矿井智能通风精准阻力测定与初始化技术研究

卢新明，郭 英，李 静，张 超

（1.山东蓝光软件有限公司，山东 泰安 271000；2.兖矿能源集团股份有限公司鲍店煤矿，山东 济宁 277600）

0 引言

鲍店煤矿矿井通风方式为两翼对角式，主要通风机工作方法为抽出式，南翼主要通风机担负六采区、八采区、十采区3个采区的通风，北翼主要通风机担负五采区、七采区的通风。矿井共布置4个井筒，分别为主井、副井、南风井和北风井，其中主井、副井进风，南风井、北风井回风。

鲍店煤矿通风系统的智能化作为煤矿智能化建设的重要一环，其核心技术是实现通风系统的智能精准调控和按需供风，而实现精准调风控风的一个必要前提是要知道一个比较准确的通风系统初始状态，特别是各分支的风阻。如果已知的参数精度较低，甚至是错误数据，那么无论计算方法再先进、计算结果再精确、调节手段再智能也是徒劳的[1]。传统的通风人工阻力测定方法大多选取矿井的2条或以上通风线路进行阻力测定，并且获取的是测定风道的摩擦阻力，再加上由于矿井通风网络复杂多变，以及测定时现场环境、仪器精度、人员读数等会带来一定的误差，缺少对阻力测定数据的平差计算，无法获得每条风道可靠的初始状态参数，不能满足智能化通风系统精准调控的建设需求。

煤矿实现智能通风是未来发展的必然趋势，获取矿井可靠的通风基础参数是实现这一目标的最基本条件[2]。如何获得比较可靠的通风系统初始状态参数就是“通风系统初始化技术”，实践证明最直接的初始化技术就是全局阻力测定[3]，因此，本文提出了全局精准阻力测定的方法，该方法将风道的风阻分为摩擦风阻、局部风阻和调节风阻，经过反复测定和多次平差计算，获得各风道的摩擦阻力系数、摩擦风阻、局部风阻、调节风阻、风量、阻力和自然风压等风道参数，得到通风系统精准的初始状态，为矿井的通风系统分析、通风系统优化、监测点和调节设施优化布局、通风系统精准调控等提供精准的基础参数，为鲍店煤矿智能通风系统建设提供精准的通风系统初始化数据。

1 精准阻力测定方案

鲍店煤矿通风网络复杂、测量范围大，井巷线路长，如果方案制定得当，可以在保证精度的同时省时省力，提高效率[4-5]。因此，结合实际情况制定合理的精准阻力测定方案。

1）利用蓝光智能化矿井通防系统软件，根据矿井数字化通风系统图绘制节点和风道，形成具有唯一节点编号和唯一风道编号的通风网络拓扑图。方法是：在巷道的分风点和汇风点处绘制节点，沿风流方向由始节点到终节点绘制风道。所有用风风道和有调节设施的风道一律不能简化，连接局扇的风筒需单独绘制风道。

2）在始节点“处布置“始测点”，在“终节点”处布置“终测点”，在巷道相对平整，附近3 m范围内无杂物等影响风流流动的位置布置“中间测点”，井下实测时可根据具体情况增减测点。在节点位置测气压、标高，在始测点和终测点测风速，在中间测点测断面、风速。

图1 节点风道和测点布置图

3）根据绘制的通风网络拓扑图自动生成通风网络图，在图中标注由主要用风风道构成的最小网络割集，以便进行精准阻力测定时统计出矿井总风量。

4）在通风网络拓扑图中选取从进风井口到回风井口的主风流路线，且确保经过工作面及路线最长的作为通风阻力流线，并在系统图中进行标注，以便进行精准阻力测定时统计出矿井的总阻力。

5）根据通风网络、通风网络割集、通风阻力流线等规划测定路线，并进行人员安排。

6）根据对通风系统的初步分析，编制测定数据记录表格。

7）选择测定仪器仪表，包括CFJD5型矿用电子式风速表、CFJD25型矿用电子式风速表、数字精密气压计、DHM3型书面声明通风干湿表、YHJ200J型激光测距仪、钢卷尺等。

