基于網(wǎng)絡(luò)解算分析的礦井通風(fēng)預(yù)警監(jiān)測(cè)研究

張彥君

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)公司， 山西 朔州 036000）

引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦山安全生產(chǎn)管理不可缺少的一部分，它決定了井下工作環(huán)境的安全性。但是，目前還沒(méi)有一種可行的方法對(duì)整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。一般情況下，在主通風(fēng)道和整個(gè)礦山風(fēng)點(diǎn)進(jìn)行氣流檢測(cè)。該方法緩慢且效率低下，不能長(zhǎng)時(shí)間完全了解井下的隧道通風(fēng)情況，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)解算法研究建立礦井通風(fēng)預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)礦井通風(fēng)異常情況。

1 在線網(wǎng)絡(luò)解算模型

作為一維流體流動(dòng)的巷道中的氣流，即在巷道段中，風(fēng)流性質(zhì)是均勻的，并且在不穩(wěn)定的條件下，巷道中的氣流符合以下流體動(dòng)量方程。式中：ρi為序列為 i的巷道中空氣的密度，kg/m3；Li為巷道i的長(zhǎng)度，m；dvi/dt是i巷道中空氣的加速度，m/s2；Hi為 i巷道通風(fēng)阻力，Pa；Qi為 i巷道的風(fēng)量；hfi為i巷道里風(fēng)機(jī)的壓力，Pa；i巷道慣性系數(shù)表示為 Ki=ρiLi/Ai，其中 Ai為 i巷道斷面的面積，m2。因此對(duì)一維空間的流體動(dòng)量方程定義如下：

假設(shè)i巷道中的風(fēng)量在Δt的時(shí)間內(nèi)是均勻的。已知隧道i在初始時(shí)間的氣流Q0i，則dQi/dt=（Qi-Q0i）/Δt，代入式（2）得：

根據(jù)回路風(fēng)壓中的平衡原理，給出以下不穩(wěn)定狀態(tài)下的風(fēng)流泰勒展開(kāi)式為：

循環(huán)校正值ΔQ的計(jì)算公式可以從泰勒級(jí)數(shù)的近似擴(kuò)展得到以下公式：

2 通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控

2.1 針對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)

通風(fēng)系統(tǒng)每個(gè)分支加裝的風(fēng)量傳感器主要用于對(duì)各個(gè)分支的風(fēng)流量實(shí)時(shí)測(cè)量。對(duì)井下每個(gè)巷道的通風(fēng)量進(jìn)行狀態(tài)判定和預(yù)警，需要引入并創(chuàng)建動(dòng)態(tài)解算網(wǎng)絡(luò)。目前能夠?qū)崿F(xiàn)通風(fēng)狀態(tài)量測(cè)量的儀器主要有：風(fēng)速、風(fēng)壓以及溫度三種傳感器?；诘V井中每個(gè)巷道之間的溫度差異比較微小，對(duì)解算網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果影響可以忽略。針對(duì)各個(gè)不同的巷道，在選擇和布置三種傳感器時(shí)，對(duì)于溫度差異大的巷道之間采用溫度量（即溫度傳感器）來(lái)監(jiān)視；在礦山、礦井的主入口等主要風(fēng)道周圍，風(fēng)速變化較大的區(qū)域安裝風(fēng)速傳感器以及風(fēng)壓傳感器；同時(shí)在主入口和回氣通道之間的兩側(cè)車道門之間安裝差壓傳感器，這些傳感器的安裝能夠較大范圍的對(duì)礦場(chǎng)的風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在應(yīng)用中取得了不錯(cuò)的效果。同時(shí)由于走廊分支的敏感性，可以對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的各種參數(shù)變化及時(shí)作出反應(yīng)，很容易地捕獲到安裝風(fēng)壓傳感器的巷道角落處的通風(fēng)系統(tǒng)的危險(xiǎn)發(fā)生[1-2]。

在對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)整體構(gòu)成進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、風(fēng)速傳感器、風(fēng)壓傳感器等設(shè)備安裝在獨(dú)立分支路的巷道，而且為了降低系統(tǒng)成本，要嚴(yán)格控制風(fēng)機(jī)、傳感器安裝的個(gè)數(shù)不能超過(guò)獨(dú)立分支機(jī)構(gòu)的分支數(shù)，本文傳感器總個(gè)數(shù)B要求與巷道數(shù)量相同，則安裝的風(fēng)扇個(gè)數(shù)M、傳感器總數(shù)B和巷道總數(shù)J應(yīng)有關(guān)系M＜B+J。

2.2 采掘工作面監(jiān)控

由于礦區(qū)是主要通風(fēng)區(qū)域，工作人員較為集中，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采礦面的安全可靠性。風(fēng)速傳感器安裝在工作表面的回風(fēng)巷上，對(duì)工作面的空氣流動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。靜壓管安裝在運(yùn)輸巷道和回風(fēng)巷中，氣壓差壓傳感器與橡膠管連接，從工作面的阻力來(lái)分析，考慮通風(fēng)阻力和通風(fēng)量的因素，這樣的監(jiān)控方式更便于對(duì)工作面的風(fēng)阻進(jìn)行計(jì)算，布置方式如圖1-1。同時(shí)在各個(gè)工作面布置風(fēng)量傳感器，通過(guò)橡膠管與差動(dòng)傳感器連接，據(jù)此實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)門兩側(cè)壓差的采集與計(jì)算，詳細(xì)回路如圖1-2。

