本發(fā)明屬于采礦工程礦井通風技術(shù)領域，具體涉及一種巷道平均風速的單點統(tǒng)計測量方法。

背景技術(shù)：

礦井通風工作是保證礦井安全生產(chǎn)的基本措施，煤礦領域以往發(fā)生的多起重大事故均是由于通風管理不善和通風狀況不良引起的。礦井通風中，巷道平均風速是一個最重要的基礎參數(shù)，巷道平均風速的測量精度和效率直接決定著礦井通風技術(shù)管理的水平，因此研究高效精準的巷道平均風速測量方法具有重要的實際意義和應用價值。

目前，巷道平均風速的測量方法主要可分為單點法和多點法兩類。多點法是指在巷道斷面內(nèi)布設多個風速傳感器，通過求各風速傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值得到巷道平均風速，這類方法可以獲得較高的測量精度，但測試效率低且多點布設傳感器會妨礙巷道的正常通行，因此不適于巷道風速的長期監(jiān)測。巷道平均風速的長期實時監(jiān)測主要依靠固定在巷道內(nèi)某點的單個風速傳感器來獲得，其測量形式屬于單點測風，具有快捷、高效的特點。然而，風速傳感器只能監(jiān)測一個點的風速，而巷道斷面上各點的風速分布不均，因此，按照目前的測量方法將風速傳感器所測得的風速值作為斷面平均風速存在較大誤差。另外，由于巷道內(nèi)風流通常為湍流狀態(tài)，受湍流脈動影響，風速傳感器的監(jiān)測示值始終處于波動狀態(tài)，表現(xiàn)出“測不準”現(xiàn)象，進一步加大了單點測風的誤差，對此，以往的測量方法中均未提出合理的解決方案。巷道風流的脈動特性和風速的非均勻分布使得利用一點準確測量巷道風量成為礦井通風領域亟待解決的一項技術(shù)難題。

本發(fā)明利用湍流統(tǒng)計方法實現(xiàn)單點時均風速的準確測量，并提出了無量綱速度場結(jié)構(gòu)近似恒定原理，基于此實現(xiàn)單點風速與平均風速的轉(zhuǎn)換。該方法可以消除點風速與平均風速間偏差，同時避免了點風速監(jiān)測示值的波動性，從而實現(xiàn)巷道風量的單點精準測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種巷道平均風速的單點統(tǒng)計測量方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種巷道平均風速的單點統(tǒng)計測量方法，包括以下步驟：

步驟1：確定待測量的巷道斷面采樣點位及采樣點數(shù)量n，以及各采樣點位面元的面積Δs_i，其中，i＝1，...，n；

步驟2：根據(jù)統(tǒng)計學原理通過設置采樣點風速采樣標準誤差置信水平1-a和時均化誤差e確定采樣點風速采樣數(shù)量m；

步驟3：在步驟1所確定的各采樣點位處布置風速傳感器，采集各風速傳感器的瞬時風速u_ij，根據(jù)各風速傳感器的瞬時風速確定采樣點時均風速并根據(jù)巷道平均風速的統(tǒng)計測量數(shù)學模型確定巷道斷面平均風速其中，j＝1，...，m為第j個瞬時風速；

步驟4：選擇待測斷面中任一點作為單點測量點位，在單點測量點位處安裝風速傳感器；

步驟5：根據(jù)單點測量點位所在采樣點的時均風速和巷道斷面平均風速確定該單點測量點位處的風速轉(zhuǎn)換系數(shù)k_v，其中，v＝1，...，n；

步驟6：實時采集單點測量點位處的瞬時風速u′_vj，確定該單點測量點位處的當前時均風速

步驟7：根據(jù)單點測量點位處的當前時均風速和該單點測量點位處的風速轉(zhuǎn)換系數(shù)k_v，確定當前巷道斷面平均風速

所述確定待測量的巷道斷面采樣點位及采樣點數(shù)量n的方法為：采用9點法、16點法、對數(shù)-切比雪夫法將測量巷道斷面離散為n。

所述根據(jù)統(tǒng)計學原理通過設置采樣點風速采樣標準誤差置信水平1-a和時均化誤差e確定采樣點風速采樣數(shù)量m的計算公式如下所示：

m＝(Z_a/2)²p(1-p)/e²；

其中，z_a/2為統(tǒng)計量，p為樣本比例。

所述巷道平均風速的統(tǒng)計測量數(shù)學模型的計算公式如下所示：

其中，S為巷道斷面面積。

所述根據(jù)單點測量點位所在采樣點面元的時均風速和巷道斷面平均風速確定該單點測量點位處的風速轉(zhuǎn)換系數(shù)k_v的計算公式如下所示：

所述根據(jù)單點測量點位處的當前時均風速和該單點測量點位處的風速轉(zhuǎn)換系數(shù)k_v，確定當前巷道斷面平均風速的計算公式如下所示：

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提出一種巷道平均風速的單點統(tǒng)計測量方法，本發(fā)明利用湍流統(tǒng)計方法實現(xiàn)了單點風速真正意義上的時均化測量，可以避免目前傳感器監(jiān)測示值的波動現(xiàn)象，可以獲得斷面上一點的高保真時均風速值；基于速度場結(jié)構(gòu)近似恒定原理實現(xiàn)了單點風速向平均風速的轉(zhuǎn)換，避免了直接將風速傳感器的監(jiān)測值視為斷面平均風速帶來的誤差；本發(fā)明方法既保留了多點測風法的精度又具有單點法簡捷高效的優(yōu)勢，是一種單點精準測風方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實施方式中巷道平均風速的單點統(tǒng)計測量方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明具體實施方式中待測量的矩形巷道斷面中采樣點位和風速傳感器位置示意圖；

