矿井通风网络风流参数的动态监测及优化

周志翔

（潞安集团五矿，山西 阳泉 045000）

引言

随着煤矿开采深度和强度的不断增加，矿山压力、工作面瓦斯含量、矿井通风阻力以及巷道的复杂程度、通风线路的长度等均演变的更为复杂。就通风系统而言，其主要功能是降低工作面的瓦斯含量，保证工作面温度、湿度等参数满足生产需求。也就说，通风系统需根据现场情况对通风机进行调整控制，而其控制依据主要为巷道的通风量、风阻分布以及通风机工况[1]。因此，实现对矿井通风网络风流参数的动态、精准监测对工作面风量的合理分配和通风机运行工况的调节具有重要意义。本文将着重对潞安集团五矿通风网络风流参数进行动态监测和优化。具体阐述如下：

1 矿井通风网络风流参数监测设备选址及动态监测

目前，基于先进传感器、通信技术、计算机控制技术和数据处理技术，煤矿对应的监测监控系统也日趋成熟，对于保证煤矿安全、高效生产具有重要作用。基于矿井普通的监测监控系统可获取通风网络的基本风流参数。但是，由于各类传感器的布置需根据矿井实际情况开展，由于传感器布置不合理导致风流参数的监测结果不准确，进而无法实现对通风系统的有效控制，达不到优化工作面的风量分配、降低工作面风阻的目的。为方便开展研究，将通风网络监测设备转化为监测网络[2]。

1）将监测监控系统中的分站和中心站均转化为节点，将分站、中心站以及各级监测设备转化为分支；

2）根据矿井实际监测点与传感器的实际距离设定监控线缆的长度；

3）为保证监测结果的准确性和降低模型的复杂程度，将工作面巷道的密度及矿井自然风压设定为固定值。

1.1 矿井通风网络风流参数监测分站及线缆的优化布置

1.1.1 监控分站的优化布置

监控分站位于现场监测传感器与监测主站的线路中间，负责对现场参数数据的获取、对所获取的数据进行临时处理和传递，并对相关设备进行控制。结合监测分站布置的成本考虑和现场空间小需为行人和运输提供充足空间的要求，将监控分站布置于机电硐室、采掘工作面周边的变电所以及风机房等。一般的，监测分站与现场监测传感器之间的距离不得大于2 km；监控分站与其他监控分站和监控主站之间的距离不得大于10 km。

1.1.2 监控总线的优化布置

监控分站与监控主站之间采用总线进行通信。目前可监控总线的布置方式包括有星形、环形、树形以及全部互连等结构。其中，星形通信总线可靠性差；树形通信总线造价成本较低、线路短；环形通信总线的通信数据量小；全部互连监控总线可靠性高、通信速度快，但造价成本较高[3]。

监控总线优化布置的关键原则为通信线路不得大于10 km。综合对比监控总线的布置方式，本方案选用树形结构，如图1所示：

图1 监控总线树形布置线路

1.2 监测传感器的优化选址

监测传感器包括有风流压差传感器和风速传感器。根据《煤炭安全规程》和《煤矿监控系统总体设计规范》，监测传感器选址时需遵循如下原则：

1）必须在通风机风硐的通风压力进行监测，即在此位置必须安装一套风流压力传感器；

2）若实际工作面的巷道长度较小，为保证实际监测结果的准确性和有效性，风流压力传感器的布置密度不要过大；

3）针对工作面通风阻力处于动态变化且变化幅度较大的巷道，必须安装风流压差传感器；

4）保证安装传感器巷道前后3 m的位置进行良好的支护[4]。

为精准测量巷道内通风网络的压力分布情况，结合上述优化选址原则和成本控制的基础，将风流压差传感器布置于该工作面主通风机的风硐室内。

为保证对矿井通风巷道风速的精准监测，本节将基于可变模糊理论搭建指标体系结构模型实现对风速传感器的优化布置。风速传感器选址对应的指标体系如图2所示：

图2 风速传感器选址理论体系模型

2 矿井通风网络风流参数动态监测实例

本文以该矿为例开展通风网络风流参数动态参数研究，该矿的生产能力为2.8 Mt/年，煤层厚度范围为0.9~3.2 m，煤层平均厚度为2 m；煤层倾角范围为18°~23°，煤层平均倾角为21°。经现场勘测，该矿井外丝的绝对涌出量为116.32 m3/min，相对瓦斯涌出量为72.91 m3/t。目前，矿井分布两个产区，所采用的通风方式为多风井分区抽出式通风，每个综采工作面所配置主通风机的具体参数如表1所示：

表1 综采工作面配置主通风机参数

结合上述的监控分站的布置原则，该煤矿共布置有24个监控分站，包括有在轨道上山下端、排矸巷、轨道斜井联巷、回风巷道、石门巷道、进风平硐等[5]。监控系统中所布置主要传感器为风流压差传感器和风速传感器，根据煤矿实际情况在1号和2号采区共布置7个风流压差传感器和并在原177个风速传感器的基础上增加44个风速传感器，总计228风速传感器，且风流压差传感器布置位置和监测目的如表2所示：

表2 风流压差传感器布置位置及目的

结合对矿井通风网络风流参数进行精准监测后，为通风系统风量调节提供依据，进而为通风机控制系统的控制策略进行优化，优化前后通风系统的参数对比如表3所示：

表3 通风系统优化后参数对比

如表3所示，基于通风网络风流参数监测结果对通风系统控制系统策略进行优化，采区的风压降低，风量增加，满足工作面的通风需求且能耗降低。

3 结语

通风系统作为综采工作面的“肺”，肩负降低工作面瓦斯浓度以满足《煤炭安全规程》的相关要求，确保了工作面温湿度最佳，保证作业人员工作的舒适程度。为保证通风机控制系统能够满足通风机的最佳运行状态，需结合工作面通风网络的实时风流参数为控制系统提供控制依据。实践表明，基于通风网络风流参数监测结果对通风系统控制系统策略进行优化后，采区的风压降低，风量增加，满足工作面的通风需求且能耗降低。