李　偉，霍永金，張　浪，王　恩，?！÷?/p>

(1.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013；3.中天合創(chuàng)能源有限責任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017399)

礦井通風實時網(wǎng)絡解算技術(shù)研究

李偉1，2，霍永金3，張浪1，2，王恩1，2，桑聰1，2

(1.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013；3.中天合創(chuàng)能源有限責任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017399)

摘要：針對傳統(tǒng)網(wǎng)絡解算滯后于井下的風量變化和風量監(jiān)測無法覆蓋到所有巷道問題，提出礦井通風實時網(wǎng)絡解算方法：讀取風量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并以此為基準，在監(jiān)控系統(tǒng)巡檢周期內(nèi)快速求解其他巷道的實時風量，消除了風量監(jiān)控盲區(qū)。在實時網(wǎng)絡解算過程中采用全回路調(diào)節(jié)法，避免了阻力誤差集中在固定風量回路。

關(guān)鍵詞：礦井通風；風量監(jiān)測；實時網(wǎng)絡解算

自1953年Scott和Hinsley首先提出利用計算機來解算通風網(wǎng)絡問題以來，各國學者在該領(lǐng)域進行了一系列創(chuàng)新性研究，開發(fā)了諸如VentGraph、VentSim、VentPC、風丸、VentAnaly[1]、MVSS等大量優(yōu)秀的礦井通風網(wǎng)絡解算軟件，并取得了廣泛的應用。但目前網(wǎng)絡解算過程均是以某一時刻的礦井通風系統(tǒng)狀態(tài)為假設條件進行計算，風門開閉、罐籠或礦車運行、風機運行狀態(tài)改變、有毒有害氣體的涌出等因素均能導致礦井通風系統(tǒng)無時無刻不在變化。因此，目前的礦井通風網(wǎng)絡解算不能準確反映井下的實際情況。

經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)涌現(xiàn)出了大量優(yōu)秀的安全監(jiān)控系統(tǒng)，這些監(jiān)控系統(tǒng)基本都有著完善的安全監(jiān)控、報警和數(shù)據(jù)存儲打印等功能。但目前礦井的安全監(jiān)控系統(tǒng)在井下布置的多是瓦斯、一氧化碳等有毒有害氣體濃度傳感器和風機風門等通風設施運行狀態(tài)傳感器，風速傳感器布置的較少，容易形成風量監(jiān)控盲區(qū)。

本文嘗試將網(wǎng)絡解算與通風系統(tǒng)實時監(jiān)測相結(jié)合，以井下實時監(jiān)測風量為基準，快速求解通風網(wǎng)絡中所有巷道的風量，解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡解算落后于礦井實際情況的問題，消除了礦井風量監(jiān)控盲區(qū)。

1礦井通風網(wǎng)絡解算

1.1風網(wǎng)解算的基本原理

礦井通風網(wǎng)絡解算的方法有很多種，但不論哪種方法其本質(zhì)都是以阻力定律、節(jié)點風量平衡、回路阻力平衡三大定律為基本原理[2]。

1.1.1阻力定律

(1)

式中：Hj為第j條分支的摩擦阻力，Pa；Rj為第j條分支的摩擦風阻，Ns2/m8；Qj為第j條分支的風量，m3/s。

1.1.2節(jié)點風量平衡定律

在通風網(wǎng)絡中，通常將風流視為不可壓縮流體，對于任意一個節(jié)點，流入流出該節(jié)點的風量代數(shù)和為0，見式(2)。

(2)

式中：bj為與節(jié)點關(guān)聯(lián)的第j條分支符號因數(shù)，風量流入節(jié)點取1，風量流出節(jié)點取-1；qi為與節(jié)點關(guān)聯(lián)的第j條分支的風量，m3/s。

1.1.3回路矩陣

在一個由M個節(jié)點和N個分支組成的通風網(wǎng)絡中，有若干個回路組成，其中線性獨立的回路數(shù)為D=N-M+1個，線性獨立回路矩陣見式(3)[3]。

(3)

1.1.4回路阻力平衡定律

通風網(wǎng)絡中的任一回路中的風流都遵循阻力平衡定律：回路中的各分支阻力、自然風壓和回路中的機械風壓代數(shù)和為0，見式(4)。

(4)

