基于風(fēng)量可調(diào)度的礦井風(fēng)量調(diào)節(jié)

崔傳波,　蔣曙光，　王凱,　邵昊，　吳征艷

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221116；

2．煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州　221116)

基于風(fēng)量可調(diào)度的礦井風(fēng)量調(diào)節(jié)

崔傳波1,2,蔣曙光1,2，王凱1,2,邵昊1,2，吳征艷1,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州221116；

2．煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州221116)

摘要：由于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中分支的風(fēng)量相互影響，針對(duì)改變分支風(fēng)阻重新分配風(fēng)量的方法會(huì)造成風(fēng)量減小較快的分支風(fēng)量不能滿足最低需風(fēng)要求的問題，基于風(fēng)量調(diào)節(jié)基本理論建立了風(fēng)量可調(diào)度模型，提出了基于風(fēng)量可調(diào)度的礦井風(fēng)量調(diào)節(jié)方法。該方法利用風(fēng)網(wǎng)解算確定被調(diào)分支風(fēng)阻可調(diào)范圍，進(jìn)而從定量角度求得需風(fēng)分支風(fēng)量可調(diào)度。利用該方法計(jì)算風(fēng)量可調(diào)度便于選擇最佳風(fēng)阻調(diào)節(jié)分支以及確定風(fēng)阻調(diào)節(jié)范圍與風(fēng)量變化量。

關(guān)鍵詞：風(fēng)量調(diào)節(jié)； 靈敏度； 風(fēng)網(wǎng)解算； 風(fēng)量可調(diào)度

0引言

隨著礦井的生產(chǎn)推進(jìn)，礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、阻力分布、通風(fēng)設(shè)施、通風(fēng)動(dòng)力等都會(huì)隨之變化，致使通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的分支風(fēng)量也發(fā)生變化[1]。當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分支風(fēng)量的變化超過一定范圍時(shí)就會(huì)引起瓦斯積聚、瓦斯超限等問題，威脅礦井安全生產(chǎn)[2]。為了滿足某一特定工作點(diǎn)的用風(fēng)需求，需要對(duì)其他分支進(jìn)行風(fēng)阻調(diào)節(jié)。

近年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)風(fēng)阻調(diào)節(jié)展開了深入研究[3-7]。Shamir等[8]在流體網(wǎng)絡(luò)研究中引入靈敏度分析，將其與網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)合，避免了某些參數(shù)變化所引起的不必要的迭代計(jì)算;吳奉亮等[9]用靈敏度優(yōu)選礦井風(fēng)量調(diào)節(jié)點(diǎn)及調(diào)節(jié)參數(shù);史東濤等[10]引入靈敏度衰減率來研究風(fēng)量調(diào)節(jié)的風(fēng)阻臨界值。但是，利用風(fēng)量靈敏度分析法只能確定各分支對(duì)某個(gè)分支的敏感程度，通過調(diào)節(jié)需調(diào)分支中敏感度較大的分支風(fēng)阻來改變?cè)摲种эL(fēng)量、壓力分配[10]，沒有從定量的角度確定需調(diào)分支風(fēng)阻調(diào)節(jié)范圍以及調(diào)節(jié)該分支后各分支風(fēng)量變化范圍。

為此，筆者提出了基于風(fēng)量可調(diào)度的礦井風(fēng)量調(diào)節(jié)方法，以風(fēng)量調(diào)節(jié)理論為基礎(chǔ)，建立風(fēng)量可調(diào)度模型，利用風(fēng)網(wǎng)解算確定被調(diào)分支風(fēng)阻可調(diào)范圍，進(jìn)而從定量角度求得需風(fēng)分支風(fēng)量可調(diào)度。

1風(fēng)量調(diào)節(jié)

礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)風(fēng)量調(diào)節(jié)過程是按照供風(fēng)要求，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)風(fēng)流從不平衡到平衡的過程。風(fēng)量調(diào)節(jié)必須遵循網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流變化的基本規(guī)律。根據(jù)風(fēng)量平衡定律，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)處各風(fēng)路風(fēng)量的代數(shù)和為零，即

(1)