8）编制阻力测定方案，包括测定目的、执行的规范及技术要求、阻力测定相关理论、测量方法、仪器选择、人员安排、测定路线、测定数据表格等内容。

2 精准阻力测定方法

本次通风阻力测定是针对全矿井通风系统进行的全局精准阻力测定，根据MT/T 440-2008《矿井通风阻力测定方法》[6]，采用“气压计同步法”进行测定，并将风道的风阻分为摩擦风阻（不包括巷道中设施和构筑物形成的风阻）、局部风阻（在风窗开到可调范围最大时设施和构筑物形成的风阻）和调节风阻（风窗的开度对应的风阻），经过反复测定，并利用蓝光智能化矿井通防系统进行多次平差计算，获得各风道的摩擦阻力系数、摩擦风阻、局部风阻、调节风阻、风量、阻力等风道参数。

计算公式，两点之间的空气阻力：

从风道阻力损失角度得到（紊流）：

摩擦风阻：

图2中D1至D2的风道中有调节设施，存在局部风阻，当调节设施的调节装置进行调阻时(风门开度，风窗推拉等)存在调节风阻。

D1至D2的风道总风阻分解为摩擦风阻Rmc、局部风阻Rjz和调节风阻Rtz三部分。摩擦风阻和局部风阻为固定风阻，调节风阻为动态风阻。

图2 风道测点示意图

由P1、P2两点测出的风阻为摩擦风阻RP1P2，由此可算出单位长度风阻值：

式中：LP1P2为P1、P2两点间距离。RP1P2为D1、D2两点间的摩擦风阻：

式中：LD1D2为D1、D2两点间距离。

当调节设施开到可调范围最大时，测量D1、D2两点的风阻为总风阻Rz1，局部风阻Rjz则为：

当调节设施开至一定状态时，测量D1、D2两点的风阻为总风阻Rz2，调节风阻Rtz则为：

2.1 摩擦阻力测定

在巷道内没有可调设施的情况下进行摩擦阻力测定。摩擦阻力计算见公式（3）。

2.1.1 风压测量

1）在测点Ⅰ处，调好2台精密气压计(Ⅰ、Ⅱ)，并记录初读数，进行气压校对。然后仪器Ⅰ留在原处不动，仪器Ⅱ放置在测点2，在约定时间内2台仪器同时读数，时间间隔5 min后，再同时读取气压、干湿温度。再把仪器Ⅰ移到测点2，同时读数，记录初读数，然后再将仪器Ⅱ移到测点3，再在约定时间内两台仪器同时读数，如此前进直至测完。

3）在距离相对较短的两测点处（小于50 m），可以根据实际情况考虑利用压差计法进行同时测量。压差计法测量时，气压计计干湿温度也相应进行测量。

2.1.2 风速测量

1）风道两端风速一般采用全断面M法，即1 min内在巷道截断面内沿“M”轨迹匀速移动风速表，依次每次测量3遍，若3次测量值之间的误差大于5%，需重新测量，确保3次测量误差在5%内。

2）风道中间则采取一次采用半巷道9点法进行测量，2次“M”法。9点法即：由巷道中心向左帮（或右帮）任选其一，由巷道中心点距帮平均分3段划竖直线和平行线，形成9个交叉点。每个交叉点测量风速1次，9点风速的平均值作为该风道的1次风速值。

2.1.3 井巷参数测量与计算

利用激光测距仪进行测量，获取巷道断面的长、宽，然后根据巷道断面形状，利用软件自动进行面积和周长参数的计算。同时利用软件绘制巷道标高点和连接关系，然后自动计算得到测点的标高和风道长度。

