礦井局部通風(fēng)智能調(diào)控系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究

程曉之， 王凱， 郝海清， 陳瑞鼎， 吳建賓

(1.兗州煤業(yè)鄂爾多斯能化有限公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

礦井穩(wěn)定可靠的通風(fēng)是煤礦安全生產(chǎn)的保障[1-2]。隨著礦井開采深度增加和煤礦機(jī)械化不斷發(fā)展，掘進(jìn)工作面長度逐漸加大，單巷最長掘進(jìn)距離達(dá)5 000 m以上，局部通風(fēng)更是成為日常通風(fēng)安全管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前礦井局部風(fēng)量調(diào)節(jié)方式主要有手動(dòng)和自動(dòng)2種。手動(dòng)調(diào)節(jié)包括扎風(fēng)筒法、三叉風(fēng)筒排瓦斯法、斷風(fēng)筒法、出口擋風(fēng)板節(jié)流調(diào)節(jié)法；自動(dòng)調(diào)節(jié)包括進(jìn)口導(dǎo)向器調(diào)節(jié)和變頻調(diào)速調(diào)節(jié)[3-4]。近年來，隨著自動(dòng)化及變頻技術(shù)的發(fā)展，局部通風(fēng)自動(dòng)控制取得了一定成果，如瓦斯、風(fēng)、電閉鎖與監(jiān)測系統(tǒng)遙控為局部通風(fēng)提供保障，主要是依據(jù)掘進(jìn)工作面環(huán)境參數(shù)(有毒有害氣體濃度、粉塵濃度等)進(jìn)行控制，當(dāng)監(jiān)測值超過設(shè)定值時(shí)自動(dòng)斷電，但該方式僅是手動(dòng)調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)頻率，智能化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足[5]。另外，風(fēng)筒作為掘進(jìn)工作面新鮮風(fēng)流的唯一通道，風(fēng)筒參數(shù)目前仍依靠人工采集[6-9]，缺少準(zhǔn)確、可靠的監(jiān)測方法來反映通風(fēng)狀態(tài)[10-11]，無法為準(zhǔn)確調(diào)節(jié)風(fēng)量提供依據(jù)，導(dǎo)致局部通風(fēng)機(jī)長時(shí)間以額定功率運(yùn)行，不僅浪費(fèi)能源，且當(dāng)瓦斯等有害氣體超限時(shí)容易造成局部積聚，增加事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[12-13]。

本文從礦井局部通風(fēng)智能化總體設(shè)計(jì)出發(fā)，設(shè)計(jì)局部通風(fēng)智能調(diào)控系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)分析掘進(jìn)工作面通風(fēng)狀態(tài)，挖掘異常信息并適時(shí)有效調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)節(jié)局部風(fēng)量的目的。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)組成

礦井局部通風(fēng)智能調(diào)控系統(tǒng)由地面監(jiān)控中心、局部通風(fēng)機(jī)變頻監(jiān)控系統(tǒng)、掘進(jìn)工作面環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 礦井局部通風(fēng)智能調(diào)控系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of intelligent regulation and control system of mine local ventilation

地面監(jiān)控中心由智能網(wǎng)關(guān)、顯示終端和服務(wù)器組成，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)煤礦所有掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，通風(fēng)異常時(shí)快速實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程切換與智能調(diào)控，恢復(fù)安全狀態(tài)，無法排除異常時(shí)報(bào)警。局部通風(fēng)機(jī)變頻監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控分站、局部通風(fēng)機(jī)工況監(jiān)測傳感器和變頻控制組件組成，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測局部通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)，完成對局部通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率調(diào)控。掘進(jìn)工作面環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由通風(fēng)參數(shù)監(jiān)測模塊、環(huán)境參數(shù)采集模塊和監(jiān)控分站組成，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測井下掘進(jìn)工作面通風(fēng)與環(huán)境參數(shù)，研判與預(yù)測需風(fēng)量，確定工作面風(fēng)量供需匹配模型。工業(yè)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)由光纖網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)模塊與交換機(jī)組成，用于傳輸井下掘進(jìn)工作面環(huán)境參數(shù)、通風(fēng)參數(shù)、局部通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)及地面監(jiān)控中心控制指令。

