無線傳感器網絡在礦井通風中的設計及風量算法

閆加強

（沁和能源集團有限公司 候村煤礦，山西 晉城 048205）

無線傳感器網絡在礦井通風中的設計及風量算法

閆加強

（沁和能源集團有限公司 候村煤礦，山西 晉城 048205）

礦井通風設計是保證煤礦安全生產的重要環節,無線傳感器網絡的檢測技術用到礦井通風設計中勢在必行。根據山西麥怡源煤業有限公司井田結構，介紹了無線傳感器網絡的系統結構和硬件構成，并給出了風量計算公式，形成一個可靠高效的網絡檢測傳輸系統。

無線傳感器網絡；礦井檢測；通風量算計

山西麥怡源煤業有限公司井田，位于清徐縣馬峪鄉程家坪、麥地掌村及古交市邢家社鄉陳家社村一帶；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。作為一座集當代網絡技術、通信技術、控制技術于一體的礦井，火災報警系統、安全防范系統、廣播系統是其不可缺少的組成部分。

1 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡屬于新興的測控網絡技術，能夠自主實現數據的采集、融合、傳輸的智能化，它綜合了傳感器技術、嵌入式計算機技術、現代網絡技術、無線通信技術、分布式智能信息處理技術等。它由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，能夠協作地感知、采集、處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。無線傳感器網絡的這些特點使其適合于煤礦生產中對礦井環境的監測。

1.1 系統結構

用于礦井環境監測的無線傳感器網絡，基本由傳感器節點和中心節點組成，不同的監測區域均有中心節點，每個中心節點負責處理本區域內的傳感器節點傳送過來的無線數據，而基站模塊負責接收來自各個中心節點發出的無線信號，基站模塊最終接入互聯網，使得無線傳感器網絡信息能被遠程終端訪問，系統結構見圖1。

圖1 無線傳感器網絡系統結構

1.2 硬件設計

礦井通風設計是保證煤礦安全生產的重要環節，必須周密考慮，精心設計、力求實現預期效果。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、風速的不同指標，從而算出實際所需風量。見圖2。

圖2 礦井的傳感器模塊

2 風量計算

《煤礦安全規程》：采區回風道、采掘工作面回風道中，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℃；采掘工作面的進風流中，按體積計算，氧氣不得低于20%，二氧化碳不得低于0.5%。因此采區回風道、采掘工作面回風道安裝瓦斯傳感器，采掘工作面安裝溫度，風速傳感器。通過這些傳感器檢測礦井的實際參數值。

根據《煤礦安全規程》，礦井需要的風量按下列要求計算，并選取其中的最大值：

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

式中：N為井下同時工作的最多人數，人；4為每人每分鐘供風標準，m3/min；K為礦井通風系數，取1.2。

（2）按采煤工作面、掘進工作面、硐室及其它地點實際需要風量的總和計算：

式中：Qm為礦井總風量，m3／s；ΣQwt為采煤工作面實際需要的風量總和，m3／s；ΣQht為掘進工作面實際需要風量的總和，m3／s；ΣQrt為硐室實際需要風量的總和，m3／s；ΣQot為其它用風地點所需風量的總和，m3／s；Km為礦井通風系數，取1.20。

2.1 采煤工作面實際需要風量計算

2.1.1 按瓦斯涌出量計算

根據帶區巷道布置，礦井達產時，其生產能力為1.2 Mt／a，井下布置一個綜采工作面，兩個掘進工作面，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量應按瓦斯涌出量、回采工作面溫度計算，然后按風速驗算。

02號煤層：工作面產量按1.2 Mt/a設計，根據瓦斯相對涌出量，工作面需要進行瓦斯抽放，抽放率按50%考慮，經計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算：Qgw=(回采工作面日產量×CH4相對涌出量)／(60×工作面生產時間)。02號煤層一個回采工作面日產量為：3 840 t／d；按每日2班生產，則工作面生產時間按16 h考慮；Qgw=28.48 m3/min.

式中：Qw為采煤工作面需要風量，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量系數，機采取1.2～1.6。

2.1.2 按回采工作面進風流溫度計算：

式中：Qw為采煤工作面所需風量，m3／s；vwi為回采工作面適宜風速，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，取1.2。

則：Qc＝691.2 m3/min.

2.1.3 按工作人數計算

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

2.1.4 按風速驗算

根據《煤礦安全規程》，回采工作面最低風速為0.25 m/s，最高風速為4 m/s的要求進行驗算：

工作面最大風量為3 417.6 m3/min，最高風速為3.56 m/s，符合《煤礦安全規程》中關于綜采工作面最大風速的規定。取上述計算最大值，Q采=3 417.6 m3/min.

2.2 掘進工作面實際需要風量計算

2.2.1 按CH4涌出量計算：

式中：Qhi為掘進工作面的需風量，m3/min；Qghi為綜掘工作面CH4絕對涌出量，m3/min；Kghi為掘進面瓦斯涌出不均勻的風量備用系數，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 按局扇的實際吸入風量計算

式中：Qhi為掘進工作面同時運轉的局扇額定風量的和，取400 m3/min；khfi為防止局部通風機吸循環風的風量備用系數，取1.2。

則：Qj=400×1.2=480 m3/min.

2.2.3 按人數計算

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

2.2.4 按風速驗算

按《煤礦安全規程》，煤巷掘進工作面的風量應滿足:

式中：Shi為掘進工作面巷道過風斷面，m2。

計算結果取上述計算最大值，Qj=529.2 m3/min

2.3 硐室實際需要風量

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 其它用風地點風量

其它用風地點風量，取采煤、掘進、硐室風量的4%。則：

根據以上計算方法，取其最大者，確定礦井的總風量102 m3/s.

3 礦井通風系統和風量分配

3.1 通風方式

根據開拓部署，礦井采用帶區式通風方式。主扇的工作方式采用抽出式，采用分區式通風。

3.2 通風系統和風量分配

（1）通風系統。礦井通風方式為中央并列式通風，由主.副井進風，通過運輸大巷、軌道大巷，經由聯絡巷或者繞道進入采區的運輸順槽與下一區段的回風順槽后，經過采區回風.運輸順槽沖洗工作面后，經由回風巷回風順槽至回風大巷，再由回風井排至井外。

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

4 結束語

本文介紹了無線傳感器網絡在礦井環境監測中的系統結構、網絡節點硬件結構、用于礦井監測的網絡拓撲結構；本文提出了無線傳感器網絡礦井監測系統，并給出了通風量的計算分配，對于提高煤礦的安全生產能力和管理水平具有實用價值。

[1] 徐永圻.煤礦開采學[M].徐州：中國礦業大學出版社,1999.

[2] 孫利民，李建中，陳渝.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社,2005.

[3] 煤礦安全規程讀本委員會.煤礦安全規程[M].北京：煤炭工業出版社，2006.

[4] 鄧明，張國樞，陳蘊.基于無線傳感器網絡的煤炭自然火源監測系統的設計[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（1967—），男，山西沁水人，大學本科，從事采礦工程通風工作。