全斷面無人精準(zhǔn)測風(fēng)機(jī)器人在梅花井煤礦的研究與應(yīng)用

蔣棟　周鵬　常立華　李權(quán)　趙俊達(dá)

摘要：提出了一種固定安裝在巷道壁上的非介入式精準(zhǔn)風(fēng)量測量機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測巷道全斷面平均風(fēng)速、風(fēng)向和單位時(shí)間內(nèi)的風(fēng)量。借此可為礦井通風(fēng)管理提供精準(zhǔn)實(shí)測數(shù)據(jù)，提高礦井通風(fēng)安全，有針對性的增減通風(fēng)設(shè)施及指導(dǎo)通風(fēng)設(shè)備選型，以減少不必要的通風(fēng)方面費(fèi)用投入和電力資源的無效損耗，對實(shí)現(xiàn)智能通風(fēng)管控具有很好的指導(dǎo)意義。

Abstract： A non-intrusive precision air volume measurement robot fixed on the wall of a tunnel is proposed to achieve real-time monitoring of the average wind speed， wind direction and air volume per unit time of the tunnel's full cross-section， which can provide accurate measured data for mine ventilation management， improve the safety of mine ventilation， increase or decrease ventilation facilities in a targeted manner， and guide the selection of ventilation equipment to reduce unnecessary ventilation costs and invalid loss of power resources and guide intelligent ventilation control.

關(guān)鍵詞：測風(fēng)機(jī)器人;實(shí)時(shí)性;自動(dòng)運(yùn)行;節(jié)約能耗

Key words： wind measuring robot;real-time;automatic operation;saving energy consumption

中圖分類號(hào)：TP242.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）14-0239-02

0? 引言

巷道全斷面平均風(fēng)速、風(fēng)向和單位時(shí)間內(nèi)的風(fēng)量數(shù)據(jù)的精確性對井下用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量按需分配起決定性的作用。常規(guī)的測風(fēng)方法雖也能測定某一地點(diǎn)的風(fēng)速，但存在著測風(fēng)速度慢、實(shí)時(shí)性差、可靠性差等弊端。梅花井煤礦目前進(jìn)行巷道風(fēng)量測量時(shí)，普遍采用測量巷道內(nèi)某一點(diǎn)風(fēng)速的方式，然后通過估算巷道幾何斷面大小，換算乘積的方式來實(shí)現(xiàn)對巷道風(fēng)量的估算。測風(fēng)人員常用的氣體流速測量設(shè)備是機(jī)械式風(fēng)速測定儀，每班到井下固定測風(fēng)點(diǎn)測量風(fēng)速，采用人工計(jì)算方式計(jì)算風(fēng)量，10天內(nèi)全礦進(jìn)行一次系統(tǒng)風(fēng)量測定并出一次測風(fēng)報(bào)表，在實(shí)際操作中受測風(fēng)員技能水平和責(zé)任心因素影響，存在數(shù)據(jù)測量不準(zhǔn)確，不及時(shí)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性差等問題。礦井安全檢測工作中，針對通風(fēng)的阻力測定、解算、反風(fēng)等工作目前實(shí)現(xiàn)起來工作量大，周期長，測定結(jié)果滯后，對礦井安全起到的指導(dǎo)作用很有限。本文通過介紹梅花井礦全斷面無人精準(zhǔn)測風(fēng)機(jī)器人的研究與應(yīng)用，有效解決了上述問題。該技術(shù)方案在國內(nèi)現(xiàn)有井工煤礦測風(fēng)方法中具有先驅(qū)性，能夠滿足測風(fēng)實(shí)時(shí)性要求，具有很好的推廣意義。

1? 傳統(tǒng)測風(fēng)方式的局限性

傳統(tǒng)的機(jī)械式風(fēng)速測定儀需要定期進(jìn)行檢測和維護(hù)，在高粉塵環(huán)境下容易發(fā)生磨損，維護(hù)鑒定成本較高。且由于在測風(fēng)過程中測風(fēng)人員移動(dòng)，影響到測定斷面風(fēng)流的穩(wěn)定性，使得各點(diǎn)風(fēng)速不斷變化，所測數(shù)據(jù)存在一定誤差。而安全監(jiān)測系統(tǒng)中安裝的風(fēng)速傳感器測量風(fēng)速時(shí)要求傳感器懸掛在巷道中央的頂部，傳感器探頭離頂部的距離要大于50cm，距傳感器20m范圍內(nèi)若有遮擋物體存在會(huì)擋住風(fēng)流，影響傳感器的正常測量，要求探頭的進(jìn)風(fēng)口始終要對準(zhǔn)來風(fēng)方向。在實(shí)際操作中，受巷道實(shí)際環(huán)境條件限制和維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)等諸多原因往往不能達(dá)到使用的理想要求，導(dǎo)致測風(fēng)所得數(shù)據(jù)與實(shí)際工況偏差較大。

