煤礦多點(diǎn)移動(dòng)式測(cè)風(fēng)裝置的關(guān)鍵技術(shù)研究

何小龍

(潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長(zhǎng)治 046100)

煤礦多點(diǎn)移動(dòng)式測(cè)風(fēng)裝置的關(guān)鍵技術(shù)研究

何小龍

(潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長(zhǎng)治 046100)

為降低礦山人工測(cè)風(fēng)的工作量,提高風(fēng)量測(cè)試的準(zhǔn)確率,引進(jìn)以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力、絲桿為傳動(dòng)裝置的多點(diǎn)移動(dòng)式測(cè)風(fēng)裝置,著重分析該裝置工作原理,改進(jìn)風(fēng)量測(cè)試位置和測(cè)試時(shí)間,編程控制風(fēng)速傳感器在水平和垂直方向的精確運(yùn)動(dòng)。通過多點(diǎn)移動(dòng)、精確定位技術(shù)對(duì)礦井風(fēng)量進(jìn)行精確計(jì)算,優(yōu)化礦井測(cè)風(fēng)技術(shù),提高礦山生產(chǎn)效率以及機(jī)械化程度。在某礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),結(jié)果表明:多點(diǎn)移動(dòng)式測(cè)風(fēng)與人工測(cè)風(fēng)相比準(zhǔn)確率為95%以上。

礦井通風(fēng);風(fēng)量測(cè)定;多點(diǎn)移動(dòng)

近年來,隨著采礦技術(shù)的發(fā)展,原有的礦井通風(fēng)系統(tǒng)已無法滿足礦山生產(chǎn)能力的需求,現(xiàn)有測(cè)風(fēng)方法對(duì)礦井風(fēng)量數(shù)據(jù)掌握不夠全面,精確度較差。本文介紹礦山測(cè)風(fēng)工作原理,設(shè)計(jì)開發(fā)了多點(diǎn)式測(cè)風(fēng)裝置,于測(cè)風(fēng)平面多點(diǎn)測(cè)量,提高測(cè)風(fēng)工作效率,有利于礦山的數(shù)字化發(fā)展。

1 當(dāng)前測(cè)風(fēng)方法存在的問題

目前礦山常用的人工測(cè)風(fēng)方法仍是沿用傳統(tǒng)的“曲線”測(cè)風(fēng)法、“四線”測(cè)風(fēng)法和“十二點(diǎn)”測(cè)風(fēng)法。但這些方法均要求測(cè)量過程中風(fēng)表的不斷移動(dòng)、傾斜,以及在巷道斷面不同的風(fēng)速層次上移動(dòng)風(fēng)表時(shí)間的不均勻性,影響風(fēng)速測(cè)量的精度;測(cè)量過程中需對(duì)單個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量校驗(yàn),工作量較大,工作效率較低。

礦山常用固定點(diǎn)測(cè)風(fēng)方式為通過將風(fēng)速傳感器置于工作面某一位置,測(cè)試該點(diǎn)風(fēng)速。此種方式雖然一定程度上減少了測(cè)量強(qiáng)度,但是受限于測(cè)量位置的選定,選定位置的不同直接影響風(fēng)速測(cè)量的精確度。劉楚等提出通過測(cè)量井巷中心點(diǎn)最大風(fēng)速來計(jì)算平均風(fēng)速[1],王翰鋒等提出對(duì)井巷平均風(fēng)速點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量[2-3],鹿廣利等提出對(duì)任意風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行校正,求得平均風(fēng)速[4-6],暨朝頌等認(rèn)為由于風(fēng)的流動(dòng)性,風(fēng)速分布是不均勻的,通過單“點(diǎn)”測(cè)速并不能代表測(cè)風(fēng)斷面的風(fēng)量[7-8],余躍進(jìn)等認(rèn)為巷道斷面粗糙度,巷道半徑等因素皆會(huì)影響巷道風(fēng)速的計(jì)算,目前對(duì)其校準(zhǔn)也無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),容易造成極大地誤差[9-10]。

2 多點(diǎn)移動(dòng)式測(cè)風(fēng)裝置

引進(jìn)的多點(diǎn)移動(dòng)式測(cè)風(fēng)裝置通過編程設(shè)定測(cè)量軌跡和測(cè)量時(shí)間,對(duì)提前安放的風(fēng)速傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,采集相關(guān)數(shù)據(jù)并傳至控制中心,控制中心對(duì)存儲(chǔ)的風(fēng)速數(shù)據(jù)求取平均值,從而實(shí)現(xiàn)用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量分配,提高礦山生產(chǎn)效率。

