矿井通风监测与动态分析预警技术研究

矿井通风监测与动态分析预警技术研究

作为煤矿生产系统的重要组成部分，该系统在采矿安全生产中发挥着重要作用。但目前对全矿井通风系统状况的监测缺乏高效的技术手段,一般采用人工测风的方式,每旬对全矿的主要通风巷道及用风地点进行一次风量检测,该方式速度慢、效率低、周期长,不能实时掌握井下各巷道的通风状况,相关隐患也不能被及时发现。研究通风系统在线监测及动态分析预警技术,为矿井通风可靠提供技术保障,对预防事故发生具有重要意义。1风压ns1m8将风流在巷道中的流中视为一维流体流动,即在巷道断面内,风流性质是均匀的,在非稳定条件下,在巷道i内的空气流动符合以下流体动量方程。ρiLidvidt=Hi+Ri|Qi|Qi−ρigZi−hfi(1)ρiLidvidt=Ηi+Ri|Qi|Qi-ρigΖi-hfi(1)式中,ρi为巷道i内的空气密度,kg/m3;Li为巷道i的长度,m;dvi/dt为巷道i内空气加速度,m/s2;Hi为巷道i的通风阻力,Pa;Ri为巷道i的摩擦风阻,N·s2m8;Qi为巷道i的风量,m3/s;g为重力加速度,9.8m/s2;Z为巷道i两端高程差,m;hfi为巷道i上安装的风机压力,Pa;令Ki=ρiLi/Ai,其中Ki为巷道i的惯性系数,Ai为巷道i的断面面积,m2。得一维流体动量方程为:Hi=Ri|Qi|Qi+KidQidt+ρigZi+hfi(2)Ηi=Ri|Qi|Qi+ΚidQidt+ρigΖi+hfi(2)假设巷道i内风量在Δt时间内变化是均匀的,已知初始时刻巷道i的风量Q0i,则有dQi/dt=(Qi-Q0i)/Δt,代入式(2)得:Hi=Ri|Qi|Qi+KiQi−Q0i△t+ρigZi+hfi(3)Ηi=Ri|Qi|Qi+ΚiQi-Q0i△t+ρigΖi+hfi(3)根据回路风压平衡定律,得到非稳态条件下的回路风流方程为:Σi=1n(Ri|Qi|Qi+KiQi−Q0i△t+ρigZi)+hfi(4)Σi=1n(Ri|Qi|Qi+ΚiQi-Q0i△t+ρigΖi)+hfi(4)由泰勒级数的近似展开式可以导出回路修正值ΔQ的计算公式为:△Q=Σi=1n(Ri|Qi|Qi+KiQi−Q0i△t+ρigZi)+hfiΣi=1n(Ri|Qi|+Ki△t)(5)△Q=Σi=1n(Ri|Qi|Qi+ΚiQi-Q0i△t+ρigΖi)+hfiΣi=1n(Ri|Qi|+Κi△t)(5)2通风系统监控2.1风速、风压传感器的设置在采区的部分在通风网络中关键分支上安设风流状态传感器,监测所在巷道分支的风流状态,利用动态网络解算,求解出风网中其它巷道的通风状况。目前可利用于通风风流状态监测的传感器有风速传感器、风压传感器、温度传感器等,因温度在矿井下同一地点的变化幅度不大,对通风网络解算的影响较小,所以可以重点考虑安设风速、风压传感器,只在温度变化幅度较大的地方才安设温度传感器。风速、风压传感器应安设在矿井、采区的主要进、回风巷道及用风地点的回风巷内,尽量选在风流状态变化幅度较大的地点。在主要进风和回风巷道间联络巷风门两侧安设风流差压传感器,由于控制范围较大,在实际应用中具有更好的效果。角联分支对矿井通风系统变化较敏感,在角联巷道中安设风压传感器,可较容易地捕捉到通风系统灾变情况。在通风网络中,安设风机、风速传感器、风压传感器的巷道应为独立分支巷道,所安设风机和传感器的巷道总数应少于独立分支总数,即当通风网络中分支总数为B,节点总数为J时,安设风机和传感器的巷道分支总数应<M=B-J+1。2.2工作面风力检测采掘工作面是井下主要用风地点,也是人员相对集中的区域,其安全可靠性应进行实时监测。在回采工作面回风巷安装风速传感器,监测工作面风量变化;在运输巷、回风巷分别安装静压管,并用胶皮管连至风流差压传感器,监测工作面的通风阻力;利用监测到的通风阻力和风量,可以计算得到工作面的摩擦风阻,如图1(a)所示。在掘进工作面回风巷安装风速传感器,监测工作面风量变化;在防突风门内、外侧分别安设静压管,用胶皮管连至风流差压传感器,监测风门两侧的压差,如图1(b)所示。3动态分析报告3.1风压传感器关联解算将通风网络中所有巷道分支按关联设备类型分为风机巷道、风量监测巷道、阻力监测巷道和普通巷道等4种类型。