矿井通风实时网络解算技术研究

李　伟，霍永金，张　浪，王　恩，桑　聪

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013；3.中天合创能源有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017399)

矿井通风实时网络解算技术研究

李伟1，2，霍永金3，张浪1，2，王恩1，2，桑聪1，2

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013；3.中天合创能源有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017399)

摘要：针对传统网络解算滞后于井下的风量变化和风量监测无法覆盖到所有巷道问题，提出矿井通风实时网络解算方法：读取风量实时监测数据，并以此为基准，在监控系统巡检周期内快速求解其他巷道的实时风量，消除了风量监控盲区。在实时网络解算过程中采用全回路调节法，避免了阻力误差集中在固定风量回路。

关键词：矿井通风；风量监测；实时网络解算

自1953年Scott和Hinsley首先提出利用计算机来解算通风网络问题以来，各国学者在该领域进行了一系列创新性研究，开发了诸如VentGraph、VentSim、VentPC、风丸、VentAnaly[1]、MVSS等大量优秀的矿井通风网络解算软件，并取得了广泛的应用。但目前网络解算过程均是以某一时刻的矿井通风系统状态为假设条件进行计算，风门开闭、罐笼或矿车运行、风机运行状态改变、有毒有害气体的涌出等因素均能导致矿井通风系统无时无刻不在变化。因此，目前的矿井通风网络解算不能准确反映井下的实际情况。

经过多年的发展，国内涌现出了大量优秀的安全监控系统，这些监控系统基本都有着完善的安全监控、报警和数据存储打印等功能。但目前矿井的安全监控系统在井下布置的多是瓦斯、一氧化碳等有毒有害气体浓度传感器和风机风门等通风设施运行状态传感器，风速传感器布置的较少，容易形成风量监控盲区。

本文尝试将网络解算与通风系统实时监测相结合，以井下实时监测风量为基准，快速求解通风网络中所有巷道的风量，解决了传统网络解算落后于矿井实际情况的问题，消除了矿井风量监控盲区。

1矿井通风网络解算

1.1风网解算的基本原理

矿井通风网络解算的方法有很多种，但不论哪种方法其本质都是以阻力定律、节点风量平衡、回路阻力平衡三大定律为基本原理[2]。

1.1.1阻力定律

(1)

式中：Hj为第j条分支的摩擦阻力，Pa；Rj为第j条分支的摩擦风阻，Ns2/m8；Qj为第j条分支的风量，m3/s。

1.1.2节点风量平衡定律

在通风网络中，通常将风流视为不可压缩流体，对于任意一个节点，流入流出该节点的风量代数和为0，见式(2)。

(2)

式中：bj为与节点关联的第j条分支符号因数，风量流入节点取1，风量流出节点取-1；qi为与节点关联的第j条分支的风量，m3/s。

1.1.3回路矩阵

在一个由M个节点和N个分支组成的通风网络中，有若干个回路组成，其中线性独立的回路数为D=N-M+1个，线性独立回路矩阵见式(3)[3]。

(3)

1.1.4回路阻力平衡定律

通风网络中的任一回路中的风流都遵循阻力平衡定律：回路中的各分支阻力、自然风压和回路中的机械风压代数和为0，见式(4)。

(4)

式中：fi为第i个回路中的风压代数和，Pa；Pj为回路中第j条分支的自然风压，Pa；Fj(Qj)为回路中第j条分支的机械风压，Pa。

1.2Cross迭代算法

(5)

2矿井风量实时监测

2.1风量监测

目前绝大多数井工开采的煤矿都安装了矿井安全监控系统，并在井下布置了各类传感器。这些传感器多是瓦斯、一氧化碳等有毒有害气体浓度传感器和风机风门等通风设施运行状态传感器。风速传感器布置的较少，仅在采区、一翼回风巷及总回风巷的测风站等地点安装了风速传感器，无法对矿井所有巷道，尤其是皮带机头、机尾、硐室等容易造成煤尘瓦斯积聚的微风巷道形成有效监测。