系統(tǒng)綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)、PLC、風(fēng)量智能調(diào)控、智能化軟件開發(fā)等技術(shù)，通過遠(yuǎn)程連續(xù)點(diǎn)動(dòng)式切換局部通風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)無人值守；通過掘進(jìn)工作面監(jiān)測數(shù)據(jù)分析需風(fēng)量，建立掘進(jìn)工作面最佳風(fēng)量供需匹配模型，根據(jù)局部通風(fēng)機(jī)特性曲線庫實(shí)時(shí)查找所需運(yùn)行頻率，進(jìn)行智能化調(diào)控，實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)智能化與安全節(jié)能化。

1.2 系統(tǒng)原理

礦井局部通風(fēng)智能調(diào)控系統(tǒng)基于環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)評估掘進(jìn)工作面風(fēng)質(zhì)并計(jì)算需風(fēng)量，構(gòu)建分級調(diào)控規(guī)則，結(jié)合局部通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況，通過智能決策算法實(shí)現(xiàn)按需供風(fēng)，達(dá)到井下掘進(jìn)工作面風(fēng)量供需匹配的動(dòng)態(tài)平衡。系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 礦井局部通風(fēng)智能調(diào)控系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of intelligent regulation and control system of mine local ventilation

系統(tǒng)將采集的井下多個(gè)掘進(jìn)工作面環(huán)境參數(shù)、通風(fēng)參數(shù)及通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)，通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給地面監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)井下所有掘進(jìn)工作面通風(fēng)狀態(tài)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測與分析。當(dāng)監(jiān)測到掘進(jìn)工作面環(huán)境參數(shù)和通風(fēng)參數(shù)異常時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警。地面監(jiān)控中心通過分析掘進(jìn)工作面環(huán)境參數(shù)和通風(fēng)參數(shù)計(jì)算工作面最佳需風(fēng)量，根據(jù)風(fēng)量-頻率特性模型確定排除異常的局部通風(fēng)機(jī)調(diào)控方案。服務(wù)器運(yùn)用數(shù)據(jù)庫中預(yù)置的通風(fēng)模型和監(jiān)測的通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的安全性檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)調(diào)控方案超前模擬，通過仿真驗(yàn)證擬定的調(diào)控方案，以保障調(diào)控過程安全，若計(jì)算得局部通風(fēng)機(jī)頻率調(diào)至50 Hz仍無法排除異常瓦斯涌出，則立即報(bào)警，采取相應(yīng)措施。

1.3 系統(tǒng)功能

礦井局部通風(fēng)智能調(diào)控系統(tǒng)從安全節(jié)能的要求出發(fā)，實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)機(jī)按需供風(fēng)，同時(shí)按照局部通風(fēng)系統(tǒng)管理要求，集成局部通風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換、瓦斯閉鎖、風(fēng)電閉鎖等功能，實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)管理智能化。

礦井局部通風(fēng)智能調(diào)控系統(tǒng)包括局部通風(fēng)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、局部通風(fēng)系統(tǒng)功耗分析、風(fēng)量供需匹配分析、通風(fēng)異常研判預(yù)警等功能模塊。局部通風(fēng)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊包括各種傳感器和監(jiān)控分站，通過風(fēng)筒風(fēng)量測點(diǎn)優(yōu)化布置和監(jiān)測動(dòng)壓動(dòng)能計(jì)算校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)局部風(fēng)量準(zhǔn)確監(jiān)測。局部通風(fēng)系統(tǒng)功耗分析模塊實(shí)現(xiàn)風(fēng)筒阻力可視化監(jiān)測和異常預(yù)警。風(fēng)量供需匹配分析模塊依據(jù)風(fēng)量數(shù)據(jù)及風(fēng)量供需的超前模擬，對通風(fēng)機(jī)調(diào)控進(jìn)行預(yù)測，并生成智能化調(diào)控方案。通風(fēng)異常研判預(yù)警模塊依據(jù)監(jiān)測的多元環(huán)境參數(shù)，提取局部通風(fēng)故障狀態(tài)的特征樣本和前兆信息，實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)狀態(tài)的發(fā)展態(tài)勢研判預(yù)警。

系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 礦井局部通風(fēng)智能調(diào)控系統(tǒng)界面Fig.3 Interface of intelligent regulation and control system of mine local ventilation

2 局部通風(fēng)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測

局部通風(fēng)智能調(diào)控的前提是獲取實(shí)時(shí)、可靠的基礎(chǔ)通風(fēng)參數(shù)。采用皮托管、通風(fēng)多參數(shù)測量儀等采集風(fēng)筒內(nèi)部各測點(diǎn)處靜壓、動(dòng)壓及工作面環(huán)境參數(shù)，快速計(jì)算測點(diǎn)風(fēng)量等參數(shù)，并上傳至地面監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫。局部通風(fēng)參數(shù)測點(diǎn)分布及監(jiān)測配置如圖4所示。

