CN106948853B - 一种矿井全局精确测风的传感器优化布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矿井全局精确测风的传感器优化布置方法，包括：建立完整的矿井通风系统网络拓扑结构图；进行全局通风阻力测定，获得通风系统初始状态；得到灵敏度矩阵；按照风道风阻的稳定性和重要性划分风道；按照风量的必测性、灵敏性和可测性划分风道；根据风道分类结果和灵敏度矩阵，对通风网络进行简化，对简化网络利用风量平衡定律，寻找最优测风传感器布置方案。优点：(1)利用普通的风速传感器及较少的安装数量，可实时获得每条风道较准确的风量，为通风系统在线分析状态识别和诊断提供了一个可行的解决方案。(2)对于风速较低的风道，本发明给出了一种低风速的长距低阻聚风风速传感器安装方法，提高了风速传感器测量量程和灵敏度。

Description

一种矿井全局精确测风的传感器优化布置方法

技术领域

本发明属于矿井通风自动化技术领域，具体涉及一种矿井全局精确测风的传感器优化布置方法。

背景技术

矿井通风是保障矿井安全和良好生产环境的最主要技术手段之一。在矿井生产过程中，必须源源不断地将地面新鲜空气输送到井下各作业地点，以供给人员呼吸，并稀释和排除井下各种有毒、有害的气体和矿尘，创造良好的矿内工作环境，保障井下作业人员的身体健康和劳动安全。

矿井通风的主要任务是：根据井下各个地点的温度、湿度、有害气体和矿尘浓度实时保证供风质量，满足正常时期和灾变时期各用风地点按时按需供风。

但是，一般大中矿井的通风系统通常是由几百条，甚至上千条风道组成的非线性流体网络；因此，无论是人工控风还是自动控风，无论正常时期还是灾变时期，如果需要精确掌握供风质量和控风效果，以及，如果需要精确掌握瓦斯涌出量预计、粉煤尘排量测算、漏风诊断、火源温度和热力风压分析、风阻变化等状态识别，都需要实时监测和计算每个用风地点和每条风道的精确供风量。

随着地面大气压和地温的变化、巷道的变形、掘进面和回采面的推进、通风设施的状态改变和各种车辆和设备的扰动，每条风道的风量都是随时变化的。另外，由于各条风道的条件和环境不同，有些风道是无法安装风速传感器的，例如，立井井筒、漏风通道等。既使安装风速传感器，限于现有的风速传感器灵敏度较低、量程太窄，一般的风速传感器启动风速不低于0.2m/s，量程为0.2m/s-5m/s，对于较低的风速无法精确监测。

事实上，由于行人、运输装备的影响，风速传感器只能安装在靠近巷道顶部和两帮的位置，这些位置风速都比较低，因此给风速的精确监测带了很大困难。

综上所述，如何通过安装较少的风速传感器，用科学的安装方法，使得能够精确监测和计算矿井每条风道的通风量，是实现精确按时按需供风必要手段。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种矿井全局精确测风的传感器优化布置方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种矿井全局精确测风的传感器优化布置方法，包括以下步骤：

步骤1，建立完整的矿井通风系统网络拓扑结构图并编号，编号方法为：将进风井口和回风井口这两个节点各编制为一个编号；对于其他节点，按照风流流动方向，从始点到终点对各节点按从小到大顺序进行编号；另外，还编制各风道的风道号；

设矿井通风系统共有m个节点和n条风道，m和n均为自然数；由此得到编号后的矿井通风系统网络拓扑结构图G＝(V,E)，其中，V＝{v₁,v₂,…,v_m}，V为节点集合，v₁,v₂,...,v_m分别代表第1节点、第2节点...第m节点；E＝{e₁,e₂,…,e_n},E为风道集合；e₁,e₂,...,e_n分别代表第1风道、第2风道...第n风道；

步骤2，进行全局通风阻力测定，并通过矿井通风平差计算，获得准确的满足通风平衡定律的通风系统初始状态T⁰＝(R⁰,A⁰,B⁰,C⁰,Q⁰,H⁰,H_z ⁰)，其中，T⁰代表通风系统初始状态；R⁰、A⁰、B⁰、C⁰、Q⁰、H⁰和H_z ⁰分别为各风道的风网的风阻向量、风机特性曲线二次项系数向量、风机特性曲线一次项系数向量、风机特性曲线常数项向量、风网的风量向量、风网的阻力向量和风网的自然风压向量；