式中：fi為第i個回路中的風壓代數(shù)和，Pa；Pj為回路中第j條分支的自然風壓，Pa；Fj(Qj)為回路中第j條分支的機械風壓，Pa。

1.2Cross迭代算法

(5)

2礦井風量實時監(jiān)測

2.1風量監(jiān)測

目前絕大多數(shù)井工開采的煤礦都安裝了礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，并在井下布置了各類傳感器。這些傳感器多是瓦斯、一氧化碳等有毒有害氣體濃度傳感器和風機風門等通風設施運行狀態(tài)傳感器。風速傳感器布置的較少，僅在采區(qū)、一翼回風巷及總回風巷的測風站等地點安裝了風速傳感器，無法對礦井所有巷道，尤其是皮帶機頭、機尾、硐室等容易造成煤塵瓦斯積聚的微風巷道形成有效監(jiān)測。

風速傳感器應設置在巷道前后10m內(nèi)無分支風流、無拐彎、無障礙巷道頂板或者側(cè)幫處[4]，依據(jù)事先標定好的測風站斷面積，利用式(6)計算監(jiān)測風量。

Q=SV

(6)

式中：Q為監(jiān)測風量，m3/s；S為測風站面積，m2；V為監(jiān)測風速，m/s。

如圖1所示，一個具有11條分支(其中用虛線表示的e11是人為加入的風阻為0的虛擬分支)，8個節(jié)點的小型通風網(wǎng)絡模型，在回風井e10上安裝了風機。該通風系統(tǒng)安裝了某型的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，并在角聯(lián)分支[5]e7(巷道斷面積8.00m2)安裝了風速傳感器V。風速等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過井下分站、環(huán)網(wǎng)上傳到地面主機存儲在SQL SERVER 2008數(shù)據(jù)庫中，監(jiān)測數(shù)據(jù)及其存儲格式見表1。

圖1　小模型通風網(wǎng)絡監(jiān)控示意圖

ID……監(jiān)測地點監(jiān)測值傳感器類型時間………………………………1819……e70.90風速傳感器10:25:18………………………………1831……e70.86風速傳感器10:25:36………………………………

2.2監(jiān)測數(shù)據(jù)實時讀取

采用C++面向?qū)ο缶幊趟枷虢Y(jié)合ADO數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，遠程讀取風量監(jiān)測數(shù)據(jù)。

ADO (ActiveX Data Objects，ActiveX數(shù)據(jù)對象)是Microsoft提出的應用程序接口，用以實現(xiàn)訪問關(guān)系或非關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。ADO庫包含三個基本接口:_ConnectionPtr接口、_CommandPtr接口和_RecordsetPtr接口。

風量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取的關(guān)鍵過程如下所述。

1)使用_ConnectionPtr接口對象m_pConn打開位于IP地址為192.168.1.34主機上的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。

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接口對象m_pSet循環(huán)遍歷數(shù)據(jù)庫讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)。

CSring strV=m_pSet->GetFiledValue(“監(jiān)測值”)。

CSring strTime=m_pSet->GetFiledValue(“監(jiān)測時間”)。

3)根據(jù)式(6)計算監(jiān)測風量。

double dQ=atof(strV)*8.0。

通過計算t1(10：25：18)時刻和t2(10：25：36)時刻監(jiān)測到風量分別為7.20m3/s和6.90m3/s。

3礦井通風網(wǎng)絡實時解算

3.1實時網(wǎng)絡解算的定義

礦井通風實時網(wǎng)絡結(jié)算就是在已知通風網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、所有巷道風阻、風機特性曲線等基礎(chǔ)參數(shù)的前提下，以井下風速傳感器的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)為基準在規(guī)定時間內(nèi)求解其他井巷風量分配的計算過程。

假設一個通風網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)為M，分支數(shù)為N，在S(S

3.2實時網(wǎng)絡解算的可行性

絕大多數(shù)井工開采的煤礦都安裝了安全監(jiān)控系統(tǒng)，并在用風地點和主要進回風巷安裝了風速傳感器，以及其他類型的傳感器，安全監(jiān)控系統(tǒng)的最大巡檢周期不大于30s[6]，大型礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的巡檢周期一般在20s左右。風量監(jiān)控數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控主機，可以方便的訪問利用，為實時網(wǎng)絡解算提供了完備的硬件條件。