多點(diǎn)移動(dòng)式測(cè)風(fēng)裝置主要由感應(yīng)裝置、動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置以及其他裝置組成。感應(yīng)裝置主要是風(fēng)速傳感器,安裝于測(cè)風(fēng)桿端頭,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)風(fēng)平面,將相關(guān)數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸至控制中心;動(dòng)力裝置是電動(dòng)機(jī),電動(dòng)機(jī)數(shù)量根據(jù)測(cè)量任務(wù)而定,其功能是為風(fēng)速傳感器的水平和垂直運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力;傳動(dòng)裝置的關(guān)鍵部件有水平和豎直絲桿,絲桿能夠?qū)㈦妱?dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為風(fēng)速傳感器的直線運(yùn)動(dòng)。絲桿處于工作狀態(tài)時(shí),螺母與絲桿軌道產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)相連部件的運(yùn)動(dòng),水平絲桿左端電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn),豎直絲桿的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力來自于上端電動(dòng)機(jī)。多點(diǎn)移動(dòng)式測(cè)風(fēng)裝置采用滾珠絲桿,精度比較高,誤差小,降低了因測(cè)風(fēng)誤差產(chǎn)生的不利影響。測(cè)風(fēng)桿、水平軌道車、水平導(dǎo)軌均為其他裝置的部件,水平軌道車的功能是帶動(dòng)豎直絲桿向左或向右做直線運(yùn)動(dòng),豎直絲桿的旋轉(zhuǎn)會(huì)帶動(dòng)測(cè)風(fēng)桿向上或向下做直線運(yùn)動(dòng)。

3 精確定位關(guān)鍵技術(shù)原理

3.1精確定位技術(shù)

精確定位技術(shù)是保證礦山合理分配風(fēng)量的關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計(jì)開發(fā)的多點(diǎn)移動(dòng)式測(cè)風(fēng)裝置使用了多圈絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器,使測(cè)風(fēng)裝置能夠精確定位。旋轉(zhuǎn)編碼器通過光電轉(zhuǎn)化將輸出軸的相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字,傳輸至控制中心,以此判別測(cè)風(fēng)裝置所處位置。多點(diǎn)式測(cè)風(fēng)裝置工作時(shí),輸出軸的角位移、角速度等機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖數(shù)字量,絕對(duì)值編碼器將所有的數(shù)字量以二進(jìn)制代碼輸出,此種方式解決了以往人工測(cè)風(fēng)時(shí)重復(fù)記憶的問題。而且,由于編碼器具有極強(qiáng)的記憶功能,當(dāng)測(cè)風(fēng)裝置處于停電或停機(jī)狀態(tài)時(shí),不必對(duì)原有數(shù)據(jù)重新測(cè)量,仍可準(zhǔn)確讀出停電或關(guān)機(jī)位置代碼。編碼器的靈敏度較高,在測(cè)風(fēng)裝置剛啟動(dòng)時(shí)便可記錄當(dāng)前位置的相關(guān)數(shù)據(jù)。提高了測(cè)風(fēng)裝置的可靠性與實(shí)時(shí)性,以及處于復(fù)雜環(huán)境中的抗干擾能力。為了防止運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在超負(fù)載時(shí)對(duì)裝置的破壞,多點(diǎn)移動(dòng)式測(cè)風(fēng)裝置安裝了接近開關(guān),當(dāng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與開關(guān)位置達(dá)到閾值時(shí),接近開關(guān)對(duì)控制中心發(fā)出信號(hào),停止運(yùn)行。

3.2遠(yuǎn)程精確控制技術(shù)

為直觀、形象體現(xiàn)多點(diǎn)移動(dòng)式測(cè)風(fēng)裝置遠(yuǎn)程控制技術(shù)工作原理,對(duì)測(cè)風(fēng)平面網(wǎng)格化,建立直角坐標(biāo)系,利用理論公式對(duì)測(cè)風(fēng)位置精確計(jì)算,實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)移動(dòng)平均風(fēng)速的測(cè)量。

3.2.1坐標(biāo)系建立

手動(dòng)模式下設(shè)置x,y方向。在水平導(dǎo)軌中點(diǎn)處安裝了1個(gè)接近開關(guān),推動(dòng)水平軌道車至接近開關(guān)處,此處記錄為水平0點(diǎn),絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器記錄為N0X,0點(diǎn)左、右側(cè)為負(fù)、正值。在水平軌道車下方布置了1個(gè)行程開關(guān),運(yùn)動(dòng)水平測(cè)風(fēng)桿至行程開關(guān),標(biāo)定為y方向,此處旋轉(zhuǎn)編碼器返回值記為Ny1。則豎直絲桿中點(diǎn)處高度為0,行程開關(guān)與下水平導(dǎo)軌處高度分別為h/2,-h/2。

3.2.2測(cè)風(fēng)裝置位置精確計(jì)算

x方向位置計(jì)算:根據(jù)x方向旋轉(zhuǎn)編碼器返回值確定測(cè)風(fēng)裝置的水平坐標(biāo),設(shè)x方向旋轉(zhuǎn)編碼器返回值為nx,則:

x=kx(nx-nx0)/1 024 .

(1)

式中:x為測(cè)風(fēng)裝置水平方向的坐標(biāo),m;kx為水平絲杠的螺距,m;nx為水平旋轉(zhuǎn)編碼器返回值;nx0為水平旋轉(zhuǎn)編碼器坐標(biāo)0點(diǎn)標(biāo)定值。

y方向位置計(jì)算:計(jì)算方法與x方向位置計(jì)算原理相同。設(shè)y方向旋轉(zhuǎn)編碼器返回值為ny,則:

.