圖1 開(kāi)采面各個(gè)傳感器的分布

3 通風(fēng)動(dòng)態(tài)性能分析預(yù)警

3.1 網(wǎng)絡(luò)解算算法

井下通風(fēng)巷道的類別包括風(fēng)量監(jiān)視巷道、風(fēng)阻測(cè)量巷道、風(fēng)機(jī)巷道以及一般巷道四種，布置有通風(fēng)機(jī)的巷道作為整個(gè)礦井的主風(fēng)道，將通風(fēng)機(jī)的機(jī)械特性曲線引入到動(dòng)態(tài)解算網(wǎng)絡(luò)的搭建中，風(fēng)量監(jiān)視選擇布置有風(fēng)速傳感儀的若干個(gè)巷道，動(dòng)態(tài)變化的風(fēng)速大小和相應(yīng)巷道的斷面大小兩個(gè)量作為解算算法的輸入。通常把巷道分為風(fēng)阻監(jiān)測(cè)巷道以及一般巷道，風(fēng)阻監(jiān)測(cè)巷道安裝設(shè)置氣流差壓傳感器，可以有效完成巷道氣流壓差還有風(fēng)壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，計(jì)算通風(fēng)阻力的大小，一般巷道則不進(jìn)行傳感器安裝。在整個(gè)回路的生成中，獨(dú)立分支包括風(fēng)機(jī)路面，分量監(jiān)控巷道和風(fēng)阻監(jiān)控巷道組成。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算，第一次程序啟動(dòng)中，網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)支路的狀態(tài)量計(jì)算應(yīng)選用靜態(tài)分析來(lái)解算，首選令解算初值Ki=0，不考慮慣性阻力的影響，第一次解算得到的狀態(tài)量作為接下來(lái)迭代程序中每個(gè)巷道支路的初值，即為Q0，在線監(jiān)測(cè)傳感器的采樣間隔時(shí)間設(shè)定為1 min，迭代的步進(jìn)長(zhǎng)度Δt設(shè)置為5 s。同時(shí)根據(jù)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能以及解算復(fù)雜度來(lái)對(duì)采樣間隔和迭代步進(jìn)進(jìn)行更新。對(duì)監(jiān)測(cè)量進(jìn)行讀取時(shí)，利用設(shè)定時(shí)間區(qū)間的采樣均值來(lái)消除偏差以及剔除無(wú)效量，將最后的解算狀態(tài)傳送到預(yù)警裝置[3]。

3.2 通風(fēng)系統(tǒng)的安全狀態(tài)預(yù)警

3.2.1 針對(duì)巷道風(fēng)流狀態(tài)的預(yù)警

在對(duì)通風(fēng)巷道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與信號(hào)處理的基礎(chǔ)上，對(duì)巷道的工況進(jìn)行預(yù)警，當(dāng)巷道中的風(fēng)流量和風(fēng)速低于設(shè)定的閥值時(shí)，預(yù)警裝置會(huì)發(fā)出報(bào)警。通常將用風(fēng)巷道或者工作面的風(fēng)流量設(shè)計(jì)值作為報(bào)警的閥值。在風(fēng)量低于閥值時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警提示。對(duì)于風(fēng)速的閥值設(shè)定，通常按照相關(guān)規(guī)范選擇，如表1所示。

表1 不同巷道類別允許的的風(fēng)速值

3.2.2 針對(duì)采掘工作面的通風(fēng)預(yù)警

在采掘面布置風(fēng)壓或者風(fēng)速傳感設(shè)備的基礎(chǔ)上，對(duì)相應(yīng)風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)了解礦井的通風(fēng)情況，對(duì)礦井的通風(fēng)安全進(jìn)行及時(shí)掌握。一旦發(fā)現(xiàn)礦井存在通風(fēng)狀況的異?；蛘哂袧撛谖ｋU(xiǎn)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)對(duì)通風(fēng)阻力問(wèn)題進(jìn)行預(yù)警。常閉風(fēng)門開(kāi)啟（風(fēng)流短路），局部風(fēng)機(jī)關(guān)機(jī)，煤層瓦斯突出等，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)的實(shí)時(shí)控制，應(yīng)及時(shí)消除安全隱患，才能夠更好地避免災(zāi)害損失[4]。

3.2.3 風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)可靠性分析預(yù)警

在對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評(píng)估分析時(shí)，主要根據(jù)下述評(píng)估指標(biāo)來(lái)進(jìn)行計(jì)算、觀察、分析，以便最終確定是否達(dá)到預(yù)警的標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行評(píng)估指標(biāo)的設(shè)置時(shí)，選擇風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控和可靠性評(píng)估指標(biāo)體系，如表2所示。

