基于網絡解算分析的礦井通風預警監測研究

張彥君

（同煤浙能麻家梁煤業公司， 山西 朔州 036000）

引言

礦井通風系統是礦山安全生產管理不可缺少的一部分，它決定了井下工作環境的安全性。但是，目前還沒有一種可行的方法對整個礦井通風系統進行監測。一般情況下，在主通風道和整個礦山風點進行氣流檢測。該方法緩慢且效率低下，不能長時間完全了解井下的隧道通風情況，不能進行實時監測。因此，運用網絡解算法研究建立礦井通風預警監測系統，以實時預報礦井通風異常情況。

1 在線網絡解算模型

作為一維流體流動的巷道中的氣流，即在巷道段中，風流性質是均勻的，并且在不穩定的條件下，巷道中的氣流符合以下流體動量方程。式中：ρi為序列為 i的巷道中空氣的密度，kg/m3；Li為巷道i的長度，m；dvi/dt是i巷道中空氣的加速度，m/s2；Hi為 i巷道通風阻力，Pa；Qi為 i巷道的風量；hfi為i巷道里風機的壓力，Pa；i巷道慣性系數表示為 Ki=ρiLi/Ai，其中 Ai為 i巷道斷面的面積，m2。因此對一維空間的流體動量方程定義如下：

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

根據回路風壓中的平衡原理，給出以下不穩定狀態下的風流泰勒展開式為：

循環校正值ΔQ的計算公式可以從泰勒級數的近似擴展得到以下公式：

2 通風系統狀態監控

2.1 針對通風系統的網絡監測

通風系統每個分支加裝的風量傳感器主要用于對各個分支的風流量實時測量。對井下每個巷道的通風量進行狀態判定和預警，需要引入并創建動態解算網絡。目前能夠實現通風狀態量測量的儀器主要有：風速、風壓以及溫度三種傳感器。基于礦井中每個巷道之間的溫度差異比較微小，對解算網絡的輸出結果影響可以忽略。針對各個不同的巷道，在選擇和布置三種傳感器時，對于溫度差異大的巷道之間采用溫度量（即溫度傳感器）來監視；在礦山、礦井的主入口等主要風道周圍，風速變化較大的區域安裝風速傳感器以及風壓傳感器；同時在主入口和回氣通道之間的兩側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礦場的風速、風壓、溫度進行監測，在應用中取得了不錯的效果。同時由于走廊分支的敏感性，可以對礦井通風系統的各種參數變化及時作出反應，很容易地捕獲到安裝風壓傳感器的巷道角落處的通風系統的危險發生[1-2]。

在對通風網絡整體構成進行設計時，應該將風力發電機組、風速傳感器、風壓傳感器等設備安裝在獨立分支路的巷道，而且為了降低系統成本，要嚴格控制風機、傳感器安裝的個數不能超過獨立分支機構的分支數，本文傳感器總個數B要求與巷道數量相同，則安裝的風扇個數M、傳感器總數B和巷道總數J應有關系M＜B+J。

2.2 采掘工作面監控

由于礦區是主要通風區域，工作人員較為集中，應實時監測采礦面的安全可靠性。風速傳感器安裝在工作表面的回風巷上，對工作面的空氣流動進行監測。靜壓管安裝在運輸巷道和回風巷中，氣壓差壓傳感器與橡膠管連接，從工作面的阻力來分析，考慮通風阻力和通風量的因素，這樣的監控方式更便于對工作面的風阻進行計算，布置方式如圖1-1。同時在各個工作面布置風量傳感器，通過橡膠管與差動傳感器連接，據此實現對風門兩側壓差的采集與計算，詳細回路如圖1-2。

圖1 開采面各個傳感器的分布

3 通風動態性能分析預警

3.1 網絡解算算法

井下通風巷道的類別包括風量監視巷道、風阻測量巷道、風機巷道以及一般巷道四種，布置有通風機的巷道作為整個礦井的主風道，將通風機的機械特性曲線引入到動態解算網絡的搭建中，風量監視選擇布置有風速傳感儀的若干個巷道，動態變化的風速大小和相應巷道的斷面大小兩個量作為解算算法的輸入。通常把巷道分為風阻監測巷道以及一般巷道，風阻監測巷道安裝設置氣流差壓傳感器，可以有效完成巷道氣流壓差還有風壓的實時監測，計算通風阻力的大小，一般巷道則不進行傳感器安裝。在整個回路的生成中，獨立分支包括風機路面，分量監控巷道和風阻監控巷道組成。

對網絡進行計算，第一次程序啟動中，網絡中各個支路的狀態量計算應選用靜態分析來解算，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量作為接下來迭代程序中每個巷道支路的初值，即為Q0，在線監測傳感器的采樣間隔時間設定為1 min，迭代的步進長度Δt設置為5 s。同時根據整個監測系統的性能以及解算復雜度來對采樣間隔和迭代步進進行更新。對監測量進行讀取時，利用設定時間區間的采樣均值來消除偏差以及剔除無效量，將最后的解算狀態傳送到預警裝置[3]。

