CN110108633B - 一种矿井通风摩擦阻力系数测定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矿井通风摩擦阻力系数测定的方法，涉及矿井通风技术领域。本发明步骤如下：步骤1：三维扫描仪的位置选取；遍历每段小巷道得到待测巷道的散点集合P；步骤2：运用matlab程序提取d段小巷道中粗糙壁面上所有散点的坐标点；步骤3：根据散点的坐标求得巷道壁面的粗糙度；步骤4：根据确定的散点坐标求出d段粗糙小巷道的体积V_d；求出d段小巷道的实验比例系数λ_d；步骤5：遍历待测巷道的散点集合，直至求出所有小巷道的实验比例系数λ；步骤6：求出实验比例系数平均值λ_平；根据通风阻力系数α和求出待测巷道的通风阻力系数α。本发明可以对较长距离矿井通风系统的阻力系数进行定量估计，为矿井通风系统的优化设计提供设计参数。

Description

一种矿井通风摩擦阻力系数测定的方法

技术领域

本发明涉及矿井通风技术领域，尤其涉及一种矿井通风摩擦阻力系数测定的方法。

背景技术

在地下矿山开采领域，通常会面对严重的空气阻力问题，而空气阻力不仅会造成严重的能源损耗，还会对现场人员的正常呼吸造成影响，因此有必要对矿井下进行通风阻力测试，而通风阻力系数测定是确定矿井摩擦阻力的主要参数之一，并且通风阻力系数的准确性也是矿井通风安全的重要内容之一。

现阶段煤矿通风阻力测试采用了倾斜压差计法、精密气压计的同步法以及精密气压计的基点法混合测试，发挥各自测试方法的优势。倾斜压差计法测试阻力直接读数；精密气压计测定的同步法是用精密气压计同时测出两测点间的绝对静压差，再加上动压差和位压差计算通风阻力。精密气压计测定的基点法是在地面设置一台基准精密气压计，利用另一台精密气压计在井下进行测试，再消除大气压的变化。在测试过程中，精密气压计还用于测定所有构筑物两侧的压差。倾斜压差计法是在巷道两测点各安置一根皮托管。皮托管布置于巷道中心，为消除速压，需将尖部迎向风流，管轴与风向平行；在末点安放倾斜压差计；同时，用风表在两测点分别量出表速，还需同时用湿度计和气压计在两测点附近分别测出风流的干、湿球温度和风流的绝对静压，从而测算出两测点的空气密度。将以上测得的基本数据与两测点的净断面积、周长、两测点的距离，连同井巷名称、形状、支护方式等填入阻力测量记录表中。此时压差计所测得的读值是两测点之间的静压差和势能差。根据矿井巷道的类型，支护形式，断面大小，选取阻力测定段巷道，将测定段的阻力转化为类型、支护形式、断面大小相同的巷道的百米风阻，并以此对标准风阻及阻力系数进行标定。在断面规则巷道中由于巷道断面变化小，在压差计法皮托管两端的速压差非常小，可以忽略不计。在断面变化较大的测段还是要求测算速压。

然而，不管是采用机械风表、电子风表和风速传感器测试风速，还是压差计和皮托管测试阻力，仪表数值都会呈现不同程度的波动，有时波动幅度甚至大于测量值，导致测试误差大，测量不准确，同时矿井中还存在箕斗提升及矿车运行等活动对风流产生一定的扰动，风速和风压测不准，那么反求算的矿井摩擦阻力系数误差很大，而矿井摩擦阻力系数本身是巷道的固有属性，本发明采用激光扫描仪确定巷道的表面特征，求算矿井摩擦阻力系统，为矿井通风测阻提供更为简便和精确的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种矿井通风摩擦阻力系数测定的方法，本发明可以对较长距离矿井通风系统的阻力系数进行定量估计，为矿井通风系统的优化设计提供设计参数。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

本发明提供一种矿井通风摩擦阻力系数测定的方法，包括如下步骤：

步骤1：三维扫描仪的位置选取；将待测巷道按照b米的长度分成M段小巷道，在每段小巷道内，选取该段中轴线上的中点放置三维扫描仪，并对该段内的巷道壁进行扫描，得到该段小巷道的散点集合

