矿井通风网络基础数据获取方法的研究及应用

秦江涛 陈玉涛

（ 1.重庆工程职业技术学院，重庆 402260；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039）

矿井通风网络解算的功能是在已知风机特性、自然风压和各分支风阻的条件下求解各分支的风量，解算结果作为煤矿井下安全管理主要依据，以及风机选型、通风能力提升、改扩建矿井重要依据[1]。对于错综复杂的通风网络解算，首先必须测算井下所有巷道的风阻。在现场实际风网解算过程中，矿井巷道布置错综复杂，要想知道每条巷道风阻，仅仅依靠通风阻力测定的方法获取较为困难。本文采用测风求阻的方法解算部分难以测量的巷道风阻。

1 测风求阻基础数据获取的基本模型

设矿井通风网络的风道总数为N，节点总数为J，依据矿井通风网络图和图论有关理论知识可得，该矿井通风网络图应有独立的回路总数为M=N-J+1。在已知矿井通风网络自然风压、风机特性和各风道的风阻的条件下，矿井通风网络解算的数学模型可由以下3个非线性方程[2-3]来决定。

通风网络节点风量平衡方程表示如下：

式中：

bkj-通风网络中风流流动方向的符号函数，从节点k点流入节点j时取值-1，否则取值1。

通风网络回路风压平衡方程表示如下：

式中：

Qj-j分支风道的风量，m3/s；

Rj-j分支风道的风阻，Ns2/m8；

Pi-i风道回路的自然风压，Pa；

Fi（Qi）-i号风机工况的风压，Pa；

aij-通风网络实际风流流动方向的符号函数。

对汾河流域节水灌溉发展水平的准确评价，是正确认识汾河流域节水灌溉发展水平、推动本区域节水灌溉发展的基础，是制定区域节水政策、方案和措施的科学依据。近年来，节水灌溉发展水平综合评价已经由最初的定性描述分析或定量数据比较发展到定性与定量相结合[1]，由依靠主要指标构建简单的评价体系发展到利用多指标或多目标构建综合评价体系。

通风网络阻力特征方程

式中：

hi-矿井通风网络中的i条风道的阻力或风压，Pa。

矿井通风网络中独立回路总数为M，矿井回路方程应为M个，与节点方程共同构成（N-J+1）+（J-1）=N方程组。如果已知N个分支风道的风阻，就可以求解出N个分支风阻的风量，这是矿井通风网络解算遵循的基本原理。已知矿井通风网络中所有的分支风道的风量，则满足通风网络节点平衡方程，回路风压方程组只有M=N-J+1。最少需要知道J-1条分支风道的风阻，才能求出其余N-J+1=M条分支风道的风阻。

2 测风求阻算法基本原理和程序的实现

2.1 测风求阻算法基本原理

矿井通风网络解算时，风量是求解的未知量，矿井风压是风量二次函数，因此，通风网络回路风压平衡方程式是风量的二次方程[4-6]。测风求阻目标是确认主扇工况点和矿井风量分配。在测风求阻的过程当中，通过已知风量和部分巷道风阻求解其余巷道的风阻，矿井通风网络回路平衡方程变成一次函数。

测风求阻是以矿井实际通风为目标，依据矿井通风控制方程，理论上风阻的准确解是存在，但是由于已知数据的精确性不足，其余数据本身存在着一定的误差，所以不能直接采用通风控制方程进行求解，将控制方程做为限定条件，以优化计算的方法完成。

2.2 程序实现

根据测风求阻基本原理分析,编制了测风求阻的计算实现程序。该算法实现的程序流程如图1所示。

3 测风求阻数据获取及应用

3.1 测风求阻数据获取方法应用

为了对测风求阻数据获取过程做进一步说明，选择图2所示矿井通风网络图进行验证说明。

图1 测风求阻算法流程图

图2 通风网络示意图

已知各分支巷道通风量分配和1-4-7-9-11-14-17-18-21巷道初始的风阻，风阻的误差率小于5%。因为摩擦风阻带来影响远远小于局部风阻，所以有局部风阻的巷道就不再考虑摩擦风阻。弯道和设备堆积巷道局部阻力为0.5～3.0，风窗和通风分隔装置局部阻力为1～100,风墙和近似密闭的巷道局部阻力为 20～5000[7]。在通风网络中认为 2、5、3、6、10、12、13、20巷道有局部阻力，其他巷道的误差率要求小于10%。对于该验证通风网络，初始所有巷道给定初始参数如表1所示。

表1 巷道初始参数表

由表1初始巷道实测参数，参考所有巷道给定风阻误差允许值，对于表中的数据进行风阻解算如表2所示。

表2 测风求阻计算结果分析表

由表2可知，所有的解算风阻的值的误差范围都小于10%，说明测风求阻方法在获取矿井通风网络基础数据时精确度和可信度较高，满足通风网络解算对风阻的基本要求。

3.2 测风求阻方法应用举例

利用测风求阻的基本原理和程序，对鲁班山南矿的通风系统巷道风阻进行计算。鲁班山南矿的通风系统相对比较简单，两个采煤工作面和一个备用工作面，四个掘进工作面，通风网络有96条分支、73个节点，1个进风井和1个回风井，主扇风机特性曲线已知，巷道风量分配依据风量平衡方程和现场实测可以求得，主要通风线路风阻已知，根据矿井实际情况给定风阻取值，对整个矿井通风网络风阻进行解算。风阻解算结果如表3所示。

表3 鲁班山南矿巷道风阻解算结果

4 结论

（1）测风求阻是矿井通风网络优化数据获取的一种辅助方法，该方法是通过风量分配平衡方程获取风量和已知主要通风网络风阻，可以获取其他通风网络分支风阻，精确度较高，对于其他难以测量的巷道风阻的获取比较方便。

（2）测风求阻不能从根本上替代矿井通风阻力测定，但可大幅度降低矿井通风网络参数获取的难度，是一种简单易行的操作方法，特别是有利于条件复杂的矿井参数获取。