式中dqi為各風(fēng)路風(fēng)量的變化量。

對(duì)于風(fēng)壓平衡定律，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)風(fēng)路風(fēng)阻、風(fēng)量的變化以及有無通風(fēng)機(jī)等多種情況，可得

(2)

式中：ri為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)風(fēng)路風(fēng)阻；tgθi為通風(fēng)機(jī)特性曲線的斜率。

2風(fēng)量可調(diào)度模型

2.1風(fēng)量可調(diào)度概念

礦井通風(fēng)系統(tǒng)局部風(fēng)量調(diào)節(jié)過程中，為了便于選擇風(fēng)量調(diào)節(jié)的最佳分支，引入風(fēng)量可調(diào)度這一新概念來量化分支j風(fēng)阻變化對(duì)分支i風(fēng)量的影響大小。

靈敏度dij用于表述分支j的風(fēng)阻Rj變化對(duì)分支i風(fēng)量Qi的影響程度，風(fēng)量可調(diào)度與靈敏度關(guān)系為

(3)

式中：ΔRj=Rj-Rj0，為分支j的風(fēng)阻變化量；ΔQi=Qi-Qi0，為分支i的變化量，即分支i相對(duì)于分支j的風(fēng)量可調(diào)度。

2.2風(fēng)量可調(diào)度的計(jì)算

靈敏度衰減率[10-11]表示通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)靈敏度隨風(fēng)阻變化的情況，用tij表示：

(4)

由式(4)可知，在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)變化時(shí)，風(fēng)網(wǎng)工作狀態(tài)也會(huì)變化，但是變化快慢程度不同。因此，靈敏度dij隨風(fēng)阻Rj的改變而變化。通過大量通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)計(jì)算和模擬分析發(fā)現(xiàn)，靈敏度dij和風(fēng)阻Rj之間總是符合如下關(guān)系式：

(5)

式中：a,b,c為常數(shù)，可通過數(shù)據(jù)分析擬合求得。

由式(3)和式(5)可得

(6)

對(duì)分支j使用增阻調(diào)節(jié)法，則分支i的風(fēng)量變化量由分支j的風(fēng)阻調(diào)節(jié)范圍決定。假設(shè)分支j的風(fēng)阻可調(diào)范圍為Rj∈[u,v],利用面積積分公式對(duì)式(6)兩邊Rj積分，可得風(fēng)量可調(diào)度為

(7)

2.3風(fēng)阻調(diào)節(jié)范圍的確定

對(duì)分支j進(jìn)行增阻調(diào)節(jié)時(shí)，各個(gè)分支的風(fēng)量Qi隨風(fēng)阻Rj的變化而變化。利用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算程序，分支j風(fēng)阻變化一次，就會(huì)獲得一組各個(gè)分支的風(fēng)量Q=[q1,q2,…，qn]T。通過大量通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)計(jì)算和模擬分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)量Qi和風(fēng)阻Rj之間總是符合如下關(guān)系式：

(8)

利用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算程序，可以解得分支j風(fēng)阻變化時(shí)各個(gè)分支的風(fēng)量Qi。在調(diào)節(jié)分支j的風(fēng)阻時(shí)，整個(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)分支風(fēng)量都會(huì)受到影響，與分支j處于并聯(lián)或串聯(lián)關(guān)系的分支，其風(fēng)量隨Rj的改變變大或變小。為了滿足各個(gè)分支的正常工作生產(chǎn)要求，風(fēng)量隨Rj變化而變小的分支，其風(fēng)量不能低于最低需風(fēng)量。因此，分支j的風(fēng)阻Rj調(diào)節(jié)范圍[u,v]主要取決于風(fēng)量隨Rj變化而變小的分支。

3算例分析

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)G=(V,E)如圖1所示，|V|=7,|E|=11，風(fēng)阻列向量R=[1.373 4,1.471 5,1.177 2,0.981,0.784 8,2.943,0.588 6,3.924,4.120 2,5.886,2.246 7]T，風(fēng)阻單位為Ns2/m8。分支11安裝有通風(fēng)機(jī)，通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓特性曲線：hf=1 046.3+5q-0.85q2。假設(shè)分支8需要增加2 m3/s的風(fēng)量,選擇增阻法調(diào)節(jié)風(fēng)阻，使風(fēng)路8的用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量滿足要求，按照上述算法選擇可調(diào)分支。