1-局部通風(fēng)機(jī)出口；2-風(fēng)筒出口；3-皮托管；4-測量斷面；5-通風(fēng)參數(shù)顯示模塊；6-通風(fēng)多參數(shù)測量儀。圖4 局部通風(fēng)參數(shù)測點(diǎn)分布及監(jiān)測配置Fig.4 Monitoring points distribution and configuration for local ventilation parameters

風(fēng)筒內(nèi)部風(fēng)量計(jì)算過程：根據(jù)干濕球溫度計(jì)測量結(jié)果計(jì)算風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)流密度ρ，結(jié)合采集的測點(diǎn)i處動(dòng)壓hi，由能量方程得測點(diǎn)i處平均風(fēng)速:

(1)

再根據(jù)測量的風(fēng)筒斷面積Si計(jì)算風(fēng)筒風(fēng)量：

Qi=viSi

(2)

設(shè)風(fēng)速傳感器測得的巷道風(fēng)速為v，巷道斷面積為S，由風(fēng)量平衡定律可知v(S-Si)=viSi，據(jù)此對測得的風(fēng)筒風(fēng)量進(jìn)行交叉驗(yàn)證。

3 局部通風(fēng)系統(tǒng)功耗分析

局部通風(fēng)系統(tǒng)功耗分析包括風(fēng)筒阻力參數(shù)計(jì)算、風(fēng)筒阻力異常分析、局部通風(fēng)沿程損失動(dòng)態(tài)分析。

計(jì)算風(fēng)筒阻力參數(shù)時(shí)，調(diào)取測點(diǎn)處靜壓、動(dòng)壓、風(fēng)流密度及2個(gè)測點(diǎn)間的標(biāo)高差等參數(shù)，根據(jù)伯努利能量方程，得測點(diǎn)k，j之間的風(fēng)筒阻力：

(3)

式中：pk，pj分別為測點(diǎn)k，j處靜壓；hk，hj分別為測點(diǎn)k，j處動(dòng)壓；ρk，ρj分別為測點(diǎn)k，j處風(fēng)流密度；Z為測點(diǎn)k，j間標(biāo)高差;g為重力加速度。

測點(diǎn)k，j間的風(fēng)筒百米漏風(fēng)率為

(4)

式中：Qk，Qj分別為測點(diǎn)k，j處風(fēng)量;L為測點(diǎn)k，j間距離。

測點(diǎn)k，j間百米風(fēng)阻為

(5)

計(jì)算出任意2個(gè)測點(diǎn)間的風(fēng)筒阻力參數(shù)后上傳至地面監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫。風(fēng)筒阻力異常分析模塊可實(shí)時(shí)調(diào)取風(fēng)筒阻力、百米風(fēng)阻、百米漏風(fēng)率等參數(shù)，繪制局部通風(fēng)三維可視化圖形，各段風(fēng)筒阻力參數(shù)對應(yīng)三維圖形相應(yīng)位置，風(fēng)筒阻力越大，對應(yīng)位置的顏色越深，實(shí)現(xiàn)風(fēng)筒阻力分布可視化。根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算測點(diǎn)段前后相鄰位置的風(fēng)筒阻力參數(shù)差，實(shí)時(shí)巡檢風(fēng)筒阻力參數(shù)大于前后相鄰測點(diǎn)段的位置，當(dāng)阻力參數(shù)差超過設(shè)置的異常閾值時(shí)，認(rèn)為存在風(fēng)筒阻力異常，快速定位阻力異常測點(diǎn)段并分析異常原因，提醒技術(shù)人員解決。

局部通風(fēng)沿程損失根據(jù)獲取的局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量Q、風(fēng)壓H、傳動(dòng)效率ηc、工作效率η，電價(jià)e，首末節(jié)風(fēng)筒風(fēng)量Q1，Q2，首末節(jié)風(fēng)筒靜壓p1，p2，首末節(jié)風(fēng)筒動(dòng)壓h1，h2進(jìn)行分析。局部通風(fēng)機(jī)有功功率為

(6)

單位時(shí)間局部通風(fēng)機(jī)用電費(fèi)用為

(7)

風(fēng)筒供風(fēng)段漏風(fēng)量為

Qs=Q1-Q2

(8)

風(fēng)筒供風(fēng)段風(fēng)壓損失為

hs=p1-p2+h1-h2

(9)

