无线传感器网络在矿井通风中的设计及风量算法

闫加强

（沁和能源集团有限公司 候村煤矿，山西 晋城 048205）

无线传感器网络在矿井通风中的设计及风量算法

闫加强

（沁和能源集团有限公司 候村煤矿，山西 晋城 048205）

矿井通风设计是保证煤矿安全生产的重要环节,无线传感器网络的检测技术用到矿井通风设计中势在必行。根据山西麦怡源煤业有限公司井田结构，介绍了无线传感器网络的系统结构和硬件构成，并给出了风量计算公式，形成一个可靠高效的网络检测传输系统。

无线传感器网络；矿井检测；通风量算计

山西麦怡源煤业有限公司井田，位于清徐县马峪乡程家坪、麦地掌村及古交市邢家社乡陈家社村一带；井田位于吕梁山脉中段东翼西山含煤盆地东南角，地势总体西北高、东南低，属低－中山地形。作为一座集当代网络技术、通信技术、控制技术于一体的矿井，火灾报警系统、安全防范系统、广播系统是其不可缺少的组成部分。

1 无线传感器网络

无线传感器网络属于新兴的测控网络技术，能够自主实现数据的采集、融合、传输的智能化，它综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、现代网络技术、无线通信技术、分布式智能信息处理技术等。它由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，能够协作地感知、采集、处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络的这些特点使其适合于煤矿生产中对矿井环境的监测。

1.1 系统结构

用于矿井环境监测的无线传感器网络，基本由传感器节点和中心节点组成，不同的监测区域均有中心节点，每个中心节点负责处理本区域内的传感器节点传送过来的无线数据，而基站模块负责接收来自各个中心节点发出的无线信号，基站模块最终接入互联网，使得无线传感器网络信息能被远程终端访问，系统结构见图1。

图1 无线传感器网络系统结构

1.2 硬件设计

矿井通风设计是保证煤矿安全生产的重要环节，必须周密考虑，精心设计、力求实现预期效果。故在矿井的不同位置安装不同的传感器，检测甲烷、二氧化碳、温度、风速的不同指标，从而算出实际所需风量。见图2。

图2 矿井的传感器模块

2 风量计算

《煤矿安全规程》：采区回风道、采掘工作面回风道中，甲烷和二氧化碳浓度不得超过1%，采掘工作面的空气温度不得超过26℃；采掘工作面的进风流中，按体积计算，氧气不得低于20%，二氧化碳不得低于0.5%。因此采区回风道、采掘工作面回风道安装瓦斯传感器，采掘工作面安装温度，风速传感器。通过这些传感器检测矿井的实际参数值。

根据《煤矿安全规程》，矿井需要的风量按下列要求计算，并选取其中的最大值：

（1）按井下同时工作的最多人数计算，每人每分钟供风量不得少于4 m3。矿井的总风量为：

式中：N为井下同时工作的最多人数，人；4为每人每分钟供风标准，m3/min；K为矿井通风系数，取1.2。

（2）按采煤工作面、掘进工作面、硐室及其它地点实际需要风量的总和计算：

式中：Qm为矿井总风量，m3／s；ΣQwt为采煤工作面实际需要的风量总和，m3／s；ΣQht为掘进工作面实际需要风量的总和，m3／s；ΣQrt为硐室实际需要风量的总和，m3／s；ΣQot为其它用风地点所需风量的总和，m3／s；Km为矿井通风系数，取1.20。

2.1 采煤工作面实际需要风量计算

2.1.1 按瓦斯涌出量计算

根据带区巷道布置，矿井达产时，其生产能力为1.2 Mt／a，井下布置一个综采工作面，两个掘进工作面，02号煤矿井CH4相对涌出量为14.24 m3/t，属于高瓦斯矿井。采煤工作面需要的风量应按瓦斯涌出量、回采工作面温度计算，然后按风速验算。

02号煤层：工作面产量按1.2 Mt/a设计，根据瓦斯相对涌出量，工作面需要进行瓦斯抽放，抽放率按50%考虑，经计算抽放后回采工作面瓦斯相对涌出量为7.12 m3/t。则回采工作面CH4绝对涌出量按下式计算：Qgw=(回采工作面日产量×CH4相对涌出量)／(60×工作面生产时间)。02号煤层一个回采工作面日产量为：3 840 t／d；按每日2班生产，则工作面生产时间按16 h考虑；Qgw=28.48 m3/min.

