礦井通風監(jiān)測與動態(tài)分析預警技術研究

礦井通風監(jiān)測與動態(tài)分析預警技術研究

作為煤礦生產系統(tǒng)的重要組成部分，該系統(tǒng)在采礦安全生產中發(fā)揮著重要作用。但目前對全礦井通風系統(tǒng)狀況的監(jiān)測缺乏高效的技術手段,一般采用人工測風的方式,每旬對全礦的主要通風巷道及用風地點進行一次風量檢測,該方式速度慢、效率低、周期長,不能實時掌握井下各巷道的通風狀況,相關隱患也不能被及時發(fā)現。研究通風系統(tǒng)在線監(jiān)測及動態(tài)分析預警技術,為礦井通風可靠提供技術保障,對預防事故發(fā)生具有重要意義。1風壓ns1m8將風流在巷道中的流中視為一維流體流動,即在巷道斷面內,風流性質是均勻的,在非穩(wěn)定條件下,在巷道i內的空氣流動符合以下流體動量方程。ρiLidvidt=Hi+Ri|Qi|Qi?ρigZi?hfi(1)ρiLidvidt=Ηi+Ri|Qi|Qi-ρigΖi-hfi(1)式中,ρi為巷道i內的空氣密度,kg/m3;Li為巷道i的長度,m;dvi/dt為巷道i內空氣加速度,m/s2;Hi為巷道i的通風阻力,Pa;Ri為巷道i的摩擦風阻,N·s2m8;Qi為巷道i的風量,m3/s;g為重力加速度,9.8m/s2;Z為巷道i兩端高程差,m;hfi為巷道i上安裝的風機壓力,Pa;令Ki=ρiLi/Ai,其中Ki為巷道i的慣性系數,Ai為巷道i的斷面面積,m2。得一維流體動量方程為:Hi=Ri|Qi|Qi+KidQidt+ρigZi+hfi(2)Ηi=Ri|Qi|Qi+ΚidQidt+ρigΖi+hfi(2)假設巷道i內風量在Δt時間內變化是均勻的,已知初始時刻巷道i的風量Q0i,則有dQi/dt=(Qi-Q0i)/Δt,代入式(2)得:Hi=Ri|Qi|Qi+KiQi?Q0i△t+ρigZi+hfi(3)Ηi=Ri|Qi|Qi+ΚiQi-Q0i△t+ρigΖi+hfi(3)根據回路風壓平衡定律,得到非穩(wěn)態(tài)條件下的回路風流方程為:Σi=1n(Ri|Qi|Qi+KiQi?Q0i△t+ρigZi)+hfi(4)Σi=1n(Ri|Qi|Qi+ΚiQi-Q0i△t+ρigΖi)+hfi(4)由泰勒級數的近似展開式可以導出回路修正值ΔQ的計算公式為:△Q=Σi=1n(Ri|Qi|Qi+KiQi?Q0i△t+ρigZi)+hfiΣi=1n(Ri|Qi|+Ki△t)(5)△Q=Σi=1n(Ri|Qi|Qi+ΚiQi-Q0i△t+ρigΖi)+hfiΣi=1n(Ri|Qi|+Κi△t)(5)2通風系統(tǒng)監(jiān)控2.1風速、風壓傳感器的設置在采區(qū)的部分在通風網絡中關鍵分支上安設風流狀態(tài)傳感器,監(jiān)測所在巷道分支的風流狀態(tài),利用動態(tài)網絡解算,求解出風網中其它巷道的通風狀況。目前可利用于通風風流狀態(tài)監(jiān)測的傳感器有風速傳感器、風壓傳感器、溫度傳感器等,因溫度在礦井下同一地點的變化幅度不大,對通風網絡解算的影響較小,所以可以重點考慮安設風速、風壓傳感器,只在溫度變化幅度較大的地方才安設溫度傳感器。風速、風壓傳感器應安設在礦井、采區(qū)的主要進、回風巷道及用風地點的回風巷內,盡量選在風流狀態(tài)變化幅度較大的地點。