礦井通風(fēng)阻力測(cè)定數(shù)據(jù)平差處理方法及應(yīng)用

1、第15卷第10期2006年10月中國(guó)礦業(yè)CHINA MINING MAG AZINEOctober 2006礦井通風(fēng)阻力測(cè)定數(shù)據(jù)平差處理方法及應(yīng)用陳宙1趙恩平2蔣仲安1林建廣1(11北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院教育部金屬礦山高效開采與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100083;21邯邢礦山管理局北銘河鐵礦邯鄲056300摘要:本文論述了礦井通風(fēng)阻力測(cè)定數(shù)據(jù)平差處理的兩種方法:條件平差和間接平差,并基于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和平差理論編制了相應(yīng)的通風(fēng)阻力測(cè)量數(shù)據(jù)平差軟件,最后以西石門鐵礦中區(qū)通風(fēng)阻力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例,驗(yàn)證了該種分析方法的可靠性和及實(shí)用性。關(guān)鍵詞:通風(fēng)阻力測(cè)量條件平差間接平差中圖分類號(hào):TD722文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:

2、B 文章編號(hào):1004-4051(200610-0105-04DATA ADJUSTMENT METH OD OF RESISTANCE MEASUREMENT FOR MINE VENTI LATIONAN D ITS APPL ICATIONChen Zhou 1Zhao Enping 2Jiang Zhongan 1Lin Jianguang 1(11Civil and Environment Engineering School ,USTB Beijing 100083;21Beiminghe iron ore ,Hanxing Metallurgical Mine administr

3、ation Handan 056300Abstract :Two kinds of mine ventilation resistance measurement data adjustment method :ConditionAdjustment and Indirect Adjustment ,are discussed in the article.The application about mine ventilation re 2sistance measurement data adjustment is developed on the basis of ventilation

4、 network and adjustment theo 2ry.Then ,taking Xishimen Iron ore ventilation resistance measurement data as an example ,the article veri 2fies the reliability and practicability of these analytical methods.K ey w ords :Mine ventilation Resistance Measurement Condition adjustment Indirect adjustment收稿

5、日期:2006-04-17作者簡(jiǎn)介:陳宙(1982-男碩士研究方向:安全技術(shù)及工程1概述礦井通風(fēng)阻力測(cè)定是礦井通風(fēng)技術(shù)管理工作的重要內(nèi)容之一,測(cè)量數(shù)據(jù)的好壞主要是由測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差大小來判斷。盡管目前有較多的通風(fēng)阻力測(cè)定方法,但無論采用哪種方法都會(huì)產(chǎn)生一定的誤差,同時(shí)受觀測(cè)條件和環(huán)境、觀測(cè)者、測(cè)量?jī)x器的影響,其測(cè)量結(jié)果不可避免地存在著或多或少誤差。因此,如何處理帶有誤差的觀測(cè)值,找出待求量的最佳估值,是測(cè)量平差所研究的內(nèi)容。測(cè)量平差即是測(cè)量數(shù)據(jù)調(diào)整的意思,其基本的定義是:依據(jù)某種最優(yōu)化準(zhǔn)則,把一系列帶有觀測(cè)誤差的測(cè)量數(shù)據(jù),求定未知量的最佳估值及精度的理論和方法。在測(cè)繪工程和其它工程領(lǐng)域中,只帶有

6、偶然誤差的觀測(cè)占有大多數(shù),是比較普遍的情形,這是測(cè)量平差研究的基礎(chǔ)。2數(shù)據(jù)平差處理方法211條件平差一般測(cè)量時(shí)為了檢查錯(cuò)誤和提高最后成果的精度,常常做多余觀測(cè)。如按理論,在一回路中,如果想得到所有巷道的風(fēng)壓,只需知道其中任意n 21條分支的風(fēng)壓就可以了。觀測(cè)這樣的n 21條分支風(fēng)壓,稱為必要觀測(cè)。但是通常觀測(cè)n 條分支的風(fēng)壓,觀測(cè)的第n 條分支風(fēng)壓為多余觀測(cè)。由于觀測(cè)值帶有誤差,致使閉合回路風(fēng)壓之和不等于0,產(chǎn)生了不符值。如果有r 個(gè)多余觀測(cè),就產(chǎn)生r 個(gè)平差值條件方程。采用平差值條件方程來達(dá)到消除不符值,同時(shí)運(yùn)用求條件極值的原理來解出改正數(shù),從而求得平差值,這樣以條件方程為函數(shù)模型的平差方法