步骤3，根据初始状态T⁰＝(R⁰,A⁰,B⁰,C⁰,Q⁰,H⁰,H_z ⁰)，计算得到灵敏度矩阵S_L：

其中，s_ij为通风系统在初始状态T⁰时，第i风道的风量Q_i关于第j风道的风阻R_j的变化率，即

步骤4，按照风道风阻的稳定性和重要性，将风道划分为以下四类，分别为：I类风道、II类风道、III类风道和IV类风道；其中，I类风道指风阻稳定且可直接精确测量风阻的风道；II类风道指风阻呈多态性，在不同时段取不同风阻值的风道；III类风道指需风量固定的风道；IV类风道指：除去I类风道、II类风道和III类风道外的其它风道；

I类风道、II类风道、III类风道和IV类风道分别对应风道集E_I、E_II、E_III和E_IV；

按照风量的必测性、灵敏性和可测性，将风道划分为以下五类，分别为：A类风道、B类风道、C类风道、D类风道和E类风道；其中，A类风道指：按照相关矿山安全规定必须监测风量的风道；B类风道指：II类风道风阻变化引起风量敏感变化的风道；C类风道指：风量不可直接测量的风道；D类风道指：与I类风道相连的非I类风道；E类风道指：除去A类风道、B类风道、C类风道和D类风道外的其它风道；

A类风道、B类风道、C类风道、D类风道和E类风道分别对应风道集E_A、E_B、E_C、E_D和E_E；

步骤5，在步骤1得到的矿井通风系统网络拓扑结构图G＝(V,E)中，查找出I类风道组成的各个连通片，把每一个连通片简化成一个虚拟节点，也将每一个进回风井口简化成一个井口节点，由此得到简化后的通风系统；简化后的通风系统构成一个新的通风网络G₁＝(V₁,E₁)；其中，V₁为新的通风网络的节点集合，E₁为新的通风网络的风道集合；

步骤6，对于新的通风网络G₁＝(V₁,E₁)中的风道，按照D类风道、C类风道、II类风道、IV类风道、B类风道、III类风道、A类风道和E_E-E_I类风道的顺序进行排序，并去掉排序在后出现的重复风道，共得到p个风道，按顺序依次记为：风道e_s1、风道e_s2…风道e_sp；由此得到序列^S：

{S}＝{e_s1,e_s2,…,e_sp}

步骤7，对于新的通风网络G₁＝(V₁,E₁)，按照序列{S}中的风道顺序，用加边法求出G₁＝(V₁,E₁)的一棵生成树T₁，其树支集合E_T＝{e_T1,e_T2,…,e_Tk}，连支集合E_L＝{e_L1,e_L2,…,e_L(p-k)}；其中，e_T1为树支集合中第1个风道；e_T2为树支集合中第2个风道…e_Tk为树支集合中第k个风道；e_L1为连支集合中第1个风道；e_L2为连支集合中第2个风道…e_L(p-k)为连支集合中第p-k个风道；其中，p和k均为自然数，并且，1≤k＜p；

步骤8，通过以下公式求取布置风速传感器的风道集E_S：

E_S＝E_L∪E_A

步骤9，在风道集E_S中的每个风道上布置风速传感器，通过风速传感器测量得到对应风道的风速监测值；基于风道断面计算方法求出E_S中每个风道的风量；

用最优平差的方法计算树支集合E_T中每个风道的风量；再利用固定风量解算方法计算出风道集E_I中每个风道的风量；至此计算出通风系统中所有风道的风量。

优选的，步骤4中，通过以下方法确定B类风道：

步骤4.1，设II类风道对应的风道集E_II＝{e_Π1,e_Π2,...,e_Πf},即：风道集E_II共包含f个风道，分别为e_Π1、e_Π2…e_Πf；

基于步骤3得到的灵敏度矩阵S_L，得到风道e_Π1的风阻相对于第1风道的风量的灵敏度S₁₁；风道e_Π1的风阻相对于第2风道的风量的灵敏度S₁₂，依此类推，直到风道e_Π1的风阻相对于第n风道的风量的灵敏度S_1n；

得到风道e_Π2的风阻相对于第1风道的风量的灵敏度S₂₁；风道e_Π2的风阻相对于第2风道的风量的灵敏度S₂₂，依此类推，直到风道e_Π2的风阻相对于第n风道的风量的灵敏度S_2n；

依此类推

直到得到风道e_Πf的风阻相对于第1风道的风量的灵敏度S_f1；风道e_Πf的风阻相对于第2风道的风量的灵敏度S_f2，依此类推，直到风道e_Πf的风阻相对于第n风道的风量的灵敏度S_fn；

