CN107083983A - 一种集约化矿井通风阻力测算方法 - Google Patents
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Abstract
一种集约化矿井通风阻力测算方法，包括以下步骤：在井下巷道中建立若干通风阻力测定子系统，并合理布置风速传感器；井下互为并联的两条或多条巷道，共用始节点和末节点，在巷道的始节点和末节点处均安设皮托管和压差传感器，皮托管尖端垂直巷道断面并正对风流方向；长管线和短管线均沿巷道内壁腰线固定布设；长管线的出风端、短管线的出风端分别与压差传感器的两测量接口连接，即能得到巷道的通风阻力hi；计算矿井通风阻力h；计算出每条巷道的风阻Ri。该方法能够节省目前压差计法测矿井通风阻力所需要的资源，能避免人为因素所造成的测量误差，能实现高精度矿井通风网络在线解算，有利于矿井通风系统的智能调控与超前预警。
Description
技术领域
本发明涉及矿井通风与安全领域，具体涉及一种集约化矿井通风阻力测算方法。
背景技术
目前，矿井通风阻力测定的常用方法有气压计法和压差计法两种方法。两种方法相比，气压计法的测量精度较低，导致测定结果误差较大；压差计法的测量难度大，不适合全矿性大规模测量。无论哪种方法，都需要一定数量的专业技术人员对全矿进行人工普查式测量。而矿井通风的风网解算已经发展到可以利用计算机编程实现，如矿井通风仿真软件(Ventilation Simulation Expert)。由此可见，现阶段矿井通风阻力测定的方法已经严重限制矿井通风与安全数字化、智能化的发展。
在我国所有煤矿均装备了安全监测监控系统的背景下，煤矿指挥中心可以通过监测监控系统获取并储存大量数据，如瓦斯浓度、风速等。一般情况下，煤矿井下巷道数量较多、实况复杂，监测数据无法覆盖井下全部地点，只能重点监测部分关键地点。近年来，随着“一井一面”理念在煤矿安全高效生产的探索实践中不断深入，井下每一条独立的巷道都建立通风阻力测定子系统是完全可以实现的。一旦将矿井通风阻力测定系统与监控系统对接，就可以实现一井一面通风阻力测定实时监测。能够节省目前压差计法测矿井通风阻力所需的资源，避免人为因素造成的测量误差，实现高精度矿井通风网络在线解算，有利于矿井通风系统的智能调控与超前预警。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种集约化矿井通风阻力测算方法，该方法能够节省目前压差计法测矿井通风阻力所需要的资源，能避免人为因素所造成的测量误差，能实现高精度矿井通风网络在线解算，有利于矿井通风系统的智能调控与超前预警。
为了实现上述目的，本发明提供一种集约化矿井通风阻力测算方法，包括以下步骤：
步骤一：在井下巷道中以每条独立的巷道为对象建立若干通风阻力测定子系统，并选定PVC钢丝软管作为阻力测定子系统内的测压管线，测压管线分为长管线和短管线；
步骤二：使井下互为并联的两条或多条巷道，共用始节点和末节点，在巷道的始节点和末节点处均安设皮托管，其中使皮托管头部垂直巷道断面并正对风流方向；在进风井中、通风井中均设置有风速传感器；
步骤三：在每个通风阻力测定子系统中，使长管线沿巷道内壁腰线固定布设，其进风端与始节点处皮托管的+端连接，靠近进风口处的皮托管所在的断面记为断面I，靠近出风口处的皮托管所在的的断面记为断面II，长管线的进风端位于断面I内，短管线沿巷道内壁腰线固定布设，其进风端与末节点处皮托管的+端连接，短管线的进风端位于断面II内；
