井工煤礦精準測風技術(shù)智能化改造研究

武永勝，李 林

(1. 中檢集團公信安全科技有限公司，山東 棗莊 277101；2. 華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代背景下，煤礦實現(xiàn)智能化的路徑參差不齊[1]?；A(chǔ)理論研發(fā)滯后、技術(shù)裝備保障不足等問題制約著礦井智能化發(fā)展。國家發(fā)展改革委、國家能源局等8部委聯(lián)合制定的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》[2]中分析了當前煤礦發(fā)展現(xiàn)狀，提出了主要任務(wù)，其中頂層設(shè)計標準、技術(shù)創(chuàng)新、智能化改造等任務(wù)要求為煤礦企業(yè)智能化改造建設(shè)指明了方向。隨著以數(shù)字化建設(shè)為基石的礦井智能化技術(shù)的全面推廣，智能化礦井建設(shè)在有序推進。煤礦智能化建設(shè)正處于初級階段，也將長期處于初級階段，要分區(qū)域、分階段、分層次逐步推進“無人”礦井建設(shè)[1]。優(yōu)化礦井傳感器的布置方案是當前礦井通風智能化研究發(fā)展方向之一[3]。安全生產(chǎn)是煤礦企業(yè)生產(chǎn)建設(shè)的永恒主題。通風系統(tǒng)是井工煤礦安全生產(chǎn)的必要保障之一。保障礦井通風系統(tǒng)管理到位，首先要抓通風系統(tǒng)風量管理。我國現(xiàn)有井工煤礦數(shù)量超過全國煤礦總數(shù)的95%，47個礦井采深超過千米，未來將有更多的礦井進入深部開采[4]。隨著開采深度的增加以及開采規(guī)模的擴大，粉塵、瓦斯等各類災害及多災種耦合越發(fā)嚴重，很大程度上會因供風量出現(xiàn)問題而引發(fā)事故。為保障礦井安全生產(chǎn)，推動煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，應(yīng)優(yōu)先進行礦井通風系統(tǒng)智能化改造，實現(xiàn)傳統(tǒng)煤礦智能化轉(zhuǎn)型升級。

風量測定是煤礦通風管理的常規(guī)性檢測項目之一。煤礦企業(yè)根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第一百四十條規(guī)定[5]制定了測風制度，進行旬測風和月測風。在巷道風速測量和監(jiān)測方面，目前有人工測風和傳感器測風兩種。人工測風受測試者經(jīng)驗影響，檢測周期較長，檢測效果不理想[6]。傳感器測風數(shù)據(jù)的準確性受傳感器位置影響很大。我國礦井巷道應(yīng)著力解決風速測量的準確性和傳感器布置問題[4]。采用多點移動精確測風數(shù)據(jù)取均值來提高測試數(shù)據(jù)準確性[5]。以傳感器測得的單點風速能夠代表斷面平均風速[7-9]。傳感器安裝位置受限，用同一地點風速代替平均風速不科學[10]。優(yōu)化井下風速、風壓等傳感器布置，包括新添加的傳感器與系統(tǒng)原有傳感器兩部分，將實時監(jiān)測的通風參數(shù)并入通風網(wǎng)絡(luò)進行解算，實現(xiàn)在線動態(tài)監(jiān)測預警[11]。隨著煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，煤礦井下關(guān)鍵地點的風量已經(jīng)可以顯示在礦井調(diào)度控制盤上。但是，這些風量數(shù)據(jù)不夠準確，主要存在兩個問題。一是風流在井巷速度場分布不均勻，用一個點風速代表該斷面平均風速不科學。二是測風地點檢測傳感設(shè)備安裝不合理，僅在測風地點安裝一個風量傳感器測量該斷面風速。本文以煤礦半圓拱巷道為例進行風量測試斷面測點布置方案設(shè)計，對礦井總風量實時檢測技術(shù)進行研究。

1 半圓拱巷道斷面風速場分布特點及測風點布置依據(jù)