則風(fēng)筒供風(fēng)段沿程損失功率為

(10)

根據(jù)式(6)—式(10)建立局部通風(fēng)沿程損失動(dòng)態(tài)分析模型，全面分析局部通風(fēng)系統(tǒng)功耗損失。

4 風(fēng)量供需匹配分析

4.1 需風(fēng)量多元參數(shù)分析研判

按照掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量、二氧化碳涌出量、同時(shí)工作最大人數(shù)、爆破后有害氣體產(chǎn)生量等計(jì)算需風(fēng)量，取最大值Qmax，根據(jù)風(fēng)筒百米漏風(fēng)率、百米風(fēng)阻得風(fēng)筒全段的漏風(fēng)系數(shù)φ，則總需風(fēng)量為

Q′=(Qmax+Qs)φ

(11)

當(dāng)監(jiān)測的瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)，總需風(fēng)量需上調(diào)為

(12)

式中：c為瓦斯監(jiān)測濃度；c0為掘進(jìn)工作面最大瓦斯允許濃度。

再結(jié)合掘進(jìn)工作面溫度、粉塵等多元參數(shù)計(jì)算總需風(fēng)量。

4.2 局部通風(fēng)供需匹配分析

(13)

局部通風(fēng)需要的全風(fēng)壓為

(14)

(15)

式中：ε0為局部阻力系數(shù)；ρ0為風(fēng)筒出口處風(fēng)流密度；v0為風(fēng)筒出口處風(fēng)速。

依據(jù)以上計(jì)算得到局部通風(fēng)機(jī)最佳工況點(diǎn)，形成通風(fēng)機(jī)變頻特性下的工況耦合，制定最佳風(fēng)量供需匹配調(diào)控方案。

4.3 局部通風(fēng)智能調(diào)控規(guī)則

根據(jù)煤礦現(xiàn)場實(shí)測掘進(jìn)工作面瓦斯涌出規(guī)律，提出了基于瓦斯涌出量監(jiān)測和通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)風(fēng)稀釋瓦斯的局部通風(fēng)智能調(diào)控方案[14-16]，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面瓦斯涌出的動(dòng)態(tài)治理與風(fēng)量供需匹配調(diào)控。為了避免通風(fēng)機(jī)頻率調(diào)控過于頻繁，以h為單位進(jìn)行研判和調(diào)控。統(tǒng)計(jì)掘進(jìn)工作面瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)，設(shè)瓦斯涌出量最大值為W0,在通風(fēng)機(jī)頻率為f0、吸風(fēng)量為Q0的狀態(tài)下，以瓦斯體積分?jǐn)?shù)0.5%為日常管理預(yù)警值，0.5%Q0與W0的差值為通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)的富余量M0。定義當(dāng)前狀態(tài)下瓦斯涌出量最大值為WN，通風(fēng)機(jī)頻率為fN，后1 h的通風(fēng)機(jī)頻率初始值為fT。提出5種調(diào)控規(guī)則，滿足后1 h不同瓦斯涌出量的變頻自動(dòng)調(diào)風(fēng)稀釋需求。

(1) 風(fēng)量供需(下限)保持：如果當(dāng)前狀態(tài)下瓦斯涌出量增大值(WN-W0)∈[0,0.5M0]，則通風(fēng)機(jī)頻率fN=f0，后1 h通風(fēng)機(jī)頻率初始值fT=f0。

(2) 風(fēng)量不足調(diào)節(jié)：如果當(dāng)前狀態(tài)下瓦斯涌出量增大值(WN-W0)∈[0.5M0,0.9M0]，則通風(fēng)機(jī)頻率fN=f0，后1 h通風(fēng)機(jī)頻率初始值fT上調(diào)，其增加風(fēng)量可稀釋大于0.5M0的瓦斯涌出增量。

(4) 風(fēng)量供需(上限)保持：如果當(dāng)前狀態(tài)下瓦斯涌出量降低值(W0-WN)∈[0,0.9M0]，則通風(fēng)機(jī)頻率fN=f0,后1 h通風(fēng)機(jī)頻率初始值fT=f0。