此外，機(jī)械式風(fēng)速測定儀和風(fēng)速傳感器也只能測量單點(diǎn)氣體流速，一個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速無法體現(xiàn)全斷面的風(fēng)速值，測風(fēng)員通常采用間隔取點(diǎn)的方式得到測量區(qū)域的平均速度，這種方式也不能有效測量巷道風(fēng)量，測量結(jié)果參考價(jià)值有限。

由于對礦井風(fēng)量測量不準(zhǔn)確，導(dǎo)致目前礦井通風(fēng)機(jī)的選型都是按照2-3倍以上的功率進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，具有盲目性，造成許多不必要的通風(fēng)設(shè)備投入和電力資源的無效損耗。且按照經(jīng)驗(yàn)和不準(zhǔn)確的風(fēng)量數(shù)據(jù)測算出來的結(jié)果去指導(dǎo)通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，通風(fēng)源頭數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，導(dǎo)致通風(fēng)設(shè)計(jì)中設(shè)備選型的準(zhǔn)確及通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化都無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

2? 基于測風(fēng)機(jī)器人的全斷面無人精準(zhǔn)測風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)提出了一種固定安裝在巷道壁上的非介入式精準(zhǔn)風(fēng)量測量機(jī)器人，采用聲波低頻的長距離傳輸特性。根據(jù)煤礦現(xiàn)場的應(yīng)用環(huán)境，采用基于聲波在氣體中順、逆流方向上的聲飛行時(shí)間，再根據(jù)設(shè)備安裝角度與聲波傳播距離便可得到氣體流速，進(jìn)而可求得在測量截面上的風(fēng)量大小。以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測巷道全斷面平均風(fēng)速、風(fēng)向和單位時(shí)間內(nèi)的風(fēng)量。通過使用聲波原理的傳感器陣列進(jìn)行全斷面多點(diǎn)測風(fēng)，極大提高了通風(fēng)測量精度和數(shù)據(jù)密度。傳感器將測得的數(shù)據(jù)上傳至現(xiàn)場邊緣計(jì)算機(jī)，經(jīng)過處理后將測得的數(shù)據(jù)結(jié)果利用現(xiàn)有井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)提供的通訊接口，通過礦井工業(yè)環(huán)網(wǎng)，上傳至井上系統(tǒng)控制中心站。通過地面控制中心站平臺(tái)可以實(shí)時(shí)查看各測風(fēng)站的風(fēng)速、圍巖斷面、風(fēng)向、風(fēng)量、溫度等礦井通風(fēng)狀況。改變了現(xiàn)有人員測量周期長、精度不夠、實(shí)時(shí)性差的狀況。測風(fēng)設(shè)備安裝位置如圖1所示。

測風(fēng)機(jī)器人采用一種大范圍的聲波精確風(fēng)速測量方法進(jìn)行測量。聲波測風(fēng)算法系統(tǒng)包括信號(hào)調(diào)理、信號(hào)濾波、卷積計(jì)算等信號(hào)處理算法，能夠精確獲取巷道截面多點(diǎn)風(fēng)速，可以根據(jù)數(shù)據(jù)用途對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇。

礦用風(fēng)速測量采用聲波測量原理，主要由拾音器、擴(kuò)音器、信號(hào)發(fā)生和解算主機(jī)三個(gè)部分組成，基本框圖如圖2所示。

擴(kuò)音器部分主要由聲波收發(fā)裝置和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成;拾音器部分主要由高性能數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成，采樣率為2M/s。信號(hào)發(fā)生和解算主機(jī)構(gòu)成邊緣計(jì)算機(jī)，具備高性能計(jì)算功能，滿足煤礦現(xiàn)場使用工況要求，支持遠(yuǎn)程部署和運(yùn)維，邊緣計(jì)算機(jī)為信號(hào)的解算提供算力支持。信號(hào)發(fā)生和解算主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)通訊網(wǎng)關(guān)與系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信，將所處截面的測量數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)軟件中。

