CN110398612A - 一种巷道内通风量的测量监控方法 - Google Patents

Abstract

一种巷道内通风量的测量监控方法，具体采用激光雷达辅助测量井下巷道内的风速，使用激光雷达的测量结果，结合巷道内横截面内风速的分布规律，选择出能够代表横截面平均风速的点，并在随后的反复测量过程中仅对截面中的一个点进行人工测量即可，从而相对于现有的仅使用人工测风法进行通风量测量来说，大大节省了劳动力的投入，因此也降低了巷道测风的人工成本和管理成本，能够很好地满足现代化矿井安全生产中对巷道内通风量进行准确监控的需求。

Description

一种巷道内通风量的测量监控方法

技术领域

本发明涉及矿井安全生产技术领域。具体而言，涉及矿井巷道内通风量的测量。

背景技术

矿井巷道内的通风量是井下工作安全的基本保障，足够的通风量才能避免危险气体的积累，而过量的通风量又会造成电力能源的浪费，所以需要尽量将巷道内的通风量控制在合适的数值上。根据《中华人民共和国矿山安全法》第九条规定：矿山设计项目必须符合矿山安全规程和行业技术规范，而《煤矿安全规程》规定矿井必须建立测风制度，每十天需要进行一次全面测风，对采掘工作面和其他用风地点，应根据实际需要随时进行测风，每次测风结果应记录并写在测风地点的记录牌上。因此，上述相关规定对准确地获取并监控巷道通风情况提出了较高的要求。

目前矿井普遍采用的测风方式是人工测风法，即测风员手持相关测风仪器进行测风。根据测风员的站位可以将人工测风法分为两大类：迎面式测风和侧身式测风。迎面式测风就是测风员面向风流且手持风表进行测风，而侧身式测风就是测风员面向巷道一侧手持风表进行测风。而目前更多的是采用侧身式测风法进行测风，相对于迎面式测风法，侧身式测风法中测风人员对风场的影响更小，因而测量结果也更准确，但即便如此，人的存在还是会对风场有干扰，因此，通常对测量结果再使用校正系数对人的干扰进行修正，修正后的结果即被认为是本领域准确的测量结果。此外，根据测风员手持风表的移动方法，又可以细分为几种测风法：定点测风法、线路测风法、混合法。定点测风法就是将测风截面均匀分成若干个点，例如4点、6点、9点、12点，让风表在这些点等时停留，一般每点测定时间为5-60秒，然后再计算出各点的平均风速。线路测风法是风表在测风截面内按规定好的路线均匀移动，例如巷道截面面积在7m²以下时可以采用三线法，而在7m²以上时可采用四线法或五线法，按照既定线路要求在1分钟内正好从移动路线的起点移到终点，然后对所测得的风速数据进行计算。在获得了平均截面风速后，再乘以断面面积即可得到单位时间内通过某一截面的空气量，即通风量。

尽管目前人工测风法被业内广泛使用，但是其操作较为复杂，以常用的定点测风法为例，在一个截面内不同位置就要重复测量多次，不仅非常耗时，而且对测风人员的要求还很高，稍有不慎就会引起较大的测量误差。再考虑到《煤矿安全规程》需要对巷道内多个测风点高频率地反复进行测风，因此现有技术巷道内测风方法需要承担很高的人工成本和管理成本。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提出采用激光雷达辅助测量井下巷道内的风速，使用激光雷达的测量结果，结合巷道内横截面内风速的分布规律，选择出能够代表横截面平均风速的点，并在随后的反复测量过程中仅对截面中的一个点进行人工测量即可，从而实现了准确、高效的巷道通风量的监控。具体包括如下步骤：

(1)确认巷道内需要对通风量进行测量监控的位置；

(2)测量上述位置的巷道截面平均风速；

(3)对巷道进行建模仿真，获得上述位置对应的截面中，风速随到巷道中心的距离而变化的曲线；

(4)根据步骤(2)获取的截面平均风速和上述曲线，计算在上述位置的截面上，其风速能够代表整个截面平均风速的测量点；

(5)在后续对上述位置进行通风量的测量监控时，对上述位置的所述测量点进行风速测量，并使用在该测量点测得的风速计算上述位置的通风量。

如此，通过使用仿真的手段来寻找截面上其风速能代表整个截面平均风速的一个测量点，并在随后的通风量监控中仅对该测量点进行风速测量即可计算整个截面的通风量情况，从而实现了巷道内测量监控劳动成本的大大降低。