2.1.4 大气物理参数测量

用精密气压计测量或精密数字型气压计测量大气压力，用通风干湿温度计测量空气的干球温度和湿球温度。

在始测点、终测点处测量气压（获得静压差）、干温度和湿温度（获得空气密度）、风速（获得动压差），在中间测点处测量风速（获得风量）、断面长宽（获得面积周长）。

2.2 局部阻力测定

在巷道内有可调设施的情况下要进行设施局部阻力的测量，要求在测量过程中可调设施应处于可调状态最大范围。

测量方法：首先测量可调设施处于可调状态最大范围条件下风道的摩擦阻力（选取一段较理想风道测量摩擦阻力后，用摩擦阻力除以选取风道长度获得巷道米风阻，用巷道米风阻乘以巷道总长度获得总巷道摩擦阻力），然后测量可调设施处于可调状态最大范围时风道的总阻力，用风道总阻力减去风道摩擦阻力即为可调设施局部阻力。局部阻力计算方法见公式（6）。

2.3 调节阻力测定

在巷道内有可调设施的情况下也要进行设施调节阻力的测量，要求在测量过程中可调设施应处于可调状态最大范围。

测量方法：首先测量可调设施处于可调状态最大范围条件下风道的摩擦阻力（选取一段较理想风道测量摩擦阻力后，用摩擦阻力除以选取风道长度获得巷道米风阻，用巷道米风阻乘以巷道总长度获得总巷道摩擦阻力），然后测量可调设施处于调节状态下风道的总阻力，用风道总阻力减去风道摩擦阻力即为可调设施调节阻力。调节阻力计算方法见公式（7）。

3 测定数据处理与平差计算

测定结果数据主要包括始点气压、始点风速、始点标高、始点干温、始点湿温、终点气压、终点风速、终点标高、终点干温、终点湿温、巷道风速、巷道截面积、巷道周长、巷道长度，部分测定原始数据导入软件中的效果见下表：

将获得的所有测点的原始数据导入蓝光智能化通防系统软件进行自动计算，初步得到风道的始点密度、终点密度、风道阻力、风道风量、风道每米风阻、摩阻系数、标摩系数、全压差、风阻、自然风压等参数。

图3 阻力测定原始数据

图4 精准阻力测定数据计算

复杂矿井的通风阻力测定由于工作量大、测定周期较长、干扰因素多及测量仪器本身的误差等原因，使得测定结果或多或少存在着一定的误差[6]。因此，需结合现场实际测量的准确度，利用软件提供的平差计算功能[7]对计算结果进行多次平差计算，直至所有风道与现场实际测得的风量误差在5 %以内。平差方法是将现场测量时风量和风压的精度划分成不同的级别，对于不同的级别分别赋予风量权值和风压权值，权值越大，表示测得的数据越精确。

图5 阻力测定数据平差数据编辑

4 测定结果分析与应用

本次通风阻力测定实际测量风道448条。阻力测定计算结果分析如下：

1）矿井总回风：330.296 m3/s(19 817.76 m3/min)；矿井总进风：325.235 m3/s（19 514.1 m3/min）。

2）主井风量74.759 m3/s（4 485.54 m3/min）；副井风量250.476 m3/s（15 028.56 m3/min）；北风井回风量150.003 m3/s（9 000.18 m3/min）、总负压2 816.088 2 Pa、等积孔3.3637 m2；南风井回风量180.293 m3/s（10 817.58 m3/min）、总负压1 696.449 2 Pa、等积孔5.23 m2，矿井总等积孔8.370 5 m2。

经过现场复核监测，得到的矿井总进风量19 514.1 m3/min，总回风量19 817.76 m3/min，本次阻力测定结果与现场实际测量结果误差在5 %以内。因此，可以认为本次测定数据有效,计算结果可靠，可为实现智能通风精准远程调控提供基础参数。

3）计算结果应用。将平差计算得到的每条风道的风阻、风量、风压参数自动填入风网数据库，对风道参数初始化，形成通风空间地理信息，不仅可以进行通风系统模拟分析[8]，更重要的是为智能通风系统建设提供精精准的基础参数。

图6 通风风道参数初始化

5 总 结

精准可靠的通风基础参数是实现煤矿智能通风的基本条件。采用全局精准阻力测定方法，可以获得矿井每条风道的精准基础参数，为矿井通风系统正常时期的最优调控、灾变时期的风流风向控制提供最基本的条件，在此基础上融合通风智能调控装备，实现煤矿通风精准远程调控。