煤礦通風系統動態預警研究

趙 波，路培超，蘇南丁，朱亞飛，易永華

(1.河南省煤炭科學研究院有限公司，河南 鄭州 450001； 2.河南省煤科院檢測技術限公司，河南 鄭州 450001； 3.光力科技股份有限公司，河南 鄭州 450001)

礦井通風系統是礦井生產系統的重要組成部分，安全可靠的礦井通風系統是防止各種災害發生的重要保障[1]。礦井通風系統是一個復雜的、隨機的、非穩定的系統[2]，伴隨著新鮮風流的不斷供入，井下風門的開合、采掘布局的調整、地面氣溫的變化都時刻影響著礦井通風系統。因此，開展礦井通風系統動態預警分析研究具有重要意義。

目前針對礦井通風系統動態預警分析研究較多，學者康雪等[3]結合通風網絡拓撲結構圖，對井下發生的通風異常狀況進行了預警分析研究。重慶大學楊守國[4]分析了通風網絡及采掘工作面風流監測傳感器的設置方法及原則，研究了通風網絡動態解算、分析及預警方法。狐為民等[5]通過通風解算和風網反算，獲得全礦井較準確的實時分風量分布狀況，為通風系統的安全性能提供了保障。賈廷貴等[6]采用多元回歸分析法對通風網絡中高敏感風路進行識別，對風流穩定性的影響作出定性分析與評價。

前人從不同的切入點對礦井通風系統進行了預警分析研究，但是礦井通風系統智能調控能力弱。因此，對礦井通風系統動態預警分析系統的研究，實時監測礦井通風系統運行狀況，并進行預警預報，指導礦井通風管理工作意義重大。

1 礦井通風系統安全預警分析

礦井通風系統安全預警分析是一項非常復雜的工作，為了便于研究，主要從巷道風速是否達標、用風地點風量能否滿足需風量要求、通風系統可靠性3個方面進行預警分析[4，7-9]。

1.1 基礎數據獲取分析

準確獲取基礎數據是很關鍵的環節，目前常用的方式有人工實測和傳感器獲取，通過在線監測系統，合理優化布置風速和風壓傳感器，完成基礎數據信息采集。

1.2 巷道風流狀態預警分析

巷道風流狀態預警主要是監測井下各巷道分支的風量、風速是否滿足要求，巷道風流狀態達不到要求時進行報警。針對不同類型的巷道設定其允許風速，根據傳感器監測到的數據以及通風網絡解算得到的全礦井各分支的風量、風速數據，當風速超出巷道允許風速范圍時，進行報警提示；風速沒有超過允許風速范圍時，顯示為“無警”。對于監測和解算得到的巷道分支風量、風速值，需進行歷史數據變化規律分析，找出風流不穩定的巷道進行重點監測；對于一段時期風速變化較劇烈的巷道和按照一定規律發展風速有可能超標的巷道進行預警提示，以便提前做好補救措施。

1.3 用風地點通風狀況預警分析

“以風定產”礦井通風能力核定中[10-11]，對通風能力驗證很重要的一方面就是對用風地點有效風量的驗證，核查井下各用風地點的有效風量能否滿足需風量的要求。利用采煤、掘進工作面安設的傳感器實時監測的數據，分析采掘面的風量是否滿足需風量的要求、是否存在異常情況，進行預警提示。

1.4 通風系統可靠性預警分析

通風系統可靠性是指礦井在生產過程中，保持系統各環節正常運行、各地點風量分配合理、抵抗災變的能力。通風系統的可靠性一般用指標來衡量[12-13]，如技術性、經濟性、安全可靠性指標。通常把表征警情嚴重程度劃分為3個警限：“無警”、“輕警”、“重警”。“無警”表征著評價對象合格，“輕警”表征著評價對象基本合格，“重警”表征著評價對象不合格、需整改。

2 礦井風網實時模擬與動態預警系統實現

2.1 系統總體結構與設計

礦井風網實時模擬與動態預警分析系統軟件的主要功能是完成井下風流的實時監測，利用網絡解算技術對風網進行實時模擬，并對風網解算系統進行自修復調整，實現對礦井通風系統實時模擬與動態預警預報分析。