其中d为小巷道编号，d∈M，

代表小巷道d中的第i个散点；遍历每段小巷道得到待测巷道的散点集合P＝{p₁,p₂,…,p_d，…，p_M}；

步骤2：运用matlab程序提取d段小巷道中粗糙壁面上所有散点的坐标点，确定d段小巷道中轴线中点的坐标即扫描仪的坐标点，表示为O_d(x_d,y_d,z_d)；

步骤3：计算d段小巷道中扫描仪坐标点到该段巷道壁面各个散点的各个距离，公式如下：

其中，L_d表示在第d段小巷道中扫描仪坐标点到壁面中散点

的距离，x_i,y_i,z_i为扫描得到第d段小巷道中的散点

的坐标；

确定d段小巷道中扫描仪坐标点到该小巷道壁面各个散点的平均距离

的公式如下：

其中，

表示为在第d段小巷道中扫描仪坐标点到该段小巷道壁面各个散点的平均距离；

巷道壁面的粗糙度用扫描仪坐标点到巷道壁面各个散点的各个距离与扫描仪坐标点到巷道壁面各个散点的平均距离的差值的绝对值，再求平均值来表示；根据下面的公式求出每段小巷道壁面的粗糙度；第d段小巷道壁面的粗糙度公式如下：

其中，

为第d段小巷道的壁面的粗糙度；

步骤4：根据确定的散点坐标求出d段粗糙小巷道的体积V_d；在一定体积的巷道内，当量直径等效为该巷道的体积V_d，所求的粗糙度是针对于该体积巷道总体的粗糙度；采用下列公式求得d段小巷道的实验比例系数λ_d；

其中，V_d为d段小巷道的体积,

为d段小巷道的粗糙度值；

步骤5：重复步骤2至步骤5，遍历待测巷道的散点集合P，直至求出所有小巷道的实验比例系数λ；

步骤6：求出步骤5中得到的M个实验比例系数λ的平均值λ_平；根据通风阻力系数α和λ_平的关系式求出待测巷道的通风阻力系数α，公式如下：

α＝λ_平ρ/8N·s²/m⁴

其中，ρ为空气密度，kg/m³。

步骤1中的三维点的扫描获取要多而密集。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种矿井通风摩擦阻力系数测定的方法，本专利通过地面激光扫描仪的应用为巷道形态的有效测量、几何形状记录和粗糙度计算，输出是对巷道湍流段的无量纲达西摩擦系数，利用多段巷道的摩擦系数，可以对较长距离矿井通风系统的阻力系数进行定量估计，为矿井通风系统的优化设计提供设计参数。反过来，这些计算和由此带来的系统优化可以用来降低地下矿井通风的成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的摩擦阻力系数测定的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的通风阻力系数测试巷道模型图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例的方法如下所述。

本发明提供一种矿井通风摩擦阻力系数测定的方法，包括如下步骤：

步骤1：三维扫描仪的位置选取；将待测巷道按照b米的长度分成M段小巷道。在每段小巷道内，选取该段中轴线上的中点放置三维扫描仪，并对该段内的巷道壁进行扫描，得到该段小巷道的散点集合

其中d为小巷道编号，d∈M，

代表小巷道d中的第i个散点；遍历每段小巷道得到待测巷道的散点集合P＝{p₁,p₂,…,p_d，…，p_M}；三维点的扫描获取要尽可能的多而密集，以此来提高模型的精度。模型的精确度对于后来粗糙度的精确计算具有影响。

步骤2：运用matlab程序提取d段小巷道中粗糙壁面上所有散点的坐标点，确定d段小巷道中轴线中点的坐标即扫描仪的坐标点，表示为O_d(x_d,y_d,z_d)；

步骤3：计算d段小巷道中扫描仪坐标点到该段巷道壁面各个散点的各个距离，公式如下：

其中，L_d表示在第d段小巷道中扫描仪坐标点到壁面中散点

的距离，x_i,y_i,z_i为扫描得到第d段小巷道中的散点

的坐标；

确定d段小巷道中扫描仪坐标点到该小巷道壁面各个散点的平均距离

的公式如下：

其中，

表示为在第d段小巷道中扫描仪坐标点到该段小巷道壁面各个散点的平均距离；

巷道壁面的粗糙度用扫描仪坐标点到巷道壁面各个散点的各个距离与扫描仪坐标点到巷道壁面各个散点的平均距离的差值的绝对值，再求平均值来表示；根据下面的公式求出每段小巷道壁面的粗糙度；第d段小巷道壁面的粗糙度公式如下：

其中，

为第d段小巷道的壁面的粗糙度；

步骤4：根据确定的散点坐标求出d段粗糙小巷道的体积V_d；现在将尼古拉斯公式广义化，在一定体积的巷道内，当量直径等效为该巷道的体积V_d，所求的粗糙度是针对于该体积巷道总体的粗糙度；采用下列公式求得d段小巷道的实验比例系数λ_d；

