無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦井通風(fēng)中的設(shè)計(jì)及風(fēng)量算法

閆加強(qiáng)

（沁和能源集團(tuán)有限公司 候村煤礦，山西 晉城 048205）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦井通風(fēng)中的設(shè)計(jì)及風(fēng)量算法

閆加強(qiáng)

（沁和能源集團(tuán)有限公司 候村煤礦，山西 晉城 048205）

礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的檢測技術(shù)用到礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)中勢在必行。根據(jù)山西麥怡源煤業(yè)有限公司井田結(jié)構(gòu)，介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件構(gòu)成，并給出了風(fēng)量計(jì)算公式，形成一個可靠高效的網(wǎng)絡(luò)檢測傳輸系統(tǒng)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；礦井檢測；通風(fēng)量算計(jì)

山西麥怡源煤業(yè)有限公司井田，位于清徐縣馬峪鄉(xiāng)程家坪、麥地掌村及古交市邢家社鄉(xiāng)陳家社村一帶；井田位于呂梁山脈中段東翼西山含煤盆地東南角，地勢總體西北高、東南低，屬低－中山地形。作為一座集當(dāng)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)于一體的礦井，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)是其不可缺少的組成部分。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于新興的測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠自主實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、融合、傳輸?shù)闹悄芑C合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)、分布式智能信息處理技術(shù)等。它由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠協(xié)作地感知、采集、處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的這些特點(diǎn)使其適合于煤礦生產(chǎn)中對礦井環(huán)境的監(jiān)測。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，基本由傳感器節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)組成，不同的監(jiān)測區(qū)域均有中心節(jié)點(diǎn)，每個中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)處理本區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)傳送過來的無線數(shù)據(jù)，而基站模塊負(fù)責(zé)接收來自各個中心節(jié)點(diǎn)發(fā)出的無線信號，基站模塊最終接入互聯(lián)網(wǎng)，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息能被遠(yuǎn)程終端訪問，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 硬件設(shè)計(jì)

礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，必須周密考慮，精心設(shè)計(jì)、力求實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。故在礦井的不同位置安裝不同的傳感器，檢測甲烷、二氧化碳、溫度、風(fēng)速的不同指標(biāo)，從而算出實(shí)際所需風(fēng)量。見圖2。

圖2 礦井的傳感器模塊

2 風(fēng)量計(jì)算

《煤礦安全規(guī)程》：采區(qū)回風(fēng)道、采掘工作面回風(fēng)道中，甲烷和二氧化碳濃度不得超過1%，采掘工作面的空氣溫度不得超過26℃；采掘工作面的進(jìn)風(fēng)流中，按體積計(jì)算，氧氣不得低于20%，二氧化碳不得低于0.5%。因此采區(qū)回風(fēng)道、采掘工作面回風(fēng)道安裝瓦斯傳感器，采掘工作面安裝溫度，風(fēng)速傳感器。通過這些傳感器檢測礦井的實(shí)際參數(shù)值。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，礦井需要的風(fēng)量按下列要求計(jì)算，并選取其中的最大值：

（1）按井下同時工作的最多人數(shù)計(jì)算，每人每分鐘供風(fēng)量不得少于4 m3。礦井的總風(fēng)量為：

式中：N為井下同時工作的最多人數(shù)，人；4為每人每分鐘供風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，m3/min；K為礦井通風(fēng)系數(shù)，取1.2。

（2）按采煤工作面、掘進(jìn)工作面、硐室及其它地點(diǎn)實(shí)際需要風(fēng)量的總和計(jì)算：

式中：Qm為礦井總風(fēng)量，m3／s；ΣQwt為采煤工作面實(shí)際需要的風(fēng)量總和，m3／s；ΣQht為掘進(jìn)工作面實(shí)際需要風(fēng)量的總和，m3／s；ΣQrt為硐室實(shí)際需要風(fēng)量的總和，m3／s；ΣQot為其它用風(fēng)地點(diǎn)所需風(fēng)量的總和，m3／s；Km為礦井通風(fēng)系數(shù)，取1.20。

2.1 采煤工作面實(shí)際需要風(fēng)量計(jì)算

2.1.1 按瓦斯涌出量計(jì)算

根據(jù)帶區(qū)巷道布置，礦井達(dá)產(chǎn)時，其生產(chǎn)能力為1.2 Mt／a，井下布置一個綜采工作面，兩個掘進(jìn)工作面，02號煤礦井CH4相對涌出量為14.24 m3/t，屬于高瓦斯礦井。采煤工作面需要的風(fēng)量應(yīng)按瓦斯涌出量、回采工作面溫度計(jì)算，然后按風(fēng)速驗(yàn)算。

02號煤層：工作面產(chǎn)量按1.2 Mt/a設(shè)計(jì)，根據(jù)瓦斯相對涌出量，工作面需要進(jìn)行瓦斯抽放，抽放率按50%考慮，經(jīng)計(jì)算抽放后回采工作面瓦斯相對涌出量為7.12 m3/t。則回采工作面CH4絕對涌出量按下式計(jì)算：Qgw=(回采工作面日產(chǎn)量×CH4相對涌出量)／(60×工作面生產(chǎn)時間)。02號煤層一個回采工作面日產(chǎn)量為：3 840 t／d；按每日2班生產(chǎn)，則工作面生產(chǎn)時間按16 h考慮；Qgw=28.48 m3/min.

