盧新明，郭 英，李 靜，張 超

（1.山東藍光軟件有限公司，山東 泰安 271000；2.兗礦能源集團股份有限公司鮑店煤礦，山東 濟寧 277600）

0 引言

鮑店煤礦礦井通風方式為兩翼對角式，主要通風機工作方法為抽出式，南翼主要通風機擔負六采區(qū)、八采區(qū)、十采區(qū)3個采區(qū)的通風，北翼主要通風機擔負五采區(qū)、七采區(qū)的通風。礦井共布置4個井筒，分別為主井、副井、南風井和北風井，其中主井、副井進風，南風井、北風井回風。

鮑店煤礦通風系統(tǒng)的智能化作為煤礦智能化建設的重要一環(huán)，其核心技術是實現(xiàn)通風系統(tǒng)的智能精準調(diào)控和按需供風，而實現(xiàn)精準調(diào)風控風的一個必要前提是要知道一個比較準確的通風系統(tǒng)初始狀態(tài)，特別是各分支的風阻。如果已知的參數(shù)精度較低，甚至是錯誤數(shù)據(jù)，那么無論計算方法再先進、計算結果再精確、調(diào)節(jié)手段再智能也是徒勞的[1]。傳統(tǒng)的通風人工阻力測定方法大多選取礦井的2條或以上通風線路進行阻力測定，并且獲取的是測定風道的摩擦阻力，再加上由于礦井通風網(wǎng)絡復雜多變，以及測定時現(xiàn)場環(huán)境、儀器精度、人員讀數(shù)等會帶來一定的誤差，缺少對阻力測定數(shù)據(jù)的平差計算，無法獲得每條風道可靠的初始狀態(tài)參數(shù)，不能滿足智能化通風系統(tǒng)精準調(diào)控的建設需求。

煤礦實現(xiàn)智能通風是未來發(fā)展的必然趨勢，獲取礦井可靠的通風基礎參數(shù)是實現(xiàn)這一目標的最基本條件[2]。如何獲得比較可靠的通風系統(tǒng)初始狀態(tài)參數(shù)就是“通風系統(tǒng)初始化技術”，實踐證明最直接的初始化技術就是全局阻力測定[3]，因此，本文提出了全局精準阻力測定的方法，該方法將風道的風阻分為摩擦風阻、局部風阻和調(diào)節(jié)風阻，經(jīng)過反復測定和多次平差計算，獲得各風道的摩擦阻力系數(shù)、摩擦風阻、局部風阻、調(diào)節(jié)風阻、風量、阻力和自然風壓等風道參數(shù)，得到通風系統(tǒng)精準的初始狀態(tài)，為礦井的通風系統(tǒng)分析、通風系統(tǒng)優(yōu)化、監(jiān)測點和調(diào)節(jié)設施優(yōu)化布局、通風系統(tǒng)精準調(diào)控等提供精準的基礎參數(shù)，為鮑店煤礦智能通風系統(tǒng)建設提供精準的通風系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)。

1 精準阻力測定方案

鮑店煤礦通風網(wǎng)絡復雜、測量范圍大，井巷線路長，如果方案制定得當，可以在保證精度的同時省時省力，提高效率[4-5]。因此，結合實際情況制定合理的精準阻力測定方案。

1）利用藍光智能化礦井通防系統(tǒng)軟件，根據(jù)礦井數(shù)字化通風系統(tǒng)圖繪制節(jié)點和風道，形成具有唯一節(jié)點編號和唯一風道編號的通風網(wǎng)絡拓撲圖。方法是：在巷道的分風點和匯風點處繪制節(jié)點，沿風流方向由始節(jié)點到終節(jié)點繪制風道。所有用風風道和有調(diào)節(jié)設施的風道一律不能簡化，連接局扇的風筒需單獨繪制風道。

2）在始節(jié)點“處布置“始測點”，在“終節(jié)點”處布置“終測點”，在巷道相對平整，附近3 m范圍內(nèi)無雜物等影響風流流動的位置布置“中間測點”，井下實測時可根據(jù)具體情況增減測點。在節(jié)點位置測氣壓、標高，在始測點和終測點測風速，在中間測點測斷面、風速。

圖1 節(jié)點風道和測點布置圖

3）根據(jù)繪制的通風網(wǎng)絡拓撲圖自動生成通風網(wǎng)絡圖，在圖中標注由主要用風風道構成的最小網(wǎng)絡割集，以便進行精準阻力測定時統(tǒng)計出礦井總風量。

4）在通風網(wǎng)絡拓撲圖中選取從進風井口到回風井口的主風流路線，且確保經(jīng)過工作面及路線最長的作為通風阻力流線，并在系統(tǒng)圖中進行標注，以便進行精準阻力測定時統(tǒng)計出礦井的總阻力。

5）根據(jù)通風網(wǎng)絡、通風網(wǎng)絡割集、通風阻力流線等規(guī)劃測定路線，并進行人員安排。

6）根據(jù)對通風系統(tǒng)的初步分析，編制測定數(shù)據(jù)記錄表格。

7）選擇測定儀器儀表，包括CFJD5型礦用電子式風速表、CFJD25型礦用電子式風速表、數(shù)字精密氣壓計、DHM3型書面聲明通風干濕表、YHJ200J型激光測距儀、鋼卷尺等。