风速传感器应设置在巷道前后10m内无分支风流、无拐弯、无障碍巷道顶板或者侧帮处[4]，依据事先标定好的测风站断面积，利用式(6)计算监测风量。

Q=SV

(6)

式中：Q为监测风量，m3/s；S为测风站面积，m2；V为监测风速，m/s。

如图1所示，一个具有11条分支(其中用虚线表示的e11是人为加入的风阻为0的虚拟分支)，8个节点的小型通风网络模型，在回风井e10上安装了风机。该通风系统安装了某型的矿井安全监控系统，并在角联分支[5]e7(巷道断面积8.00m2)安装了风速传感器V。风速等实时监测数据，通过井下分站、环网上传到地面主机存储在SQL SERVER 2008数据库中，监测数据及其存储格式见表1。

图1　小模型通风网络监控示意图

ID……监测地点监测值传感器类型时间………………………………1819……e70.90风速传感器10:25:18………………………………1831……e70.86风速传感器10:25:36………………………………

2.2监测数据实时读取

采用C++面向对象编程思想结合ADO数据库访问技术，远程读取风量监测数据。

ADO (ActiveX Data Objects，ActiveX数据对象)是Microsoft提出的应用程序接口，用以实现访问关系或非关系数据库中的数据。ADO库包含三个基本接口:_ConnectionPtr接口、_CommandPtr接口和_RecordsetPtr接口。

风量实时监测数据获取的关键过程如下所述。

1)使用_ConnectionPtr接口对象m_pConn打开位于IP地址为192.168.1.34主机上的监测数据库。

m_pConnection->Open("Provider=SQLOLEDB;Data Source=198.168.1.34，1433;Persist Security Info=True；User ID=sa;Password=sa；Initial Catalog=%s"，""，""，adModeUnknown)。

2)使用_RecordsetPtr接口对象m_pSet循环遍历数据库读取监测数据。

CSring strV=m_pSet->GetFiledValue(“监测值”)。

CSring strTime=m_pSet->GetFiledValue(“监测时间”)。

3)根据式(6)计算监测风量。

double dQ=atof(strV)*8.0。

通过计算t1(10：25：18)时刻和t2(10：25：36)时刻监测到风量分别为7.20m3/s和6.90m3/s。

3矿井通风网络实时解算

3.1实时网络解算的定义

矿井通风实时网络结算就是在已知通风网络结构、所有巷道风阻、风机特性曲线等基础参数的前提下，以井下风速传感器的实时监测数据为基准在规定时间内求解其他井巷风量分配的计算过程。

假设一个通风网络的节点数为M，分支数为N，在S(S

3.2实时网络解算的可行性

绝大多数井工开采的煤矿都安装了安全监控系统，并在用风地点和主要进回风巷安装了风速传感器，以及其他类型的传感器，安全监控系统的最大巡检周期不大于30s[6]，大型矿井安全监控系统的巡检周期一般在20s左右。风量监控数据实时传输到地面监控主机，可以方便的访问利用，为实时网络解算提供了完备的硬件条件。

随着计算机硬件的性能的快速提高，以及网络解算算法的优化改进，矿井通风网络解算软件解算速度越来越快，一般规模的通风系统在5s内即可收敛，远小于监控系统巡检周期，因此在监控系统巡检周期内，快速完成迭代计算在技术上是可行的。

3.3实时网络解算方法

由于有S条分支安装了风速传感器，风量是已知固定的。在传统的Cross算法迭代计算的过程中，将这S条分支所在的回路舍弃，选择剩余的L=N-M-S+1个回路进行迭代计算，这些回路的阻力代数和能够很好的趋于0，但回路阻力误差将全部集中在S个含有固定风量分支的回路上面。

(7)

