矿井通风系统风流参数动态监测及风量调节优化

邢亮亮

（长治市煤矿技术服务中心， 山西 长治 046000）

引言

随着煤矿企业开采程度的增加，煤矿作业环境越来越复杂，在这种形势下，加强对煤矿井下通风系统的安全管理已经成为越来越重要的工作。通过对风流量参数的动态监测，适当调节风量，使其达到最优效果对煤矿现场通风稳定运行具有重大的意义。

1 风流参数动态监测

为了能够获取矿井通风系统的风流参数，可以通过矿井通风监控系统，利用所检测到的巷道风量以及巷道两侧的风压差值，计算得到横道的通风风阻数值。现行的矿井管理相关规定只针对其中的设计做出了基本规范，但是没有监控系统中针对通风检测具体布局进行的具体规定，为了能够获得矿井通风系统准确数值，需要进行通风监测整体布局的详细规划，在这些详细规划当中最为重要的部分就是对风量参数检测传感器的安装位置的选择。

1.1 系统总体构架

本文设计的风流参数动态监控基于C/S网络进行开发的，开发了基于服务器的SQLServer数据库系统，作为整个监测系统的数据存储以及模型参数存储，利用Visual C++开发了整个系统的应用部分，系统整体界面开发较直观，方便使用[1]。

在系统应用环节，为了能够对现场图像进行综合处理，采用图像处理技术对监控系统进行开发设计，同时利用Map Objects软件中的图形编辑功能，保证系统开发的高效稳定，如图1所示为本文开发的系统结构图。其整体结构主要分为三层，分别是数据层、中间层以及界面层。数据层为系统提供数据库，进行当前状态判断，中间层实现数据的处理，界面层实现与用户的互动。

图1 系统结构图

1.2 风量监测系统优化布置

1.2.1 监测分站布置

矿井风量的监测是通过监测传感器以及后台设备完成的，作为两者之间的联系是通过监测分站来完成的。在监测系统中由于费用较高，需要针对监测分站进行优化布局。通常对于监测系统的布置选择在需要进行密集监测的地方，同时考虑到供电以及后续维护的便利，还不能造成通行阻碍，监测分站与监测主机之间的传输最远可以达到10 km，而监测分站与监测传感器之间可以实现不超过2 km距离的通信传输[2]。

1.2.2 传感器优化布置

针对矿井的风流参数主要需要监测的参数包括如下几个方面：巷道风速、巷道风压以及环境中的瓦斯气体浓度。根据矿井安全生产相关规定，针对矿井中的通风监测使用的传感器需要遵循以下原则进行布置：主通风机系统需要进行压力传感器对通风机风压进行检测；在比较短的水平巷道可以不进行风压检测；但是针对风阻变化范围较大的巷道需要进行风压检测；风压检测传感器需要安装在支护良好的位置，并且应选择在与风流交汇点以及拐点距离3～8倍的位置进行安装；针对测量巷道风速的传感器选址同样遵循上述原则。

1.2.3 线缆布置

监测分站以及风流量检测传感器位置确定以后，两者之间需要利用线缆进行连接。监测分站的布置受到众多因素的影响，比如监测参数、监测位置以及监测范围等，导致了监测分站与各传感器之间的连接需要不同的线缆，因此在进行前期设计时需要严格按照设计需求进行线缆选择。

1.3 风流参数监测程序

随着煤矿的不断开采，矿井通风网络不断发生变化，导致风流参数的测定同样发生变化，为了能够保证矿井安全生产，需要针对矿井通风系统进行动态数据的采集，掌握矿井通风网络的状态。在制定矿井通风系统风流参数监测程序的主要流程归纳如下：

1）设备选址。建立矿井通风模型模拟计算出巷道风阻，根据计算结果进行矿井通风系统风流参数监测分站、传感器以及线缆布局的规划；

2）数据采集。通过风流参数各种数据检测传感器获取矿井通风系统风流量参数的实时数据，通过线缆将数据传输到监测分站，监测分站将数据汇总发送到系统后台，对当前数据进行分析判断；

3）数据处理。系统后台对数据记性分析，调用数据库参数与当前数据进行比对，判断当前状态，并根据判断结果做出相应动作；

4）结果显示、存储。系统后台将数据发送到显示系统进行显示，提醒操作人员进行相关操作，并将数据进行实时存储，方便后续查看[3]。

2 通风系统的风量优化

为了维持井下通风系统的安全、稳定运行，需要针对通风系统进行适当的调节，而调节的参照主要是根据上述通风系统实时参数监测得到的数据，通过系统进行通风系统的调节优化，使得通风系统处于最佳的工作状态，使井下环境更加安全、可靠，运行更加经济。

2.1 风量优化模型

现代煤矿井下通风网络十分复杂，这使得建立矿井风量优化调节模型具有很大的难度，为了能够充分体现通风系统的结构并减少计算量，本文针对通风系统进行如下假设：将通风系统的风流当作理性流体，也就是其性质与温度、压强变化无关；通风系统流动的风流为紊流状态下的定常流动；通风系统中的自然风压力不发生变化。通过如上三点假设，进行了分析模型的建立，同时需要确定通风系统的边界条件，主要是各个位置允许的风速以及风量的范围值。

在对通风系统进行优化的过程中，同时需要考虑到安全性以及经济性，所以在进行风阻调节的过程，需要对风量调节装置的安装位置进行考虑，并且需要满足《煤矿安全规程》中关于巷道中固定位置允许风速的要求。如表1所示为具体规定值，以保证矿井通风的稳定、安全。

表1 井巷允许通风风速 m/s

2.2 风量优化约束条件

在进行矿井通风风量的优化过程中，需要根据通风系统的相关约束条件进行模型的分析，主要的约束条件包括：巷道的风速限定、现场通风系统风阻、特定地点的风量需求限定值、可以进行调节的风阻范围，利用回路风压平衡进行分析计算，最终的优化目标是实现调节过程中改变设备状态最小化，实现总消耗能量最小化，根据分析模型以及上述约束条件和优化目标，可以实现优化结果计算的自动生成。

3 结语

矿井通风系统运行可靠性是保证煤矿企业生产安全以及煤矿可持续开采的必要条件，是煤矿企业必须重视的环节。为了能够实现通风系统的优化，通过风流参数进行实时监控，获取所需要的动态参数，建立矿井通风系统优化模型，根据实时监控数据对模型进行计算，并根据分析结果对现场通风系统进行调节，实现矿井井下通风系统的优化，为实现矿井通风系统的优化调节提供了参考。