矿井通风测量数据处理方法的集成与应用.pdf

收稿日期 20020610 作者简介陈开岩19622 , 男,江苏省徐州市人,中国矿业大学副教授,工学博士,从事通风优化、 除尘、 防火及计算机应用软件开发方 面的研究. 第31卷 第6期 中国矿业大学学报 Vol . 31 No. 6 2002年11月 Journal of China U niversity ofM ining 编制了集测量数据处理、 精度检验和平 差处理为一体的通风阻力测量数据综合处理软件.以补连塔矿通风阻力实测为例,介绍了测量数 据的处理过程. 关键词矿井通风;阻力测量;测量平差;数据处理 中图分类号 TD 723 文献标识码 A 近年来,随着通风测量仪表和矿井通风监测系 统的发展与完善,矿井通风阻力测量已由用压差计 皮管法逐步转向用双气压计法,矿井通风监测系统 中测点气压的自动连续监测相当于双气压计同步 法测量,而全矿井人工测量一般常用双气压计基点 法. 上述3种测量方法的实质是相同的,都是基于 风流能量方程. 3种方法的共同之处是,都要计算 1 矿井自然风压 ; 2 每个测点的空气密度、 速压; 3 每条通风巷道的断面积、 周长、 风量、 阻力、 风 阻、 摩擦阻力系数.所不同的是,基点法要进行基点 气压校正,数据处理较为复杂,同步法中等,压差计 2皮管法较简单.基点法的测量精度相对较难保证, 同步法的精度较易达到,压差计2皮管法的精度最 高.相反,基点法的测量工作量最小,同步法次之, 压差计2皮管法最大. 3种测量方法的通风阻力计 算公式如下[1]. 1 双气压计基点法测量时,测段12通风阻 力 h12kp1-p2-kpb1-pb2 9. 81Θ1Θ 2 Z1-Z22 Θ1v21-Θ2v222 ,1 式中p1,p2分别为测点气压计在上风测点和下风 测点的绝对气压值, Pa;pb1,pb2分别为基点气压计 在测点气压计读取p1,p2时的绝对气压读数, Pa; Z1,Z2分别为测段前、 后测点的标高,m;v1,v2分别 为测段前、 后测点处的风速,m s; Θ1,Θ2分别为测 段前、 后测点的空气密度, kgm 3; k为气压计读数 的单位换算系数. 2 双气压计同步法测量时,测段12的通风 阻力 h12kp1-p2k1∃pg 9. 81Θ1Θ2 Z1- Z22 Θ1v 2 1-Θ2v 2 22 ,2 式中∃pg为两台气压计的固有读数差, Pa;k1为气 压计单位换算系数. 3 压差计2皮管法测量时,测段12的通风 阻力 h12k2hdΘ1v 2 1-Θ2v 2 22,3 式中hd为压差计读数, Pa;k2为压差计校正及单 位换算系数. 1 通风网络测量平差 在矿井通风系统基本稳定、 测量仪器使用正常 的条件下,测量数据无粗差,只有随机误差.由于随 机误差绝大多数服从正态分布[2],因此,矿井通风 阻力的测量误差可以采用平差的方法进行消 除[3, 4]. 矿井通风网络简称风网测量的主要参数包 括分支风量、 阻力和风阻值,其中分支风阻值由风 量和阻力值计算. 在分支数为n,节点数为M的矿井风网中,不 仅各分支风量满足节点风量平衡定律,而且各分支 阻力满足独立回路风压平衡定律.设实测值向量为 X X1,X2,⋯,Xn T, 其平差后的最或是值向量为 X δ Xδ1,Xδ2,⋯,Xδn T, 其改正值向量为 ∃XX δ- X ∃X1,∃X2,⋯,∃Xn T, 根据风流流动定律,可建 立m个独立误差方程 a11∃X1a12∃X2⋯a1n∃XnE1, a21∃X1a22∃X2⋯a2n∃XnE2, ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ am1∃X1am2∃X2⋯am n∃XnEm, 4 写成矩阵形式为 A∃XE,5 式中E E1,E2,⋯,Em T 为实测不平衡误差向 量;A为秩为mn阶的系数矩阵;m为方程数. 在上述平差一般模型中,如果A等于节点独 立关联矩阵,实测值X为风流的质量流量,则式 4代表节点风量不平衡误差方程组,方程数m M-1;如果A等于独立回路矩阵,实测值X为阻 力,则式4代表独立回路风压不平衡误差方程组, 方程数m n-M1. 为求得改正值向量 ∃X,一般采用最小二乘 法,引入拉格朗日乘数法向量K,建立目标函数 Υ∃X TW X∃X-2KA∃X-E , 式中WX为测量精度权矩阵. 根据平差的具体对象和要求,测量精度权矩阵 WX可选取风量、 阻力、 风阻、 能量损失实测值的倒 数;不同的权矩阵,平差结果是不同的,一般取测量 值的倒数. 求目标函数 Υ取极小值时的改正值向量 ∃X 为 ∃XW - 1 XA TK, 6 AW - 1 XA TK E.7 先求解对称正定方程组 7, 把其解K代入方程 6,求得 ∃ X,然后得实测最或是值向量 X δ X∃X, 单位权中误差 ΛX ∃X TW X∃X m . 按上述2种风网测量误差方程组进行的平差, 称为风量平差和阻力平差[3, 4].分支风阻值是通过 测量风量和阻力,利用阻力定律间接计算而得.因 此风阻测量平差实质上是利用风量平差结果以风 量实测值倒数为精度权矩阵和阻力平差结果以 风阻实测值倒数为精度权矩阵 , 然后由阻力定律 计算出风阻测量平差值. 2 矿井通风阻力测量数据处理软件 [1, 3] 2. 1 软件功能 根据3种测量方法的原理,编写了矿井通风阻 力测量数据处理软件.