7、,就是條件平差。確立方程等式個(gè)數(shù)。條件方程的個(gè)數(shù)與多余觀測(cè)的個(gè)數(shù)相同,即r =n 2t ;其中n 為觀測(cè)的數(shù)據(jù)數(shù),t 為必要觀測(cè)數(shù)。中國(guó)礦業(yè)第15卷列立方程。確定了方程的個(gè)數(shù)后,列出的方程之間要求線性無關(guān)。對(duì)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)回路來說,其包含的分支可能又被另外的回路所包含,所列出的條件方程多種多樣。但是所有列出的方程中必然只有r個(gè)線性無關(guān)平差值方程。一般一個(gè)獨(dú)立回路對(duì)應(yīng)一個(gè)線性無關(guān)的方程。條件平差一般方程如下所示:a11L31+a12L32+a1n L3n+c1=0a21L31+a22L32+a2n L3n+c2=0a r1L31+a r2L32+a rn L3n+c r=0(1式中a ij(i=1,

8、2,r;j=1,2,n為條件方程系數(shù);c ij(i=1,2,r為條件方程常數(shù)項(xiàng);L3未知平差值。以L3i=L i+v i(i=1,2n(i=1,2n代入(1式中得條件方程:a11v1+a12v2+a1n v n+w1=0a21v1+a22v2+a2n v n+w2=0a r1v1+a r2v2+a rn v n+w r=0(2式中v i(i=1,2,n為實(shí)測(cè)值與平差值的差;w i為條件方程閉合差,或稱為條件方程的不符值;即:a11L1+a12L2+a1n L n+c1=w1a21L1+a22L2+a2n L n+c2=w2a r1L1+a r2L2+a rn L n+c2=w r(3(1(2和

9、(3式矩陣表達(dá)式為:AL3+C=O(4AV+W=O(5AL+C=W(6按照最小二乘法準(zhǔn)則,要求V T PV取極小值,因此通過條件極值的拉格朗日乘數(shù)法,設(shè)其乘數(shù)為K=k1,k2k rT,K稱為聯(lián)系數(shù)向量。組成新函數(shù):=V T PV-2K T(AV+W將對(duì)V求一階導(dǎo),并令其為0,可得:V=P-1A T K(7代入(5得:A P-1A T K+W=O(8聯(lián)立解方程(7(8求出V值,代入L3i= L i+v i便可獲得平差值L3i 212間接平差間接平差是通過選定足以確定某個(gè)平差問題的t個(gè)未知數(shù)來消除觀測(cè)值之間的不符值,并且求自由極值的方法解出未知參數(shù)的最或然值,從而求得各個(gè)觀測(cè)值的平差值。間接平差方

10、程中未知數(shù)的個(gè)數(shù)等于必要觀測(cè)的個(gè)數(shù)t,方程的個(gè)數(shù)為觀測(cè)值的個(gè)數(shù)。其一般方程為:a11x1+a12x2+a1t x t+c1=L1+v1a21x1+a22x2+a2t x t+c2=L2+v2a n1x1+a n2x2+a nt x t+c n=L n+v n(9令l i=c i-L i則得誤差方程的矩陣表達(dá)式為:V=A X+l(10同上要求V T PV取極小值,按照數(shù)學(xué)上自由極值理論,即:V T PVx=VT PA=O當(dāng)L是獨(dú)立觀測(cè)值時(shí),P是對(duì)角陣。轉(zhuǎn)置得A T PV=O(11聯(lián)立式(10,(11可求得X,代入(10式求出改正向量V。由此得觀測(cè)值的平差值L3i=L i +v i。3通風(fēng)阻力測(cè)定