在主要進風和回風巷道間聯絡巷風門兩側安設風流差壓傳感器,由于控制范圍較大,在實際應用中具有更好的效果。角聯分支對礦井通風系統(tǒng)變化較敏感,在角聯巷道中安設風壓傳感器,可較容易地捕捉到通風系統(tǒng)災變情況。在通風網絡中,安設風機、風速傳感器、風壓傳感器的巷道應為獨立分支巷道,所安設風機和傳感器的巷道總數應少于獨立分支總數,即當通風網絡中分支總數為B,節(jié)點總數為J時,安設風機和傳感器的巷道分支總數應<M=B-J+1。2.2工作面風力檢測采掘工作面是井下主要用風地點,也是人員相對集中的區(qū)域,其安全可靠性應進行實時監(jiān)測。在回采工作面回風巷安裝風速傳感器,監(jiān)測工作面風量變化;在運輸巷、回風巷分別安裝靜壓管,并用膠皮管連至風流差壓傳感器,監(jiān)測工作面的通風阻力;利用監(jiān)測到的通風阻力和風量,可以計算得到工作面的摩擦風阻,如圖1(a)所示。在掘進工作面回風巷安裝風速傳感器,監(jiān)測工作面風量變化;在防突風門內、外側分別安設靜壓管,用膠皮管連至風流差壓傳感器,監(jiān)測風門兩側的壓差,如圖1(b)所示。3動態(tài)分析報告3.1風壓傳感器關聯解算將通風網絡中所有巷道分支按關聯設備類型分為風機巷道、風量監(jiān)測巷道、阻力監(jiān)測巷道和普通巷道等4種類型。將裝有主要通風機的巷道設為風機巷道,與對應的主要通風機關聯,利用風機性能曲線參與解算;將安設風速傳感器的巷道設為風量監(jiān)測巷道,與對應的風速傳感器關聯,利用實時監(jiān)測的風速值和巷道斷面面積計算得到的風量參與解算;將安設風流差壓傳感器的巷道設為阻力監(jiān)測巷道,與對應的差壓傳感器關聯,利用實時監(jiān)測的風流壓差作為分支通風阻力參與解算;其它巷道設為普通巷道。在進行回路生成時,風機巷道、風量監(jiān)測巷道和阻力監(jiān)測巷道應作為獨立分支處理。進行網絡解算時,程序啟動后第1次解算應采用靜態(tài)解算的方式解算通風網絡中各分支的分量,即在解算過程中令Ki=0,忽略慣性阻力項,解算結果作為下一迭代過程中各巷道分支的初始風量Q0i。之后每1min取1次傳感器監(jiān)測數據,程序迭代時間步長Δt取5s,視監(jiān)控系統(tǒng)和解算工作站性能調整監(jiān)測數據讀取和解算周期。讀取監(jiān)測數據時,應濾除無效值,并采用分鐘均值的方式消除誤差。解算結果傳給預警模塊,作為通風預警的依據。3.2通風安全警報3.2.1控制指數法巷道風流狀態(tài)預警是實時監(jiān)測通風系統(tǒng)中各分支風量、風速是否滿足要求,當風流不滿足要求時進行報警。一般僅對用風地點設置最小需風量,取值為該用風地點的設計風量,當風量不足時進行報警。巷道允許風速按相關規(guī)范取值,見表1。3.2.2發(fā)出報警時利用采掘工作面安設的風速、風壓傳感器的實時監(jiān)測數據,對采掘工作面的通風安全狀況進行分析,當發(fā)現通風異常和安全隱患時,發(fā)出報警。工作面通風報警實現的通風安全預警有通風阻力異常、循環(huán)風隱患、常閉風門開啟(風流短路)、局部通風機停機、工作面煤與瓦斯突出等,達到實時掌握工作面通風狀況、及時發(fā)現和消除安全隱患、避免和減少災害損失的目的。