该软件具有以下功能 1 可对任何类型矿井通风系统的分区或整体 通风阻力测量数据采用双气压计基点法、 同步法以 及压差计2皮管法进行准确处理,计算出通风网络 的风量、 阻力和风阻值; 2 可自动选择矿井各风井系统最大、 最小通 风阻力路线及其阻力值和自然风压值; 3 可对矿井各风井通风系统进行测量精度检 验[5]; 4 可对矿井通风网络节点风量质量流量实 测不平衡值进行平差; 5 可对矿井通风网络独立回路风压实测不平 衡值进行平差; 6 其它功能. 2. 2 测量数据处理实例 补连塔矿矿井通风方式为分区抽出式,主井、 副井、 辅助平硐和南进风井共同进风,在2号煤专 设一条总回风大巷,南回风井回风.现在一采区风 井风机不运转,炸药库采用局部扇风机从一采区风 井回风;南回风井安装了 1K 258№24型离心式风 机,配套电机为JS12828型,功率为155 kW ,转速 为750 rm in.通风阻力测定分3组,采用气压计基 点法分区测量,测点布置见图1.在获取了全部测 量数据后,按分区测量的计算步骤进行数据处理. 1 分区原始测量数据① 基点气压观测数 据;② 测压点大气参数测量数据;③ 巷道断面及 风速测量数据;④ 测量系统风机运行参数;⑤ 井 下测压仪器读数单位及校正系数;⑥ 基点测压仪 器读数单位及校正系数;⑦ 风机水柱计读数单位 及校正系数. 2 运行基点法阻力计算程序,该程序将自动 计算分区各测点的空气密度与风速、 巷道通风断面 积、 周长、 风速、 风量、 阻力、 实际风阻、 标态风阻和 标态摩擦系数. 3 将分区各巷道阻力计算结果装入全风网汇 总库. 4 重复上述步骤,直到各分区及分区之间连 接巷道的阻力计算完毕为止. 5 形成全风网数据后,运行阻力测量精度检 验程序该矿的计算结果见表1. 106第6期 陈开岩等矿井通风测量数据处理方法的集成与应用 图1 补连塔矿通风系统示意 Fig. 1 The ventilation system for Bulianta CoalM ine 表1 补连塔矿矿井通风阻力测量精度检验结果 Table 1 The result of precision test for ventilation resistance survey in Bulianta CoalM ine 风井名称始点末点风机风压Pa 系统阻力Pa 最大 最小 自然风压Pa 最大 最小 误差校验 最大 最小 南风井132358. 15436. 04434. 7599. 798. 54. 774. 79 6 运行风网风量平差程序. 7 运行风网阻力平差程序该矿的实测与平 差结果对比见表2. 由表1可知,该矿井本次通风阻力测量误差, 无论按主干线检验法还是按最大与最小阻力路线 自闭合检验法,其值均小于测量允许误差范围5 ～7. 表2的结果表明,风量、 阻力的平差结果与实 测计算结果存在差异.由计算机检验可知,平差结 果符合通风网络流动的基本规律,即流入与流出各 节点的空气质量流量达到平衡,且各独立回路的风 压代数和等于零.不仅合理地消除了测量过程中的 随机误差,而且达到了网络解算的效果. 表2 补连塔矿矿井通风网络实测值与平差值对比 Table 2 Comparison of actual and adjustment values of ventilation network survey in Bulianta CoalM ine 分支号始点末点长度m断面m2 质量流量 kg s- 1 实测 平差 阻力Pa 实测 平差 风阻 N s2m- 8 实测 平差 11286. 289. 8513. 9413. 9633. 4232. 820. 2065290. 221367 234155. 0011. 4810. 9711. 017. 877. 730. 0758970. 082582 32370. 0010. 7712. 3012. 316. 136. 120. 0471120. 052238 41183893. 007. 2410. 6510. 67218. 17214. 562. 2670182. 455799 515490. 0019. 4555. 6955. 7152. 4551. 570. 0205840. 021992 645195. 009. 0011. 0711. 017. 977. 830. 0768870. 084254 7571475. 0016. 0938. 1038. 9244. 9244. 030. 0370260. 038149 81819260. 0014. 3762. 6862. 668. 598. 160. 0024700. 002652 917181330. 0020. 3649. 5349. 4761. 7860. 540. 0283870. 031530 101617125. 0017. 3242. 6742. 588. 538. 430. 0053210. 005946 111516260. 0018. 1242. 6842. 5711. 8011. 660. 0073760. 008234 1230172675. 0019. 346. 876. 9012. 2812. 180. 2969060. 328758 131215290. 0017. 576. 016. 1018. 5418. 490. 5934230. 