對于煤礦，流動在礦井主要通風巷道內(nèi)的井下空氣要求保持層流狀態(tài)，流體以均勻的速度流入管道，由于黏性及壁面滯止作用的存在，近壁區(qū)流體的流速將會降低，且隨著流體向下游流動黏性的影響區(qū)間越來越大，橫截面上受影響的流體越來越多，因此沿流動方向各截面的速度分布不斷改變，直至經(jīng)過一段距離L后，橫截面上的速度分布曲線才能保持相似。離進口距離在L以內(nèi)的流動區(qū)間稱為進口起始段，而以后區(qū)間的管流流動則稱為充分發(fā)展的層流。下圖1為充分發(fā)展的管流流動速度剖面圖。

圖1 管流流動速度剖面圖

由圖1可知，流道內(nèi)流動是軸對稱的，對于充分發(fā)展的管內(nèi)流動而言，流線與流道軸線平行，因此各橫截面上的時均速度分布不僅相似，而且完全相同。

基于上面的研究，GB/T 10178-2006《工業(yè)通風機 現(xiàn)場性能試驗》給出圓形截面測量流量的切貝切夫法儀器測點布置法和改進的切貝切夫法儀器測點布置法，如圖2所示。

圖2 切貝切夫法

2 風量測試斷面測點布置方案

煤礦井下巷道斷面一般是半圓拱形和矩形。目前煤礦日常測風方法是機械風表線路法測量，由于受測風人員身高的限制，測風斷面高處的風速不能測到。而在線自動測風點設(shè)置的測風設(shè)備，一般只在巷道最高處下方200 mm～400 mm處設(shè)置一個測風探頭或測風設(shè)備測量該斷面的風速，進而計算其流過的風量。以一個點的風速代表一個斷面的風速顯然是不準確的。有的企業(yè)也意識到數(shù)據(jù)的不可靠性，通過實測測風設(shè)備設(shè)置斷面的風速尋找等效風速點，但是這個等效點不是不變的，需要經(jīng)常性的標校，給通風日常管理帶來難度，甚至不能實現(xiàn)。為了解決實際問題，推進礦井通風管理智能化建設(shè)，需要進行智能化改造。

由于半圓拱型斷面是由圓形和矩形組成，所以布置測風點時，按照切貝切夫法儀器測點布置法制定方案，按圓形和矩形考慮。圓形按三個等面積環(huán)布置，矩形按九宮格布置。以半圓拱巷道為例介紹測點布置方案?？紤]半圓拱型巷道斷面是半個圓形和矩形斷面的組合體，根據(jù)速度場分布規(guī)律，將過風斷面分成若干個風速相同或相近的小斷面，在這些小斷面幾何中心布置測風設(shè)備，同時讀取測量數(shù)據(jù)，然后取平均值作為該斷面的平均風速。此方案設(shè)計能夠優(yōu)化通風參數(shù)數(shù)據(jù)，使得平均風速取值較科學。半圓拱型斷面風量測試測點布置如圖3所示，圖中數(shù)字1～15表示皮托管的安裝位置。各測點布置位置由表1控制。表中R表示半圓半徑，其下標表示測點編號；A、B分別表示矩形的長和寬，其下標表示測點編號。

圖3 半圓拱型斷面風量測試測點布置圖

表1 半圓拱斷面皮托管布置

3 風量實時監(jiān)控系統(tǒng)