步骤四：设矿井最大通风阻力路线上共有i条巷道，在这i条巷道中都布设有通风阻力测定子系统，在每条巷道中，使长管线的出风端、短管线的出风端分别与压差传感器的两测量接口连接，压差传感器的示数即是巷道断面I和断面II的全压差，即巷道的通风阻力hi；
步骤五：计算矿井通风阻力h，具体步骤如下：
(1)通过设置在进风井和回风井中的风速传感器获得进风井风速vin和回风井风速vout；
(2)计算进风井风量Qin和回风井风量Qout，其中Qin＝vin·Sin，Qout＝vout·Sout，
式中，Sin、Sout分别为进风井和回风井的断面积，单位m2；
(3)计算进风井通风阻力hin和回风井通风阻力hout，其中hin＝Rin·Qin 2，hout＝Rout·Qout 2，
式中，Rin、Rout分别为进风井和回风井风阻，为已知定值，单位Ns2/m8；
(4)计算矿井通风阻力h，计算公式为h＝hin+(h1+h2+…+hi)+hout；
步骤六：计算出每条巷道的风阻Ri，具体步骤如下：
(1)在通风网络图独立分支所对应的巷道中均布置风速传感器；
(2)计算出各个独立分支巷道的风量QN，其中QN＝vN·SN，
式中，vN为各独立分支巷道的巷道风速，由风速传感器示数获得；
SN为各独立分支巷道的巷道断面积，单位m2；
(3)根据布置在独立分支巷道中的风速传感器并结合节点风量平衡方程计算出非独立分支所有巷道的风量，节点风量平衡方程的矩阵形式为：Qm＝CT·Qy，
式中，CT为独立回路矩阵C的转置，对于给定的巷道通风网络，C已知；
Qy为独立分支巷道的风量QN组成的矩阵列向量；
(4)计算出每条巷道的风阻Ri，
所述步骤一中，在并联的巷道中选定最短的一条巷道布设通风阻力测定子系统。
所述步骤六中的(1)中的风速传感器布置的位置与巷道进风口处的皮托管的位置相同，对于无法布置风速传感器的通风网络图独立分支所对应的巷道，将风速传感器布置在与其等效的其他通风网络图独立分支所对应的巷道，对于有必要重点监测而没有布置的巷道，额外增设风速传感器；对于给定的通风网络，在全矿井布置的风速传感器的最少数量与通风网络图独立分支个数N相等，其中，N＝n-m+1
式中，n为通风网络图的所有分支数；m为巷道中的所有节点数。
所述步骤二中的始节点处皮托管安设在巷道进风口下风侧8倍巷道宽度的巷道断面内，末节点处皮托管安设在巷道出风口上风侧3倍巷道宽度的巷道断面内。
所述的皮托管安设位置前后3m内巷道支护完好，无堆积物。
所述的皮托管安设位置所在巷道断面内，由锚固在巷道顶板上的刚性支架将PVC钢丝软管和皮托管从巷道内壁延伸到断面水平中间位置，皮托管尖端距巷道顶板中心线的高度为300mm。
所述步骤四的压差传感器安设在末节点处皮托管下风侧6m处的巷道内壁上。
所述的皮托管、压差传感器与PVC钢丝软管连接处，均采用法兰密封连接。
所述步骤二中的在巷道节点处布置气压传感器。
本发明所述方法能够节省目前压差计法测矿井通风阻力所需的资源，避免人为因素造成的测量误差，能实现集约化矿井通风阻力高精度测算，有利于矿井通风系统的智能调控与超前预警。所述方法测定矿井通风阻力，简便可行，尤其适用一井一面高度集约化新建矿井。该方法可以有利于矿井通风阻力的实时在线测算，能够避免人工测算过程的繁琐工序，也能降低人为因素所产生的误差。该方法可以便于与煤矿现有的安全监测系统对接，通过该方法的应用，相当于在煤矿里的安全监测系统里增加了一个监控模块，能实时在线地获取矿井通风阻力。
附图说明
图1是本发明的巷道中通风阻力测定子系统的布设示意图；
图2是本发明应用于弧顶形巷道中的皮托管处的断面示意图；
图3是本发明应用于方顶形巷道中的皮托管处的断面示意图；
图4是本发明中并联巷道中通风阻力测定子系统的布设路线示意图。