表2 通風(fēng)指標(biāo)與評(píng)價(jià)值列舉

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 礦井概況

晉煤集團(tuán)古書(shū)院礦采用混合通風(fēng)抽采，主要采用主井、提升機(jī)斜井、副斜井和穩(wěn)定通風(fēng)機(jī)幾種措施實(shí)現(xiàn)礦井入風(fēng)，回風(fēng)利用金雞堰、陽(yáng)地灣兩個(gè)風(fēng)井實(shí)現(xiàn)。安裝設(shè)置兩個(gè)通風(fēng)機(jī)在金雞巖風(fēng)井，設(shè)置通風(fēng)距離長(zhǎng)為6 649 m，同時(shí)設(shè)置風(fēng)力大小為5 759 m3/min，設(shè)置風(fēng)壓為1 600 Pa；長(zhǎng)江兩個(gè)通風(fēng)機(jī)最大通風(fēng)8 848 m，風(fēng)機(jī)排量5 944 m3/min，風(fēng)機(jī)負(fù)壓1 207 Pa。同時(shí)在太陽(yáng)能灣回風(fēng)軸，金雞巖總回風(fēng)巷和N2707工作面背風(fēng)管道安裝設(shè)置3個(gè)風(fēng)速傳感器，除此之外，還在礦井安裝設(shè)置了地下氣壓傳感器。

4.2 傳感器布置方案

在進(jìn)行傳感器的布置時(shí)，為了監(jiān)測(cè)風(fēng)向的情況，在+342 m巖石軌道，+298 m集中皮帶巷、-60 m的主石門布置風(fēng)速傳感器；選擇主要通風(fēng)巷道和氣道巷道安裝風(fēng)速傳感器；為了監(jiān)控礦井的回風(fēng)情況，在+320 m的水倉(cāng)巷、N.09瓦斯巷、回風(fēng)斜井、總回風(fēng)巷布置風(fēng)速傳感器；為進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以礦井的采礦面還有掘進(jìn)工作面為試點(diǎn)，利用傳感器進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)確定，通過(guò)布置風(fēng)壓傳感器來(lái)完成采區(qū)工作面的風(fēng)壓監(jiān)視，為了監(jiān)視采區(qū)工作面風(fēng)速的變化情況，選擇在回風(fēng)巷道的若干區(qū)域布置了風(fēng)速傳感器；對(duì)于工作面入口處空氣的流通情況，進(jìn)行風(fēng)速傳感器以及風(fēng)壓傳感器布置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)壓變化。同時(shí)，如果大量氣體涌現(xiàn)或突出顯示應(yīng)準(zhǔn)確判斷。風(fēng)速傳感器配有自制移架，確保風(fēng)速傳感器穩(wěn)定可靠。壓力軟管安裝靜壓管，并安裝在干燥通風(fēng)處。在進(jìn)行傳感器安裝之后，還要對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，以及定期進(jìn)行清潔檢查，確保傳感器正常使用。

4.3 應(yīng)用效果分析

故障位置采取GIS技術(shù)與礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行相互結(jié)合，可以有效確定礦井的傳感器位置，實(shí)時(shí)掌握傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，能夠?qū)ΦV井通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量、風(fēng)壓狀況及時(shí)了解以及在線分析。通過(guò)系統(tǒng)的可視化界面，系統(tǒng)管理人員可以直觀了當(dāng)?shù)牟榭吹V井通風(fēng)系統(tǒng)的各種指標(biāo)，同時(shí)系統(tǒng)可以自動(dòng)對(duì)異常指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)井下異常狀況。在很多情況下，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)氣流、風(fēng)速限制、空氣流量短、角落不穩(wěn)定時(shí)需要相應(yīng)的整改，可以提高礦井通風(fēng)的可靠性[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在井下安裝布置傳感器，構(gòu)建風(fēng)流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以有效進(jìn)行礦井的風(fēng)壓、風(fēng)速、溫度測(cè)量，建立完整的監(jiān)控體系，同時(shí)根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，掌握井下風(fēng)力相關(guān)動(dòng)態(tài)并進(jìn)行預(yù)警，避免了礦井通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)的缺陷問(wèn)題，促進(jìn)了理論和監(jiān)測(cè)技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)安全預(yù)警的目的。

[1] 蔡峰，劉澤功.復(fù)雜礦井通風(fēng)系統(tǒng)角聯(lián)風(fēng)路自動(dòng)識(shí)別方法的研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，15（7）：3-6.

[2] 周心權(quán)，吳兵.礦井火災(zāi)救災(zāi)理論與實(shí)踐[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1996.

[3] 陳開(kāi)巖，傅清國(guó)，劉祥來(lái)，等.礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠性評(píng)價(jià)軟件設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32（4）：393-398.

[4] 中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)書(shū)號(hào)：AQ 1028—2006[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[5] 黃光球，陸秋琴，鄭彥全.存在固定風(fēng)量分支的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算新方法[J].金屬礦山，2004（10）：52-54.