其中，A為風速傳感器位置；

圖3為本發(fā)明具體實施方式中單點測量點位瞬時風速的采樣序列圖；

圖4為本發(fā)明具體實施方式中單點測量點位瞬時風速頻數(shù)分布直方圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實施方式加以詳細的說明。

本發(fā)明提出一種巷道平均風速的單點統(tǒng)計測量方法，如圖1所示，包括以下步驟：

步驟1：確定待測量的巷道斷面采樣點位及采樣點數(shù)量n，以及各采樣點位面元的面積Δs_i，其中，i＝1，...，n。

確定待測量的巷道斷面采樣點位及采樣點數(shù)量n的方法為：采用9點法、16點法、對數(shù)-切比雪夫法將測量巷道斷面離散為n。

本實施方式中，如圖2所示，待測量的矩形巷道斷面寬4.4m，高3.6m，采用16點法確定采樣點位，將巷道斷面離散為面積大小一致的測風面元，采樣點數(shù)量n＝16，各采樣點位面元的面積Δs_i＝0.99m²。

步驟2：根據(jù)統(tǒng)計學原理通過設置采樣點風速采樣標準誤差置信水平1-a和時均化誤差e確定采樣點風速采樣數(shù)量m。

根據(jù)統(tǒng)計學原理通過設置采樣點風速采樣標準誤差置信水平1-a和時均化誤差e確定采樣點風速采樣數(shù)量m的計算公式如式(1)所示：

m＝(Z_a/2)²p(1-p)/e² (1)

其中，Z_a/2為統(tǒng)計量，p為樣本比例。

本實施方式中，采樣標準誤差置信水平1-a為95％，時均化誤差e＝5％，查正態(tài)分布表可得Z_a/2＝1.96，確定的采樣點風速采樣數(shù)量m如式(2)所示：

m＝1.96²×0.5(1-0.5)/0.05²＝385 (2)

得到采樣點風速采樣數(shù)量為385。

步驟3：在步驟1所確定的各采樣點位處布置風速傳感器，采集各風速傳感器的瞬時風速u_ij，根據(jù)各風速傳感器的瞬時風速確定采樣點時均風速并根據(jù)巷道平均風速的統(tǒng)計測量數(shù)學模型確定巷道斷面平均風速其中，j＝1，...，m為第j個瞬時風速。

本實施方式中，各采樣點位處風速傳感器布置于巷道中軸線距頂板0.3m的位置。

根據(jù)各風速傳感器的瞬時風速確定采樣點時均風速的計算公式如式(3)所示：

巷道平均風速的統(tǒng)計測量數(shù)學模型的計算公式如式(4)所示：

其中，S為巷道斷面面積。

采集各風速傳感器的采樣點時均風速和巷道斷面平均風速如表1所示：

表1各風速傳感器的采樣點時均風速和巷道斷面平均風進

步驟4：選擇待測斷面中任一點作為單點測量點位，在單點測量點位處安裝風速傳感器。

步驟5：根據(jù)單點測量點位所在采樣點的時均風速和巷道斷面平均風速確定該單點測量點位處的風速轉(zhuǎn)換系數(shù)k_v，其中，v＝1，...，n。

本實施方式中，根據(jù)單點測量點位所在采樣點的瞬時風速和公式(3)計算得到單點測量點位所在采樣點的時均風速

根據(jù)單點測量點位所在采樣點的時均風速和巷道斷面平均風速確定該單點測量點位處的風速轉(zhuǎn)換系數(shù)k_v的計算公式如式(5)所示：

本實施方式中，得到的該單點測量點位處的風速轉(zhuǎn)換系數(shù)k_v＝0.75。

步驟6：實時采集單點測量點位處的瞬時風速u′_vj，確定該單點測量點位處的當前時均風速

本實施方式中，確定該單點測量點位處的當前時均風速采集單點測量點位處瞬時風速的采樣序列如圖3所示，采集單點測量點位處瞬時風速頻數(shù)分布直方圖如圖4所示。

步驟7：根據(jù)單點測量點位處的當前時均風速和該單點測量點位處的風速轉(zhuǎn)換系數(shù)k_v，確定當前巷道斷面平均風速

根據(jù)速度場結(jié)構(gòu)近似恒定原理，根據(jù)單點測量點位處的當前時均風速和該單點測量點位處的風速轉(zhuǎn)換系數(shù)k_v，確定當前巷道斷面平均風速的計算公式如式(6)所示：

本實施方式中，確定當前巷道斷面平均風速

為檢驗本發(fā)明巷道平均風速的單點統(tǒng)計測量方法的精度，采用傳統(tǒng)16點法測試風速改變后的巷道斷面平均風速，各風速傳感器的采樣點時均風速和巷道斷面平均風速如表2所示。

表2采用傳統(tǒng)16點法測試各風速傳感器的采樣點時均風速和巷道斷面平均風速

本發(fā)明得到的當前巷道斷面平均風速與傳統(tǒng)16點法測試巷道斷面平均風速的相對誤差由此可知采用本發(fā)明方法得到的當前巷道斷面平均風速與傳統(tǒng)16點法測試巷道斷面平均風速的相對誤差滿足工程實際需求。