秦江濤 陳玉濤

（ 1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402260；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算的功能是在已知風(fēng)機(jī)特性、自然風(fēng)壓和各分支風(fēng)阻的條件下求解各分支的風(fēng)量，解算結(jié)果作為煤礦井下安全管理主要依據(jù)，以及風(fēng)機(jī)選型、通風(fēng)能力提升、改擴(kuò)建礦井重要依據(jù)[1]。對(duì)于錯(cuò)綜復(fù)雜的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算，首先必須測(cè)算井下所有巷道的風(fēng)阻。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際風(fēng)網(wǎng)解算過程中，礦井巷道布置錯(cuò)綜復(fù)雜，要想知道每條巷道風(fēng)阻，僅僅依靠通風(fēng)阻力測(cè)定的方法獲取較為困難。本文采用測(cè)風(fēng)求阻的方法解算部分難以測(cè)量的巷道風(fēng)阻。

1 測(cè)風(fēng)求阻基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取的基本模型

設(shè)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)道總數(shù)為N，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為J，依據(jù)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖和圖論有關(guān)理論知識(shí)可得，該礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖應(yīng)有獨(dú)立的回路總數(shù)為M=N-J+1。在已知礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)自然風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)特性和各風(fēng)道的風(fēng)阻的條件下，礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算的數(shù)學(xué)模型可由以下3個(gè)非線性方程[2-3]來(lái)決定。

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)風(fēng)量平衡方程表示如下：

式中：

bkj-通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中風(fēng)流流動(dòng)方向的符號(hào)函數(shù)，從節(jié)點(diǎn)k點(diǎn)流入節(jié)點(diǎn)j時(shí)取值-1，否則取值1。

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)回路風(fēng)壓平衡方程表示如下：

式中：

Qj-j分支風(fēng)道的風(fēng)量，m3/s；

Rj-j分支風(fēng)道的風(fēng)阻，Ns2/m8；

Pi-i風(fēng)道回路的自然風(fēng)壓，Pa；

Fi（Qi）-i號(hào)風(fēng)機(jī)工況的風(fēng)壓，Pa；

aij-通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際風(fēng)流流動(dòng)方向的符號(hào)函數(shù)。

對(duì)汾河流域節(jié)水灌溉發(fā)展水平的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，是正確認(rèn)識(shí)汾河流域節(jié)水灌溉發(fā)展水平、推動(dòng)本區(qū)域節(jié)水灌溉發(fā)展的基礎(chǔ)，是制定區(qū)域節(jié)水政策、方案和措施的科學(xué)依據(jù)。近年來(lái)，節(jié)水灌溉發(fā)展水平綜合評(píng)價(jià)已經(jīng)由最初的定性描述分析或定量數(shù)據(jù)比較發(fā)展到定性與定量相結(jié)合[1]，由依靠主要指標(biāo)構(gòu)建簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)體系發(fā)展到利用多指標(biāo)或多目標(biāo)構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)體系。

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)阻力特征方程

式中：

hi-礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的i條風(fēng)道的阻力或風(fēng)壓，Pa。

礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立回路總數(shù)為M，礦井回路方程應(yīng)為M個(gè)，與節(jié)點(diǎn)方程共同構(gòu)成（N-J+1）+（J-1）=N方程組。如果已知N個(gè)分支風(fēng)道的風(fēng)阻，就可以求解出N個(gè)分支風(fēng)阻的風(fēng)量，這是礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算遵循的基本原理。已知礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中所有的分支風(fēng)道的風(fēng)量，則滿足通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平衡方程，回路風(fēng)壓方程組只有M=N-J+1。最少需要知道J-1條分支風(fēng)道的風(fēng)阻，才能求出其余N-J+1=M條分支風(fēng)道的風(fēng)阻。

2 測(cè)風(fēng)求阻算法基本原理和程序的實(shí)現(xiàn)

2.1 測(cè)風(fēng)求阻算法基本原理

礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算時(shí)，風(fēng)量是求解的未知量，礦井風(fēng)壓是風(fēng)量二次函數(shù)，因此，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)回路風(fēng)壓平衡方程式是風(fēng)量的二次方程[4-6]。測(cè)風(fēng)求阻目標(biāo)是確認(rèn)主扇工況點(diǎn)和礦井風(fēng)量分配。在測(cè)風(fēng)求阻的過程當(dāng)中，通過已知風(fēng)量和部分巷道風(fēng)阻求解其余巷道的風(fēng)阻，礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)回路平衡方程變成一次函數(shù)。