642175 206 中国矿业大学学报 第31卷 续表 分支号始点末点长度m断面m2 质量流量 kg s- 1 实测 平差 阻力Pa 实测 平差 风阻 N s2m- 8 实测 平差 14121320. 0017. 7825. 3425. 311. 601. 600. 0028990. 003218 1511122800. 0014. 8315. 0015. 0410. 6410. 570. 0556860. 060852 1611122850. 0018. 7423. 1923. 2510. 6410. 570. 0232890. 025454 1712302520. 0022. 856. 866. 8926. 5626. 350. 6545780. 716848 181314240. 0017. 5025. 1425. 3015. 0414. 990. 0271880. 030043 19141520. 0016. 9025. 0925. 311. 691. 680. 0030470. 003368 208152800. 0017. 0811. 3311. 1836. 9636. 710. 3352700. 380395 2178390. 0017. 0572. 6972. 643. 693. 580. 0008320. 000889 2289140. 0015. 3657. 3756. 573. 593. 530. 0012870. 001439 23910165. 0018. 2756. 2955. 534. 944. 880. 0018410. 002061 24101175. 0020. 4243. 1543. 030. 840. 830. 0005370. 000585 2592780. 0016. 001. 081. 0416. 0015. 9416. 00362018. 888490 26828405. 0017. 485. 074. 9134. 2634. 091. 5507681. 831078 2756990. 0020. 7327. 4627. 7917. 0616. 820. 0269520. 028513 282251170. 007. 411. 641. 6527. 0626. 6112. 02800012. 826870 292218830. 0013. 392. 512. 52194. 72192. 1736. 80823039. 610540 302919875. 0017. 0626. 3226. 4619. 3618. 710. 0323140. 034481 311932328. 008. 5391. 4291. 65195. 95185. 720. 0263720. 028151 321126105. 0016. 364. 964. 736. 236. 240. 2954840. 361211 332627200. 0018. 9716. 8317. 233. 983. 980. 0160740. 017203 342728325. 0018. 2217. 9018. 2614. 4314. 380. 0513070. 055255 351026815. 0017. 4413. 1312. 506. 896. 890. 0465670. 057159 362425400. 0013. 375. 375. 409. 9310. 000. 4221670. 455311 3767425. 0013. 7234. 5134. 8527. 6827. 030. 0276720. 029145 38256400. 007. 707. 017. 057. 927. 850. 1938810. 207816 392324350. 0013. 897. 557. 573. 923. 910. 0847340. 091015 402223835. 0015. 507. 557. 5620. 5120. 450. 4500670. 480248 41212265. 0013. 7610. 0610. 085. 195. 110. 0648500. 067749 422428405. 0015. 302. 182. 1688. 2287. 3022. 05551024. 538390 432119353. 0013. 762. 432. 44205. 49202. 4441. 69521044. 611300 443121485. 0012. 7212. 4812. 5342. 8941. 560. 3388570. 352161 45729315. 0012. 601. 161. 13108. 58106. 9994. 841220109. 096300 462829520. 0015. 3025. 1625. 3370. 3569. 020. 1285900. 138793 4732110. 008. 5391. 5791. 570. 000. 000. 0000000. 000000 3 结 论 1 对于大规模、 复杂的矿井通风网络,虽然通 风阻力测量数据处理量大且繁琐,但采用分区测量 及分区数据处理方法可使问题得到简化.实践表 明,它是一种非常实用而有效的方法. 2 在需要进行高精度的通风阻力测量时,对 实测数据进行平差处理能够消除测量过程中的随 机误差,使测量数据更加准确、 可靠,平差结果可以 达到网络解算的效果. 