3.1通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的解算

在已知各個(gè)分支風(fēng)阻和通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓特性曲線的前提下，運(yùn)用Matlab編程解算通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)G=(V,E)，可得此時(shí)各個(gè)分支風(fēng)量Q=[8.655 1,8.192 8,4.561 2,5.399 8,7.535 5,2.425 4,11.629 5,5.218 4,4.093 9,2.793 0,16.846 8],單位為m3/s。

圖1　通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

3.2分支7風(fēng)阻調(diào)節(jié)范圍的確定

選擇最佳可調(diào)分支時(shí)，以調(diào)節(jié)分支7的風(fēng)阻R7為例。隨著分支7的風(fēng)阻R7增大，其他各個(gè)分支的風(fēng)量隨之變化，利用Matlab進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算，求得不同R7下的其他各個(gè)分支的風(fēng)量。隨著分支7風(fēng)阻增大，各個(gè)分支風(fēng)量增大或減小，如圖2所示。

圖2　隨風(fēng)阻R7增大時(shí)的各個(gè)分支風(fēng)量變化曲線

為了滿足各個(gè)分支的生產(chǎn)需要，風(fēng)量減小的分支其風(fēng)量不能低于最低需風(fēng)量。因此，在確定分支7的風(fēng)阻調(diào)節(jié)范圍時(shí)，主要考慮風(fēng)量減小的分支其風(fēng)阻是否滿足要求，其中隨著分支7風(fēng)阻增大而風(fēng)量減小的有分支1、2、4、5、7、9、11。由于分支3受分支7風(fēng)阻變化影響很小，故不予考慮。運(yùn)用Origin畫出分支1、2、4、5、7、9、11的風(fēng)量隨分支7的風(fēng)阻R7增大而減小的曲線，如圖3所示。

煤礦井下各個(gè)用風(fēng)地點(diǎn)的需風(fēng)量不僅受瓦斯涌出濃度的影響，還受作業(yè)人數(shù)、炸藥量、機(jī)械設(shè)備的影響。為了滿足井下各個(gè)用風(fēng)地點(diǎn)的需風(fēng)要求，每個(gè)分支風(fēng)量不能低于最低需風(fēng)量。計(jì)算得到的各個(gè)分支最低需風(fēng)量見表1。

圖3　隨風(fēng)阻R7增大而分支風(fēng)量減小的曲線

分支編號(hào)最低需風(fēng)量Qmin/(m3·s-1)分支編號(hào)最低需風(fēng)量Qmin/(m3·s-1)16.513255.213726.809777.921133.356593.257744.10061113.3229

從圖3和表1可以看出，隨分支7風(fēng)阻增大，分支4、5、7、11的風(fēng)量減小較快，且相比于其他分支最先低于最低需風(fēng)量，以分支4、5、7、11的最低需風(fēng)量為橫實(shí)線畫圖，所得圖形如圖4所示。

圖4　最低需風(fēng)量與分支風(fēng)量變化曲線

由圖4可知，各個(gè)分支的風(fēng)量變化曲線與其最低需風(fēng)量Qmin直線相交的交點(diǎn)中，R7最小值是分支5的風(fēng)量變化曲線與其最低需風(fēng)量Q5min=5.213 7 m3/s的交點(diǎn)。下面確定交點(diǎn)的風(fēng)阻值。隨著分支7的風(fēng)阻增大，分支5的風(fēng)量減小，風(fēng)量Q5和風(fēng)阻R7之間總是滿足式(8)。運(yùn)用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算程序，可得風(fēng)量Q5與靈敏度d87隨風(fēng)阻R7變化的數(shù)據(jù)，見表2。

利用Matlab軟件的Power冪函數(shù)擬合處理后可得風(fēng)量Q5隨風(fēng)阻R7變化的曲線，如圖5所示。

分支5的風(fēng)量Q5與分支7的風(fēng)阻R7的關(guān)系為

(9)

圖5　風(fēng)量Q5隨風(fēng)阻R7變化的曲線

將分支5的最低需風(fēng)量Q5min=5.213 7 m3/s代入式(7),可得R7=3.023 5 Ns2/m8,即為分支7風(fēng)阻的最大可調(diào)值。R7初始值為0.588 6 Ns2/m8，則分支7的風(fēng)阻調(diào)節(jié)范圍[u,v]=[0.588 6,3.023 5]。

