一种通风阻力同步测定系统及测定方法

技术领域

本发明属于煤矿通风技术领域，特别是一种用于煤矿通风系统的通风阻力同步测定系统及测定方法。

背景技术

矿井通风阻力测定是煤矿生产中的一项重要内容，其主要目的是了解矿井通风系统的运行状况和矿井通风机是否处于经济运行状态。每隔一段时间煤矿矿井必须要进行通风阻力测定，这是因为煤矿生产过程中通风网络是变化的。通过通风阻力测定可以了解通风系统的整体和局部运行情况，还可以指导矿井通风系统的漏风情况。由于通风系统的运行状态关系到煤矿生产的安全性，因此，准确地测定矿井通风阻力显得尤为重要。

矿井通风阻力测定是一项复杂、烦琐的工作，前期需要准备测定的路线、测量的仪器，中期需要到井下各个位置进行现场实测，后期需要对测得的数据进行处理，核算出矿井通风系统的阻力。现有方法在进行测定时，受仪器的精度、测定的方法、测点的选择以及人为因素的影响，导致测定的矿井通风阻力误差非常大，甚至有的地方通风阻力出现了不合理的值。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种通风阻力同步测定系统，该系统由终端系统对各个测定子系统进行控制，自动收集和测定井下通风数据，可以精准快速的得到矿井的通风阻力。

同时提供一种通风阻力同步测定方法是本发明的另一个目的。

本发明的技术方案是：一种通风阻力同步测定系统，包括同步测定终端系统和若干同步测定子系统，

所述同步测定终端系统，用于计算通风阻力并向同步测定子系统发出指令，包括中央数据处理模块、数据显示操作模块、多模式无线通信模块和电源支持模块，所述数据显示操作模块、多模式无线通信模块、电源支持模块与中央数据处理模块用线路连接，所述多模式无线通信模块用于同步测定终端系统与同步测定子系统的无线连接，并定位各个同步测定子系统；

所述同步测定子系统，安装在巷道中，用于检测巷道通风数据，并将数据传输同步测定终端系统，包括数据预处理模块、检测控制子模块、子系统电源支持模块、子系统多模式无线通讯模块、环境检测模块，所述检测控制子模块、子系统电源支持模块、子系统多模式无线通讯模块、环境检测模块与数据预处理模块线路连接，所述检测控制子模块用于实现接收的中央数据处理模块的闭合指令，控制环境检测模块的闭合状态，所述子系统多模式无线通讯模块用于环境检测模块与数据预处理模块及同步测定子系统与同步测定终端系统的数据通讯。

所述同步测定终端系统、同步测定子系统还设置有语音通信模块，用于实时沟通。

所述中央数据处理模块，包含通风阻力计算模块、通风阻力系统误差分析模块和数据检测控制模块，所述通风阻力计算模块用于处理上传的通风数据进行计算得出通风阻力，所述通风阻力系统误差分析模块用于比较通风机房的系统理论通风阻力与实测系统通风阻力得出的相对误差，分析通风阻力测定的可靠性，所述数据检测控制模块用于给同步测定子系统的检测控制子模块下发指令。

所述同步测定子系统还包括时间模块，与数据预处理模块连接，用于实现环境检测模块各检测模块的时间矫正，确保检测时间同步化，减少检测中因不同步产生的误差。

所述环境检测模块，包括断面尺寸检测模块、风速风量检测模块、风压检测模块、空气成分检测模块用于实时检测井巷断面尺寸、空气密度、风速风量、及自然风压的数据。

所述的多模式无线通信模块、子系统多模式无线通讯模块使用5G通信协议和蓝牙mesh通讯协议。

本发明具有以下优点：

1、本发明系统通过终端系统对各个测定子系统进行控制，对各子系统上传的数据进行汇总与计算分析，现场即可计算得出矿井的通风阻力，解决现有通风检测设备受仪器的精度、测定的方法、测点的选择以及人为因素的影响大，测量结果误差大，甚至有的地方通风阻力出现了不合理数值的问题；

2、本发明系统现场布置方便，数据处理一体化，收集的数据真实可靠，可以根据真实数据反映出矿井通风系统的真实情况，减少人力浪费，降低工人工作强度；同时利用现代无线通信技术，减少了过往技术中存在的记录数据少，计算复杂，时间同步性差，通风阻力测定误差大的情况；同时不需要经行修正测点的相对压力，避免了在修订过程中产生的相对误差，真正意义上得到了真实的通风阻力参数。

一种通风阻力同步测定方法，

第一步，对矿井各处通风阻力测点进行编码，并在测点布置同步测定子系统，将同步测定子系统与测点编码对应；

第二步，设置同步测定终端系统，调试同步测定终端系统与同步测定子系统的通讯连接；

第三步，同步测定子系统的空气成分检测模块、断面尺寸检测模块、风速风量检测模块、风压检测模块开始定时检测，对井巷测点的断面尺寸、空气密度、风速风量及自然风压的数据检测计算，