图中：1、长管线，2、短管线，3、皮托管，4、压差传感器，5、测压管线，6、刚性支架，7、污风，8、新鲜风。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种集约化矿井通风阻力测算方法，以每条独立的巷道为对象建立通风阻力测定子系统，并合理布置风速传感器，巷道节点处布置气压传感器和压差传感器4，短管线2的部位同时也是长管线1和短管线2的重合部位，具体包括以下步骤：
步骤一：在井下巷道中以每条独立的巷道为对象建立若干通风阻力测定子系统，并选定PVC钢丝软管作为阻力测定子系统内的测压管线5，测压管线5分为长管线1和短管线2；
步骤二：使井下互为并联的两条或多条巷道，共用始节点和末节点，在巷道的始节点和末节点处均安设皮托管3，其中使皮托管3头部垂直巷道断面并正对风流方向；在进风井中、通风井中均设置有风速传感器；长管线1和短管线2的出风端分别与压差传感器4连接；利用监测监控系统对阻力测定子系统和等速传感器进行状态诊断，能重点监测各传感器是否故障以及PVC钢丝软管是否漏气、进水和堵塞，以便及时修复或更换。由于采用了上述方案，本发明的通风阻力实时监测方法，能够节省目前压差计法测矿井通风阻力所需的资源，避免人为因素造成的测量误差，能实现高精度矿井通风网络在线解算，有利于矿井通风系统的智能调控与超前预警。该方案能解决目前矿井通风阻力测定的实施方案已经无法很好地与技术方案相匹配，严重限制矿井通风与安全数字化、智能化趋势发展的问题，达到了本发明的目的。
步骤三：在每个通风阻力测定子系统中，使长管线1沿巷道内壁腰线固定布设，其进风端与始节点处皮托管3的+端连接，靠近进风口处的皮托管3所在的断面记为断面I，靠近出风口处的皮托管3所在的的断面记为断面II，长管线1的进风端位于断面I内，短管线2沿巷道内壁腰线固定布设，其进风端与末节点处皮托管3的+端连接，短管线2的进风端位于断面II内；
步骤四：设矿井最大通风阻力路线上共有i条巷道，在这i条巷道中都布设有通风阻力测定子系统，在每条巷道中，使长管线1的出风端、短管线2的出风端分别与压差传感器4的两测量接口连接，压差传感器4的示数即是巷道断面I和断面II的全压差，即巷道的通风阻力hi；
步骤五：计算矿井通风阻力h，具体步骤如下：
(1)通过设置在进风井和回风井中的风速传感器获得进风井风速vin和回风井风速vout；
(2)计算进风井风量Qin和回风井风量Qout，其中Qin＝vin·Sin，Qout＝vout·Sout，
式中，Sin、Sout分别为进风井和回风井的断面积，单位m2；
(3)计算进风井通风阻力hin和回风井通风阻力hout，其中hin＝Rin·Qin 2，hout＝Rout·Qout 2，
式中，Rin、Rout分别为进风井和回风井风阻，为已知定值，单位Ns2/m8；
(4)计算矿井通风阻力h，计算公式为h＝hin+(h1+h2+…+hi)+hout；
步骤六：因进风井、回风井服务寿命长、巷道变形小，故认为其进风井风阻和回风井风阻为定值，并根据常规阻力测定程序进行一次人工测量确定进风井风阻和回风井风阻值，这个过程仅需要获取风量Q值，不需要再布设阻力测定子系统；对于阻力小于10Pa的巷道，也不需要再布设阻力测定子系统；在全矿井通风阻力实时计算过程中，进风井、回风井的阻力h计算依据为h＝RQ2，式中风阻R已知；
所以只需要计算出每条巷道的风阻Ri，具体步骤如下：
(1)在通风网络图独立分支所对应的巷道中均布置风速传感器；
(2)计算出各个独立分支巷道的风量QN，其中QN＝vN·SN，