式中：Qw为采煤工作面需要风量，m3/min；Qgw为采煤工作面瓦斯绝对涌出量，m3/min；kgw为采煤工作面因瓦斯涌出不均匀的备用风量系数，机采取1.2～1.6。

2.1.2 按回采工作面进风流温度计算：

式中：Qw为采煤工作面所需风量，m3／s；vwi为回采工作面适宜风速，取0.6m/s；Swi为回采工作面平均有效断面，为16 m2；Kwi为工作面长度系数，取1.2。

则：Qc＝691.2 m3/min.

2.1.3 按工作人数计算

式中：nc为采煤工作面内同时工作的最多人数,为20人。则：Qc=4×20=80 m3/min.

2.1.4 按风速验算

根据《煤矿安全规程》，回采工作面最低风速为0.25 m/s，最高风速为4 m/s的要求进行验算：

工作面最大风量为3 417.6 m3/min，最高风速为3.56 m/s，符合《煤矿安全规程》中关于综采工作面最大风速的规定。取上述计算最大值，Q采=3 417.6 m3/min.

2.2 掘进工作面实际需要风量计算

2.2.1 按CH4涌出量计算：

式中：Qhi为掘进工作面的需风量，m3/min；Qghi为综掘工作面CH4绝对涌出量，m3/min；Kghi为掘进面瓦斯涌出不均匀的风量备用系数，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 按局扇的实际吸入风量计算

式中：Qhi为掘进工作面同时运转的局扇额定风量的和，取400 m3/min；khfi为防止局部通风机吸循环风的风量备用系数，取1.2。

则：Qj=400×1.2=480 m3/min.

2.2.3 按人数计算

式中：nhi为掘进工作面内同时工作的最多人数，20人。则：Qhi=4×20=80 m3/min.

2.2.4 按风速验算

按《煤矿安全规程》，煤巷掘进工作面的风量应满足:

式中：Shi为掘进工作面巷道过风断面，m2。

计算结果取上述计算最大值，Qj=529.2 m3/min

2.3 硐室实际需要风量

消防材料库为150 m3/min；中央变电所取150 m3/min；∑QD＝150＋150＝300 m3/min.

2.4 其它用风地点风量

其它用风地点风量，取采煤、掘进、硐室风量的4%。则：

根据以上计算方法，取其最大者，确定矿井的总风量102 m3/s.

3 矿井通风系统和风量分配

3.1 通风方式

根据开拓部署，矿井采用带区式通风方式。主扇的工作方式采用抽出式，采用分区式通风。

3.2 通风系统和风量分配

（1）通风系统。矿井通风方式为中央并列式通风，由主.副井进风，通过运输大巷、轨道大巷，经由联络巷或者绕道进入采区的运输顺槽与下一区段的回风顺槽后，经过采区回风.运输顺槽冲洗工作面后，经由回风巷回风顺槽至回风大巷，再由回风井排至井外。

（2）风量分配。将矿井总风量分配到井下各用风地点：综合工作面57 m3/s；综掘工作面9 m3/s×2=18 m3/s；硐室实际需要风量：6m3/s；其他 21m3/s。

4 结束语

本文介绍了无线传感器网络在矿井环境监测中的系统结构、网络节点硬件结构、用于矿井监测的网络拓扑结构；本文提出了无线传感器网络矿井监测系统，并给出了通风量的计算分配，对于提高煤矿的安全生产能力和管理水平具有实用价值。

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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

编辑：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

闫加强（1967—），男，山西沁水人，大学本科，从事采矿工程通风工作。