5 通風(fēng)異常研判預(yù)警

5.1 局部通風(fēng)異常研判與預(yù)警分析

局部通風(fēng)異常研判與預(yù)警分析包括局部通風(fēng)故障決策支持、局部通風(fēng)故障預(yù)警2個(gè)部分。局部通風(fēng)故障決策支持依據(jù)日常監(jiān)測的局部通風(fēng)阻力參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)阻力異常位置和原因，快速診斷是否存在風(fēng)筒供風(fēng)段故障；依據(jù)日常監(jiān)測的風(fēng)筒段各測點(diǎn)靜壓，實(shí)時(shí)分析局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓降是否在合理范圍；依據(jù)日常監(jiān)測的局部通風(fēng)機(jī)振動(dòng)頻率和供電系統(tǒng)參數(shù)，運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)算法對局部通風(fēng)機(jī)和各種傳感器設(shè)備的健康狀況進(jìn)行診斷，確定最可能的故障原因，利用粗糙集理論的屬性約簡和遺傳算法提取局部通風(fēng)正常供風(fēng)狀態(tài)和故障狀態(tài)的特征樣本和前兆信息，建立局部通風(fēng)故障特征庫，利用支持向量機(jī)建立局部通風(fēng)故障決策規(guī)則，建立局部通風(fēng)故障決策模型，從而對局部通風(fēng)故障進(jìn)行提前預(yù)測。局部通風(fēng)故障預(yù)警根據(jù)監(jiān)測的故障前兆信息，及時(shí)與局部通風(fēng)故障特征庫進(jìn)行對比分析，如果存在匹配的前兆信息，則利用遺傳算法和粒子群優(yōu)化算法對基于支持向量機(jī)的故障預(yù)測模型和處理方案進(jìn)行快速選擇，得出最佳方案，并通過聲光報(bào)警器進(jìn)行預(yù)警，提醒工作人員及時(shí)處理。當(dāng)出現(xiàn)新的故障時(shí)，及時(shí)將故障樣本添加至故障特征庫，使其不斷更新完善。

局部通風(fēng)異常研判與預(yù)警流程如圖5所示。

圖5 局部通風(fēng)異常研判與預(yù)警流程Fig.5 Process of local ventilation abnormality diagnosis and early warning

當(dāng)局部通風(fēng)機(jī)發(fā)生異常(如風(fēng)筒破裂、風(fēng)阻變大、供風(fēng)不足等)時(shí)，系統(tǒng)可快速研判通風(fēng)異常狀態(tài)，并通過報(bào)警器對井上下人員進(jìn)行預(yù)警，提示快速檢修，減少掘進(jìn)工作面安全事故的發(fā)生。當(dāng)以太網(wǎng)通信正常時(shí)，地面監(jiān)控中心對獲取的局部通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算和快速研判，并給出通風(fēng)異常原因和位置，提供通風(fēng)異常解決方案。當(dāng)以太網(wǎng)通信異常時(shí)，各掘進(jìn)巷道的通風(fēng)參數(shù)監(jiān)測模塊將監(jiān)測值傳輸至當(dāng)前監(jiān)控分站，通過分站的通風(fēng)參數(shù)預(yù)處理程序?qū)Ξ?dāng)前掘進(jìn)巷道的通風(fēng)環(huán)境進(jìn)行精確計(jì)算和分析。

5.2 局部通風(fēng)機(jī)可靠性分析

采用支持向量機(jī)對局部通風(fēng)機(jī)可靠性進(jìn)行分析。定義局部通風(fēng)機(jī)可靠度R(t)(t為當(dāng)前時(shí)刻)為在規(guī)定條件([0,t]時(shí)間內(nèi))下完成規(guī)定功能的概率。

(16)

式中D(·)為系統(tǒng)故障密度函數(shù)。

局部通風(fēng)機(jī)不可靠度為

F(t)=1-R(t)

(17)

為研究特定時(shí)間內(nèi)局部通風(fēng)機(jī)的瞬時(shí)故障率，設(shè)局部通風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行到某一時(shí)刻尚未發(fā)生故障，但此刻發(fā)生故障的潛在概率為

(18)

平均故障間隔時(shí)間為

(19)

可見局部通風(fēng)機(jī)運(yùn)行可靠度、不可靠度、潛在故障率、平均故障間隔時(shí)間之間具有緊密聯(lián)系，若已知其一，則可求解其他量。

