礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及風(fēng)量調(diào)節(jié)優(yōu)化

邢亮亮

（長(zhǎng)治市煤礦技術(shù)服務(wù)中心， 山西 長(zhǎng)治 046000）

引言

隨著煤礦企業(yè)開(kāi)采程度的增加，煤礦作業(yè)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，在這種形勢(shì)下，加強(qiáng)對(duì)煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)的安全管理已經(jīng)成為越來(lái)越重要的工作。通過(guò)對(duì)風(fēng)流量參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，適當(dāng)調(diào)節(jié)風(fēng)量，使其達(dá)到最優(yōu)效果對(duì)煤礦現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重大的意義。

1 風(fēng)流參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

為了能夠獲取礦井通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)流參數(shù)，可以通過(guò)礦井通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)，利用所檢測(cè)到的巷道風(fēng)量以及巷道兩側(cè)的風(fēng)壓差值，計(jì)算得到橫道的通風(fēng)風(fēng)阻數(shù)值。現(xiàn)行的礦井管理相關(guān)規(guī)定只針對(duì)其中的設(shè)計(jì)做出了基本規(guī)范，但是沒(méi)有監(jiān)控系統(tǒng)中針對(duì)通風(fēng)檢測(cè)具體布局進(jìn)行的具體規(guī)定，為了能夠獲得礦井通風(fēng)系統(tǒng)準(zhǔn)確數(shù)值，需要進(jìn)行通風(fēng)監(jiān)測(cè)整體布局的詳細(xì)規(guī)劃，在這些詳細(xì)規(guī)劃當(dāng)中最為重要的部分就是對(duì)風(fēng)量參數(shù)檢測(cè)傳感器的安裝位置的選擇。

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)流參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控基于C/S網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，開(kāi)發(fā)了基于服務(wù)器的SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，作為整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及模型參數(shù)存儲(chǔ)，利用Visual C++開(kāi)發(fā)了整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用部分，系統(tǒng)整體界面開(kāi)發(fā)較直觀，方便使用[1]。

在系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)節(jié)，為了能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)圖像進(jìn)行綜合處理，采用圖像處理技術(shù)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，同時(shí)利用Map Objects軟件中的圖形編輯功能，保證系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的高效穩(wěn)定，如圖1所示為本文開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其整體結(jié)構(gòu)主要分為三層，分別是數(shù)據(jù)層、中間層以及界面層。數(shù)據(jù)層為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行當(dāng)前狀態(tài)判斷，中間層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，界面層實(shí)現(xiàn)與用戶的互動(dòng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 風(fēng)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化布置

1.2.1 監(jiān)測(cè)分站布置

礦井風(fēng)量的監(jiān)測(cè)是通過(guò)監(jiān)測(cè)傳感器以及后臺(tái)設(shè)備完成的，作為兩者之間的聯(lián)系是通過(guò)監(jiān)測(cè)分站來(lái)完成的。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中由于費(fèi)用較高，需要針對(duì)監(jiān)測(cè)分站進(jìn)行優(yōu)化布局。通常對(duì)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布置選擇在需要進(jìn)行密集監(jiān)測(cè)的地方，同時(shí)考慮到供電以及后續(xù)維護(hù)的便利，還不能造成通行阻礙，監(jiān)測(cè)分站與監(jiān)測(cè)主機(jī)之間的傳輸最遠(yuǎn)可以達(dá)到10 km，而監(jiān)測(cè)分站與監(jiān)測(cè)傳感器之間可以實(shí)現(xiàn)不超過(guò)2 km距離的通信傳輸[2]。

1.2.2 傳感器優(yōu)化布置

針對(duì)礦井的風(fēng)流參數(shù)主要需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)包括如下幾個(gè)方面：巷道風(fēng)速、巷道風(fēng)壓以及環(huán)境中的瓦斯氣體濃度。根據(jù)礦井安全生產(chǎn)相關(guān)規(guī)定，針對(duì)礦井中的通風(fēng)監(jiān)測(cè)使用的傳感器需要遵循以下原則進(jìn)行布置：主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)需要進(jìn)行壓力傳感器對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓進(jìn)行檢測(cè)；在比較短的水平巷道可以不進(jìn)行風(fēng)壓檢測(cè)；但是針對(duì)風(fēng)阻變化范圍較大的巷道需要進(jìn)行風(fēng)壓檢測(cè)；風(fēng)壓檢測(cè)傳感器需要安裝在支護(hù)良好的位置，并且應(yīng)選擇在與風(fēng)流交匯點(diǎn)以及拐點(diǎn)距離3～8倍的位置進(jìn)行安裝；針對(duì)測(cè)量巷道風(fēng)速的傳感器選址同樣遵循上述原則。