式中，vN为各独立分支巷道的巷道风速，由风速传感器示数获得；
SN为各独立分支巷道的巷道断面积，单位m2；
(3)根据布置在独立分支巷道中的风速传感器并结合节点风量平衡方程计算出非独立分支所有巷道的风量，节点风量平衡方程的矩阵形式为：Qm＝CT·Qy，
式中，CT为独立回路矩阵C的转置，对于给定的巷道通风网络，C已知；
Qy为独立分支巷道的风量QN组成的矩阵列向量；
(4)计算出每条巷道的风阻Ri，依据
因为井下互为并联的两条或多条巷道，共用始节点和末节点，而并联巷道的压力差相等，故所述步骤一中通风阻力测定子系统选择安设在并联巷道的最短巷道中。这样既节省了材料和成本，又保证了阻力测定子系统的长期使用性，比如采煤工作面与某巷道并联，阻力测定子系统应选择安设在与采煤工作面并联的某巷道中，如图4所示。图4中对污风7和新鲜风8的流向进行了标识。
所述步骤六中的(1)中的风速传感器布置的位置与巷道进风口处的皮托管3的位置相同，对于无法布置风速传感器的通风网络图独立分支所对应的巷道，将风速传感器布置在与其等效的其他通风网络图独立分支所对应的巷道，对于有必要重点监测而没有布置的巷道，额外增设风速传感器；对于给定的通风网络，在全矿井布置的风速传感器的最少数量与通风网络图独立分支个数N相等，其中，N＝n-m+1，
式中，n为通风网络图的所有分支数；m为巷道中的所有节点数。
所述步骤二中的始节点处皮托管3安设在巷道进风口下风侧8倍巷道宽度的巷道断面内，末节点处皮托管3安设在巷道出风口上风侧3倍巷道宽度的巷道断面内。
所述的皮托管3安设位置前后3m内巷道支护完好，无堆积物。
如图2和图3所示，所述的皮托管3安设位置所在巷道断面内，由锚固在巷道顶板上的刚性支架6将PVC钢丝软管和皮托管3从巷道内壁延伸到断面水平中间位置，皮托管3尖端距巷道顶板中心线的高度为300mm。
所述步骤四的压差传感器4安设在末节点处皮托管3下风侧6m处的巷道内壁上。
所述的皮托管3、压差传感器4与PVC钢丝软管连接处，均采用法兰密封连接。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，方便实现计算机监测矿井通风阻力及风阻等参数，并实时生成阻力测定报告，本发明还可用于矿井通风智能调控与超前预警，有必要指出，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，都应在本发明保护范围之内。
Claims (9)
1.一种集约化矿井通风阻力测算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在井下巷道中以每条独立的巷道为对象建立若干通风阻力测定子系统，并选定PVC钢丝软管作为阻力测定子系统内的测压管线(5)，测压管线(5)分为长管线(1)和短管线(2)；
步骤二：使井下互为并联的两条或多条巷道，共用始节点和末节点，在巷道的始节点和末节点处均安设皮托管(3)，其中使皮托管(3)头部垂直巷道断面并正对风流方向；在进风井中、通风井中均设置有风速传感器；
步骤三：在每个通风阻力测定子系统中，使长管线(1)沿巷道内壁腰线固定布设，其进风端与始节点处皮托管(3)的+端连接，靠近进风口处的皮托管(3)所在的断面记为断面I，靠近出风口处的皮托管(3)所在的的断面记为断面II，长管线(1)的进风端位于断面I内，短管线(2)沿巷道内壁腰线固定布设，其进风端与末节点处皮托管(3)的+端连接，短管线(2)的进风端位于断面II内；
步骤四：设矿井最大通风阻力路线上共有i条巷道，在这i条巷道中都布设有通风阻力测定子系统，在每条巷道中，使长管线(1)的出风端、短管线(2)的出风端分别与压差传感器(4)的两测量接口连接，压差传感器(4)的示数即是巷道断面I和断面II的全压差，即巷道的通风阻力hi；