将装有主要通风机的巷道设为风机巷道,与对应的主要通风机关联,利用风机性能曲线参与解算;将安设风速传感器的巷道设为风量监测巷道,与对应的风速传感器关联,利用实时监测的风速值和巷道断面面积计算得到的风量参与解算;将安设风流差压传感器的巷道设为阻力监测巷道,与对应的差压传感器关联,利用实时监测的风流压差作为分支通风阻力参与解算;其它巷道设为普通巷道。在进行回路生成时,风机巷道、风量监测巷道和阻力监测巷道应作为独立分支处理。进行网络解算时,程序启动后第1次解算应采用静态解算的方式解算通风网络中各分支的分量,即在解算过程中令Ki=0,忽略惯性阻力项,解算结果作为下一迭代过程中各巷道分支的初始风量Q0i。之后每1min取1次传感器监测数据,程序迭代时间步长Δt取5s,视监控系统和解算工作站性能调整监测数据读取和解算周期。读取监测数据时,应滤除无效值,并采用分钟均值的方式消除误差。解算结果传给预警模块,作为通风预警的依据。3.2通风安全警报3.2.1控制指数法巷道风流状态预警是实时监测通风系统中各分支风量、风速是否满足要求,当风流不满足要求时进行报警。一般仅对用风地点设置最小需风量,取值为该用风地点的设计风量,当风量不足时进行报警。巷道允许风速按相关规范取值,见表1。3.2.2发出报警时利用采掘工作面安设的风速、风压传感器的实时监测数据,对采掘工作面的通风安全状况进行分析,当发现通风异常和安全隐患时,发出报警。工作面通风报警实现的通风安全预警有通风阻力异常、循环风隐患、常闭风门开启(风流短路)、局部通风机停机、工作面煤与瓦斯突出等,达到实时掌握工作面通风状况、及时发现和消除安全隐患、避免和减少灾害损失的目的。3.2.3风网可靠性综合评价指标采用指标评价的方法对矿井通风系统可靠性进行分析,并按分析结果给出预警等级。用于矿井通风系统安全可靠性评价的指标很多,选取和通风监测相关、实时性较强、对风网可靠性影响较大的12个指标组成评价体系,如表2所示。并按影响风网可靠性程度的不同定义绿、兰、黄、红4个报警级别,当所有指标都合格时显示绿色,3项及以下指标为基本合格时显示兰色,3项以上指标为基本合格时显示黄色,有待整改项目时显示红色。4现场应用4.1风井回风回风实验矿井为松藻煤电公司某矿,该矿生产能力105万t/a,采用抽出式混合通风方式,金鸡岩主、副斜井、阳地湾提升、人行斜井和安稳电厂运煤斜井进风,金鸡岩和阳地湾风井回风。金鸡岩风井装有BD-Ⅱ-8-№24通风机2台,通风最长路线6649m,风机排风量5759m3/min,风机负压1600Pa;阳地湾风井装有2K58№24通风机2台,通风最长路线8848m,风机排风量为5944m3/min,风机负压为1207Pa。井下原装有风速传感器3台,分别位于阳地湾回风斜井、金鸡岩总回风巷和N2707工作面回风巷;井下没有安装风流差压传感器。4.2检测工作面风压选取主要通风巷道及风流变化较大的巷道装风速传感器。具体为在+340m岩石轨道巷、+290m集中皮带巷、-60m主石门安装风速传感器,监控进风变化情况;在+300m水仓巷、N09中瓦斯巷、杨地湾回风斜井、金鸡岩总回风巷安装风速传感器,监控回风变化情况。选取1个回采工作面和1个掘进工作面作为研究试点,布置相关传感器,进行通风参数监控。具体为在N21108工作面运输巷安装风压传感器,用橡胶管连接到回风巷,用于监测N21108工作面风压变化;在N21108回风巷中安装风速传感器,监测工作面风量变化,结合风压传感器,同时可监测工作面风阻变化情况;在N2706进风斜坡掘进头安装风速传感器,监测掘进头风量,另安装2个风压传感器,分别监测风门、通风阻力的变化,同时如果掘进头发生瓦斯大量涌出或突出,也可做出快速准确的评判。风速传感器采用自制挂架安装,以保证风速传感器正对风流方向且稳定可靠。测压胶管取压端安装静压管,并设在干燥通风处。各类传感器安装后进行现场校验,以后每2周进行1次清洁和检验。4.3通风网络运行监控基于GIS开发动态监测分析软件,并和井下安设的风流监测传感器相关联,建立矿井通风在线监测与分析预警系统。可实现传感器监测数据的实时读取、通风网络动态解算、风流稳定性在线分析预警;在通风系统图上动态、直观地显示风流方向、风量大小及风流稳定性情况;对巷道风量不足、风速超限、风流短路、不稳定角联等情况进行报警提示;动态计算矿井通风系统可靠性的各项评判指标,评价通风系统可靠性。该系统的建立及运行后,安全管理人员可以实时了解井下所有巷道的通风情况,多次借助于该系统发现了多处风量不足、风速超限、风流短路、不稳定角联,并进行了相应整改,提高了矿井通风可靠性。5、矿井通风安全预警以通风系统风流监测为基