6 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證

某煤礦203膠帶運(yùn)輸巷掘進(jìn)長度達(dá)5 000 m，配備2×55 kW局部通風(fēng)機(jī)，在掘進(jìn)初期制定了局部通風(fēng)強(qiáng)化管理方案。前3 000 m采用某新型拉鏈?zhǔn)斤L(fēng)筒來降低風(fēng)阻及漏風(fēng)量，按照圖4在風(fēng)筒上每隔200 m打孔，便于插入皮托管，同時(shí)配置封堵膠帶。采用JFY-4通風(fēng)多參數(shù)檢測儀，同時(shí)測量風(fēng)筒內(nèi)動(dòng)壓、靜壓、風(fēng)速、溫度、濕度等參數(shù)，按照GB/T 15335—2019《風(fēng)筒漏風(fēng)率和風(fēng)阻的測定方法》每天測量1次，取連續(xù)3次測量結(jié)果的平均值，計(jì)算風(fēng)筒百米風(fēng)阻和百米漏風(fēng)率。采用皮托管測量風(fēng)筒動(dòng)壓，按照管內(nèi)流體平均風(fēng)速圈理論，確定皮托管垂直逆向插入風(fēng)筒的位置，為距離風(fēng)筒壁面0.140 m處(風(fēng)筒風(fēng)流環(huán)點(diǎn)4位置),如圖6所示。鑒于圓柱形特點(diǎn)，只限制皮托管垂直插入長度。

圖6 風(fēng)筒平均風(fēng)速測量點(diǎn)及測量儀Fig.6 Average speed measuring point in air duct and measuring instrument

為分析風(fēng)筒內(nèi)通風(fēng)參數(shù)隨風(fēng)筒長度遞減規(guī)律，計(jì)算掘進(jìn)工作面風(fēng)筒內(nèi)參數(shù)沿程分布、漏風(fēng)規(guī)律，并對現(xiàn)場測量結(jié)果進(jìn)行殘差分析和非線性擬合，結(jié)果如圖7所示。從圖7看出，前3 000 m風(fēng)筒動(dòng)壓、風(fēng)速、計(jì)算風(fēng)量均呈緩慢下降趨勢，后1 800 m 3條參數(shù)曲線斜率明顯加大，說明拉鏈?zhǔn)斤L(fēng)筒漏風(fēng)率低，風(fēng)筒長距離通風(fēng)效果好。根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，按照GB/T 15335—2019計(jì)算得前3 000 m拉鏈?zhǔn)斤L(fēng)筒百米風(fēng)阻為1.808 595 212 N·s2/m8，百米漏風(fēng)率為0.000 965 371，后1 800 m常規(guī)風(fēng)筒的百米風(fēng)阻為1.901 383 614 N·s2/m8，百米漏風(fēng)率為0.001 159 0。計(jì)算結(jié)果表明拉鏈?zhǔn)斤L(fēng)筒能夠有效保障長距離掘進(jìn)通風(fēng)有效風(fēng)量，降低沿程風(fēng)阻，提高通風(fēng)效能。通過人工監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了局部通風(fēng)智能調(diào)控系統(tǒng)相關(guān)計(jì)算方法，通過計(jì)算可實(shí)時(shí)研判漏風(fēng)率和異常漏風(fēng)情況，為礦井局部通風(fēng)智能調(diào)控系統(tǒng)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖7 掘進(jìn)工作面通風(fēng)參數(shù)擬合曲線Fig.7 Ventilation parameter fitting curves of heading working face

7 結(jié)語

針對局部通風(fēng)系統(tǒng)智能化建設(shè)問題，設(shè)計(jì)了局部通風(fēng)智能調(diào)控系統(tǒng)，提出了風(fēng)筒風(fēng)量和局部通風(fēng)系統(tǒng)功耗計(jì)算方法，采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行局部通風(fēng)異常研判和預(yù)警分析，并通過統(tǒng)計(jì)掘進(jìn)工作面瓦斯涌出規(guī)律，提出了基于瓦斯涌出量監(jiān)測和通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)風(fēng)稀釋瓦斯的智能調(diào)風(fēng)方案，建立了5種調(diào)控規(guī)則，以滿足風(fēng)量供需匹配需求。以某礦掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)為例，實(shí)測了風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)壓、風(fēng)量等參數(shù)的沿程分布、漏風(fēng)規(guī)律，計(jì)算得前3 000 m拉鏈?zhǔn)斤L(fēng)筒百米風(fēng)阻為1.808 595 212 N·s2/m8，百米漏風(fēng)率為0.000 965 371，后1 800 m常規(guī)風(fēng)筒的百米風(fēng)阻為1.901 383 614 N·s2/m8，百米漏風(fēng)率為0.001 159 0。通過人工測量驗(yàn)證了局部通風(fēng)參數(shù)計(jì)算方法，為局部通風(fēng)異常研判提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。