步骤4.2，计算|S₁₁|+|S₂₁|+|S_f1|的和，计为sum₁；计算|S₁₂|+|S₂₂|+|S_f2|的和，计为sum₂；依此类推，直到计算|S_1n|+|S_2n|+|S_fn|的和，计为sum_n；其中，“||”代表绝对值符号；

步骤4.3，预设定灵敏度预设阈值sum₀，从sum₁、sum₂…sum_n中查找到大于sum₀的值，大于sum₀的sum_i所对应的风道即为第i风道，其中，i∈(1、2…n)；

步骤4.4，大于sum₀的sum_i所对应的风道集合再减去E_II风道集合，即得到B类风道。

优选的，步骤9中，风速传感器采用以下方法安装到风道上：

加工一根长为L、直径为D的薄壁圆管，圆管中间是一段长度为l、直径为d的变径管，变径管用于聚风和安装风速传感器；最后把圆管安装到巷道中，使圆管中心到巷道的帮距为x；

当L和D相对于l和d满足设定放大倍数时，圆管起到聚风的作用，即：可将圆管中心位置未安装圆管时的原始风速V_x放大到传感器的启动风速V_q以上，实现风速传感器对低风速的有效监测。

优选的，圆管采用的材质为PVC或轻型金属材料。

优选的，圆管和变径管的相交部位采用流线形过渡，以减少局部阻力。

优选的，还包括：

对于风道集E_S中的每个风道，当通过布置风速传感器测量得到风道中传感器风速V_c后，通过以下公式计算巷道平均风速V_p：

V_p＝a V_c+b

其中，a为传感器风速和巷道平均风速的第1校验系数；b为传感器风速和巷道平均风速的第2校验系数。

本发明提供的一种矿井全局精确测风的传感器优化布置方法具有以下优点：

(1)本发明提供的矿井全局精确测风的传感器优化布置方法，利用普通的风速传感器及较少的安装数量，可实时获得每条风道较准确的风量，为通风系统在线分析状态识别和诊断提供了一个可行的解决方案。

(2)对于风速较低的风道，本发明给出了一种低风速的长距低阻聚风风速传感器安装方法，提高了风速传感器测量量程和灵敏度。

附图说明

图1为本发明提供的矿井通风系统网络拓扑结构图；

图2为本发明提供的简化的矿井通风系统网络拓扑结构图；

图3为本发明提供的监测布局生成树图；

图4为本发明提供的靠近巷道顶部或两帮的低风速区传感器安装原理图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种完整的矿井全局精确测风的传感器优化布置与安装方法，利用该方法可以有效地解决矿井通风系统风流状态不能精确监测的技术难题，满足矿井通风系统正常时期和灾变时期各风道风流的精确监测需求，是实现通风系统自动化的重要技术基础之一。

本发明提供一种矿井全局精确测风的传感器优化布置方法，包括以下步骤：

步骤1，建立完整的矿井通风系统网络拓扑结构图并编号，编号方法为：将进风井口和回风井口这两个节点各编制为一个编号；对于其他节点，按照风流流动方向，从始点到终点对各节点按从小到大顺序进行编号；另外，还编制各风道的风道号；

设矿井通风系统共有m个节点和n条风道，m和n均为自然数；由此得到编号后的矿井通风系统网络拓扑结构图G＝(V,E)，其中，V＝{v₁,v₂,…,v_m}，V为节点集合，v₁,v₂,...,v_m分别代表第1节点、第2节点...第m节点；E＝{e₁,e₂,…,e_n},E为风道集合；e₁,e₂,...,e_n分别代表第1风道、第2风道...第n风道；

步骤2，进行全局通风阻力测定，并通过矿井通风平差计算，获得准确的满足通风平衡定律的通风系统初始状态T⁰＝(R⁰,A⁰,B⁰,C⁰,Q⁰,H⁰,H_z ⁰)，其中，T⁰代表通风系统初始状态；R⁰、A⁰、B⁰、C⁰、Q⁰、H⁰和H_z ⁰分别为各风道的风网的风阻向量、风机特性曲线二次项系数向量、风机特性曲线一次项系数向量、风机特性曲线常数项向量、风网的风量向量、风网的阻力向量和风网的自然风压向量；

