转速是否需要调节，如果风机当前的转速值n或叶片安装角θ等于目标值即n＝n_b或θ＝θ_b，则不需要调节；如果n<n_b或θ<θ_b，则必须进行风机增压调节；如果n>n_b或θ>θ_b，且风机降压调节功效(N_f–N_fb)/N_f大于最小可调节功效，或者转速调节变化量|n–n_b|大于最小转速可调节量，则进行风机降压节能调节，否则不调；转下一步骤10；

步骤10，检验风窗当前的目标调节变化量是否存在小于最小可调节量的情况，如果存在，则假定取消对该风窗的调节，进行带风窗和风机的矿井通风网络解算，检验通风系统运行状态是否合理，如果合理，则接受修改，否则对风机转速进行适量渐进式调节，直到通风系统运行状态变成合理为止，最终获得技术上可以实现的风量调节方案，决策过程结束，输出结果。

2.根据权利要求1所述的一种矿井通风系统运行状态控制决策方法，其特征还在于：所述的通风网络解算、风量按需调节解算和矿井通风网络解算，其中任何一种解算方式均为：矿井各条分支井巷的风量、空气密度、调节压力以及井下各节点空气静压、密度和温湿度，都是由矿井地面总进风节点的空气静压、温湿度、密度监测值和已知的井下各分支巷道的风阻和热湿参数，并按假定初始值，采用通风网络进行质量流量和空气密度的双层迭代解算确定的；该双层迭代算法如下：

①以分支风阻与风量的乘积为权值，选择通风网络最小生成树、独立分支和独立回路，建立矿井通风网络质量流量和空气密度双层迭代解算的基本方程组：

回路风压平衡方程：

$\underset{j=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{C}_{ij}(R_j{q}_j^2-F_i-N_j)=0,i=L+1,2,L,M$

节点质量流量平衡方程：

$G_j={\mathrm{\&rho;}}_j{q}_j=\underset{i=1}{\overset{L}{\&Sigma;}}{C}_{ij}{G}_{Y\left(i\right)}+\underset{i=L+1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{C}_{ij}{G}_{Y\left(i\right)},j=1,2,L,n$

风机风压特性曲线：

$F_i=\left\{\begin{array}{cc}{A}_0+A_1{q}_i-A_2{q}_i^2,& i\&Element;Y_F\\ 0,& i\&NotElement;Y_F\end{array}\right.$

分支位压差：

N_j＝ρ_jg[Z_a(j)-Z_b(j)]

定流独立分支调节压力或反求风阻的巷道阻力值：

${\mathrm{\&Delta;h}}_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{C}_{ij}(N_j-R_j{q}_j^2),i=1,2,L,L$

式中，C_ij为通风网络独立回路矩阵，n为分支总数，L为定流独立分支数，M为独立回路数，G_Y(i)为第i回路独立分支Y(i)的质量流量，m为节点总数，j为分支序号，R_j、q_j、ρ_j、G_j和N_j分别为分支巷道j的实际风阻、体积流量、平均空气密度、质量流量和位压差，g为重力加速度，Z_a(j)、Z_b(j)分别为分支始末节点的标高，Δh_i为定流分支调节风压，F_i为风机风压，Y_F为风机独立分支集合；

②赋节点和分支初始参数：包括节点和分支的空气密度，以及分支实际风阻、位压差和质量流量的初始值；

③采用克劳斯法或牛顿迭代法对上述基本方程组进行质量流量修正迭代计算，直到达到收敛准则为止，获得各分支质量流量、体积流量、阻力和调节压力的新值；

④计算节点空气静压；以地面总进风节点参数为基准开始，根据上述所得分支参数新值和巷道风流能量方程，采用有向图广度优先搜索法，分别按下式计算修改各节点全压P_t,k、风速V_k和静压P_k：

$P_{t,b\left(j\right)}=P_{t,a\left(j\right)}-R_j{q}_j^2-{\mathrm{\&Delta;h}}_j+N_j,j=1,2,L,n$

$V_k=\left\{\begin{array}{cc}\underset{d_{kj}<0}{\&Sigma;}\left|d_{kj}\right|q_j/\underset{d_{kj}<0}{\&Sigma;}\left|d_{kj}\right|S_j,& I\left(k\right)>O\left(k\right)\\ \underset{d_{kj}>0}{\&Sigma;}{d}_{kj}{q}_j/\underset{d_{kj}>0}{\&Sigma;}{d}_{kj}{S}_j,& I\left(k\right)<O\left(k\right)\end{array}\right.$

$P_k=P_{t,k}-\frac{1}{2}{\mathrm{\&rho;}}_k{V}_k^2,k=1,2,L,m$

式中，d_kj为通风网络关联矩阵，k为节点序号，I(k)、O(k)分别为节点k的入度和出度，S_j为分支巷道横断面积；

⑤计算各节点和分支空气参数；以总进风节点即进风井口空气参数为基准参数开始，所述的空气参数包括：压力、干球温度、湿球温度、相对湿度、密度、焓和含湿量，考虑每条潮湿巷道围岩、机电设备、热水沟、空气压缩、有机物氧化和人体热源散热影响，采用巷道分段递推的温度和含湿量联合迭代法，在各节点静压、分支风量和阻力已知条件下，由巷道分支始端空气参数，分段递推计算出巷道分支终端空气参数以及分支平均空气密度和位压差；并根据节点多股气流混合的热湿平衡方程，采用有向图广度优先搜索法，分别计算各节点单股风流空气参数或多股风流混合后节点空气参数；

⑥判断各分支平均空气密度和各节点空气多参数前后两次偏差是否满足迭代收敛准则，如果满足，则终止外层迭代计算，转⑦；否则用步骤⑤计算所得的各节点和分支空气状态参数新值，修改分支实际风阻、质量流量和位压差，以及风机特性曲线，返回③；

⑦算法结束，输出计算结果。