礦井通風網絡基礎數據獲取方法的研究及應用

秦江濤 陳玉濤

（ 1.重慶工程職業技術學院，重慶 402260；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

礦井通風網絡解算的功能是在已知風機特性、自然風壓和各分支風阻的條件下求解各分支的風量，解算結果作為煤礦井下安全管理主要依據，以及風機選型、通風能力提升、改擴建礦井重要依據[1]。對于錯綜復雜的通風網絡解算，首先必須測算井下所有巷道的風阻。在現場實際風網解算過程中，礦井巷道布置錯綜復雜，要想知道每條巷道風阻，僅僅依靠通風阻力測定的方法獲取較為困難。本文采用測風求阻的方法解算部分難以測量的巷道風阻。

1 測風求阻基礎數據獲取的基本模型

設礦井通風網絡的風道總數為N，節點總數為J，依據礦井通風網絡圖和圖論有關理論知識可得，該礦井通風網絡圖應有獨立的回路總數為M=N-J+1。在已知礦井通風網絡自然風壓、風機特性和各風道的風阻的條件下，礦井通風網絡解算的數學模型可由以下3個非線性方程[2-3]來決定。

通風網絡節點風量平衡方程表示如下：

式中：

bkj-通風網絡中風流流動方向的符號函數，從節點k點流入節點j時取值-1，否則取值1。

通風網絡回路風壓平衡方程表示如下：

式中：

Qj-j分支風道的風量，m3/s；

Rj-j分支風道的風阻，Ns2/m8；

Pi-i風道回路的自然風壓，Pa；

Fi（Qi）-i號風機工況的風壓，Pa；

aij-通風網絡實際風流流動方向的符號函數。

對汾河流域節水灌溉發展水平的準確評價，是正確認識汾河流域節水灌溉發展水平、推動本區域節水灌溉發展的基礎，是制定區域節水政策、方案和措施的科學依據。近年來，節水灌溉發展水平綜合評價已經由最初的定性描述分析或定量數據比較發展到定性與定量相結合[1]，由依靠主要指標構建簡單的評價體系發展到利用多指標或多目標構建綜合評價體系。

通風網絡阻力特征方程

式中：

hi-礦井通風網絡中的i條風道的阻力或風壓，Pa。

礦井通風網絡中獨立回路總數為M，礦井回路方程應為M個，與節點方程共同構成（N-J+1）+（J-1）=N方程組。如果已知N個分支風道的風阻，就可以求解出N個分支風阻的風量，這是礦井通風網絡解算遵循的基本原理。已知礦井通風網絡中所有的分支風道的風量，則滿足通風網絡節點平衡方程，回路風壓方程組只有M=N-J+1。最少需要知道J-1條分支風道的風阻，才能求出其余N-J+1=M條分支風道的風阻。

2 測風求阻算法基本原理和程序的實現

2.1 測風求阻算法基本原理

礦井通風網絡解算時，風量是求解的未知量，礦井風壓是風量二次函數，因此，通風網絡回路風壓平衡方程式是風量的二次方程[4-6]。測風求阻目標是確認主扇工況點和礦井風量分配。在測風求阻的過程當中，通過已知風量和部分巷道風阻求解其余巷道的風阻，礦井通風網絡回路平衡方程變成一次函數。

測風求阻是以礦井實際通風為目標，依據礦井通風控制方程，理論上風阻的準確解是存在，但是由于已知數據的精確性不足，其余數據本身存在著一定的誤差，所以不能直接采用通風控制方程進行求解，將控制方程做為限定條件，以優化計算的方法完成。

2.2 程序實現

根據測風求阻基本原理分析,編制了測風求阻的計算實現程序。該算法實現的程序流程如圖1所示。

3 測風求阻數據獲取及應用

3.1 測風求阻數據獲取方法應用

為了對測風求阻數據獲取過程做進一步說明，選擇圖2所示礦井通風網絡圖進行驗證說明。

圖1 測風求阻算法流程圖

圖2 通風網絡示意圖

已知各分支巷道通風量分配和1-4-7-9-11-14-17-18-21巷道初始的風阻，風阻的誤差率小于5%。因為摩擦風阻帶來影響遠遠小于局部風阻，所以有局部風阻的巷道就不再考慮摩擦風阻。彎道和設備堆積巷道局部阻力為0.5～3.0，風窗和通風分隔裝置局部阻力為1～100,風墻和近似密閉的巷道局部阻力為 20～5000[7]。在通風網絡中認為 2、5、3、6、10、12、13、20巷道有局部阻力，其他巷道的誤差率要求小于10%。對于該驗證通風網絡，初始所有巷道給定初始參數如表1所示。

表1 巷道初始參數表

由表1初始巷道實測參數，參考所有巷道給定風阻誤差允許值，對于表中的數據進行風阻解算如表2所示。

表2 測風求阻計算結果分析表

由表2可知，所有的解算風阻的值的誤差范圍都小于10%，說明測風求阻方法在獲取礦井通風網絡基礎數據時精確度和可信度較高，滿足通風網絡解算對風阻的基本要求。

3.2 測風求阻方法應用舉例

利用測風求阻的基本原理和程序，對魯班山南礦的通風系統巷道風阻進行計算。魯班山南礦的通風系統相對比較簡單，兩個采煤工作面和一個備用工作面，四個掘進工作面，通風網絡有96條分支、73個節點，1個進風井和1個回風井，主扇風機特性曲線已知，巷道風量分配依據風量平衡方程和現場實測可以求得，主要通風線路風阻已知，根據礦井實際情況給定風阻取值，對整個礦井通風網絡風阻進行解算。風阻解算結果如表3所示。

表3 魯班山南礦巷道風阻解算結果

4 結論

（1）測風求阻是礦井通風網絡優化數據獲取的一種輔助方法，該方法是通過風量分配平衡方程獲取風量和已知主要通風網絡風阻，可以獲取其他通風網絡分支風阻，精確度較高，對于其他難以測量的巷道風阻的獲取比較方便。

（2）測風求阻不能從根本上替代礦井通風阻力測定，但可大幅度降低礦井通風網絡參數獲取的難度，是一種簡單易行的操作方法，特別是有利于條件復雜的礦井參數獲取。