步骤3，根据初始状态T⁰＝(R⁰,A⁰,B⁰,C⁰,Q⁰,H⁰,H_z ⁰)，计算得到灵敏度矩阵S_L：

其中，s_ij为通风系统在初始状态T⁰时，第i风道的风量Q_i关于第j风道的风阻R_j的变化率，即

对于灵敏度矩阵S_L，既可以按行查找出影响每个风道风量变化快慢的风道风阻顺序，也可以按列查找到每个风道风阻的变化影响到的风道风量变化的快慢顺序。

步骤4，按照风道风阻的稳定性和重要性，将风道划分为以下四类，分别为：I类风道、II类风道、III类风道和IV类风道；其中，I类风道指风阻稳定且可直接精确测量风阻的风道；II类风道指风阻呈多态性，在不同时段取不同风阻值的风道；III类风道指需风量固定的风道；IV类风道指：除去I类风道、II类风道和III类风道外的其它风道；

I类风道、II类风道、III类风道和IV类风道分别对应风道集E_I、E_II、E_III和E_IV；

按照风量的必测性、灵敏性和可测性，将风道划分为以下五类，分别为：A类风道、B类风道、C类风道、D类风道和E类风道；其中，A类风道指：按照相关矿山安全规定必须监测风量的风道；B类风道指：II类风道风阻变化引起风量敏感变化的风道；C类风道指：风量不可直接测量的风道；D类风道指：与I类风道相连的非I类风道；E类风道指：除去A类风道、B类风道、C类风道和D类风道外的其它风道；

A类风道、B类风道、C类风道、D类风道和E类风道分别对应风道集E_A、E_B、E_C、E_D和E_E；

步骤4中，通过以下方法确定B类风道：

步骤4.1，设II类风道对应的风道集E_II＝{e_Π1,e_Π2,...,e_Πf},即：风道集E_II共包含f个风道，分别为e_Π1、e_Π2…e_Πf；

基于步骤3得到的灵敏度矩阵S_L，得到风道e_Π1的风阻相对于第1风道的风量的灵敏度S₁₁；风道e_Π1的风阻相对于第2风道的风量的灵敏度S₁₂，依此类推，直到风道e_Π1的风阻相对于第n风道的风量的灵敏度S_1n；

得到风道e_Π2的风阻相对于第1风道的风量的灵敏度S₂₁；风道e_Π2的风阻相对于第2风道的风量的灵敏度S_22，依此类推，直到风道e_Π2的风阻相对于第n风道的风量的灵敏度S_2n；

依此类推

直到得到风道e_Πf的风阻相对于第1风道的风量的灵敏度S_f1；风道e_Πf的风阻相对于第2风道的风量的灵敏度S_f2，依此类推，直到风道e_Πf的风阻相对于第n风道的风量的灵敏度S_fn；

步骤4.2，计算|S₁₁|+|S₂₁|+|S_f1|的和，计为sum₁；计算|S₁₂|+|S₂₂|+|S_f2|的和，计为sum₂；依此类推，直到计算|S_1n|+|S_2n|+|S_fn|的和，计为sum_n；其中，“||”代表绝对值符号；

步骤4.3，预设定灵敏度预设阈值sum₀，从sum₁、sum₂…sum_n中查找到大于sum₀的值，大于sum₀的sum_i所对应的风道即为第i风道，其中，i∈(1、2…n)；

步骤4.4，大于sum₀的sum_i所对应的风道集合再减去E_II风道集合，即得到B类风道。

步骤5，在步骤1得到的矿井通风系统网络拓扑结构图G＝(V,E)中，查找出I类风道组成的各个连通片，把每一个连通片简化成一个虚拟节点，也将每一个进回风井口简化成一个井口节点，由此得到简化后的通风系统；简化后的通风系统构成一个新的通风网络G₁＝(V₁,E₁)；其中，V₁为新的通风网络的节点集合，E₁为新的通风网络的风道集合；本步骤中，将I类风道组成的各个连通片简化为虚拟节点，可以减少传感器布置数量。

步骤6，对于新的通风网络G₁＝(V₁,E₁)中的风道，按照D类风道、C类风道、II类风道、IV类风道、B类风道、III类风道、A类风道和E_E-E_I类风道的顺序进行排序，并去掉排序在后出现的重复风道，共得到p个风道，按顺序依次记为：风道e_s1、风道e_s2…风道e_sp；由此得到序列S：

{S}＝{e_s1,e_s2,…,e_sp}

步骤7，对于新的通风网络G₁＝(V₁,E₁)，按照序列{S}中的风道顺序，用加边法求出G₁＝(V₁,E₁)的一棵生成树T₁，其树支集合E_T＝{e_T1,e_T2,…,e_Tk}，连支集合E_L＝{e_L1,e_L2,···,e_L(p-k)}；其中，e_T1为树支集合中第1个风道；e_T2为树支集合中第2个风道…e_Tk为树支集合中第k个风道；e_L1为连支集合中第1个风道；e_L2为连支集合中第2个风道…e_L(p-k)为连支集合中第p-k个风道；其中，p和k均为自然数，并且，1≤k＜p；

