煤礦通風(fēng)系統(tǒng)動態(tài)預(yù)警研究

趙 波，路培超，蘇南丁，朱亞飛，易永華

(1.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001； 2.河南省煤科院檢測技術(shù)限公司，河南 鄭州 450001； 3.光力科技股份有限公司，河南 鄭州 450001)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，安全可靠的礦井通風(fēng)系統(tǒng)是防止各種災(zāi)害發(fā)生的重要保障[1]。礦井通風(fēng)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的、隨機的、非穩(wěn)定的系統(tǒng)[2]，伴隨著新鮮風(fēng)流的不斷供入，井下風(fēng)門的開合、采掘布局的調(diào)整、地面氣溫的變化都時刻影響著礦井通風(fēng)系統(tǒng)。因此，開展礦井通風(fēng)系統(tǒng)動態(tài)預(yù)警分析研究具有重要意義。

目前針對礦井通風(fēng)系統(tǒng)動態(tài)預(yù)警分析研究較多，學(xué)者康雪等[3]結(jié)合通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖，對井下發(fā)生的通風(fēng)異常狀況進行了預(yù)警分析研究。重慶大學(xué)楊守國[4]分析了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)及采掘工作面風(fēng)流監(jiān)測傳感器的設(shè)置方法及原則，研究了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)解算、分析及預(yù)警方法。狐為民等[5]通過通風(fēng)解算和風(fēng)網(wǎng)反算，獲得全礦井較準確的實時分風(fēng)量分布狀況，為通風(fēng)系統(tǒng)的安全性能提供了保障。賈廷貴等[6]采用多元回歸分析法對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中高敏感風(fēng)路進行識別，對風(fēng)流穩(wěn)定性的影響作出定性分析與評價。

前人從不同的切入點對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進行了預(yù)警分析研究，但是礦井通風(fēng)系統(tǒng)智能調(diào)控能力弱。因此，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)動態(tài)預(yù)警分析系統(tǒng)的研究，實時監(jiān)測礦井通風(fēng)系統(tǒng)運行狀況，并進行預(yù)警預(yù)報，指導(dǎo)礦井通風(fēng)管理工作意義重大。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全預(yù)警分析

礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全預(yù)警分析是一項非常復(fù)雜的工作，為了便于研究，主要從巷道風(fēng)速是否達標、用風(fēng)地點風(fēng)量能否滿足需風(fēng)量要求、通風(fēng)系統(tǒng)可靠性3個方面進行預(yù)警分析[4，7-9]。

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取分析

準確獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，目前常用的方式有人工實測和傳感器獲取，通過在線監(jiān)測系統(tǒng)，合理優(yōu)化布置風(fēng)速和風(fēng)壓傳感器，完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息采集。

1.2 巷道風(fēng)流狀態(tài)預(yù)警分析

巷道風(fēng)流狀態(tài)預(yù)警主要是監(jiān)測井下各巷道分支的風(fēng)量、風(fēng)速是否滿足要求，巷道風(fēng)流狀態(tài)達不到要求時進行報警。針對不同類型的巷道設(shè)定其允許風(fēng)速，根據(jù)傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)以及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算得到的全礦井各分支的風(fēng)量、風(fēng)速數(shù)據(jù)，當風(fēng)速超出巷道允許風(fēng)速范圍時，進行報警提示；風(fēng)速沒有超過允許風(fēng)速范圍時，顯示為“無警”。對于監(jiān)測和解算得到的巷道分支風(fēng)量、風(fēng)速值，需進行歷史數(shù)據(jù)變化規(guī)律分析，找出風(fēng)流不穩(wěn)定的巷道進行重點監(jiān)測；對于一段時期風(fēng)速變化較劇烈的巷道和按照一定規(guī)律發(fā)展風(fēng)速有可能超標的巷道進行預(yù)警提示，以便提前做好補救措施。

1.3 用風(fēng)地點通風(fēng)狀況預(yù)警分析

“以風(fēng)定產(chǎn)”礦井通風(fēng)能力核定中[10-11]，對通風(fēng)能力驗證很重要的一方面就是對用風(fēng)地點有效風(fēng)量的驗證，核查井下各用風(fēng)地點的有效風(fēng)量能否滿足需風(fēng)量的要求。利用采煤、掘進工作面安設(shè)的傳感器實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)，分析采掘面的風(fēng)量是否滿足需風(fēng)量的要求、是否存在異常情況，進行預(yù)警提示。

1.4 通風(fēng)系統(tǒng)可靠性預(yù)警分析

通風(fēng)系統(tǒng)可靠性是指礦井在生產(chǎn)過程中，保持系統(tǒng)各環(huán)節(jié)正常運行、各地點風(fēng)量分配合理、抵抗災(zāi)變的能力。通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性一般用指標來衡量[12-13]，如技術(shù)性、經(jīng)濟性、安全可靠性指標。通常把表征警情嚴重程度劃分為3個警限：“無警”、“輕警”、“重警”。“無警”表征著評價對象合格，“輕警”表征著評價對象基本合格，“重警”表征著評價對象不合格、需整改。

2 礦井風(fēng)網(wǎng)實時模擬與動態(tài)預(yù)警系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與設(shè)計

礦井風(fēng)網(wǎng)實時模擬與動態(tài)預(yù)警分析系統(tǒng)軟件的主要功能是完成井下風(fēng)流的實時監(jiān)測，利用網(wǎng)絡(luò)解算技術(shù)對風(fēng)網(wǎng)進行實時模擬，并對風(fēng)網(wǎng)解算系統(tǒng)進行自修復(fù)調(diào)整，實現(xiàn)對礦井通風(fēng)系統(tǒng)實時模擬與動態(tài)預(yù)警預(yù)報分析。

