龐龐塔煤礦精確測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

劉學(xué)良

(霍州煤電呂臨能化公司 龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200)

通風(fēng)系統(tǒng)是整個(gè)礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一，直接關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)，全面、及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握通風(fēng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是解決礦井一系列通風(fēng)問題的前提基礎(chǔ)。目前，大部分礦井采用的人工測(cè)風(fēng)方式效率不高，通風(fēng)問題發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，而且測(cè)量值誤差較大，因此通風(fēng)系統(tǒng)當(dāng)中的漏風(fēng)監(jiān)測(cè)處理、調(diào)風(fēng)控風(fēng)優(yōu)化、通風(fēng)能效管理等諸多難題長(zhǎng)久以來難以有效解決。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，結(jié)合煤礦通風(fēng)專業(yè)特點(diǎn)，研發(fā)安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的礦井精確測(cè)風(fēng)系統(tǒng)能夠提高通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，達(dá)到礦井安全生產(chǎn)的目的[1]。

1 煤礦精確測(cè)風(fēng)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

煤礦精確測(cè)風(fēng)系統(tǒng)包括硬件、軟件兩大部分，其中硬件部分由系統(tǒng)當(dāng)中的超聲波探頭、風(fēng)速儀、防爆電源、三通、井下交換器、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主站及服務(wù)器等儀器設(shè)備所構(gòu)成；軟件部分是為實(shí)現(xiàn)礦井風(fēng)速、風(fēng)量等數(shù)據(jù)顯示、回看及異常情況報(bào)警功能而設(shè)計(jì)的相關(guān)軟件系統(tǒng)。

煤礦精確測(cè)風(fēng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦精確測(cè)風(fēng)系統(tǒng)架構(gòu)示意

1.2 系統(tǒng)設(shè)備

風(fēng)速儀采用YFC15型煤礦用風(fēng)速儀，每套風(fēng)速儀由一個(gè)主機(jī)和兩個(gè)超聲波測(cè)風(fēng)探頭組成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、暫存、顯示、傳輸?shù)裙δ艿膶?shí)現(xiàn)。

監(jiān)控系統(tǒng)主控站采用IPC610型工控機(jī)，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理等功能的實(shí)現(xiàn)。

監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器采用RH2288H-V3型服務(wù)器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析處理、信息發(fā)布等功能的實(shí)現(xiàn)。

客戶端可以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)化辦公，能夠運(yùn)行智能通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)版，查詢實(shí)時(shí)風(fēng)網(wǎng)運(yùn)行情況，并對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行整理及顯示。

1.3 系統(tǒng)功能

礦井各個(gè)測(cè)點(diǎn)所布置的超聲風(fēng)速儀對(duì)井下相關(guān)通風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，再通過井下交換機(jī)利用礦井井下環(huán)網(wǎng)將采集到的通風(fēng)相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)前置機(jī)，然后利用地面局域網(wǎng)將系統(tǒng)前置機(jī)接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，最后通過系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)數(shù)據(jù)的分析、回看、報(bào)警等相關(guān)功能。

1.3.1 精確測(cè)風(fēng)

煤礦精確測(cè)風(fēng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)井下各巷道風(fēng)速和風(fēng)量的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲取。利用超聲波風(fēng)速儀精確測(cè)量風(fēng)速，結(jié)合礦井通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行通風(fēng)解算，提供每一條巷道的當(dāng)前準(zhǔn)確風(fēng)速和風(fēng)量。

1.3.2 及時(shí)報(bào)警

煤礦精確測(cè)風(fēng)系統(tǒng)通過對(duì)通風(fēng)數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)、推演和解算，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并發(fā)出警報(bào)，包括對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)當(dāng)中的風(fēng)量、風(fēng)速、風(fēng)向不確定性、有毒有害氣體等異常情況進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，并且還可以在系統(tǒng)報(bào)警之后對(duì)異常情況發(fā)生位置及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行回看查詢，從而提高通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

2 煤礦精確測(cè)風(fēng)技術(shù)

煤礦精確測(cè)風(fēng)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確處理數(shù)據(jù)的前提是所采集通風(fēng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，若所采集到的數(shù)據(jù)精確度較差或者數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，即使所采用的算法再先進(jìn)，那么系統(tǒng)也無法實(shí)現(xiàn)精確測(cè)風(fēng)，因此，本次煤礦精確測(cè)風(fēng)系統(tǒng)采用超聲波精確測(cè)風(fēng)技術(shù)對(duì)通風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[2]。煤礦精確測(cè)風(fēng)技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 煤礦精確測(cè)風(fēng)技術(shù)原理

如圖2中的點(diǎn)測(cè)風(fēng)所示，常規(guī)的礦井監(jiān)測(cè)探頭通常布置于巷道頂板正中央位置向下20 cm的位置處，其所采集到的風(fēng)速為該巷道位置處的“點(diǎn)風(fēng)速”，而以該位置處的“點(diǎn)風(fēng)速”來表示該巷道的平均風(fēng)速明顯有失偏頗。如圖2中的超聲掃描測(cè)風(fēng)所示，精確測(cè)風(fēng)技術(shù)改變了常規(guī)測(cè)風(fēng)方式，以大距離超聲測(cè)風(fēng)技術(shù)測(cè)量巷道中線風(fēng)速來代表整個(gè)巷道的平均風(fēng)速，提高了巷道風(fēng)速測(cè)量的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性[3]。