步骤8，通过以下公式求取布置风速传感器的风道集E_S：

E_S＝E_L∪E_A

利用步骤5-步骤8的排序方法得到传感器布置方案，既能避免在不可测或不易测的风道上布置风速传感器，也充分利用了灵敏特征，使得只要II类风道的风阻有变化，其影响较灵敏的风道上风速传感器就能测到。

步骤9，在风道集E_S中的每个风道上布置风速传感器，通过风速传感器测量得到对应风道的风速监测值；基于风道断面计算方法求出E_S中每个风道的风量；

用最优平差的方法计算树支集合E_T中每个风道的风量；再利用固定风量解算方法计算出风道集E_I中每个风道的风量；至此计算出通风系统中所有风道的风量。

本步骤中，风速传感器采用以下方法安装到风道上：

加工一根长为L、直径为D的薄壁圆管，圆管中间是一段长度为l、直径为d的变径管，变径管用于聚风和安装风速传感器；最后把圆管安装到巷道中，使圆管中心到巷道的帮距为x；

当L和D相对于l和d满足设定放大倍数时，圆管起到聚风的作用，即：可将圆管中心位置未安装圆管时的原始风速V_x放大到传感器的启动风速V_q以上，实现风速传感器对低风速的有效监测。

还包括：

对于风道集E_S中的每个风道，当通过布置风速传感器测量得到风道中传感器风速V_c后，通过以下公式计算巷道平均风速V_p：

V_p＝a V_c+b

其中，a为传感器风速和巷道平均风速的第1校验系数；b为传感器风速和巷道平均风速的第2校验系数。

以图1为例，说明本发明的一个具体实施方式：

如图1所示，为矿井通风系统网络拓扑结构图。假设图1中，风道10、11、12为风阻变化较大的回采工作面所在风道；风道3、4、5为风阻基本上不变的进风区的自然分风风道；风道1、13是无法布置风速传感器的不可测风风道；风道16为风机所在风道，其风机工作特性曲线为：

P_f＝-0.09921Q²+2.54271Q+4861.9637

步骤1，建立完整的矿井通风系统网络拓扑结构图并编号，得到编号后的矿井通风系统网络拓扑结构图G＝(V,E)，其中，V＝{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11}为节点集，E＝{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16}为风道集。即，在图1中，共有11个节点16个风道。

步骤2，对通风系统进行全局通风阻力测定，全局通风阻力测定结果如表1所示。

表1 通风系统阻力测定计算结果

对于图1和表1，采用自然分风解算方法求出准确的满足通风平衡定律的通风系统初始状态，如表2所示。

表2 通风系统初始状态

步骤3、计算各风道风量对所有风道风阻对应的灵敏度矩阵，结果见表3。

表3 通风系统风量对风阻的灵敏度

步骤4、根据图1的风道特征，按照风阻的稳定性和重要性，将风道划分为I类风道(风阻稳定且可直接精确测量风阻的风道)、II类风道(风阻呈多态性，在不同时段取不同风阻值的风道)、III风道(需风量固定的风道)、IV风道(除去I类风道、II类风道和III类风道外的其它风道)。

I类风道、II类风道、III类风道和IV类风道分别对应风道集E_I、E_II、E_III和E_IV；

对于图1的通风系统，可得：

E_I＝{3,4,5}，E_II＝{10,11,12}，E_III＝{10,11,12,16}，E_IV＝{1,2,6,7,8,9,13,14,15}

按照风量的必测性、灵敏性和可测性，将风道划分为A类风道(按照相关矿山安全规定必须监测风量的风道)、B类风道(II类风道风阻变化引起风量敏感变化的风道)、C类风道(风量不可直接测量的风道，如立井井筒、漏风风道、超低风速风道等)、D类风道(与I类风道相连的非I类风道)和E类风道(除去A类风道、B类风道、C类风道和D类风道外的其它风道)。

由本例可知，回采工作面回风侧必须布置风速传感器，因此，E_A＝{10,11,12,16}

由表3可知，II类风道，即风道10、风道11、风道12的风阻变化引起风量敏感变化的风道包括风道13、7、6、8、9、14、15和5，因此，E_B＝{13,7,6,8,9,14,15,5}