11、數(shù)據(jù)平差及軟件的編制311通風(fēng)阻力測(cè)定數(shù)據(jù)平差通風(fēng)阻力測(cè)量數(shù)據(jù)的平差分為風(fēng)量平差和阻力平差。通過平差后的阻力和風(fēng)量從而求出巷道的校正風(fēng)阻;下面以分支數(shù)n,節(jié)點(diǎn)數(shù)m的風(fēng)網(wǎng)為例,分別講述風(fēng)量平差和阻力平差。(1風(fēng)量平差若采用條件平差,根據(jù)節(jié)點(diǎn)風(fēng)量平衡原理,只需測(cè)量n-m+1條分支的風(fēng)量(分支必須為余支,就可以求出其它分支風(fēng)量。其余多于余支數(shù)目的測(cè)量為多余觀測(cè)。一般我們可以認(rèn)為多余觀測(cè)數(shù)越多,平差值越接近真值。因此,假設(shè)我們測(cè)得全部分支風(fēng)量為n個(gè),則多余觀測(cè)數(shù)即條件方程的個(gè)數(shù)為m-1個(gè)。此時(shí)條件平差方程(4的系數(shù)矩陣A(M×n為節(jié)點(diǎn)獨(dú)立關(guān)聯(lián)矩陣(M=m-1,W(M×1為節(jié)點(diǎn)風(fēng)量不

12、符值矩陣,P(n×n為權(quán)對(duì)角線矩陣。若采用間接平差,同樣必須測(cè)量n-m+1條分支風(fēng)量,即風(fēng)量間接平差方程數(shù)最少應(yīng)大于n-m+1。假設(shè)測(cè)得全部分支風(fēng)量n個(gè),則系數(shù)矩陣A(M×n為節(jié)點(diǎn)獨(dú)立關(guān)聯(lián)矩陣,P(n×n為權(quán)對(duì)角線矩陣,向量X的維數(shù)為n-m+1。601第10期陳宙等:礦井通風(fēng)阻力測(cè)定數(shù)據(jù)平差處理方法及應(yīng)用(2阻力平差若采用條件平差,根據(jù)回路風(fēng)壓平衡理論,在每一個(gè)獨(dú)立的回路中,如果回路包含K 條分支,只要測(cè)得回路的巷道數(shù)k -1,則可以計(jì)算出其余一條巷道的風(fēng)壓。那么在整個(gè)風(fēng)網(wǎng)中只需測(cè)得m -1條分支風(fēng)壓,而計(jì)算出其余n -m +1條分支風(fēng)壓。同樣假設(shè)我們測(cè)得所有分支

13、阻力,則條件平差方程(4的系數(shù)矩陣A (M ×n 為獨(dú)立回路矩陣(M =n -m +1,W (M ×1為回路風(fēng)壓不符值矩陣,P (n ×n 為權(quán)對(duì)角線矩陣。若采用間接平差,則風(fēng)壓間接平差方程數(shù)最少應(yīng)大于m -1。如果測(cè)得全部分支風(fēng)壓n 個(gè),則系數(shù)矩陣A (M ×n 為獨(dú)立回路矩陣,P (n ×n 為權(quán)對(duì)角線矩陣,向量X 的維數(shù)為m -1。312程序的編制根據(jù)條件平差和間接平差方程及回路矩陣構(gòu)造算法,本文采用條件平差處理方法模型編制了相應(yīng)的計(jì)算程序V EN T O P T ,本程序采用基于win 2dows 操作系統(tǒng)的面向?qū)ο笳Z言delp hi

14、語言編寫,并在PC 機(jī)上成功運(yùn)行。程序結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示: 圖1程序結(jié)構(gòu)框圖該計(jì)算程序適用于各種測(cè)量方法的結(jié)果平差處理。程序運(yùn)行初始需要輸入網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲怠y(cè)得的分支風(fēng)量和阻力值。程序運(yùn)行后能夠計(jì)算出平差后的風(fēng)量和阻力值,并得出相應(yīng)的風(fēng)阻。程序提供打印數(shù)據(jù)功能,并可導(dǎo)出數(shù)據(jù)到excel 中保存。4應(yīng)用實(shí)例 邯邢礦山局西石門鐵礦中區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)由1#,2#副井,402120m 水平回風(fēng)井,中區(qū)回風(fēng)斜井組成?，F(xiàn)在402120m 水平回風(fēng)井安裝K45262No19型200kW 離心式風(fēng)機(jī)1臺(tái),1002120m 斜坡道廢棄油庫(kù)中安裝K40242No15風(fēng)機(jī)110kW1臺(tái)。通風(fēng)阻力測(cè)定分2組,采用雙測(cè)點(diǎn)同步法