隨著計算機硬件的性能的快速提高，以及網(wǎng)絡解算算法的優(yōu)化改進，礦井通風網(wǎng)絡解算軟件解算速度越來越快，一般規(guī)模的通風系統(tǒng)在5s內(nèi)即可收斂，遠小于監(jiān)控系統(tǒng)巡檢周期，因此在監(jiān)控系統(tǒng)巡檢周期內(nèi)，快速完成迭代計算在技術(shù)上是可行的。

3.3實時網(wǎng)絡解算方法

由于有S條分支安裝了風速傳感器，風量是已知固定的。在傳統(tǒng)的Cross算法迭代計算的過程中，將這S條分支所在的回路舍棄，選擇剩余的L=N-M-S+1個回路進行迭代計算，這些回路的阻力代數(shù)和能夠很好的趨于0，但回路阻力誤差將全部集中在S個含有固定風量分支的回路上面。

(7)

算法流程如下所述。

1)通風網(wǎng)絡初始化，設定各分支的風阻與風量、為動力裝置賦予動力曲線方程；設定監(jiān)控系統(tǒng)巡檢周期T；創(chuàng)建實時網(wǎng)絡解算線程。

2)記錄系統(tǒng)當前時間T1，讀取實時監(jiān)測風速，換算得出風量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)Q1，Q2，…Qs。

3)利用Prime算法，確定最小生成樹。務必使安裝有風速傳感器的分支作為余支，這樣能夠保證每個安裝傳感器的樹支都在獨立的回路中。

4)通過向最小生成樹中加入余支的辦法，確定獨立回路。

5)令迭代計數(shù)器k=0。

6)根據(jù)式(7)，對所有參與計算的獨立回路計算風量修正量。

7)遍歷所有參與計算的獨立回路，使用對該獨立回路內(nèi)的所有分支進行風量修正，見式(8)。

(8)

9)k=k+1。

10)結(jié)束迭代計算，輸出風量分配結(jié)果。記錄當前系統(tǒng)時間T2。

11)實時網(wǎng)絡解算線程休眠(T-T2+T1)s，

12)休眠時間結(jié)束，喚醒線程，轉(zhuǎn)2)，進入下一周期的網(wǎng)絡解算。

3.4計算實例

如圖1所示的小型通風網(wǎng)絡，在回風井e10上安裝了主通風機，其性能曲線方程見式(9)。

H=-1.1953Q2-0.5230Q+

1956.260(0

(9)

各分支風阻值見表1。分支e7在t1、t2時刻監(jiān)測到風量分別為7.20m3/s和6.90m3/s。

表2　實時網(wǎng)絡解算結(jié)果表

如表3所示，由于固定風量分支的存在，參與迭代的回路數(shù)減小，迭代次數(shù)減少，加速了網(wǎng)絡收斂，但同時回路阻力誤差明顯高于自然分風回路阻力誤差。由于使用了全回路調(diào)節(jié)法，誤差沒有僅集中在含固定風量回路中，而是分攤到了所有回路上。

圖2　t2時刻實時網(wǎng)絡解算結(jié)果三維顯示

網(wǎng)絡解算回路阻力誤差/%C1C2C3C4迭代次數(shù)自然分風0.2120.0030.0010.00415t1時刻0.4070.1891.2552.5449t2時刻0.4590.2241.3041.97611

4結(jié)語

1)實時讀取風量監(jiān)控數(shù)據(jù)，并以此為基準，在監(jiān)控系統(tǒng)巡檢周期內(nèi)快速完成實時網(wǎng)絡解算，能有消除通風系統(tǒng)風量監(jiān)控盲區(qū)。

2)采用全回路調(diào)節(jié)法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Cross算法，將阻力誤差分攤到所有回路中，避免集中于含固定風量回路上。

參考文獻

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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

基金項目：科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項資金項目資助(編號：2014EG122192)；國家科技支撐計劃課題資助(編號：2012BAB13B02-05)；國債“高瓦斯礦井零超限瓦斯治理技術(shù)示范”項目資助；中國煤炭科工集團技術(shù)創(chuàng)新基金面上項目資助(編號：2012MS001)

中圖分類號：TD722

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)03-0167-04