(2)

式中:y為測(cè)風(fēng)裝置豎直方向的坐標(biāo),m;ky為豎直絲杠的螺距,m;ny為豎直旋轉(zhuǎn)編碼器返回值;ny1為豎直旋轉(zhuǎn)編碼器最高點(diǎn)標(biāo)定值。

3.3多點(diǎn)移動(dòng)平均風(fēng)速計(jì)算

1)單點(diǎn)測(cè)風(fēng)流程。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的單點(diǎn)流程如下:開啟測(cè)風(fēng)裝置前確定目標(biāo)測(cè)風(fēng)位置以及當(dāng)前測(cè)風(fēng)裝置位置,判斷兩位置間的距離,啟動(dòng)電動(dòng)機(jī),使測(cè)風(fēng)裝置向目標(biāo)測(cè)風(fēng)位置移動(dòng),到達(dá)目標(biāo)位置后讀取風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù),若兩位置距離足夠小,則不用移動(dòng)測(cè)風(fēng)裝置便可直接讀數(shù)。

2)多點(diǎn)測(cè)風(fēng)運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行編程,控制中心遠(yuǎn)程控制測(cè)風(fēng)裝置按照軌跡運(yùn)動(dòng),測(cè)風(fēng)速然后求取平均風(fēng)速。平均風(fēng)速測(cè)量裝置默認(rèn)9點(diǎn)測(cè)風(fēng)運(yùn)動(dòng)軌跡見圖1,圖中建立直角坐標(biāo)系,外部4條黑色粗線矩形框表示測(cè)風(fēng)通道框架其高度為h;內(nèi)部的2條粗豎線代表左右邊界,兩邊界之間的距離為w;測(cè)風(fēng)裝置運(yùn)動(dòng)極限位置距離左右邊界和頂?shù)装逯g的距離分別為a,b。控制中心啟動(dòng)測(cè)風(fēng)命令,測(cè)風(fēng)裝置根據(jù)坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)軌跡分別對(duì)9點(diǎn)進(jìn)行測(cè)風(fēng),同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至控制中心,進(jìn)而求得平均風(fēng)速。

圖1 多點(diǎn)測(cè)風(fēng)運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.1 Trajectory map of multi-point mobile wind measurement

4 工程應(yīng)用

將多點(diǎn)移動(dòng)式測(cè)風(fēng)裝置應(yīng)用于某礦測(cè)風(fēng)平面,在正常運(yùn)行條件下與人工測(cè)風(fēng)進(jìn)行多次對(duì)比試驗(yàn),風(fēng)量在線監(jiān)測(cè)與人工實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 多點(diǎn)移動(dòng)式測(cè)風(fēng)方式與人工實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison between multi-point mobile wind measurement and manual measurement

由表1可見,兩種測(cè)風(fēng)方式準(zhǔn)確度較高,均在95%以上。所以,多點(diǎn)移動(dòng)式測(cè)風(fēng)方式與人工測(cè)風(fēng)方式結(jié)果相近。

5 結(jié)論

1)多點(diǎn)移動(dòng)式平均風(fēng)量測(cè)量裝置,通過編程遠(yuǎn)程控制風(fēng)量測(cè)試,彌補(bǔ)了固定點(diǎn)測(cè)量風(fēng)速的不足,實(shí)現(xiàn)了礦山機(jī)械的自動(dòng)化與智能化。

2)多點(diǎn)移動(dòng)式平均風(fēng)量測(cè)量裝置,由電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力,絲桿作為傳動(dòng)裝置,提高了測(cè)量風(fēng)速的準(zhǔn)確度,使礦山測(cè)風(fēng)平面能夠及時(shí)有效的將風(fēng)量數(shù)據(jù)傳輸至控制中心,提高了風(fēng)速測(cè)量效率。

3)多點(diǎn)移動(dòng)式平均風(fēng)量測(cè)量裝置,在精確度相近的情況下降低了人工測(cè)風(fēng)強(qiáng)度,為井下工人的工作提供了安全保障。

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KeyTechnologyofMulti-pointMobileWindMeasurementDeviceinMines

HEXiaolong

(YuwuMiningCo.,Ltd.,Lu’anGroup,Changzhi046100,China)

To reduce the workload of manual measurement and improve the accuracy of wind volume measurement,a multi-point mobile measurement device was introduced with electromotor as the power part and lead screw as the transmission part.The paper focuses on its working principle to improve the measurement position and time.We program to control the precise movement of the sensors of the wind speed at the horizontal and vertical directions.The accurate calculation with the multi-point movement and accurate positioning technology could optimize the wind measurement and increase the working efficiency and mechanization level.The field test shows that the multi-point mobile measurement is 95% more accurate than the manual measurement.

mine ventilation; ventilation measurement; multi-point mobile measurement

1672-5050(2017)04-0057-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.017

2017-07-12

何小龍(1984-),男,山西代縣人,大學(xué)本科,助理工程師,從事煤礦通風(fēng)與安全管理工作。

TD723

A

(編輯:薄小玲)