測(cè)風(fēng)求阻是以礦井實(shí)際通風(fēng)為目標(biāo)，依據(jù)礦井通風(fēng)控制方程，理論上風(fēng)阻的準(zhǔn)確解是存在，但是由于已知數(shù)據(jù)的精確性不足，其余數(shù)據(jù)本身存在著一定的誤差，所以不能直接采用通風(fēng)控制方程進(jìn)行求解，將控制方程做為限定條件，以優(yōu)化計(jì)算的方法完成。

2.2 程序?qū)崿F(xiàn)

根據(jù)測(cè)風(fēng)求阻基本原理分析,編制了測(cè)風(fēng)求阻的計(jì)算實(shí)現(xiàn)程序。該算法實(shí)現(xiàn)的程序流程如圖1所示。

3 測(cè)風(fēng)求阻數(shù)據(jù)獲取及應(yīng)用

3.1 測(cè)風(fēng)求阻數(shù)據(jù)獲取方法應(yīng)用

為了對(duì)測(cè)風(fēng)求阻數(shù)據(jù)獲取過程做進(jìn)一步說明，選擇圖2所示礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行驗(yàn)證說明。

圖1 測(cè)風(fēng)求阻算法流程圖

圖2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

已知各分支巷道通風(fēng)量分配和1-4-7-9-11-14-17-18-21巷道初始的風(fēng)阻，風(fēng)阻的誤差率小于5%。因?yàn)槟Σ溜L(fēng)阻帶來(lái)影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于局部風(fēng)阻，所以有局部風(fēng)阻的巷道就不再考慮摩擦風(fēng)阻。彎道和設(shè)備堆積巷道局部阻力為0.5～3.0，風(fēng)窗和通風(fēng)分隔裝置局部阻力為1～100,風(fēng)墻和近似密閉的巷道局部阻力為 20～5000[7]。在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中認(rèn)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(duì)于該驗(yàn)證通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，初始所有巷道給定初始參數(shù)如表1所示。

表1 巷道初始參數(shù)表

由表1初始巷道實(shí)測(cè)參數(shù)，參考所有巷道給定風(fēng)阻誤差允許值，對(duì)于表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)阻解算如表2所示。

表2 測(cè)風(fēng)求阻計(jì)算結(jié)果分析表

由表2可知，所有的解算風(fēng)阻的值的誤差范圍都小于10%，說明測(cè)風(fēng)求阻方法在獲取礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)精確度和可信度較高，滿足通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算對(duì)風(fēng)阻的基本要求。

3.2 測(cè)風(fēng)求阻方法應(yīng)用舉例

利用測(cè)風(fēng)求阻的基本原理和程序，對(duì)魯班山南礦的通風(fēng)系統(tǒng)巷道風(fēng)阻進(jìn)行計(jì)算。魯班山南礦的通風(fēng)系統(tǒng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，兩個(gè)采煤工作面和一個(gè)備用工作面，四個(gè)掘進(jìn)工作面，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)有96條分支、73個(gè)節(jié)點(diǎn)，1個(gè)進(jìn)風(fēng)井和1個(gè)回風(fēng)井，主扇風(fēng)機(jī)特性曲線已知，巷道風(fēng)量分配依據(jù)風(fēng)量平衡方程和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可以求得，主要通風(fēng)線路風(fēng)阻已知，根據(jù)礦井實(shí)際情況給定風(fēng)阻取值，對(duì)整個(gè)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)阻進(jìn)行解算。風(fēng)阻解算結(jié)果如表3所示。

表3 魯班山南礦巷道風(fēng)阻解算結(jié)果

4 結(jié)論

（1）測(cè)風(fēng)求阻是礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化數(shù)據(jù)獲取的一種輔助方法，該方法是通過風(fēng)量分配平衡方程獲取風(fēng)量和已知主要通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)阻，可以獲取其他通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分支風(fēng)阻，精確度較高，對(duì)于其他難以測(cè)量的巷道風(fēng)阻的獲取比較方便。

（2）測(cè)風(fēng)求阻不能從根本上替代礦井通風(fēng)阻力測(cè)定，但可大幅度降低礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)獲取的難度，是一種簡(jiǎn)單易行的操作方法，特別是有利于條件復(fù)雜的礦井參數(shù)獲取。