15、測(cè)量。數(shù)據(jù)處理通過編制的V EN T O P T 軟件運(yùn)行計(jì)算而得。計(jì)算中選用的權(quán)矩陣是由測(cè)量值的倒數(shù)構(gòu)成的。西石門鐵礦中區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示,通過V EN T O P T 軟件計(jì)算平差值如表1所示。圖2西石門鐵礦中區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖表1礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)測(cè)值與平差值對(duì)比表分支號(hào)巷道名稱始點(diǎn)末點(diǎn)長(zhǎng)度/m斷面/m2風(fēng)量/m 3s -1阻力/N 風(fēng)阻/N s 2m 8實(shí)測(cè)平差實(shí)測(cè)平差實(shí)測(cè)平差120m 下盤7205101512301000100001000010000100001000701中國(guó)礦業(yè)第15卷續(xù)表分支號(hào)巷道名稱始點(diǎn)末點(diǎn)長(zhǎng)度/m斷面/m2風(fēng)量/m3s-1阻力/N風(fēng)阻/Ns2m8實(shí)測(cè)平差實(shí)

16、測(cè)平差實(shí)測(cè)平差由表1可知,各條巷道的風(fēng)阻值均在合理范圍內(nèi),風(fēng)量、阻力均為0的巷道表示該巷道已安裝風(fēng)門或封堵,風(fēng)量為負(fù)值表明風(fēng)流方向與設(shè)定的始點(diǎn)2末點(diǎn)方向相反。同時(shí)可以看出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和平差結(jié)果存在差異,計(jì)算機(jī)平差后的結(jié)果符合通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流流動(dòng)基本規(guī)律:即流入與流出各節(jié)點(diǎn)的空氣質(zhì)量流量達(dá)到平衡,各獨(dú)立回路的風(fēng)壓代數(shù)和等于零。合理地消除了測(cè)量過程中的隨機(jī)誤差,為后續(xù)的風(fēng)網(wǎng)解算和優(yōu)化調(diào)節(jié)奠定了合理的基礎(chǔ)。5結(jié)論(1平差是以測(cè)量數(shù)據(jù)無粗差,只有隨機(jī)誤差,隨機(jī)誤差成正態(tài)分布為基礎(chǔ),其平差計(jì)算公式由最小二乘法準(zhǔn)則導(dǎo)出,對(duì)于具有較大誤差的數(shù)據(jù)應(yīng)首先人為剔除,避免影響數(shù)據(jù)平差精度。(2在平差處理中的條件平差和間接平差是可以相互轉(zhuǎn)換的,不過就計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)難易程度而言,使用條件平差方法模型比較容易實(shí)現(xiàn)。(3對(duì)于沒有進(jìn)行全風(fēng)網(wǎng)測(cè)量的情況下,在建立平差方程的時(shí)候,關(guān)鍵是要求確定平差方程的個(gè)數(shù),和各類矩陣所代表的實(shí)際意義。(4平差計(jì)算中測(cè)量精度權(quán)矩陣有多種取法。不同的權(quán)取值獲得的平差結(jié)果有差異,通常取風(fēng)量、阻力或風(fēng)阻測(cè)量值的倒數(shù)為精度權(quán)矩陣。但是不論取何種權(quán)矩陣,其平差后的結(jié)果均會(huì)滿足通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流流動(dòng)基本規(guī)律。利用風(fēng)量平差結(jié)果和風(fēng)阻測(cè)量值倒數(shù)為精度權(quán)矩陣的阻力平差結(jié)果,可計(jì)算出風(fēng)阻平差值。(5通過程