为了更加高效且准确地获取所述步骤(2)的平均风速，优选地，通过激光雷达来完成所述巷道截面平均风速的测量。进一步，在测量所述巷道截面平均风速后还包括使用该平均风速计算该位置的通风量。

在反复的测量监控过程中，为了减少对激光雷达搬运，优选在所述步骤(5)的后续测量中，使用人工测风法完成对上述位置的所述测量点进行风速测量的操作。并使用人工测风法的单点测量数据获得整个截面的通风量。

不失一般性，对所述步骤(3)中的曲线还可以做进一步的线性拟合，并在随后的步骤(4)中，使用拟合的直线来计算寻找所述测量点。

优选地，所述步骤(3)中使用通用有限元分析软件建模仿真。

本发明的技术方案测量准确、实施简单，相对于人工测风法大大节省了劳动力的投入，因此也降低了巷道测风的人工成本和管理成本，能够很好地满足现代化矿井安全生产中对巷道内通风量进行准确监控的需求。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1：巷道结构示意图；

图2：定点测风法示意图；

图3：仿真建模示意图；

图4：巷道60m处截面风速分布仿真结果；

图5：巷道60m处截面风速变化曲线。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，其在户外风场风速的测量中已经有较为成熟的应用。其工作原理为利用激光的多普勒频移效应，通过测量光波遇到空气中随风运动的气溶胶粒子而反射的光所产生的频率变化，进而得到风速、风向信息并计算出相应位置的矢量风速和风向数据。激光雷达还具备对点风速进行线积分的功能，通过对截面的扫描，可面积分计算得到该截面的平均风速并输出到显示器上。因此，基于上述工作原理，本申请提出在矿井下巷道测风中使用激光雷达完成辅助工作。

说明书附图1为目标巷道的结构示意图，根据煤矿安全章程，风机1需放置在距离巷道入口不少于10m的安全地点，实施例中放置在距离拐角30米的位置，风机1吹出的平均风速为3m/s。巷道整体呈倒放的W型，附图左下方为入风口，附图右下方为出风口，各个部分通道的截面尺寸大致相同，具体所述风机1和激光雷达2所在通道的横截面高×宽为2.5m×2.8m。由于右侧出风通道以及中间的并联通道距离风机较远，因此对实验测量的影响可以忽略。

根据2018年3月1日起施行的《国家安全生产监督管理总局令》第92号第四章的要求，井下测风的工作人员属于特种作业人员，需要由国家煤矿安全监察局组织按照煤矿特种作业人员培训大纲和考核标准进行培训。培训大纲中就要求了测风工需要在井内气流平稳处对每条通道测量通风量，并且需要避开涡流和巷道不规则所引起的干扰。因此，本实施例中所选择的测风点也将复合上述相关要求，选择断面规整、支护良好、无空顶片帮、且前后十米巷道内无障碍和拐弯的地点进行测风。具体参见说明书附图1所示，在总长度为1km的巷道中选择了相对平整的300米中的100m进行测量(图中左上部分)。进一步，为具有一定的代表性，本实施例对距离激光雷达60m、70m、80m、90m四个截面的风速使用激光雷达进行测量和说明，通过激光雷达所获得的上述四个截面的平均风速结果参见表1第一行。作为对标方法以验证激光雷达测量的准确性，本实施例中选择九点定点测风法作为现有的领域内认可的标准方法进行测量。具体参见说明书附图2所示，由于本实施例中的实验巷道形状比较规则，适合对巷道横截面均分，所以将巷道的截面分成九宫格的形式，将机械式测风器分别固定在九宫格的每个格子内做定点测风，最后取九个点测得的风速值的平均数作为该截面的平均风速。同样对巷道中上述距离激光雷达摆放位置60m、70m、80m、90m四个截面进行定点测风，所得结果参见表1第二行。