3.2 通風系統的安全狀態預警

3.2.1 針對巷道風流狀態的預警

在對通風巷道進行實時監測與信號處理的基礎上，對巷道的工況進行預警，當巷道中的風流量和風速低于設定的閥值時，預警裝置會發出報警。通常將用風巷道或者工作面的風流量設計值作為報警的閥值。在風量低于閥值時系統進行報警提示。對于風速的閥值設定，通常按照相關規范選擇，如表1所示。

表1 不同巷道類別允許的的風速值

3.2.2 針對采掘工作面的通風預警

在采掘面布置風壓或者風速傳感設備的基礎上，對相應風量進行實時監控，實時了解礦井的通風情況，對礦井的通風安全進行及時掌握。一旦發現礦井存在通風狀況的異常或者有潛在危險發生時，系統會及時對通風阻力問題進行預警。常閉風門開啟（風流短路），局部風機關機，煤層瓦斯突出等，實現對通風的實時控制，應及時消除安全隱患，才能夠更好地避免災害損失[4]。

3.2.3 風電網絡可靠性分析預警

在對通風系統的可靠性進行評估分析時，主要根據下述評估指標來進行計算、觀察、分析，以便最終確定是否達到預警的標準。在進行評估指標的設置時，選擇風電網絡實時監控和可靠性評估指標體系，如表2所示。

表2 通風指標與評價值列舉

4 現場應用

4.1 礦井概況

晉煤集團古書院礦采用混合通風抽采，主要采用主井、提升機斜井、副斜井和穩定通風機幾種措施實現礦井入風，回風利用金雞堰、陽地灣兩個風井實現。安裝設置兩個通風機在金雞巖風井，設置通風距離長為6 649 m，同時設置風力大小為5 759 m3/min，設置風壓為1 600 Pa；長江兩個通風機最大通風8 848 m，風機排量5 944 m3/min，風機負壓1 207 Pa。同時在太陽能灣回風軸，金雞巖總回風巷和N2707工作面背風管道安裝設置3個風速傳感器，除此之外，還在礦井安裝設置了地下氣壓傳感器。

4.2 傳感器布置方案

在進行傳感器的布置時，為了監測風向的情況，在+342 m巖石軌道，+298 m集中皮帶巷、-60 m的主石門布置風速傳感器；選擇主要通風巷道和氣道巷道安裝風速傳感器；為了監控礦井的回風情況，在+320 m的水倉巷、N.09瓦斯巷、回風斜井、總回風巷布置風速傳感器；為進行試驗驗證，以礦井的采礦面還有掘進工作面為試點，利用傳感器進行相關的參數確定，通過布置風壓傳感器來完成采區工作面的風壓監視，為了監視采區工作面風速的變化情況，選擇在回風巷道的若干區域布置了風速傳感器；對于工作面入口處空氣的流通情況，進行風速傳感器以及風壓傳感器布置，實時監測風速、風壓變化。同時，如果大量氣體涌現或突出顯示應準確判斷。風速傳感器配有自制移架，確保風速傳感器穩定可靠。壓力軟管安裝靜壓管，并安裝在干燥通風處。在進行傳感器安裝之后，還要對傳感器進行校準，以及定期進行清潔檢查，確保傳感器正常使用。

4.3 應用效果分析

故障位置采取GIS技術與礦井通風系統進行相互結合，可以有效確定礦井的傳感器位置，實時掌握傳感器的監測數據，能夠對礦井通風系統的風量、風壓狀況及時了解以及在線分析。通過系統的可視化界面，系統管理人員可以直觀了當的查看礦井通風系統的各種指標，同時系統可以自動對異常指標進行計算預警，及時發現井下異常狀況。在很多情況下，系統發現氣流、風速限制、空氣流量短、角落不穩定時需要相應的整改，可以提高礦井通風的可靠性[5]。

5 結語

通過在井下安裝布置傳感器，構建風流監測系統，可以有效進行礦井的風壓、風速、溫度測量，建立完整的監控體系，同時根據監控系統監測數據對通風系統進行實時分析，掌握井下風力相關動態并進行預警，避免了礦井通風系統出現的缺陷問題，促進了理論和監測技術的結合，實現通風安全預警的目的。

[1] 蔡峰，劉澤功.復雜礦井通風系統角聯風路自動識別方法的研究[J].中國安全科學學報，2005，15（7）：3-6.

[2] 周心權，吳兵.礦井火災救災理論與實踐[M].北京：煤炭工業出版社，1996.

[3] 陳開巖，傅清國，劉祥來，等.礦井通風系統安全可靠性評價軟件設計及應用[J].中國礦業大學學報，2003，32（4）：393-398.

[4] 中華人民共和國安全生產行業標準.中國標準書號：AQ 1028—2006[S].北京：中國標準出版社，2006.

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