算法流程如下所述。

1)通风网络初始化，设定各分支的风阻与风量、为动力装置赋予动力曲线方程；设定监控系统巡检周期T；创建实时网络解算线程。

2)记录系统当前时间T1，读取实时监测风速，换算得出风量实时监测数据Q1，Q2，…Qs。

3)利用Prime算法，确定最小生成树。务必使安装有风速传感器的分支作为余支，这样能够保证每个安装传感器的树支都在独立的回路中。

4)通过向最小生成树中加入余支的办法，确定独立回路。

5)令迭代计数器k=0。

6)根据式(7)，对所有参与计算的独立回路计算风量修正量。

7)遍历所有参与计算的独立回路，使用对该独立回路内的所有分支进行风量修正，见式(8)。

(8)

9)k=k+1。

10)结束迭代计算，输出风量分配结果。记录当前系统时间T2。

11)实时网络解算线程休眠(T-T2+T1)s，

12)休眠时间结束，唤醒线程，转2)，进入下一周期的网络解算。

3.4计算实例

如图1所示的小型通风网络，在回风井e10上安装了主通风机，其性能曲线方程见式(9)。

H=-1.1953Q2-0.5230Q+

1956.260(0

(9)

各分支风阻值见表1。分支e7在t1、t2时刻监测到风量分别为7.20m3/s和6.90m3/s。

表2　实时网络解算结果表

如表3所示，由于固定风量分支的存在，参与迭代的回路数减小，迭代次数减少，加速了网络收敛，但同时回路阻力误差明显高于自然分风回路阻力误差。由于使用了全回路调节法，误差没有仅集中在含固定风量回路中，而是分摊到了所有回路上。

图2　t2时刻实时网络解算结果三维显示

网络解算回路阻力误差/%C1C2C3C4迭代次数自然分风0.2120.0030.0010.00415t1时刻0.4070.1891.2552.5449t2时刻0.4590.2241.3041.97611

4结语

1)实时读取风量监控数据，并以此为基准，在监控系统巡检周期内快速完成实时网络解算，能有消除通风系统风量监控盲区。

2)采用全回路调节法代替传统的Cross算法，将阻力误差分摊到所有回路中，避免集中于含固定风量回路上。

参考文献

[1]黄显华，张浪，李伟，等.基于VentAnaly的矿井通风网络优化调节研究[J].煤矿安全，2013，44(11)：187-190.

[2]张国枢.通风安全学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2011:103-107.

[3]刘剑，贾进章，郑丹.流体网络理论[M].北京：煤炭工业出版社，2002：19-22.

[4]孙继平.煤矿监控技术装备与标准上册[M].北京：煤炭工业出版社，2011：200-201.

[5]李伟，张浪，王翰锋，等.基于改进节点位置法的角联风路识别[J].煤炭科学技术，2012，40(11)：77-79.

[6]国家安全生产监督管理总局.AQ6201-2006煤矿安全监控系统通用技术要求[S].2006.

[7]黄光球，陆秋琴，郑彦全.存在固定风量分支的通风网络解算新方法[J].金属矿山，2004(10)：52-54.

Research on ventilation real time network solution

LI Wei1，2，Huo Yong-jin3，ZHANG Lang1，2，WANG En1，2，SANG Cong1，2

(1.The Institute of Coal Safety and Technology，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.State Key Laboratory of Coal Efficient Mining and Clean Utilization(China Coal Research Institute)，Beijing 100013，China；3.Zhongtian Hechuang Energy Co.，Ltd.，Erdos 017399，China)

Abstract:Traditional network solution lags behind actual change in ventilation system and air flow monitor cannot cover all roadways.To solve these problems，we propose real-time mine ventilation network solution technology that based on real time air volume monitoring data，quickly solve other roadway real time air volume in the inspection cycle.This eliminates airflow blind spots.In the real time network solution process，adjustment of all independent circuits method was used，avoid resistance error concentrate on the circuit with fixed volume.

Key words：ventilation；air quantity monitor；real time network solution

收稿日期：2015-07-06

基金项目：科研院所技术开发研究专项资金项目资助(编号：2014EG122192)；国家科技支撑计划课题资助(编号：2012BAB13B02-05)；国债“高瓦斯矿井零超限瓦斯治理技术示范”项目资助；中国煤炭科工集团技术创新基金面上项目资助(编号：2012MS001)

中图分类号：TD722

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)03-0167-04