同時(shí)，測量機(jī)器人的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以通過地面中心站軟件數(shù)據(jù)平臺(tái)積累形成時(shí)序大數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)分析，可以指導(dǎo)巷道和通風(fēng)設(shè)施建設(shè)，并制定智能通風(fēng)控制策略，節(jié)約能耗。此外，軟件平臺(tái)可全面采集全礦各截面的風(fēng)速信息，根據(jù)時(shí)間、巷道連通關(guān)系、風(fēng)門開閉狀態(tài)和截面積來進(jìn)行全礦風(fēng)流解算。軟件平臺(tái)具備3D風(fēng)流顯示、風(fēng)流解算、巷道設(shè)計(jì)規(guī)劃、通風(fēng)設(shè)施、通風(fēng)機(jī)選型規(guī)劃等功能，從而有效指導(dǎo)礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造。

3? 測風(fēng)機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)越性

①建立礦井無人實(shí)時(shí)風(fēng)量精準(zhǔn)測量，實(shí)現(xiàn)不在以人工測量的數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)依據(jù)。采用精準(zhǔn)測量的數(shù)據(jù)為主要通風(fēng)數(shù)據(jù)源，實(shí)時(shí)解算礦井風(fēng)量、風(fēng)流，真實(shí)反應(yīng)礦井通風(fēng)現(xiàn)狀。并建立了礦井實(shí)時(shí)通風(fēng)解算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)阻力、設(shè)計(jì)、執(zhí)行一體化平臺(tái)，減少通風(fēng)設(shè)計(jì)人員重復(fù)性工作，提高工作效率，減少礦井人力成本的投入。

②建立的礦井實(shí)時(shí)通風(fēng)數(shù)據(jù)后高效的指導(dǎo)礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)，提高礦井通風(fēng)安全，減少礦井非必要通風(fēng)設(shè)施的投入。

③通過非介入式的方式實(shí)現(xiàn)量風(fēng)速、風(fēng)量、圍巖斷面識(shí)別、風(fēng)向、溫度的精準(zhǔn)測量，將采集的信息實(shí)時(shí)上傳到地面監(jiān)控中心。地面上位機(jī)將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)通過設(shè)定的程序進(jìn)行巷道標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量計(jì)算，獲取巷道實(shí)際風(fēng)量。也可以通過設(shè)定相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行反算，獲得不同參數(shù)條件下所對應(yīng)的需風(fēng)量，從而為風(fēng)量調(diào)節(jié)提供指導(dǎo)。充分利用了礦山網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化，對礦井安全生產(chǎn)的減人提效起到至關(guān)重要的作用。

④測風(fēng)機(jī)器人系統(tǒng)不需要人工參與自動(dòng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行，只有當(dāng)出現(xiàn)故障和移裝時(shí)才需要人工參與。軟件平臺(tái)能充分利用礦井自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的在線分析、識(shí)別、診斷和優(yōu)調(diào)優(yōu)控，確保礦井通風(fēng)系統(tǒng)正常時(shí)期和災(zāi)變時(shí)期的按時(shí)按需低功耗最優(yōu)供風(fēng)。

⑤搭建的系統(tǒng)平臺(tái)能夠輕松的實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)能力測定、通風(fēng)阻力測定，有效指導(dǎo)礦井通風(fēng)設(shè)施完善，減少漏風(fēng)量。

⑥系統(tǒng)了實(shí)現(xiàn)全量程風(fēng)速測定。避免了很多較低風(fēng)速的風(fēng)道風(fēng)量無法精確測定的情況，提高了通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)識(shí)別能力，也提高了通風(fēng)阻力測定、數(shù)據(jù)平差、風(fēng)速傳感器調(diào)校等工作的質(zhì)量。

4? 結(jié)論

通過全斷面無人精準(zhǔn)測風(fēng)機(jī)器人的研究與應(yīng)用，梅花井礦現(xiàn)可以精準(zhǔn)掌握礦井各用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量，借此指導(dǎo)礦井通風(fēng)機(jī)合理選型，減少“大馬拉小車”現(xiàn)象，可直接減少不必要的通風(fēng)設(shè)備投入和電力資源的無效損耗。能夠減少井下測風(fēng)人員數(shù)量，降低職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)，提高礦井通風(fēng)安全，對礦井安全生產(chǎn)和減人提效起到至關(guān)重要的作用，具有創(chuàng)新性和先進(jìn)性，在類似條件的煤礦有巨大的推廣應(yīng)用前景。

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