8）編制阻力測定方案，包括測定目的、執(zhí)行的規(guī)范及技術要求、阻力測定相關理論、測量方法、儀器選擇、人員安排、測定路線、測定數(shù)據(jù)表格等內(nèi)容。

2 精準阻力測定方法

本次通風阻力測定是針對全礦井通風系統(tǒng)進行的全局精準阻力測定，根據(jù)MT/T 440-2008《礦井通風阻力測定方法》[6]，采用“氣壓計同步法”進行測定，并將風道的風阻分為摩擦風阻（不包括巷道中設施和構筑物形成的風阻）、局部風阻（在風窗開到可調(diào)范圍最大時設施和構筑物形成的風阻）和調(diào)節(jié)風阻（風窗的開度對應的風阻），經(jīng)過反復測定，并利用藍光智能化礦井通防系統(tǒng)進行多次平差計算，獲得各風道的摩擦阻力系數(shù)、摩擦風阻、局部風阻、調(diào)節(jié)風阻、風量、阻力等風道參數(shù)。

計算公式，兩點之間的空氣阻力：

從風道阻力損失角度得到（紊流）：

摩擦風阻：

圖2中D1至D2的風道中有調(diào)節(jié)設施，存在局部風阻，當調(diào)節(jié)設施的調(diào)節(jié)裝置進行調(diào)阻時(風門開度，風窗推拉等)存在調(diào)節(jié)風阻。

D1至D2的風道總風阻分解為摩擦風阻Rmc、局部風阻Rjz和調(diào)節(jié)風阻Rtz三部分。摩擦風阻和局部風阻為固定風阻，調(diào)節(jié)風阻為動態(tài)風阻。

圖2 風道測點示意圖

由P1、P2兩點測出的風阻為摩擦風阻RP1P2，由此可算出單位長度風阻值：

式中：LP1P2為P1、P2兩點間距離。RP1P2為D1、D2兩點間的摩擦風阻：

式中：LD1D2為D1、D2兩點間距離。

當調(diào)節(jié)設施開到可調(diào)范圍最大時，測量D1、D2兩點的風阻為總風阻Rz1，局部風阻Rjz則為：

當調(diào)節(jié)設施開至一定狀態(tài)時，測量D1、D2兩點的風阻為總風阻Rz2，調(diào)節(jié)風阻Rtz則為：

2.1 摩擦阻力測定

在巷道內(nèi)沒有可調(diào)設施的情況下進行摩擦阻力測定。摩擦阻力計算見公式（3）。

2.1.1 風壓測量

1）在測點Ⅰ處，調(diào)好2臺精密氣壓計(Ⅰ、Ⅱ)，并記錄初讀數(shù)，進行氣壓校對。然后儀器Ⅰ留在原處不動，儀器Ⅱ放置在測點2，在約定時間內(nèi)2臺儀器同時讀數(shù)，時間間隔5 min后，再同時讀取氣壓、干濕溫度。再把儀器Ⅰ移到測點2，同時讀數(shù)，記錄初讀數(shù)，然后再將儀器Ⅱ移到測點3，再在約定時間內(nèi)兩臺儀器同時讀數(shù)，如此前進直至測完。

3）在距離相對較短的兩測點處（小于50 m），可以根據(jù)實際情況考慮利用壓差計法進行同時測量。壓差計法測量時，氣壓計計干濕溫度也相應進行測量。

2.1.2 風速測量

1）風道兩端風速一般采用全斷面M法，即1 min內(nèi)在巷道截斷面內(nèi)沿“M”軌跡勻速移動風速表，依次每次測量3遍，若3次測量值之間的誤差大于5%，需重新測量，確保3次測量誤差在5%內(nèi)。

2）風道中間則采取一次采用半巷道9點法進行測量，2次“M”法。9點法即：由巷道中心向左幫（或右?guī)停┤芜x其一，由巷道中心點距幫平均分3段劃豎直線和平行線，形成9個交叉點。每個交叉點測量風速1次，9點風速的平均值作為該風道的1次風速值。

2.1.3 井巷參數(shù)測量與計算

利用激光測距儀進行測量，獲取巷道斷面的長、寬，然后根據(jù)巷道斷面形狀，利用軟件自動進行面積和周長參數(shù)的計算。同時利用軟件繪制巷道標高點和連接關系，然后自動計算得到測點的標高和風道長度。