第四步，同步测定子系统的数据预处理模块将井巷断面尺寸、空气密度、风速风量及自然风压的数据与时间，形成二维数据函数，绘制二维图像，并对检测数据打包，传输给同步测定终端系统；

第五步，同步测定终端系统的通风阻力计算模块，利用同步测定子系统的上传数据，计算测点间的通风阻力、巷道风量、巷道风阻、巷道摩擦阻力系数、巷道百米风阻、段速压差、段位压差，最后计算得到矿井通风阻力和误差分析。

所述第五步，通风阻力计算方法，

1、两侧点间没有分支巷道时，巷道通过的风量取两测点风量的平均值；

2、 若测点之间有一条分支巷道，测段巷道的风量取代表该段巷道的测点风量。即在巷道风流的分、汇点之前设置测点，则该段巷道的风量取后一测点的风量；在巷道风流的分、汇点之后设置测点，则测段巷道的风量取前一测点的风量。

所述同步测定子系统对井巷断面尺寸、空气密度、风速风量及自然风压的检测计算方法为，

对巷道测点的横断面尺寸的检测计算方法，

包括对矩形巷道、三心拱巷道、半圆拱巷道的横断面面积计算，具体如下，

矩形巷道：

三心拱巷道：

或

半圆拱巷道：

或

U =3.84

式中：S 、井巷断面积，m

所述对矿巷测点空气密度的检测计算方法，

式中:

所述对矿巷测点风速风量的检测计算方法，

风表校正公式：

式中：

井巷实际风速：

式中：

式中： S 、测风断面积，

井巷风量：

式中：

矿井自然风压计算：

式中：

进一步的，巷道存在胶带输送机，则巷道横断面面积等于计算面积减去0.5~0.7m

所述同步测定终端对井巷测点间的通风阻力、巷道风量、巷道风阻、巷道摩擦阻力系数、巷道百米风阻、段速压差、段位压差的检测计算方法为，

所述矿巷测点间段速压差的检测计算方法，

式中：

所述对矿巷测点间的段位压差及矿井自然风压检测计算方法，

对测点标高

选择的测点标高根据使用矿井的地质资料获得，标高均为底板标高；

测定段位压差计算，

测定段

式中：

所述两测点间的通风阻力计算，

两测点

式中：

式中：

所述测点间风量计算，

巷道风量计算:

式中： S、巷道断面积，

所述测点间巷道风阻值计算，

巷道风阻值由下式计算：

式中：

所述测点间巷道摩擦阻力系数计算，

对于实测巷道的摩擦阻力系数由下式计算：

式中：

所述测点间巷道巷道百米风阻计算，

所述误差分析用的标准数据算法，

巷道标态百米风阻

巷道标态摩擦阻力系数

式中：

巷道标准风阻

本发明通风阻力同步测定方法，有效解决了现有技术中各种情况引起的测量误差高的问题，并且测量快捷，省事实力，为井下安全提供了可靠保障。

附图说明

图1为本发明的矿井通风阻力同步测定系统整体示意图；

图2为本发明的同步测定终端系统示意图；

图3为本发明的同步测定子系统示意图；

图4为本发明不同时间下的矿井通风阻力的变化图；

图5为本发明传统数据检测的各测定路线精度表。

具体实施方式

如图1-5所示，一种通风阻力同步测定系统，其特征在于：包括同步测定终端系统（A）和若干同步测定子系统（B1、B2……Bn），同步测定终端系统（A），包括中央数据处理模块（A1）、数据显示操作模块（A6）、多模式无线通信模块（A5）和电源支持模块（A8），其中中央数据处理模块（A1）包括通风阻力计算子模块(A2)、风阻力系统误差分析子模块(A3)、数据检测控制子模块(A4)，通风阻力计算模块(A2)用于处理上传的通风数据进行计算得出通风阻力；通风阻力系统误差分析模块(A3)用于处理通风机房的系统理论通风阻力与实测系统通风阻力相比较得出的相对误差，对测定工作整体误差的检测和控制，分析通风阻力测定的可靠性；数据检测控制模块(A4)用于处理数据显示操作模块给通风阻力同步测定子系统的检测模块下发指令；多模式无线通信模块（A5）用于同步测定终端系统（A）和同步测定子系统(Bn)之间的信息联系通道并定位各个子系统；数据显示操作模块(A6)用于检测控制区域和数据显示区域；语言通信模块（A7）用于实现实时语音相互传输，方便检测人员测量时之间的通信；电源支持模块（A8）用于中央数据处理模块。