超聲波風(fēng)速儀利用時(shí)差超聲測(cè)速理論，通過超聲波在風(fēng)流當(dāng)中順、逆兩個(gè)方向的相同傳播距離具有時(shí)間差異的規(guī)律，這一傳播的時(shí)間差異同風(fēng)速有關(guān)，從而利用這一規(guī)律可以計(jì)算風(fēng)速。超聲波風(fēng)速儀的傳感器采集風(fēng)速信號(hào)時(shí)，采用兩個(gè)超聲波探頭，然后通過其主控板對(duì)風(fēng)速信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理后得到精確的風(fēng)速數(shù)據(jù)，最后利用井下交換機(jī)、井下環(huán)網(wǎng)、系統(tǒng)前置機(jī)、地面局域網(wǎng)等將風(fēng)速數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

超聲掃描測(cè)風(fēng)技術(shù)風(fēng)速計(jì)算原理，如圖3所示。

圖3 超聲掃描測(cè)風(fēng)技術(shù)風(fēng)速計(jì)算原理

超聲掃描測(cè)風(fēng)技術(shù)風(fēng)速計(jì)算公式如式(1)所示[4]：

(1)

式中：V表示風(fēng)速，m/s；L表示超聲波發(fā)射路徑，也就是風(fēng)速儀的測(cè)量距離，m；α表示超聲波發(fā)射方向同巷道風(fēng)向之間的角度，°;tab表示超聲波順風(fēng)時(shí)間，s；tba表示超聲波逆風(fēng)時(shí)間，s。

3 測(cè)點(diǎn)布置及設(shè)備安裝

3.1 測(cè)點(diǎn)的布置

測(cè)點(diǎn)布置遵循以下幾個(gè)原則：①能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)礦井總進(jìn)風(fēng)量、總回風(fēng)量；②能夠?qū)ΦV井各采區(qū)進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)的總風(fēng)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；③能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)各回采、掘進(jìn)工作面的用風(fēng)情況；④能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)部分的用風(fēng)情況[5]。

根據(jù)上述測(cè)點(diǎn)布置原則，結(jié)合龐龐塔煤礦通風(fēng)系統(tǒng)圖及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，初步設(shè)定測(cè)風(fēng)點(diǎn)50+1(1個(gè)機(jī)動(dòng)點(diǎn))個(gè)，具體布設(shè)方案如表1所示。

表1 龐龐塔煤礦精確測(cè)風(fēng)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置統(tǒng)計(jì)

3.2 測(cè)點(diǎn)超聲風(fēng)速儀的安裝

1) 超聲風(fēng)速儀需在地面運(yùn)行測(cè)試，儀器的各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)合格后再到井下現(xiàn)場(chǎng)使用。

2) 風(fēng)速儀布置在支護(hù)完整、無滴水、無雜物堆積的巷道當(dāng)中，在安裝時(shí)加裝風(fēng)速儀支架，使其與巷道底板之間的高度≥300 mm。

3) 風(fēng)速儀超聲波探頭必須固定在支護(hù)完整、無滴水、無雜物堆積的巷道中線齊平位置，且兩個(gè)探頭連線與巷道方向夾角為45°。

4) 在掘進(jìn)、回采工作面的進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)巷當(dāng)中安裝風(fēng)速儀時(shí)，應(yīng)使其與巷道口的距離保持在10～15 m。

5) 在機(jī)電硐室的進(jìn)風(fēng)側(cè)當(dāng)中安裝風(fēng)速儀時(shí)，應(yīng)使其與機(jī)電硐室的距離保持在5 m范圍內(nèi)。

6) 總進(jìn)風(fēng)、總回風(fēng)及采區(qū)進(jìn)風(fēng)、采區(qū)回風(fēng)巷在能控制區(qū)域總進(jìn)、總回的地點(diǎn)安裝風(fēng)速儀。

7) 監(jiān)測(cè)電纜與高壓電纜盡量不要布置在同一側(cè)，在現(xiàn)場(chǎng)必須同側(cè)布置時(shí)，兩者之間保證300 mm的間距，并且平直吊掛在其他電纜的上方位置。

8) 在風(fēng)速儀開機(jī)預(yù)熱15 min之后調(diào)試相關(guān)設(shè)備，當(dāng)各個(gè)設(shè)備均正常運(yùn)行后，將風(fēng)速儀聯(lián)網(wǎng)并跟蹤測(cè)量精度。

3.3 運(yùn)行效果

2020年8月底，煤礦精確測(cè)風(fēng)系統(tǒng)在龐龐塔煤礦井下安裝試運(yùn)行，通過人工測(cè)風(fēng)方法分別對(duì)+750 m水平南翼一號(hào)膠帶巷、5號(hào)煤膠帶上山、9-8011巷、+750 m水平南翼一號(hào)輔運(yùn)巷、+750 m南翼輔助運(yùn)輸大巷等5個(gè)精確測(cè)風(fēng)系統(tǒng)布置的測(cè)風(fēng)點(diǎn)進(jìn)行為期一個(gè)月的跟蹤測(cè)風(fēng)，并將所測(cè)風(fēng)量與精確測(cè)風(fēng)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，兩者數(shù)據(jù)誤差在0.03%～0.11%之間。因此，通過人工測(cè)風(fēng)方法驗(yàn)證表明，煤礦精準(zhǔn)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)具有良好的精確性。

4 結(jié) 語

通過龐龐塔煤礦精確測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)施，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確掌握井下風(fēng)速、風(fēng)量的變化，并對(duì)風(fēng)量異常情況及時(shí)報(bào)警，從而提高通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，保證了礦井的安全生產(chǎn)。