龐龐塔煤礦精確測風系統的研究與應用

劉學良

(霍州煤電呂臨能化公司 龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200)

通風系統是整個礦井生產系統的關鍵部分之一，直接關系到礦井的安全生產，全面、及時、準確地掌握通風監測數據是解決礦井一系列通風問題的前提基礎。目前，大部分礦井采用的人工測風方式效率不高，通風問題發現不及時，而且測量值誤差較大，因此通風系統當中的漏風監測處理、調風控風優化、通風能效管理等諸多難題長久以來難以有效解決。隨著計算機信息技術的不斷發展，結合煤礦通風專業特點，研發安全可靠、經濟實用的礦井精確測風系統能夠提高通風系統的穩定性和安全性，達到礦井安全生產的目的[1]。

1 煤礦精確測風系統

1.1 系統構成

煤礦精確測風系統包括硬件、軟件兩大部分，其中硬件部分由系統當中的超聲波探頭、風速儀、防爆電源、三通、井下交換器、監測系統主站及服務器等儀器設備所構成；軟件部分是為實現礦井風速、風量等數據顯示、回看及異常情況報警功能而設計的相關軟件系統。

煤礦精確測風系統架構如圖1所示。

圖1 煤礦精確測風系統架構示意

1.2 系統設備

風速儀采用YFC15型煤礦用風速儀，每套風速儀由一個主機和兩個超聲波測風探頭組成，負責數據采集、暫存、顯示、傳輸等功能的實現。

監控系統主控站采用IPC610型工控機，負責監測數據管理等功能的實現。

監控系統服務器采用RH2288H-V3型服務器，負責數據分析處理、信息發布等功能的實現。

客戶端可以實現通風業務網絡化辦公，能夠運行智能通風系統網絡版，查詢實時風網運行情況，并對通風系統三維數據進行整理及顯示。

1.3 系統功能

礦井各個測點所布置的超聲風速儀對井下相關通風數據進行實時采集，再通過井下交換機利用礦井井下環網將采集到的通風相關數據傳輸到系統前置機，然后利用地面局域網將系統前置機接收到的數據傳輸到監測系統數據庫，最后通過系統軟件實現對通風數據的分析、回看、報警等相關功能。

1.3.1 精確測風

煤礦精確測風系統能夠實現井下各巷道風速和風量的實時、準確獲取。利用超聲波風速儀精確測量風速，結合礦井通風監控系統的實時數據，進行通風解算，提供每一條巷道的當前準確風速和風量。

1.3.2 及時報警

煤礦精確測風系統通過對通風數據的實測、推演和解算，從而及時發現異常并發出警報，包括對通風系統當中的風量、風速、風向不確定性、有毒有害氣體等異常情況進行自動報警，并且還可以在系統報警之后對異常情況發生位置及相關數據進行回看查詢，從而提高通風系統的穩定性和安全性。

2 煤礦精確測風技術

煤礦精確測風系統能夠準確處理數據的前提是所采集通風數據的準確性，若所采集到的數據精確度較差或者數據錯誤，即使所采用的算法再先進，那么系統也無法實現精確測風，因此，本次煤礦精確測風系統采用超聲波精確測風技術對通風數據進行采集[2]。煤礦精確測風技術原理如圖2所示。

圖2 煤礦精確測風技術原理

如圖2中的點測風所示，常規的礦井監測探頭通常布置于巷道頂板正中央位置向下20 cm的位置處，其所采集到的風速為該巷道位置處的“點風速”，而以該位置處的“點風速”來表示該巷道的平均風速明顯有失偏頗。如圖2中的超聲掃描測風所示，精確測風技術改變了常規測風方式，以大距離超聲測風技術測量巷道中線風速來代表整個巷道的平均風速，提高了巷道風速測量的準確性和實時性[3]。

超聲波風速儀利用時差超聲測速理論，通過超聲波在風流當中順、逆兩個方向的相同傳播距離具有時間差異的規律，這一傳播的時間差異同風速有關，從而利用這一規律可以計算風速。超聲波風速儀的傳感器采集風速信號時，采用兩個超聲波探頭，然后通過其主控板對風速信號進行計算處理后得到精確的風速數據，最后利用井下交換機、井下環網、系統前置機、地面局域網等將風速數據傳輸到監測系統。

超聲掃描測風技術風速計算原理，如圖3所示。

圖3 超聲掃描測風技術風速計算原理

超聲掃描測風技術風速計算公式如式(1)所示[4]：

(1)

式中：V表示風速，m/s；L表示超聲波發射路徑，也就是風速儀的測量距離，m；α表示超聲波發射方向同巷道風向之間的角度，°;tab表示超聲波順風時間，s；tba表示超聲波逆風時間，s。

3 測點布置及設備安裝

3.1 測點的布置

測點布置遵循以下幾個原則：①能夠實時監測礦井總進風量、總回風量；②能夠對礦井各采區進風、回風的總風量進行動態監測；③能夠動態監測各回采、掘進工作面的用風情況；④能夠動態監測重點部分的用風情況[5]。

根據上述測點布置原則，結合龐龐塔煤礦通風系統圖及現場環境，初步設定測風點50+1(1個機動點)個，具體布設方案如表1所示。

表1 龐龐塔煤礦精確測風系統測點布置統計

3.2 測點超聲風速儀的安裝

1) 超聲風速儀需在地面運行測試，儀器的各項指標監測合格后再到井下現場使用。

2) 風速儀布置在支護完整、無滴水、無雜物堆積的巷道當中，在安裝時加裝風速儀支架，使其與巷道底板之間的高度≥300 mm。

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

4) 在掘進、回采工作面的進風、回風巷當中安裝風速儀時，應使其與巷道口的距離保持在10～15 m。

5) 在機電硐室的進風側當中安裝風速儀時，應使其與機電硐室的距離保持在5 m范圍內。

6) 總進風、總回風及采區進風、采區回風巷在能控制區域總進、總回的地點安裝風速儀。

7) 監測電纜與高壓電纜盡量不要布置在同一側，在現場必須同側布置時，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) 在風速儀開機預熱15 min之后調試相關設備，當各個設備均正常運行后，將風速儀聯網并跟蹤測量精度。

3.3 運行效果

2020年8月底，煤礦精確測風系統在龐龐塔煤礦井下安裝試運行，通過人工測風方法分別對+750 m水平南翼一號膠帶巷、5號煤膠帶上山、9-8011巷、+750 m水平南翼一號輔運巷、+750 m南翼輔助運輸大巷等5個精確測風系統布置的測風點進行為期一個月的跟蹤測風，并將所測風量與精確測風系統對應的數據進行對比，兩者數據誤差在0.03%～0.11%之間。因此，通過人工測風方法驗證表明，煤礦精準測風系統具有良好的精確性。

4 結 語

通過龐龐塔煤礦精確測風系統的實施，實時準確掌握井下風速、風量的變化，并對風量異常情況及時報警，從而提高通風系統的穩定性和安全性，保證了礦井的安全生產。