3 平差计算中测量精度权矩阵有多种取法, 如风量、 阻力、 风阻、 能量损失测量值的倒数等.不 同的权取值获得的平差结果有差异,通常取风量、 阻力或风阻测量值的倒数为精度权矩阵.利用风量 平差结果和风阻测量值倒数为精度权矩阵的阻力 平差结果,可计算出风阻平差值. 4 实践证明,自行开发的通风阻力测量数据 综合处理计算机软件实用性强、 操作简单,无需任 何手算,只需原始测量数据,全部数据处理都由计 算机完成. 参考文献 [1] 张惠忱.计算机在矿井通风中的应用[M ].徐州中国 矿业大学出版社, 1991. 2382267. 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A s an example, the pro2 cedure of air pressure measurement data processing for Bulianta CoalM ine w as presented. Key words m ine ventilation; pressure drop measurement; measurement adjustment; data processing 上接第599页 Combined Process of A ir Classification and Coal Cleaning w ith A ir2Solid Fluidized bed YAN G Guo2hua 1, ZHAO Yao2 m in 2, CHEN Q ing2ru2 1. N ingbo U ni . , N ingbo, Zhejiang 315211, China; 2. CUM T, Xuzhou, Jiangsu 221008, China Abstract A force balance or motion equation of a particle in air2solid fluidized bed w as set up and ana2 lyzed. A n appropriate size fraction w hich could be effectively separated in air2solid fluidized bed w as de2 term ined through theoretical analysis and tests . The problem s in controlling upper size and low er size of feed into an air2solid fluidized bed w ere discussed, and then an air classification technology of moist raw coalw as introduced. Pilot Test results show that 1the air flow has a good“dust2w ashing”effect on the surfaces of coarse coal particles in air classification, and nearly all coal dusts smaller than 1 mm w ere w ashed off from the coarse particles by air flow. A s a result, the coal dust content is as low as 0. 2 in the coarse particle product.This is very favorable for stabilizing the fluidized bed density and reducing the burden of medium purification; 2air classification has a“clean”effect on fines product. A s far as the tested coal is concerned, the ash of fines product obtained by air classification is 1. 7 low er than the ash of the same size fraction in feed, and 7. 5 less than the feed ash because of the density differ2 ence betw een the clean and thew aste. A combined process of air classification and coal cleaningw ith air2 solid fluidized bed is put forw ard, w hich can opti m ize coal dry cleaning process, and then reduce the con2 struction and operation costs by more than 50. Key words air classification; air2solid fluidized bed; separation; coal dry cleaning 406 中国矿业大学学报 第31卷