2.1.4 大氣物理參數(shù)測量

用精密氣壓計測量或精密數(shù)字型氣壓計測量大氣壓力，用通風干濕溫度計測量空氣的干球溫度和濕球溫度。

在始測點、終測點處測量氣壓（獲得靜壓差）、干溫度和濕溫度（獲得空氣密度）、風速（獲得動壓差），在中間測點處測量風速（獲得風量）、斷面長寬（獲得面積周長）。

2.2 局部阻力測定

在巷道內(nèi)有可調(diào)設施的情況下要進行設施局部阻力的測量，要求在測量過程中可調(diào)設施應處于可調(diào)狀態(tài)最大范圍。

測量方法：首先測量可調(diào)設施處于可調(diào)狀態(tài)最大范圍條件下風道的摩擦阻力（選取一段較理想風道測量摩擦阻力后，用摩擦阻力除以選取風道長度獲得巷道米風阻，用巷道米風阻乘以巷道總長度獲得總巷道摩擦阻力），然后測量可調(diào)設施處于可調(diào)狀態(tài)最大范圍時風道的總阻力，用風道總阻力減去風道摩擦阻力即為可調(diào)設施局部阻力。局部阻力計算方法見公式（6）。

2.3 調(diào)節(jié)阻力測定

在巷道內(nèi)有可調(diào)設施的情況下也要進行設施調(diào)節(jié)阻力的測量，要求在測量過程中可調(diào)設施應處于可調(diào)狀態(tài)最大范圍。

測量方法：首先測量可調(diào)設施處于可調(diào)狀態(tài)最大范圍條件下風道的摩擦阻力（選取一段較理想風道測量摩擦阻力后，用摩擦阻力除以選取風道長度獲得巷道米風阻，用巷道米風阻乘以巷道總長度獲得總巷道摩擦阻力），然后測量可調(diào)設施處于調(diào)節(jié)狀態(tài)下風道的總阻力，用風道總阻力減去風道摩擦阻力即為可調(diào)設施調(diào)節(jié)阻力。調(diào)節(jié)阻力計算方法見公式（7）。

3 測定數(shù)據(jù)處理與平差計算

測定結果數(shù)據(jù)主要包括始點氣壓、始點風速、始點標高、始點干溫、始點濕溫、終點氣壓、終點風速、終點標高、終點干溫、終點濕溫、巷道風速、巷道截面積、巷道周長、巷道長度，部分測定原始數(shù)據(jù)導入軟件中的效果見下表：

將獲得的所有測點的原始數(shù)據(jù)導入藍光智能化通防系統(tǒng)軟件進行自動計算，初步得到風道的始點密度、終點密度、風道阻力、風道風量、風道每米風阻、摩阻系數(shù)、標摩系數(shù)、全壓差、風阻、自然風壓等參數(shù)。

圖3 阻力測定原始數(shù)據(jù)

圖4 精準阻力測定數(shù)據(jù)計算

復雜礦井的通風阻力測定由于工作量大、測定周期較長、干擾因素多及測量儀器本身的誤差等原因，使得測定結果或多或少存在著一定的誤差[6]。因此，需結合現(xiàn)場實際測量的準確度，利用軟件提供的平差計算功能[7]對計算結果進行多次平差計算，直至所有風道與現(xiàn)場實際測得的風量誤差在5 %以內(nèi)。平差方法是將現(xiàn)場測量時風量和風壓的精度劃分成不同的級別，對于不同的級別分別賦予風量權值和風壓權值，權值越大，表示測得的數(shù)據(jù)越精確。

圖5 阻力測定數(shù)據(jù)平差數(shù)據(jù)編輯

4 測定結果分析與應用

本次通風阻力測定實際測量風道448條。阻力測定計算結果分析如下：

1）礦井總回風：330.296 m3/s(19 817.76 m3/min)；礦井總進風：325.235 m3/s（19 514.1 m3/min）。

2）主井風量74.759 m3/s（4 485.54 m3/min）；副井風量250.476 m3/s（15 028.56 m3/min）；北風井回風量150.003 m3/s（9 000.18 m3/min）、總負壓2 816.088 2 Pa、等積孔3.3637 m2；南風井回風量180.293 m3/s（10 817.58 m3/min）、總負壓1 696.449 2 Pa、等積孔5.23 m2，礦井總等積孔8.370 5 m2。

經(jīng)過現(xiàn)場復核監(jiān)測，得到的礦井總進風量19 514.1 m3/min，總回風量19 817.76 m3/min，本次阻力測定結果與現(xiàn)場實際測量結果誤差在5 %以內(nèi)。因此，可以認為本次測定數(shù)據(jù)有效,計算結果可靠，可為實現(xiàn)智能通風精準遠程調(diào)控提供基礎參數(shù)。

3）計算結果應用。將平差計算得到的每條風道的風阻、風量、風壓參數(shù)自動填入風網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，對風道參數(shù)初始化，形成通風空間地理信息，不僅可以進行通風系統(tǒng)模擬分析[8]，更重要的是為智能通風系統(tǒng)建設提供精精準的基礎參數(shù)。

圖6 通風風道參數(shù)初始化

5 總 結

精準可靠的通風基礎參數(shù)是實現(xiàn)煤礦智能通風的基本條件。采用全局精準阻力測定方法，可以獲得礦井每條風道的精準基礎參數(shù)，為礦井通風系統(tǒng)正常時期的最優(yōu)調(diào)控、災變時期的風流風向控制提供最基本的條件，在此基礎上融合通風智能調(diào)控裝備，實現(xiàn)煤礦通風精準遠程調(diào)控。