3.3分支7風(fēng)量可調(diào)度的計(jì)算

在確定分支7的風(fēng)阻調(diào)節(jié)范圍后，利用式(5)求解風(fēng)量可調(diào)度。運(yùn)用Matlab編程求得靈敏度d87隨分支7的風(fēng)阻R7變化的數(shù)據(jù)(表2)。利用Matlab軟件的Power冪函數(shù)擬合處理后可得靈敏度d87隨風(fēng)阻R7變化的曲線，如圖6所示。

圖6　靈敏度d87隨風(fēng)阻R7變化的曲線

靈敏度d87與風(fēng)阻R7的關(guān)系為

(10)

式中d87表示分支7風(fēng)阻改變對(duì)分支8風(fēng)量的影響。

通過確定的分支7風(fēng)阻調(diào)節(jié)范圍[u,v]=[0.588 6,3.023 5]，利用式(5)、式(8)求出分支8的風(fēng)量可調(diào)度ΔQ8=2.628 8 m3/s，由此對(duì)分支7增阻調(diào)節(jié)，能使分支8增大風(fēng)量為2.628 8 m3/s,滿足分支8增加風(fēng)量2 m3/s的要求。因此，只要對(duì)分支7增阻調(diào)節(jié)就可使分支8的風(fēng)量達(dá)到需風(fēng)要求。

4結(jié)語

基于風(fēng)量可調(diào)度的礦井風(fēng)量調(diào)節(jié)方法利用Matlab編程，通過風(fēng)網(wǎng)解算求出各個(gè)分支風(fēng)量。對(duì)大量數(shù)據(jù)模擬分析和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)量可調(diào)度ΔQi與靈敏度dij之間總是符合關(guān)系式ΔQi=dijΔdi。該方法從定量的角度直觀體現(xiàn)出調(diào)節(jié)分支j的風(fēng)阻對(duì)分支i的風(fēng)量影響大小，便于礦井井下風(fēng)量調(diào)節(jié)時(shí)可調(diào)分支的選擇以及風(fēng)阻調(diào)節(jié)范圍的確定。

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網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160126.1545.010.html

Adjustment of mine air volume based on air volume dispatchable model

CUI Chuanbo1,2，JIANG Shuguang1,2，WANG Kai1,2,SHAO Hao1,2,WU Zhenyan1,2

(1.School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;

2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, Xuzhou 221116, China)

Abstract:Due to the air volume of branch of ventilation network is influenced by each other, and the method of change branch wind resistance to airflow distribution will be caused the air volume of decreased faster branch airflow cannot meet the minimum requirements, the air volume dispatchable model was set up based on airflow condition theory, an adjustment method of air volume based on air volume dispatchable model was proposed. The adjustment method uses ventilation network solution to calculate adjustable range of branch wind resistance, and obtains the air volume of branch from quantitative angle. Using the method to calculate air volume is convenient to choose the most adjustable branch and confirm the wind resistance adjustment range and variation of air quantity.

Key words:air volume adjustment; sensitivity; ventilation network solution; air volume dispatchable model

作者簡(jiǎn)介：崔傳波(1990-)，男，山東泰安人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槊旱V井下應(yīng)急救援、礦井通風(fēng)等，E-mail:cbcui1999@163.com。 夏輝麗(1980-)，女，河南舞鋼人，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用、信息處理技術(shù)等，E-mail:2727616857@qq.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51404263)；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(BK20130203， BK20140187)。 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61174106)；河南省高等學(xué)校科研重點(diǎn)項(xiàng)目(15B510017)。

收稿日期：2015-10-12；修回日期：2015-11-19；責(zé)任編輯：張強(qiáng)。 2015-10-21；修回日期：2015-11-24；責(zé)任編輯：張強(qiáng)。

中圖分類號(hào)：TD723

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-01-26 15:45

文章編號(hào)：1671-251X(2016)02-0039-05

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.02.010

崔傳波，蔣曙光，王凱，等.基于風(fēng)量可調(diào)度的礦井風(fēng)量調(diào)節(jié)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(2)：39-43.