表1激光雷达测量数据与定点测风测量数据比较

	60m	70m	80m	90m
					激光雷达	2.843658	2.91555	2.9659	2.92743
定点测风	2.732161	2.787706	2.777054	2.778915
					误差值	4.08％	4.59％	6.8％	5.34％

在同一巷道截面分别采用上述两种方法测得截面的平均风速后，使用下面的公式计算激光雷达测风相对定点测风的误差：

(定点测风的平均风速-激光雷达测风的平均风速)/定点测风的平均风速＝误差值％

分别带入表1中的测量结果，计算各个截面位置的误差值，结果参见表1第三行所示。结合已有论文报道以及测量场地的现场情况，在井下测风作业中，误差值小于7％都是可以满足生产要求的，因此上述相对于定点测风法(该方法本身也存在误差)的误差处于允许范围内，由此也证明了激光雷达设备可以用来在井下完成测风工作。

对于激光雷达测量的有效性，进一步通过计算机仿真来验证。具体的仿真环境使用了Ansys 18.2：通用有限元分析(FEA)软件、Gambit：建立并网格化计算流体力学(CFD)模型的软件、Exceed：在windows环境下模拟unix的软件、Fluent：基于完全非结构化网格的有限体积法的求解器。仿真建模参见说明书附图3所示，具体参数设置如下：模型进出口设置为左上进左下出；模型边界条件包括材质为普通水泥，因为墙面的摩擦系数较大，因此各参考文献都在理论中将贴近墙面的风速认为是0，实际在紧贴墙壁处放置传感器也可测得风速近乎为0，因此模型中也如此设置；模型内流体内容为普通空气；模型内初始气压为一个标准大气压；激光雷达作为巷道内的障碍物，根据其外壳材料而被设置为塑料边界固体；进风口风速与实际测量实验相同为3m/s；演变计算次数设定为1000次。模型的各条件设定完全依照实际实验的场地条件，力求使仿真结果最大程度符合现场测试情况。

将参数设定好后，进行计算仿真，当演变次数达到300次时，进口风速、出口压力等参数趋于稳定，各参数进入收敛状态。当演变次数达到500次时，各位置风速值基本没有变化。最终使用演变1000次的结果作为最终的仿真结果进行分析。以60m截面为例，该截面风速分布的仿真结果参见说明书附图4所示。从图中可以看出从区域A到区域E，风速呈下降状态，并且在各个方向都是如此，即从巷道中心位置向四周墙壁方向风速呈下降状态，中心区域风速最大，而离墙壁越近，风速越小，墙壁处的风速为0。图5展示了仿真结果中巷道60m处截面风速的变化曲线，具体为巷道截面中心向右侧墙壁垂直连线上各位置的风速模拟数据，横坐标数为到巷道中心的距离，值越大表示距离巷道中心越远，纵坐标为风速值。

值得一提的是，上述仿真条件是严格按照实际巷道情况设置的，在60m截面处，根据如图5所示的结果，可以计算获得仿真的截面平均风速为2.855m/s²。与表1中的数据比较可知，仿真结果其实更加接近激光雷达测风的数据，这也证明了激光雷达测风的准确性，以及使用激光雷达进行通风量监控的可行性。

从图中可以看出，在巷道内偏向内壁附近一侧，某一点的风速与该点到内壁的距离呈一定关系，这个关系可以用线性关系来描述，因而可用线性方程进行拟合。为了避免紧贴墙壁处的干扰，舍去位置为1.4m处的数据，同时考虑到矿井内测风工作的精度要求，根据最小二乘法，去寻找能够描述上述巷道内偏向内壁附近风速变化情况的一次线性方程。拟合结果参见图5中的直线，在距离巷道中心0.9m-1.2m的位置范围内，风速随距离巷道中心距离的变化满足如下方程：

Y＝5.93-3.07X

式中，Y为风速，X为到巷道中心的距离。此时被拟合的各点处仿真曲线的真实值与拟合曲线该位置的计算值之间的误差如表2所示，小于3％的误差也在允许范围内。

表2数据拟合误差情况

到巷道中心的距离m	0.9	1.0	1.1	1.2
					真实值m/s	2.791	2.622	2.313	1.978
计算值m/s	2.855	2.548	2.241	1.934
					误差值	2.3％	2.8％	2.7％	2.9％