按照風量測試斷面測點布置方案選取測風點。測風巷道應(yīng)保持風流穩(wěn)定、壁面盡可能光滑、沒有任何障礙物和管路[10]。選擇測風斷面時，要求巷道平直，避免風流渦流區(qū)；同時要求巷道支護良好，無淋水。依據(jù)GB/T 10178-2006《工業(yè)通風機 現(xiàn)場性能試驗》的規(guī)定，流道層流流體在任何條件下，系統(tǒng)風流擾動點經(jīng)過一定流動距離M后，風流流動形態(tài)才能回復到原來層流流動狀態(tài)。擾動點在上游，M不小于巷道斷面水力直徑的10倍；擾動點在下游，M不小于巷道斷面水力直徑的5倍。現(xiàn)場實際布置時，在匯風點前方設(shè)置時，測風斷面距匯風點距離是巷道寬度的3～5倍距離，在匯風點后方設(shè)置時，測風斷面距匯風點距離是巷道寬度的5～8倍距離。在風量測試點安裝風速傳感器，風速信號并入煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中，通過專用通訊傳輸光纜及監(jiān)測分站傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度平臺，經(jīng)過計算得出礦井風量值并實時顯示在調(diào)度顯示器屏幕上。礦井風量實時監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如圖4所示。專業(yè)的調(diào)度人員在第一時間內(nèi)獲得通風參數(shù)，實時掌握井工煤礦安全生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的的異常狀況，及時有效地采取合適的措施應(yīng)對危險情況，保證礦井安全生產(chǎn)，及時止損。

圖4 礦井風量實時監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

4 應(yīng)用實例

山能集團棗莊礦業(yè)(集團)有限責任公司某礦在建設(shè)智能化礦井過程中，采用該項精準測風技術(shù)。技術(shù)改造之前，該礦應(yīng)管理部門要求，在礦井風硐內(nèi)設(shè)置風速傳感器，將信號傳輸至主通風機專項監(jiān)控系統(tǒng)和礦井調(diào)度監(jiān)控平臺。風速傳感器的設(shè)置方法是在風硐距井筒10 m處，傳感器距頂板0.5 m。自設(shè)置以來，該傳感器測試的數(shù)據(jù)與礦井測風員實測風量不一致，總是比測風員測風小近1000 m3/min，分析原因，發(fā)現(xiàn)傳感器測量風速682 m/min，而測風員實測風速756 m/min。問題原因找到了，但是整改不好落實，多次調(diào)整傳感器位置，沒找到等效風速點。

2019年底，經(jīng)過論證準備按井工煤礦精準測風技術(shù)徹底改正風速傳感器測風不準的問題，并且在井下進回風大巷、通風機風硐內(nèi)同時設(shè)置風速傳感器，將檢測信號通過監(jiān)控系統(tǒng)傳輸?shù)街魍L機在線監(jiān)控系統(tǒng)，再由主通風機在線監(jiān)控系統(tǒng)將風量信號共享到礦井調(diào)度監(jiān)控平臺上，實現(xiàn)礦井主要風量實時監(jiān)控。2020年1月，利用礦井反風演習對精準測風系統(tǒng)進行驗收，部分數(shù)據(jù)匯總見表2。

表2 反風演習前后實測風量匯總

分析測試數(shù)據(jù)，應(yīng)用精準測風技術(shù)所測風量與測風員所測風量的誤差在0.04%～0.13%區(qū)間。經(jīng)過驗證，應(yīng)用井工煤礦精準測風技術(shù)能實現(xiàn)精準測風，有效提升礦井通風管理智能化水平。

5 結(jié)論

(1) 在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的推動下，國家要求加快煤礦企業(yè)智能化改造建設(shè)。煤礦智能化建設(shè)正處于初級階段，要分區(qū)域、分階段逐步推進“無人”礦井建設(shè)。礦井總風量是井工煤礦安全生產(chǎn)的重要保障之一，應(yīng)優(yōu)先進行礦井通風智能化研究，優(yōu)化礦井傳感器的布置方案是其發(fā)展方向之一。

(2) 以半圓拱型巷道為例，優(yōu)化“現(xiàn)有研究存在的單一測點風速代替平均風速不科學和傳感器單點布置不合理等”問題。按設(shè)計的15個測點安裝傳感器，測試數(shù)據(jù)取均值作為平均風速。風速信號并入煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，實時準確掌握礦井總風量數(shù)據(jù)。這是科學調(diào)度全礦井生產(chǎn)情況，保證按需供風，科學配風的基礎(chǔ)。對推廣使用礦井總風量實時檢測技術(shù)具有重要的意義，特別是在智能化礦井轉(zhuǎn)型升級實踐中有指導作用。