同样可得E_C＝{1,13}，E_D＝{2,6,7}，E_E＝{3,4}。

步骤5、在步骤1得到的矿井通风系统网络拓扑结构图G＝(V,E)中，查找出I类风道组成的各个连通片，把每一个连通片简化成一个虚拟节点。在图1中，I类风道只组成1个连通片，将该连通片简化成一个虚拟节点，即节点12，也将每一个进回风井口简化成一个井口节点，即节点13，得到简化后的通风系统；简化后的通风系统构成一个新的通风网络G₁＝(V₁,E₁)，见图2。

步骤6，对于图2中未简化掉的风道，即风道1、2、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16，按照D类风道、C类风道、II类风道、IV类风道、B类风道、III类风道、A类风道和E_E-E_I类风道的顺序进行排序，并去掉排序在后出现的重复风道，得到序列：

{S}＝{2,6,7,1,13,10,11,12,8,9,14,15,16}

步骤7，对新的通风网络G₁＝(V₁,E₁)，按照序列{S}中的顺序，用加边法求出G₁＝(V₁,E₁)的一棵生成树T₁，见图3。

由图3可知，其树支集合E_T＝{2,6,7,1,13,10,14}，连支集合E_L＝{11,12,8,9,15,16}。

步骤8，通过以下公式求取布置风速传感器的风道集E_S：

E_S＝E_L∪E_A＝{11,12,8,9,15,16,10}

步骤9，在风道集E_S中的每个风道上布置风速传感器，通过风速传感器测量得到对应风道的风速监测值；基于风道断面计算方法求出E_S中每个风道的风量；

本例中，E_S包含了E_L且比E_L的风道多，因此，可以用最优平差的方法计算树支集合E_T＝{2,6,7,1,13,10,14}中每个风道的风量。利用E_A中比E_L多出的风速监测数量进行平差，可以进一步提高监测数据精度。再利用固定风量解算方法计算出图中风道集E_I＝{3,4,5}中每个风道的风量。至此，至此计算出通风系统中所有风道的风量。

下面给出如何安装风速传感器，才能对低风速进行有效监测，提高其监测量程和灵敏度：

假设风速传感器的启动风速为V_q，需要能精确监测的风速为V_x。不妨假设巷道的当量直径为D_H，由于圆管中心位置O点到巷道的帮距为x，离巷道中心较远，在未安装本发明圆管时，O点的风速V_x一般较小，达不到一般风速传感器的启动风速V_q，故无法监测。

因此，发明人采用PVC或轻型金属材料加工一根长为L、直径为D的薄壁圆管，圆管中间是一段长度为l、直径为d的变径管，变径管用于聚风和安装风速传感器，要求d和l足够的小，以能安装下风速传感器为限，而且d和D管径的连接部位尽量采用流线形过渡，以便尽量减少局部阻力。此方法的特征在于，当L和D相对于l和d足够大时，圆管具有聚风的作用，即，可把风速V_x放大到传感器的启动风速V_q以上。

下面以圆形巷道的层流流态为例，给出D和L的估算方法：

变径部分和传感器的局部风阻值R_J，圆管的单位长度风阻值R_t和巷道环型空间的单位长度风阻值R_h。则风道中传感器风速V_c(安装圆管时O点的风速值)、巷道平均风速V_p和圆管中心原始风速V_x(即未安装圆管时O点的风速值)存在如下关系：

其中：A为聚风系数，r₀为巷道半径。

从上式可以看出，r₀,l,d,R_J,R_t,R_h一定时，D和L越大，聚风系数越大，则聚风效果越好。

例如，取r₀＝3,l＝0.2,d＝0.15,R_J＝0.005,R_t＝0.001,R_h＝0.0002，V_p＝0.4,D＝0.9,x＝0.5，则得到表4。

表4 长度L与聚风系数A的关系

L	Vx	A	Vc
				0.5	0.2444	0.7018	0.1715
1	0.2444	1.3636	0.3333
				3	0.2444	3.6735	0.8979
5	0.2444	5.5555	1.1380

由表4可知，如果风速传感器的启动风速为0.3，当巷道风速为0.4时，V_x＝0.2444，因此，V_x低于风速传感器的启动风速，风速传感器无法直接监测该点的风速值；

安装圆管后，假设L＝0.5,V_c＝0.1715，V_c低于风速传感器的启动风速，风速传感器也不能进行监测；

如果取L＝1,V_c＝0.3333，V_c高于风速传感器的启动风速，风速传感器已经可以进行风速监测；

如果取L＝3,V_c＝0.8979,V_c远高于风速传感器的启动风速，即使风速传感器的启动风速为0.85，风速传感器也可以有效监测风带。因此，通过安装圆管，并在圆管内部安装风速传感器，圆管具有聚风的作用，可把风速V_x放大到传感器的启动风速V_q以上，从而有效解决现有风速传感器的可靠测风问题。