式中：Qw為采煤工作面需要風(fēng)量，m3/min；Qgw為采煤工作面瓦斯絕對涌出量，m3/min；kgw為采煤工作面因瓦斯涌出不均勻的備用風(fēng)量系數(shù)，機(jī)采取1.2～1.6。

2.1.2 按回采工作面進(jìn)風(fēng)流溫度計(jì)算：

式中：Qw為采煤工作面所需風(fēng)量，m3／s；vwi為回采工作面適宜風(fēng)速，取0.6m/s；Swi為回采工作面平均有效斷面，為16 m2；Kwi為工作面長度系數(shù)，取1.2。

則：Qc＝691.2 m3/min.

2.1.3 按工作人數(shù)計(jì)算

式中：nc為采煤工作面內(nèi)同時工作的最多人數(shù),為20人。則：Qc=4×20=80 m3/min.

2.1.4 按風(fēng)速驗(yàn)算

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，回采工作面最低風(fēng)速為0.25 m/s，最高風(fēng)速為4 m/s的要求進(jìn)行驗(yàn)算：

工作面最大風(fēng)量為3 417.6 m3/min，最高風(fēng)速為3.56 m/s，符合《煤礦安全規(guī)程》中關(guān)于綜采工作面最大風(fēng)速的規(guī)定。取上述計(jì)算最大值，Q采=3 417.6 m3/min.

2.2 掘進(jìn)工作面實(shí)際需要風(fēng)量計(jì)算

2.2.1 按CH4涌出量計(jì)算：

式中：Qhi為掘進(jìn)工作面的需風(fēng)量，m3/min；Qghi為綜掘工作面CH4絕對涌出量，m3/min；Kghi為掘進(jìn)面瓦斯涌出不均勻的風(fēng)量備用系數(shù)，取Kd＝1.8。Qghi＝500/30×14.12×12÷（60×24）＝2.94 m3／min；Qj2＝100×2.94×1.8＝529.2m3/min.

2.2.2 按局扇的實(shí)際吸入風(fēng)量計(jì)算

式中：Qhi為掘進(jìn)工作面同時運(yùn)轉(zhuǎn)的局扇額定風(fēng)量的和，取400 m3/min；khfi為防止局部通風(fēng)機(jī)吸循環(huán)風(fēng)的風(fēng)量備用系數(shù)，取1.2。

則：Qj=400×1.2=480 m3/min.

2.2.3 按人數(shù)計(jì)算

式中：nhi為掘進(jìn)工作面內(nèi)同時工作的最多人數(shù)，20人。則：Qhi=4×20=80 m3/min.

2.2.4 按風(fēng)速驗(yàn)算

按《煤礦安全規(guī)程》，煤巷掘進(jìn)工作面的風(fēng)量應(yīng)滿足:

式中：Shi為掘進(jìn)工作面巷道過風(fēng)斷面，m2。

計(jì)算結(jié)果取上述計(jì)算最大值，Qj=529.2 m3/min

2.3 硐室實(shí)際需要風(fēng)量

消防材料庫為150 m3/min；中央變電所取150 m3/min；∑QD＝150＋150＝300 m3/min.

2.4 其它用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量

其它用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量，取采煤、掘進(jìn)、硐室風(fēng)量的4%。則：

根據(jù)以上計(jì)算方法，取其最大者，確定礦井的總風(fēng)量102 m3/s.

3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)和風(fēng)量分配

3.1 通風(fēng)方式

根據(jù)開拓部署，礦井采用帶區(qū)式通風(fēng)方式。主扇的工作方式采用抽出式，采用分區(qū)式通風(fēng)。

3.2 通風(fēng)系統(tǒng)和風(fēng)量分配

（1）通風(fēng)系統(tǒng)。礦井通風(fēng)方式為中央并列式通風(fēng)，由主.副井進(jìn)風(fēng)，通過運(yùn)輸大巷、軌道大巷，經(jīng)由聯(lián)絡(luò)巷或者繞道進(jìn)入采區(qū)的運(yùn)輸順槽與下一區(qū)段的回風(fēng)順槽后，經(jīng)過采區(qū)回風(fēng).運(yùn)輸順槽沖洗工作面后，經(jīng)由回風(fēng)巷回風(fēng)順槽至回風(fēng)大巷，再由回風(fēng)井排至井外。

（2）風(fēng)量分配。將礦井總風(fēng)量分配到井下各用風(fēng)地點(diǎn)：綜合工作面57 m3/s；綜掘工作面9 m3/s×2=18 m3/s；硐室實(shí)際需要風(fēng)量：6m3/s；其他 21m3/s。

4 結(jié)束語

本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦井環(huán)境監(jiān)測中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)、用于礦井監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；本文提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)礦井監(jiān)測系統(tǒng)，并給出了通風(fēng)量的計(jì)算分配，對于提高煤礦的安全生產(chǎn)能力和管理水平具有實(shí)用價(jià)值。

[1] 徐永圻.煤礦開采學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1999.

[2] 孫利民，李建中，陳渝.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[3] 煤礦安全規(guī)程讀本委員會.煤礦安全規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2006.

[4] 鄧明，張國樞，陳蘊(yùn).基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤炭自然火源監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工礦自動化，2009(5):41-44.

Abstract:Mine ventilation design is very important for safety production.It is imperative to apply the detection technology of wireless sensor network (WSN)to the ventilation design.Systemic structure and hardware composition of WSN are introduced with ventilation calculation formula,which forms a reliable and efficient detection and transportation network system.

Key words:wireless sensor network;detection in mines;ventilation calculation

編輯：樊 敏

Wireless Sensor Network Design in Mine Ventilation and Air Volume Algorithm

YAN Jia-qiang

(Houcun Mine,Qinhe Energy Group,Jincheng Shanxi 048205)

TD441

A

1672-5050（2012）07-0050-03

2012-02-11

閆加強(qiáng)（1967—），男，山西沁水人，大學(xué)本科，從事采礦工程通風(fēng)工作。