1.2.3 線纜布置

監(jiān)測(cè)分站以及風(fēng)流量檢測(cè)傳感器位置確定以后，兩者之間需要利用線纜進(jìn)行連接。監(jiān)測(cè)分站的布置受到眾多因素的影響，比如監(jiān)測(cè)參數(shù)、監(jiān)測(cè)位置以及監(jiān)測(cè)范圍等，導(dǎo)致了監(jiān)測(cè)分站與各傳感器之間的連接需要不同的線纜，因此在進(jìn)行前期設(shè)計(jì)時(shí)需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)需求進(jìn)行線纜選擇。

1.3 風(fēng)流參數(shù)監(jiān)測(cè)程序

隨著煤礦的不斷開(kāi)采，礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致風(fēng)流參數(shù)的測(cè)定同樣發(fā)生變化，為了能夠保證礦井安全生產(chǎn)，需要針對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集，掌握礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。在制定礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流參數(shù)監(jiān)測(cè)程序的主要流程歸納如下：

1）設(shè)備選址。建立礦井通風(fēng)模型模擬計(jì)算出巷道風(fēng)阻，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流參數(shù)監(jiān)測(cè)分站、傳感器以及線纜布局的規(guī)劃；

2）數(shù)據(jù)采集。通過(guò)風(fēng)流參數(shù)各種數(shù)據(jù)檢測(cè)傳感器獲取礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流量參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)線纜將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)分站，監(jiān)測(cè)分站將數(shù)據(jù)匯總發(fā)送到系統(tǒng)后臺(tái)，對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷；

3）數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)記性分析，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)與當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，判斷當(dāng)前狀態(tài)，并根據(jù)判斷結(jié)果做出相應(yīng)動(dòng)作；

4）結(jié)果顯示、存儲(chǔ)。系統(tǒng)后臺(tái)將數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示系統(tǒng)進(jìn)行顯示，提醒操作人員進(jìn)行相關(guān)操作，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，方便后續(xù)查看[3]。

2 通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量?jī)?yōu)化

為了維持井下通風(fēng)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，需要針對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，而調(diào)節(jié)的參照主要是根據(jù)上述通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)優(yōu)化，使得通風(fēng)系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài)，使井下環(huán)境更加安全、可靠，運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)。

2.1 風(fēng)量?jī)?yōu)化模型

現(xiàn)代煤礦井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)十分復(fù)雜，這使得建立礦井風(fēng)量?jī)?yōu)化調(diào)節(jié)模型具有很大的難度，為了能夠充分體現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并減少計(jì)算量，本文針對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行如下假設(shè)：將通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)流當(dāng)作理性流體，也就是其性質(zhì)與溫度、壓強(qiáng)變化無(wú)關(guān)；通風(fēng)系統(tǒng)流動(dòng)的風(fēng)流為紊流狀態(tài)下的定常流動(dòng)；通風(fēng)系統(tǒng)中的自然風(fēng)壓力不發(fā)生變化。通過(guò)如上三點(diǎn)假設(shè)，進(jìn)行了分析模型的建立，同時(shí)需要確定通風(fēng)系統(tǒng)的邊界條件，主要是各個(gè)位置允許的風(fēng)速以及風(fēng)量的范圍值。

在對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中，同時(shí)需要考慮到安全性以及經(jīng)濟(jì)性，所以在進(jìn)行風(fēng)阻調(diào)節(jié)的過(guò)程，需要對(duì)風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置的安裝位置進(jìn)行考慮，并且需要滿足《煤礦安全規(guī)程》中關(guān)于巷道中固定位置允許風(fēng)速的要求。如表1所示為具體規(guī)定值，以保證礦井通風(fēng)的穩(wěn)定、安全。

表1 井巷允許通風(fēng)風(fēng)速 m/s

2.2 風(fēng)量?jī)?yōu)化約束條件

在進(jìn)行礦井通風(fēng)風(fēng)量的優(yōu)化過(guò)程中，需要根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)的相關(guān)約束條件進(jìn)行模型的分析，主要的約束條件包括：巷道的風(fēng)速限定、現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)阻、特定地點(diǎn)的風(fēng)量需求限定值、可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的風(fēng)阻范圍，利用回路風(fēng)壓平衡進(jìn)行分析計(jì)算，最終的優(yōu)化目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)過(guò)程中改變?cè)O(shè)備狀態(tài)最小化，實(shí)現(xiàn)總消耗能量最小化，根據(jù)分析模型以及上述約束條件和優(yōu)化目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果計(jì)算的自動(dòng)生成。

3 結(jié)語(yǔ)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性是保證煤礦企業(yè)生產(chǎn)安全以及煤礦可持續(xù)開(kāi)采的必要條件，是煤礦企業(yè)必須重視的環(huán)節(jié)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化，通過(guò)風(fēng)流參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，獲取所需要的動(dòng)態(tài)參數(shù)，建立礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化模型，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)礦井井下通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化，為實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)節(jié)提供了參考。