步骤五：计算矿井通风阻力h，具体步骤如下：
(1)通过设置在进风井和回风井中的风速传感器获得进风井风速vin和回风井风速vout；
(2)计算进风井风量Qin和回风井风量Qout，其中Qin＝vin·Sin，Qout＝vout·Sout，
式中，Sin、Sout分别为进风井和回风井的断面积，单位m2；
(3)计算进风井通风阻力hin和回风井通风阻力hout，其中hin＝Rin·Qin 2，hout＝Rout·Qout 2，
式中，Rin、Rout分别为进风井和回风井风阻，为已知定值，单位Ns2/m8；
(4)计算矿井通风阻力h，计算公式为h＝hin+(h1+h2+…+hi)+hout，
步骤六：计算出每条巷道的风阻Ri，具体步骤如下：
(1)在通风网络图独立分支所对应的巷道中均布置风速传感器；
(2)计算出各个独立分支巷道的风量QN，其中QN＝vN·SN，
式中，vN为各独立分支巷道的巷道风速，由风速传感器示数获得；SN为各独立分支巷道的巷道断面积，单位m2；
(3)根据布置在独立分支巷道中的风速传感器并结合节点风量平衡方程计算出非独立分支所有巷道的风量，节点风量平衡方程的矩阵形式为：Qm＝CT·Qy，
式中，CT为独立回路矩阵C的转置，对于给定的巷道通风网络，C已知；
Qy为独立分支巷道的风量QN组成的矩阵列向量；
(4)计算出每条巷道的风阻Ri，
2.根据权利要求1所述的一种集约化矿井通风阻力测算方法，其特征在于，所述步骤一中，在并联的巷道中选定最短的一条巷道布设通风阻力测定子系统。
3.根据权利要求1或2所述的一种集约化矿井通风阻力测算方法，其特征在于，所述步骤六中的(1)中的风速传感器布置的位置与巷道进风口处的皮托管(3)的位置相同，对于无法布置风速传感器的通风网络图独立分支所对应的巷道，将风速传感器布置在与其等效的其他通风网络图独立分支所对应的巷道，对于有必要重点监测而没有布置的巷道，额外增设风速传感器；对于给定的通风网络，在全矿井布置的风速传感器的最少数量与通风网络图独立分支个数N相等，其中，N＝n-m+1
式中，n为通风网络图的所有分支数；m为巷道中的所有节点数。
4.根据权利要求1或2所述的一种集约化矿井通风阻力测算方法，其特征在于，所述步骤二中的始节点处皮托管(3)安设在巷道进风口下风侧8倍巷道宽度的巷道断面内，末节点处皮托管(3)安设在巷道出风口上风侧3倍巷道宽度的巷道断面内。
5.根据权利要求4所述的一种集约化矿井通风阻力测算方法，其特征在于，所述的皮托管(3)安设位置前后3m内巷道支护完好，无堆积物。
6.根据权利要求5所述的一种集约化矿井通风阻力测算方法，其特征在于，所述的皮托管(3)安设位置所在巷道断面内，由锚固在巷道顶板上的刚性支架(6)将PVC钢丝软管和皮托管(3)从巷道内壁延伸到断面水平中间位置，皮托管(3)尖端距巷道顶板中心线的高度为300mm。
7.根据权利要求6所述的一种集约化矿井通风阻力测算方法，其特征在于，所述步骤四的压差传感器(4)安设在末节点处皮托管(3)下风侧6m处的巷道内壁上。
8.根据权利要求7所述的一种集约化矿井通风阻力测算方法，其特征在于，所述的皮托管(3)、压差传感器(4)与PVC钢丝软管连接处，均采用法兰密封连接。
9.根据权利要求1所述的一种集约化矿井通风阻力测算方法，其特征在于，所述步骤二中的在巷道节点处布置气压传感器。
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