同步测定子系统(Bn)，安装在巷道通风阻力测点上，包括数据预处理模块（BⅢ）、检测控制子模块（BⅡ）、子系统电源支持模块（A8）、子系统多模式无线通讯模块（A5）、环境检测模块，检测控制子模块（A4）、子系统电源支持模块（A8）、子系统多模式无线通讯模块（A5）和环境检测模块与数据预处理模块（BⅢ）线路连接，其中环境检测模块包括断面尺寸检测模块（BⅤ）、风速风量检测模块（BⅦ）、风压检测模块（BⅧ）、空气成分检测模块（BⅣ），其中数据预处理模块（BⅢ）用于处理空气成分检测模块（BⅣ）、断面尺寸检测模块（BⅤ）、风速风量检测模块（BⅦ）、风压检测模块（BⅧ）的数据通过子系统多模式无线通讯模块（A5）给通风阻力同步测定终端系统；检测控制子模块（BⅡ）用于实现接收中央数据处理模块（A1）中检测控制模块(A4)的闭合指令，控制各检测模块的闭合状态；子系统电源支持模块（A8）用于数据预处理模块（BⅢ）、检测控制子模块（BⅡ）、多模式无线通讯模块（A5）、语音通信模块(A7)、空气成分检测模块（BⅣ）、断面尺寸检测模块（BⅤ）、风速风量检测模块（BⅦ）、风压检测模块（BⅧ）、时间模块（BⅠ）的供电；子系统多模式无线通讯模块（A5）除了用于与同步测定终端系统通信，还用于实现各检测模块与数据预处理模块之间的信息来往功能。

时间模块（BⅠ）与环境检测模块中的各模块连接，有效减少了人工操作中存在的误差，各检测数据和时间结合起来形成数据和时间（t）的二维数据，确保检测时间同步化，减少检测中因不同步产生的误差。

本申请中的子系统多模式无线通讯模块（A5）和多模式无线通讯模块（A5）可以使用5G通信协议和蓝牙mesh通讯协议，稳定性好，例如通风阻力同步测定终端系统和通风阻力同步测定子系统之间利用多模块的无线通信模块进行信息往来，利用现代化煤矿的5G通信技术进行信息往来，各通风阻力同步测定子系统之间近距离的可以选择无线连接蓝牙mesh通讯协议或5G通信协议，进行数据往来，各检测模块与通风阻力同步测定子系统利用蓝牙mesh通讯协议，进行信息往来。

实施方法，第一步，通过对矿井通风阻力测点进行编码后，测点编码为1、2、3、4……n,在测点布置通风阻力同步测定子系统，对通风阻力同步测定子系统按照矿井通风阻力测点的编码进行相应编码B1、B2、B3、B4、……Bn；随后将同步测定终端系统放置在矿井基准点；现场布置人员在矿井通风阻力测点布置通风阻力同步测定子系统，其中现场布置人员可以利用系统自带语音通信模块进行沟通，便于设备的布置；

第二步，设置同步测定终端系统，调试同步测定终端系统与同步测定子系统的通讯连接；在现场布置好后，检测人员可以开始进行检测，检测人员在通风阻力同步测定终端系统显示系统界面点击开始检测，数据检测控制模块(A4)将数据显示操作模块的开始检测信号下发给同步测定子系统的检测子模块（BⅡ）进行测试。即同步测定终端系统通过多模式无线通讯模块（A5）将信号传输给各个同步测定子系统(Bn)的多模式无线通讯模块（A5）实现系统之间的检测指令的下发；

第三步，空气成分检测模块（BⅣ）、断面尺寸检测模块（BⅤ）、风速风量检测模块（BⅦ）、风压检测模块（BⅧ）将数据传输给同步测定子系统(Bn)的数据预处理模块（BⅢ）；数据预处理模块（BⅢ）将井巷断面尺寸、空气密度、风速风量及自然风压的数据与时间，形成二维数据函数，绘制二维图像；数据预处理模块对数据打包通过信号传输模块传输给同步测定终端系统；

第三步，同步测定终端系统的通风阻力计算模块(A2)、通风阻力系统误差分析模块(A3)对上传的井巷断面尺寸、空气密度、风速风量、测定段速压差、测定段位压差及自然风压的数据进行计算，得出相应的通风阻力和误差分析报告。

为验证本发明系统的效果，对A矿井的四个工作面同时采用传统的气压计法中的逐点法和矿井通风阻力同步测定法测定矿井通风阻力。并对通风阻力结果和检测过程经行比较。

传统的气压计法中的逐点法测定矿井通风阻力过程中，记录数据量少，操作复杂，计算误差在-4.99%-1.91%之间，其传统数据检测的各测定路线精度表（如表1）。虽然在规范要求的控制范围内，但是不够精确。

采用矿井通风阻力同步测定法测定矿井通风阻力，数据集约化处理，在测定时间范围内，可以采集大量的通风基础参数，对矿井的通风情况提供真实的参考依据。其通风阻力的计算误差在0.54%--0.64%之间。根据时间与通风阻力的图像可以得到A矿的四个工作面的实测通风阻力分别稳定在2391.25±12.91Pa、2479.57±14.62Pa、2426.89±14.56Pa、2295.73±12.86Pa，与计算阻力2391.25Pa、24.79.57Pa、2426.89Pa、2295.73Pa的结果误差控制在0.54%--0.64%之间，有效的减少了因人工操作中存在的误差。同时通风阻力同步测定终端系统还绘制除了不同时间下的矿井通风阻力的变化图（如图4），为研究A矿井的通风阻力变化提供了依据。