庞庞塔煤矿精确测风系统的研究与应用

刘学良

(霍州煤电吕临能化公司 庞庞塔煤矿，山西 临县 033200)

通风系统是整个矿井生产系统的关键部分之一，直接关系到矿井的安全生产，全面、及时、准确地掌握通风监测数据是解决矿井一系列通风问题的前提基础。目前，大部分矿井采用的人工测风方式效率不高，通风问题发现不及时，而且测量值误差较大，因此通风系统当中的漏风监测处理、调风控风优化、通风能效管理等诸多难题长久以来难以有效解决。随着计算机信息技术的不断发展，结合煤矿通风专业特点，研发安全可靠、经济实用的矿井精确测风系统能够提高通风系统的稳定性和安全性，达到矿井安全生产的目的[1]。

1 煤矿精确测风系统

1.1 系统构成

煤矿精确测风系统包括硬件、软件两大部分，其中硬件部分由系统当中的超声波探头、风速仪、防爆电源、三通、井下交换器、监测系统主站及服务器等仪器设备所构成；软件部分是为实现矿井风速、风量等数据显示、回看及异常情况报警功能而设计的相关软件系统。

煤矿精确测风系统架构如图1所示。

图1 煤矿精确测风系统架构示意

1.2 系统设备

风速仪采用YFC15型煤矿用风速仪，每套风速仪由一个主机和两个超声波测风探头组成，负责数据采集、暂存、显示、传输等功能的实现。

监控系统主控站采用IPC610型工控机，负责监测数据管理等功能的实现。

监控系统服务器采用RH2288H-V3型服务器，负责数据分析处理、信息发布等功能的实现。

客户端可以实现通风业务网络化办公，能够运行智能通风系统网络版，查询实时风网运行情况，并对通风系统三维数据进行整理及显示。

1.3 系统功能

矿井各个测点所布置的超声风速仪对井下相关通风数据进行实时采集，再通过井下交换机利用矿井井下环网将采集到的通风相关数据传输到系统前置机，然后利用地面局域网将系统前置机接收到的数据传输到监测系统数据库，最后通过系统软件实现对通风数据的分析、回看、报警等相关功能。

1.3.1 精确测风

煤矿精确测风系统能够实现井下各巷道风速和风量的实时、准确获取。利用超声波风速仪精确测量风速，结合矿井通风监控系统的实时数据，进行通风解算，提供每一条巷道的当前准确风速和风量。

1.3.2 及时报警

煤矿精确测风系统通过对通风数据的实测、推演和解算，从而及时发现异常并发出警报，包括对通风系统当中的风量、风速、风向不确定性、有毒有害气体等异常情况进行自动报警，并且还可以在系统报警之后对异常情况发生位置及相关数据进行回看查询，从而提高通风系统的稳定性和安全性。

2 煤矿精确测风技术

煤矿精确测风系统能够准确处理数据的前提是所采集通风数据的准确性，若所采集到的数据精确度较差或者数据错误，即使所采用的算法再先进，那么系统也无法实现精确测风，因此，本次煤矿精确测风系统采用超声波精确测风技术对通风数据进行采集[2]。煤矿精确测风技术原理如图2所示。

图2 煤矿精确测风技术原理

如图2中的点测风所示，常规的矿井监测探头通常布置于巷道顶板正中央位置向下20 cm的位置处，其所采集到的风速为该巷道位置处的“点风速”，而以该位置处的“点风速”来表示该巷道的平均风速明显有失偏颇。如图2中的超声扫描测风所示，精确测风技术改变了常规测风方式，以大距离超声测风技术测量巷道中线风速来代表整个巷道的平均风速，提高了巷道风速测量的准确性和实时性[3]。

超声波风速仪利用时差超声测速理论，通过超声波在风流当中顺、逆两个方向的相同传播距离具有时间差异的规律，这一传播的时间差异同风速有关，从而利用这一规律可以计算风速。超声波风速仪的传感器采集风速信号时，采用两个超声波探头，然后通过其主控板对风速信号进行计算处理后得到精确的风速数据，最后利用井下交换机、井下环网、系统前置机、地面局域网等将风速数据传输到监测系统。

超声扫描测风技术风速计算原理，如图3所示。

图3 超声扫描测风技术风速计算原理

超声扫描测风技术风速计算公式如式(1)所示[4]：

(1)

式中：V表示风速，m/s；L表示超声波发射路径，也就是风速仪的测量距离，m；α表示超声波发射方向同巷道风向之间的角度，°;tab表示超声波顺风时间，s；tba表示超声波逆风时间，s。

3 测点布置及设备安装

3.1 测点的布置

测点布置遵循以下几个原则：①能够实时监测矿井总进风量、总回风量；②能够对矿井各采区进风、回风的总风量进行动态监测；③能够动态监测各回采、掘进工作面的用风情况；④能够动态监测重点部分的用风情况[5]。

根据上述测点布置原则，结合庞庞塔煤矿通风系统图及现场环境，初步设定测风点50+1(1个机动点)个，具体布设方案如表1所示。

表1 庞庞塔煤矿精确测风系统测点布置统计

3.2 测点超声风速仪的安装

1) 超声风速仪需在地面运行测试，仪器的各项指标监测合格后再到井下现场使用。

2) 风速仪布置在支护完整、无滴水、无杂物堆积的巷道当中，在安装时加装风速仪支架，使其与巷道底板之间的高度≥300 mm。

3) 风速仪超声波探头必须固定在支护完整、无滴水、无杂物堆积的巷道中线齐平位置，且两个探头连线与巷道方向夹角为45°。

4) 在掘进、回采工作面的进风、回风巷当中安装风速仪时，应使其与巷道口的距离保持在10～15 m。

5) 在机电硐室的进风侧当中安装风速仪时，应使其与机电硐室的距离保持在5 m范围内。

6) 总进风、总回风及采区进风、采区回风巷在能控制区域总进、总回的地点安装风速仪。

7) 监测电缆与高压电缆尽量不要布置在同一侧，在现场必须同侧布置时，两者之间保证300 mm的间距，并且平直吊挂在其他电缆的上方位置。

8) 在风速仪开机预热15 min之后调试相关设备，当各个设备均正常运行后，将风速仪联网并跟踪测量精度。

3.3 运行效果

2020年8月底，煤矿精确测风系统在庞庞塔煤矿井下安装试运行，通过人工测风方法分别对+750 m水平南翼一号胶带巷、5号煤胶带上山、9-8011巷、+750 m水平南翼一号辅运巷、+750 m南翼辅助运输大巷等5个精确测风系统布置的测风点进行为期一个月的跟踪测风，并将所测风量与精确测风系统对应的数据进行对比，两者数据误差在0.03%～0.11%之间。因此，通过人工测风方法验证表明，煤矿精准测风系统具有良好的精确性。

4 结 语

通过庞庞塔煤矿精确测风系统的实施，实时准确掌握井下风速、风量的变化，并对风量异常情况及时报警，从而提高通风系统的稳定性和安全性，保证了矿井的安全生产。