对于一般的巷道和紊流流态也可作类似推导。采用本发明风速传感器的安装方法，直接测量得到风道中传感器风速V_c，为风道中某一点的风速值，该风速值可采用以下方法换算为巷道平均风速V_p：

V_p＝a V_c+b

因此，通过传感器风速V_c反算巷道平均风速V_p，实现巷道风速监测。

本发明提供的一种矿井全局精确测风的传感器优化布置方法，具有以下优点：

(1)本发明提供的矿井全局精确测风的传感器优化布置方法，利用普通的风速传感器及较少的安装数量，可实时获得每条风道较准确的风量，为通风系统在线分析状态识别和诊断提供了一个可行的解决方案。

(2)对于风速较低的风道，本发明给出了一种低风速的长距低阻聚风风速传感器安装方法，提高了风速传感器测量量程和灵敏度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种矿井全局精确测风的传感器优化布置方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立完整的矿井通风系统网络拓扑结构图并编号，编号方法为：将进风井口和回风井口这两个节点各编制为一个编号；对于其它 节点，按照风流流动方向，从始点到终点对各节点按从小到大顺序进行编号；另外，还编制各风道的风道号；

设矿井通风系统共有m个节点和n条风道，m和n均为自然数；由此得到编号后的矿井通风系统网络拓扑结构图G＝(V,E)，其中，V＝{v₁,v₂,…,v_m}，V为节点集合，v₁,v₂,...,v_m分别代表第1节点、第2节点...第m节点；E＝{e₁,e₂,…,e_n},E为风道集合；e₁,e₂,...,e_n分别代表第1风道、第2风道...第n风道；

步骤2，进行全局通风阻力测定，并通过矿井通风平差计算，获得准确的满足通风平衡定律的通风系统初始状态T⁰＝(R⁰,A⁰,B⁰,C⁰,Q⁰,H⁰,H_z ⁰)，其中，T⁰代表通风系统初始状态；R⁰、A⁰、B⁰、C⁰、Q⁰、H⁰和H_z ⁰分别为各风道的风网的风阻向量、风机特性曲线二次项系数向量、风机特性曲线一次项系数向量、风机特性曲线常数项向量、风网的风量向量、风网的阻力向量和风网的自然风压向量；

步骤3，根据初始状态T⁰＝(R⁰,A⁰,B⁰,C⁰,Q⁰,H⁰,H_z ⁰)，计算得到灵敏度矩阵S_L：

其中，s_ij为通风系统在初始状态T⁰时，第i风道的风量Q_i关于第j风道的风阻R_j的变化率，即

步骤4，按照风道风阻的稳定性和重要性，将风道划分为以下四类，分别为：I类风道、II类风道、III类风道和IV类风道；其中，I类风道指风阻稳定且可直接精确测量风阻的风道；II类风道指风阻呈多态性，在不同时段取不同风阻值的风道；III类风道指需风量固定的风道；IV类风道指：除去I类风道、II类风道和III类风道外的其它 风道；

I类风道、II类风道、III类风道和IV类风道分别对应风道集E_I、E_II、E_III和E_IV；

按照风量的必测性、灵敏性和可测性，将风道划分为以下五类，分别为：A类风道、B类风道、C类风道、D类风道和E类风道；其中，A类风道指：按照相关矿山安全规定必须监测风量的风道；B类风道指：II类风道风阻变化引起风量敏感变化的风道；C类风道指：风量不可直接测量的风道；D类风道指：与I类风道相连的非I类风道；E类风道指：除去A类风道、B类风道、C类风道和D类风道外的其它 风道；

A类风道、B类风道、C类风道、D类风道和E类风道分别对应风道集E_A、E_B、E_C、E_D和E_E；

步骤5，在步骤1得到的矿井通风系统网络拓扑结构图G＝(V,E)中，查找出I类风道组成的各个连通片，把每一个连通片简化成一个虚拟节点，也将每一个进回风井口简化成一个井口节点，由此得到简化后的通风系统；简化后的通风系统构成一个新的通风网络G₁＝(V₁,E₁)；其中，V₁为新的通风网络的节点集合，E₁为新的通风网络的风道集合；

步骤6，对于新的通风网络G₁＝(V₁,E₁)中的风道，按照D类风道、C类风道、II类风道、IV类风道、B类风道、III类风道、A类风道和E_E-E_I类风道的顺序进行排序，其中，E_E-E_I的含义为：E_E减去E_I；并去掉排序在后出现的重复风道，共得到p个风道，按顺序依次记为：风道e_s1、风道e_s2…风道e_sp；由此得到序列S：