系統設計時應遵循的原則[14-15]：實用性原則、規范化原則、可升級性原則、可操作性原則、安全性原則。本系統主要有數據采集、報警處理與預警、風路解算、風網自修復、數據分析顯示等模塊(圖1)。

圖1 軟件系統結構功能Fig.1 Structure functional diagram of software system

2.2 系統的開發環境

礦井風網實時模擬與動態預警分析系統主界面如圖2所示。

圖2 主界面Fig.2 Main interface

系統基于Microsoft Visual C++程序開發平臺，SQL數據庫管理系統。

3 應用實例

3.1 礦井概況

該礦位于山西朔州懷仁縣，井田位于大同煤田中部東緣，口泉山脈西側，海拔為+1 271～+1 455 m。井田面積4.100 4 km2，開采深度1 040～1 260 m。礦井可采儲量2 969萬t，生產能力為90萬t/a。目前礦井開采5-1號煤層，煤層厚度為1.23～3.97 m，平均厚2.59 m。該井田為一向北西傾斜的單斜構造，產狀較平緩，一般為3°以內，斷層、巖漿巖均較發育，地質條件中等。

礦井為低瓦斯礦井。煤塵具有爆炸危險性，Ⅰ類易自燃煤層。礦井通風方式為中央分列式，通風方法為機械抽出式。布置有進風井2個，回風井1個，即主斜井和副斜井進風，回風斜井回風。地面通風機房安裝有2臺FBCDZ-6-No.19A型軸流式通風機，1臺運轉，1臺備用。礦井通風網絡如圖3所示。

圖3 礦井通風網絡Fig.3 Mine ventilation network

3.2 礦井通風基礎參數的獲取

采用“測風求阻”法推演全礦井的通風基礎數據獲取過程。本文“測風求阻”法的計算模型是在一次系統調風數據和通風阻力測定的基礎上求解分支風阻。按照測算方法，利用系統軟件逐步完成測算過程。

利用軟件的“測風求阻”法模塊功能，礦井風網絡中未知分支的風阻值可以輕松得出。將全礦井風阻值輸入到系統的網絡解算功能模塊，對礦井風網進行解算。實測風量與解算風量對比情況見表1和圖4所示。

表1 實測風量與結算風量對比Tab.1 Comparison of measured air volume and settled air volume

從表1對比分析可知，實測風阻與解算值相近，多數分支數據誤差都在1%以內，極個別分支誤差稍大，但是處于合理范圍內，測風求阻所得分支風阻精度高，可用于風網的動態監測和預警分析。

3.3 礦井通風安全預警分析

根據礦井實時模擬解算出的各分支風量等基礎數據，對巷道風流狀態和用風地點通風狀況進行預警分析。如對礦井某次模擬后各分支的風量數據進行預警分析，巷道風流狀態預警分析結果見表2。

該礦井用風地點包括：115-105工作面、115-103備用面、掘進面、采區變電所、消防材料庫、軌道大巷、運輸大巷，其中軌道大巷、運輸大巷作為其他巷道用風。礦井各用風地點通風狀況預警分析結果見表3。

表3 用風地點通風狀況預警分析結果Tab.3 Ventilation conditions of using wind place pre-warning analysis results

根據礦井實時模擬解算出的各分支風量等基礎數據，通過系統計算對礦井通風系統可靠性進行預警分析，結果見表4。

表4 礦井通風系統可靠性預警分析Tab.4 Reliability of mine ventilation system pre-warning analysis

根據實時模擬得到的相關數據，對該礦井巷道風流狀態、用風地點通風狀況和通風系統可靠性進行預警分析。經計算，該礦井整體通風系統可靠性F=0.74，礦井安全狀況為基本合格，礦井需進行一定整改并加強安全管理。

4 結論

(1)在研究礦井通風網絡、監測監控等理論的基礎上，對礦井通風系統安全狀況的巷道風流狀態、用風地點通風狀況和通風系統可靠性進行預警分析研究，設計出礦井風網實時模擬與動態預警分析系統軟件的總體構架及相關功能模塊。

(2)利用“測風求阻”模型完成了山西某礦的通風基礎參數獲取工作，從表征礦井通風系統安全狀況的巷道風流狀態、用風地點通風狀況和通風系統可靠性3個方面進行了預警分析，實現對礦井通風安全的預警預報。

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