系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)遵循的原則[14-15]：實用性原則、規(guī)范化原則、可升級性原則、可操作性原則、安全性原則。本系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集、報警處理與預(yù)警、風(fēng)路解算、風(fēng)網(wǎng)自修復(fù)、數(shù)據(jù)分析顯示等模塊(圖1)。

圖1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能Fig.1 Structure functional diagram of software system

2.2 系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境

礦井風(fēng)網(wǎng)實時模擬與動態(tài)預(yù)警分析系統(tǒng)主界面如圖2所示。

圖2 主界面Fig.2 Main interface

系統(tǒng)基于Microsoft Visual C++程序開發(fā)平臺，SQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

3 應(yīng)用實例

3.1 礦井概況

該礦位于山西朔州懷仁縣，井田位于大同煤田中部東緣，口泉山脈西側(cè)，海拔為+1 271～+1 455 m。井田面積4.100 4 km2，開采深度1 040～1 260 m。礦井可采儲量2 969萬t，生產(chǎn)能力為90萬t/a。目前礦井開采5-1號煤層，煤層厚度為1.23～3.97 m，平均厚2.59 m。該井田為一向北西傾斜的單斜構(gòu)造，產(chǎn)狀較平緩，一般為3°以內(nèi)，斷層、巖漿巖均較發(fā)育，地質(zhì)條件中等。

礦井為低瓦斯礦井。煤塵具有爆炸危險性，Ⅰ類易自燃煤層。礦井通風(fēng)方式為中央分列式，通風(fēng)方法為機械抽出式。布置有進風(fēng)井2個，回風(fēng)井1個，即主斜井和副斜井進風(fēng)，回風(fēng)斜井回風(fēng)。地面通風(fēng)機房安裝有2臺FBCDZ-6-No.19A型軸流式通風(fēng)機，1臺運轉(zhuǎn)，1臺備用。礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Mine ventilation network

3.2 礦井通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)的獲取

采用“測風(fēng)求阻”法推演全礦井的通風(fēng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取過程。本文“測風(fēng)求阻”法的計算模型是在一次系統(tǒng)調(diào)風(fēng)數(shù)據(jù)和通風(fēng)阻力測定的基礎(chǔ)上求解分支風(fēng)阻。按照測算方法，利用系統(tǒng)軟件逐步完成測算過程。

利用軟件的“測風(fēng)求阻”法模塊功能，礦井風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中未知分支的風(fēng)阻值可以輕松得出。將全礦井風(fēng)阻值輸入到系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)解算功能模塊，對礦井風(fēng)網(wǎng)進行解算。實測風(fēng)量與解算風(fēng)量對比情況見表1和圖4所示。

表1 實測風(fēng)量與結(jié)算風(fēng)量對比Tab.1 Comparison of measured air volume and settled air volume

從表1對比分析可知，實測風(fēng)阻與解算值相近，多數(shù)分支數(shù)據(jù)誤差都在1%以內(nèi)，極個別分支誤差稍大，但是處于合理范圍內(nèi)，測風(fēng)求阻所得分支風(fēng)阻精度高，可用于風(fēng)網(wǎng)的動態(tài)監(jiān)測和預(yù)警分析。

3.3 礦井通風(fēng)安全預(yù)警分析

根據(jù)礦井實時模擬解算出的各分支風(fēng)量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對巷道風(fēng)流狀態(tài)和用風(fēng)地點通風(fēng)狀況進行預(yù)警分析。如對礦井某次模擬后各分支的風(fēng)量數(shù)據(jù)進行預(yù)警分析，巷道風(fēng)流狀態(tài)預(yù)警分析結(jié)果見表2。

該礦井用風(fēng)地點包括：115-105工作面、115-103備用面、掘進面、采區(qū)變電所、消防材料庫、軌道大巷、運輸大巷，其中軌道大巷、運輸大巷作為其他巷道用風(fēng)。礦井各用風(fēng)地點通風(fēng)狀況預(yù)警分析結(jié)果見表3。

表3 用風(fēng)地點通風(fēng)狀況預(yù)警分析結(jié)果Tab.3 Ventilation conditions of using wind place pre-warning analysis results

根據(jù)礦井實時模擬解算出的各分支風(fēng)量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)計算對礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性進行預(yù)警分析，結(jié)果見表4。

表4 礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性預(yù)警分析Tab.4 Reliability of mine ventilation system pre-warning analysis

根據(jù)實時模擬得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，對該礦井巷道風(fēng)流狀態(tài)、用風(fēng)地點通風(fēng)狀況和通風(fēng)系統(tǒng)可靠性進行預(yù)警分析。經(jīng)計算，該礦井整體通風(fēng)系統(tǒng)可靠性F=0.74，礦井安全狀況為基本合格，礦井需進行一定整改并加強安全管理。

4 結(jié)論

(1)在研究礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測監(jiān)控等理論的基礎(chǔ)上，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全狀況的巷道風(fēng)流狀態(tài)、用風(fēng)地點通風(fēng)狀況和通風(fēng)系統(tǒng)可靠性進行預(yù)警分析研究，設(shè)計出礦井風(fēng)網(wǎng)實時模擬與動態(tài)預(yù)警分析系統(tǒng)軟件的總體構(gòu)架及相關(guān)功能模塊。

(2)利用“測風(fēng)求阻”模型完成了山西某礦的通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)獲取工作，從表征礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全狀況的巷道風(fēng)流狀態(tài)、用風(fēng)地點通風(fēng)狀況和通風(fēng)系統(tǒng)可靠性3個方面進行了預(yù)警分析，實現(xiàn)對礦井通風(fēng)安全的預(yù)警預(yù)報。

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