3.2.3風網可靠性綜合評價指標采用指標評價的方法對礦井通風系統(tǒng)可靠性進行分析,并按分析結果給出預警等級。用于礦井通風系統(tǒng)安全可靠性評價的指標很多,選取和通風監(jiān)測相關、實時性較強、對風網可靠性影響較大的12個指標組成評價體系,如表2所示。并按影響風網可靠性程度的不同定義綠、蘭、黃、紅4個報警級別,當所有指標都合格時顯示綠色,3項及以下指標為基本合格時顯示蘭色,3項以上指標為基本合格時顯示黃色,有待整改項目時顯示紅色。4現場應用4.1風井回風回風實驗礦井為松藻煤電公司某礦,該礦生產能力105萬t/a,采用抽出式混合通風方式,金雞巖主、副斜井、陽地灣提升、人行斜井和安穩(wěn)電廠運煤斜井進風,金雞巖和陽地灣風井回風。金雞巖風井裝有BD-Ⅱ-8-№24通風機2臺,通風最長路線6649m,風機排風量5759m3/min,風機負壓1600Pa;陽地灣風井裝有2K58№24通風機2臺,通風最長路線8848m,風機排風量為5944m3/min,風機負壓為1207Pa。井下原裝有風速傳感器3臺,分別位于陽地灣回風斜井、金雞巖總回風巷和N2707工作面回風巷;井下沒有安裝風流差壓傳感器。4.2檢測工作面風壓選取主要通風巷道及風流變化較大的巷道裝風速傳感器。具體為在+340m巖石軌道巷、+290m集中皮帶巷、-60m主石門安裝風速傳感器,監(jiān)控進風變化情況;在+300m水倉巷、N09中瓦斯巷、楊地灣回風斜井、金雞巖總回風巷安裝風速傳感器,監(jiān)控回風變化情況。選取1個回采工作面和1個掘進工作面作為研究試點,布置相關傳感器,進行通風參數監(jiān)控。具體為在N21108工作面運輸巷安裝風壓傳感器,用橡膠管連接到回風巷,用于監(jiān)測N21108工作面風壓變化;在N21108回風巷中安裝風速傳感器,監(jiān)測工作面風量變化,結合風壓傳感器,同時可監(jiān)測工作面風阻變化情況;在N2706進風斜坡掘進頭安裝風速傳感器,監(jiān)測掘進頭風量,另安裝2個風壓傳感器,分別監(jiān)測風門、通風阻力的變化,同時如果掘進頭發(fā)生瓦斯大量涌出或突出,也可做出快速準確的評判。風速傳感器采用自制掛架安裝,以保證風速傳感器正對風流方向且穩(wěn)定可靠。測壓膠管取壓端安裝靜壓管,并設在干燥通風處。各類傳感器安裝后進行現場校驗,以后每2周進行1次清潔和檢驗。4.3通風網絡運行監(jiān)控基于GIS開發(fā)動態(tài)監(jiān)測分析軟件,并和井下安設的風流監(jiān)測傳感器相關聯,建立礦井通風在線監(jiān)測與分析預警系統(tǒng)?？蓪崿F傳感器監(jiān)測數據的實時讀取、通風網絡動態(tài)解算、風流穩(wěn)定性在線分析預警;在通風系統(tǒng)圖上動態(tài)、直觀地顯示風流方向、風量大小及風流穩(wěn)定性情況;對巷道風量不足、風速超限、風流短路、不穩(wěn)定角聯等情況進行報警提示;動態(tài)計算礦井通風系統(tǒng)可靠性的各項評判指標,評價通風系統(tǒng)可靠性。該系統(tǒng)的建立及運行后,安全管理人員可以實時了解井下所有巷道的通風情況,多次借助于該系統(tǒng)發(fā)現了多處風量不足、風速超限、風流短路、不穩(wěn)定角聯,并進行了相應整改,提高了礦井通風可靠性。5、礦井通風安全預警以通風系統(tǒng)風流監(jiān)測為基