由于整个截面的平均风速肯定在最大值风机的风速3m/s和最小值0m/s之间，即在巷道中心附近的风速值和墙壁处风速值之间，因此可以通过上述方程找到一个X位置，其对应的Y值能够代表整个截面的平均风速。以60m位置处的截面数据为例，通过激光雷达测得的平均风速为2.843658，将其带入上述60m截面对应的风速随测量点到巷道中心距离的变化方程中可得，X＝1.002m位置处的风速值即能够代表整个截面的平均风速。因此，对于60m的截面来说，当再需要对截面位置测风时，只需要使用测风器测量该位置处一点的风速即可以准确算出该位置的通风量，而不用每次都反复使用例如九点定点测风法进行测量。

需要指出的是，尽管使用激光雷达可以直接测量某位置截面的平均风速，但是根据巷道的测量需求，高频次的反复搬移激光雷达也是不方便的，因此本申请提出了如下巷道内通风量的测量方法，即针对需要反复检测监控的测风点来说，第一次测量使用激光雷达对这些监控点的截面平均风速进行检测，然后结合仿真结果，找到并记录在这些截面中哪个点位的风速能够代表整个截面平均风速，并在随后的反复测量监控中使用人工检测法，对这些监控点进行只需一次的测量就能获得相应截面的通风量。具体的测量方法如下：

1、确认巷道内需要对通风量进行测量监控的位置；

2、使用激光雷达获得上述位置的巷道截面平均风速，并使用该平均风速计算该位置的通风量；

3、对巷道进行建模仿真，获得上述位置对应的截面中，风速随到巷道中心的距离而变化的曲线；

4、根据激光雷达获取的截面平均风速，和上述曲线，计算上述位置的截面上，其风速能够代表整个截面平均风速的测量点；

5、在后续对上述位置进行通风量的测量监控时，使用人工测量法对上述位置的所述测量点进行风速测量，并使用在该测量点测得的风速计算上述位置的通风量。

其中，步骤3的建模仿真使用Ansys通用有限元分析(FEA)软件，对风速随到巷道中心的距离而变化的曲线做进一步的线性拟合，并使用拟合的直线来计算在上述位置的截面上，其风速能够代表整个截面平均风速的测量点。

与现有技术相比，在矿井下需要多次监控测量不同位置的通风量时，使用本申请的方法每次在一个监测位置只需要测量一次就可以获得准确的测量结果，因而操作实施简单，大大节省了人工测风法的劳动力投入，降低了对测风人员的要求以及相应的测量成本，能够很好地满足现代化矿井安全生产中对巷道内通风量进行准确监控的需求。

上面所述的只是说明本发明的一种巷道内通风量的测量方法的实施方式，由于对相同技术领域的普通技术人员来说很容易在此基础上进行若干修改和改动，因此本说明书并非是要将本发明的测量方法局限在所示和所述的具体步骤范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改及等同方法，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims (6)

1.一种巷道内通风量的测量监控方法，其特征在于具体包括如下步骤：

(1)确认巷道内需要对通风量进行测量监控的位置；

(2)测量上述位置的巷道截面平均风速；

(3)对巷道进行建模仿真，获得上述位置对应的截面中，风速随到巷道中心的距离而变化的曲线；

(4)根据步骤(2)获取的截面平均风速和上述曲线，计算在上述位置的截面上，其风速能够代表整个截面平均风速的测量点；

(5)在后续对上述位置进行通风量的测量监控时，对上述位置的所述测量点进行风速测量，并使用在该测量点测得的风速计算上述位置的通风量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，通过激光雷达来完成所述巷道截面平均风速的测量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在测量所述巷道截面平均风速后还包括使用该平均风速计算该位置的通风量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，使用人工测风法完成对上述位置的所述测量点进行风速测量的操作。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对所述步骤(3)中的曲线做进一步的线性拟合，并在随后的步骤(4)中，使用拟合的直线来计算所述测量点。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中使用通用有限元分析软件建模仿真。