礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及優(yōu)化

周志翔

（潞安集團(tuán)五礦，山西 陽泉 045000）

引言

隨著煤礦開采深度和強(qiáng)度的不斷增加，礦山壓力、工作面瓦斯含量、礦井通風(fēng)阻力以及巷道的復(fù)雜程度、通風(fēng)線路的長(zhǎng)度等均演變的更為復(fù)雜。就通風(fēng)系統(tǒng)而言，其主要功能是降低工作面的瓦斯含量，保證工作面溫度、濕度等參數(shù)滿足生產(chǎn)需求。也就說，通風(fēng)系統(tǒng)需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整控制，而其控制依據(jù)主要為巷道的通風(fēng)量、風(fēng)阻分布以及通風(fēng)機(jī)工況[1]。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流參數(shù)的動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)對(duì)工作面風(fēng)量的合理分配和通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況的調(diào)節(jié)具有重要意義。本文將著重對(duì)潞安集團(tuán)五礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和優(yōu)化。具體闡述如下：

1 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備選址及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

目前，基于先進(jìn)傳感器、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，煤礦對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)也日趨成熟，對(duì)于保證煤礦安全、高效生產(chǎn)具有重要作用。基于礦井普通的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)可獲取通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的基本風(fēng)流參數(shù)。但是，由于各類傳感器的布置需根據(jù)礦井實(shí)際情況開展，由于傳感器布置不合理導(dǎo)致風(fēng)流參數(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的有效控制，達(dá)不到優(yōu)化工作面的風(fēng)量分配、降低工作面風(fēng)阻的目的。為方便開展研究，將通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)設(shè)備轉(zhuǎn)化為監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)[2]。

1）將監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中的分站和中心站均轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)，將分站、中心站以及各級(jí)監(jiān)測(cè)設(shè)備轉(zhuǎn)化為分支；

2）根據(jù)礦井實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)與傳感器的實(shí)際距離設(shè)定監(jiān)控線纜的長(zhǎng)度；

3）為保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和降低模型的復(fù)雜程度，將工作面巷道的密度及礦井自然風(fēng)壓設(shè)定為固定值。

1.1 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流參數(shù)監(jiān)測(cè)分站及線纜的優(yōu)化布置

1.1.1 監(jiān)控分站的優(yōu)化布置

監(jiān)控分站位于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器與監(jiān)測(cè)主站的線路中間，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)的獲取、對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時(shí)處理和傳遞，并對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制。結(jié)合監(jiān)測(cè)分站布置的成本考慮和現(xiàn)場(chǎng)空間小需為行人和運(yùn)輸提供充足空間的要求，將監(jiān)控分站布置于機(jī)電硐室、采掘工作面周邊的變電所以及風(fēng)機(jī)房等。一般的，監(jiān)測(cè)分站與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器之間的距離不得大于2 km；監(jiān)控分站與其他監(jiān)控分站和監(jiān)控主站之間的距離不得大于10 km。

1.1.2 監(jiān)控總線的優(yōu)化布置

監(jiān)控分站與監(jiān)控主站之間采用總線進(jìn)行通信。目前可監(jiān)控總線的布置方式包括有星形、環(huán)形、樹形以及全部互連等結(jié)構(gòu)。其中，星形通信總線可靠性差；樹形通信總線造價(jià)成本較低、線路短；環(huán)形通信總線的通信數(shù)據(jù)量小；全部互連監(jiān)控總線可靠性高、通信速度快，但造價(jià)成本較高[3]。

監(jiān)控總線優(yōu)化布置的關(guān)鍵原則為通信線路不得大于10 km。綜合對(duì)比監(jiān)控總線的布置方式，本方案選用樹形結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

圖1 監(jiān)控總線樹形布置線路

1.2 監(jiān)測(cè)傳感器的優(yōu)化選址

監(jiān)測(cè)傳感器包括有風(fēng)流壓差傳感器和風(fēng)速傳感器。根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》和《煤礦監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)規(guī)范》，監(jiān)測(cè)傳感器選址時(shí)需遵循如下原則：