{S}＝{e_s1,e_s2,…,e_sp}

步骤7，对于新的通风网络G₁＝(V₁,E₁)，按照序列{S}中的风道顺序，用加边法求出G₁＝(V₁,E₁)的一棵生成树T₁，其树支集合E_T＝{e_T1,e_T2,…,e_Tk}，连支集合E_L＝{e_L1,e_L2,…,e_L(p-k)}；其中，e_T1为树支集合中第1个风道；e_T2为树支集合中第2个风道…e_Tk为树支集合中第k个风道；e_L1为连支集合中第1个风道；e_L2为连支集合中第2个风道…e_L(p-k)为连支集合中第p-k个风道；其中，p和k均为自然数，并且，1≤k＜p；

步骤8，通过以下公式求取布置风速传感器的风道集E_S：

E_S＝E_L∪E_A

步骤9，在风道集E_S中的每个风道上布置风速传感器，通过风速传感器测量得到对应风道的风速监测值；基于风道断面计算方法求出E_S中每个风道的风量；

用最优平差的方法计算树支集合E_T中每个风道的风量；再利用固定风量解算方法计算出风道集E_I中每个风道的风量；至此计算出通风系统中所有风道的风量。

2.根据权利要求1所述的一种矿井全局精确测风的传感器优化布置方法，其特征在于，步骤4中，通过以下方法确定B类风道：

步骤4.1，设II类风道对应的风道集E_II＝{e_∏1,e_∏2,...,e_∏f},即：风道集E_II共包含f个风道，分别为e_∏1、e_∏2…e_∏f；

基于步骤3得到的灵敏度矩阵S_L，得到风道e_∏1的风阻相对于第1风道的风量的灵敏度S₁₁；风道e_∏1的风阻相对于第2风道的风量的灵敏度S_12，依此类推，直到风道e_∏1的风阻相对于第n风道的风量的灵敏度S_1n；

得到风道e_∏2的风阻相对于第1风道的风量的灵敏度S₂₁；风道e_∏2的风阻相对于第2风道的风量的灵敏度S_22，依此类推，直到风道e_∏2的风阻相对于第n风道的风量的灵敏度S_2n；

依此类推

直到得到风道e_∏f的风阻相对于第1风道的风量的灵敏度S_f1；风道e_∏f的风阻相对于第2风道的风量的灵敏度S_f2，依此类推，直到风道e_∏f的风阻相对于第n风道的风量的灵敏度S_fn；

步骤4.2，计算|S₁₁|+|S₂₁|+|S_f1|的和，计为sum₁；计算|S₁₂|+|S₂₂|+|S_f2|的和，计为sum₂；依此类推，直到计算|S_1n|+|S_2n|+|S_fn|的和，计为sum_n；其中，“||”代表绝对值符号；

步骤4.3，预设定灵敏度预设阈值sum₀，从sum₁、sum₂…sum_n中查找到大于sum₀的值，大于sum₀的sum_i所对应的风道即为第i风道，其中，i∈(1、2…n)；

步骤4.4，大于sum₀的sum_i所对应的风道集合再减去E_II风道集合，即得到B类风道。

3.根据权利要求1所述的一种矿井全局精确测风的传感器优化布置方法，其特征在于，步骤9中，风速传感器采用以下方法安装到风道上：

加工一根长为L、直径为D的薄壁圆管，圆管中间是一段长度为l、直径为d的变径管，变径管用于聚风和安装风速传感器；最后把圆管安装到巷道中，使圆管中心到巷道的帮距为x；

当L和D相对于l和d满足设定放大倍数时，圆管起到聚风的作用，即：可将圆管中心位置未安装圆管时的原始风速V_x放大到传感器的启动风速V_q以上，实现风速传感器对低风速的有效监测。

4.根据权利要求3所述的一种矿井全局精确测风的传感器优化布置方法，其特征在于，圆管采用的材质为PVC或轻型金属材料。

5.根据权利要求3所述的一种矿井全局精确测风的传感器优化布置方法，其特征在于，圆管和变径管的相交部位采用流线形过渡，以减少局部阻力。

6.根据权利要求3所述的一种矿井全局精确测风的传感器优化布置方法，其特征在于，还包括：

对于风道集E_S中的每个风道，当通过布置风速传感器测量得到风道中传感器风速V_c后，通过以下公式计算巷道平均风速V_p：

V_p＝aV_c+b

其中，a为传感器风速和巷道平均风速的第1校验系数；b为传感器风速和巷道平均风速的第2校验系数。