其中，V_d为d段小巷道的体积,

为d段小巷道的粗糙度值；

步骤5：重复步骤2至步骤5，遍历待测巷道的散点集合P，直至求出所有小巷道的实验比例系数λ；

步骤6：求出步骤5中得到的M个实验比例系数λ的平均值λ_平；根据通风阻力系数α和λ_平的关系式求出待测巷道的通风阻力系数α，公式如下：

α＝λ_平ρ/8N·s²/m⁴

其中，ρ为空气密度，kg/m³。

本实施例中利用三维扫描仪扫描巷道，得到若干个三维散点；利用matlab软件建模得到一条长度为30米的巷道模型，如图2所示；在计算巷道的粗糙度时，选取1米一小段分别进行计算：即巷道起始记为零点，分别计算巷道0-1米一段、1-2米一段、2-3米一段，以此类推，计算各个巷道内的粗糙度。先计算0-1米巷道内的粗糙度。调用matlab程序提取这段巷道内的点。点坐标如表1所示。三维扫描仪位置在0-1米巷道中轴线的中点位置，坐标为(2,0.5,2)，计算得到三维扫描仪坐标点距各个散点的距离结果和距离的平均长度如表1所示；三维扫描仪坐标点距各个散点的距离与其平均长度的差值如表1所示，此为该小段的粗糙度结果。

表1 0-1米段巷道的参数以及粗糙度结果

通过调用matlab程序计算出该段巷道体积V_d，计算结果为：14.2m³

带入广义化了的尼古拉斯粗糙管公式，求得λ系数

其中，λ为实验比例系数；V_d为d段小巷道的体积，

为该段巷道的粗糙度。

按照上述的方法计算其他各段巷道的λ值，如表2所示；

表2各段巷道λ值

将上述各段巷道的λ值求平均值，得到λ_平；

矿井空气重率γ或密度ρ变化不大，对于尺寸一定的巷道，其壁面的相对光滑度是定数，则在完全湍流状态下，λ_平是常数，则可以用如下公式计算矿井通风阻力系数α：

α＝λ_平ρ/8

矿井密度取1.2kg/m3，则α计算结果为0.0055；

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种矿井通风摩擦阻力系数测定的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：三维扫描仪的位置选取；将待测巷道按照b米的长度分成M段小巷道，在每段小巷道内，选取该段中轴线上的中点放置三维扫描仪，并对该段内的巷道壁进行扫描，得到该段小巷道的散点集合

其中d为小巷道编号，d∈M，

代表小巷道d中的第i个散点；遍历每段小巷道得到待测巷道的散点集合P＝{p₁,p₂,…,p_d，…，p_M}；

步骤2：运用matlab程序提取d段小巷道中粗糙壁面上所有散点的坐标点，确定d段小巷道中轴线中点的坐标即扫描仪的坐标点，表示为O_d(x_d,y_d,z_d)；

步骤3：计算d段小巷道中扫描仪坐标点到该段巷道壁面各个散点的各个距离，公式如下：

其中，L_d表示在第d段小巷道中扫描仪坐标点到壁面中散点

的距离，x_i,y_i,z_i为扫描得到第d段小巷道中的散点

的坐标；

确定d段小巷道中扫描仪坐标点到该小巷道壁面各个散点的平均距离

的公式如下：

其中，

表示为在第d段小巷道中扫描仪坐标点到该段小巷道壁面各个散点的平均距离；

巷道壁面的粗糙度用扫描仪坐标点到巷道壁面各个散点的各个距离与扫描仪坐标点到巷道壁面各个散点的平均距离的差值的绝对值，再求平均值来表示；根据下面的公式求出每段小巷道壁面的粗糙度；第d段小巷道壁面的粗糙度公式如下：

其中，

为第d段小巷道的壁面的粗糙度；

步骤4：根据确定的散点坐标求出d段粗糙小巷道的体积V_d；在一定体积的巷道内，当量直径等效为该巷道的体积V_d，所求的粗糙度是针对于该体积巷道总体的粗糙度；采用下列公式求得d段小巷道的实验比例系数λ_d；

其中，V_d为d段小巷道的体积,

为d段小巷道的粗糙度值；

步骤5：重复步骤2至步骤5，遍历待测巷道的散点集合P，直至求出所有小巷道的实验比例系数λ；

步骤6：求出步骤5中得到的M个实验比例系数λ的平均值λ_平；根据通风阻力系数α和λ_平的关系式求出待测巷道的通风阻力系数α，公式如下：

α＝λ_平ρ/8N·s²/m⁴

其中，ρ为空气密度，kg/m³。

2.根据权利要求1所述的一种矿井通风摩擦阻力系数测定的方法，其特征在于：所述步骤1中的三维点的扫描获取要多而密集。

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