1）必須在通風(fēng)機(jī)風(fēng)硐的通風(fēng)壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即在此位置必須安裝一套風(fēng)流壓力傳感器；

2）若實(shí)際工作面的巷道長(zhǎng)度較小，為保證實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，風(fēng)流壓力傳感器的布置密度不要過大；

3）針對(duì)工作面通風(fēng)阻力處于動(dòng)態(tài)變化且變化幅度較大的巷道，必須安裝風(fēng)流壓差傳感器；

4）保證安裝傳感器巷道前后3 m的位置進(jìn)行良好的支護(hù)[4]。

為精準(zhǔn)測(cè)量巷道內(nèi)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的壓力分布情況，結(jié)合上述優(yōu)化選址原則和成本控制的基礎(chǔ)，將風(fēng)流壓差傳感器布置于該工作面主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)硐室內(nèi)。

為保證對(duì)礦井通風(fēng)巷道風(fēng)速的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，本節(jié)將基于可變模糊理論搭建指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速傳感器的優(yōu)化布置。風(fēng)速傳感器選址對(duì)應(yīng)的指標(biāo)體系如圖2所示：

圖2 風(fēng)速傳感器選址理論體系模型

2 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)例

本文以該礦為例開展通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù)研究，該礦的生產(chǎn)能力為2.8 Mt/年，煤層厚度范圍為0.9~3.2 m，煤層平均厚度為2 m；煤層傾角范圍為18°~23°，煤層平均傾角為21°。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，該礦井外絲的絕對(duì)涌出量為116.32 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為72.91 m3/t。目前，礦井分布兩個(gè)產(chǎn)區(qū)，所采用的通風(fēng)方式為多風(fēng)井分區(qū)抽出式通風(fēng)，每個(gè)綜采工作面所配置主通風(fēng)機(jī)的具體參數(shù)如表1所示：

表1 綜采工作面配置主通風(fēng)機(jī)參數(shù)

結(jié)合上述的監(jiān)控分站的布置原則，該煤礦共布置有24個(gè)監(jiān)控分站，包括有在軌道上山下端、排矸巷、軌道斜井聯(lián)巷、回風(fēng)巷道、石門巷道、進(jìn)風(fēng)平硐等[5]。監(jiān)控系統(tǒng)中所布置主要傳感器為風(fēng)流壓差傳感器和風(fēng)速傳感器，根據(jù)煤礦實(shí)際情況在1號(hào)和2號(hào)采區(qū)共布置7個(gè)風(fēng)流壓差傳感器和并在原177個(gè)風(fēng)速傳感器的基礎(chǔ)上增加44個(gè)風(fēng)速傳感器，總計(jì)228風(fēng)速傳感器，且風(fēng)流壓差傳感器布置位置和監(jiān)測(cè)目的如表2所示：

表2 風(fēng)流壓差傳感器布置位置及目的

結(jié)合對(duì)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)后，為通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)提供依據(jù)，進(jìn)而為通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后通風(fēng)系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)比如表3所示：

表3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化后參數(shù)對(duì)比

如表3所示，基于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)策略進(jìn)行優(yōu)化，采區(qū)的風(fēng)壓降低，風(fēng)量增加，滿足工作面的通風(fēng)需求且能耗降低。

3 結(jié)語

通風(fēng)系統(tǒng)作為綜采工作面的“肺”，肩負(fù)降低工作面瓦斯?jié)舛纫詽M足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)要求，確保了工作面溫濕度最佳，保證作業(yè)人員工作的舒適程度。為保證通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)能夠滿足通風(fēng)機(jī)的最佳運(yùn)行狀態(tài)，需結(jié)合工作面通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)風(fēng)流參數(shù)為控制系統(tǒng)提供控制依據(jù)。實(shí)踐表明，基于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)策略進(jìn)行優(yōu)化后，采區(qū)的風(fēng)壓降低，風(fēng)量增加，滿足工作面的通風(fēng)需求且能耗降低。