CN102650214B - 矿井通风系统在线监测及分析预警方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿井通风系统在线监测及分析预警方法，包括以下步骤：步骤一：是在井下关键点安装通风监测设备，由通风监测设备将监测到的相关信息传输到地面监控中心；步骤二：根据监测地点监测到的风速、风压变化，将风速数据换算成风量数据，通过建立通风网络解算模型，实现井下通风系统风量分配的动态解算；步骤三：基于通风网络实时监测和解算结果，动态计算通风系统可靠性评价指标，并分析通风系统中可能存在的安全隐患，给出报警。本发明能根据井下的实时变化进行动态解算，并在通风系统图上清晰、直观的动态显示各巷道的风量、风速等，便于通风管理人员实时了解井下各巷道的通风情况；同时实现井下巷道通风情况、采掘工作面通风安全状况的预警，为矿井通风安全管理及安全生产提供科学管理工具和先进技术手段。

Description

矿井通风系统在线监测及分析预警方法及系统

技术领域

本发明涉及一种矿井通风系统在线监测及分析预警方法，同时还涉及一种用于实现矿井通风系统在线监测及分析的系统。

背景技术

目前，我国矿井通风监测相关的风速传感器、风压传感器安设数量较少，不能实现对整个矿井通风网络的有效监测，主要还是靠人工测风、人工巡检，工作量大、效率低、可靠性差，往往是被动地应对事故，不能及时、主动发现通风安全隐患。另外，国内外目前通风系统仿真软件都是单机串行化，程序也无法与基于网络的监测、监控系统互联，网络解算都是静态的、滞后的、非实时的，也达不到及时消除煤矿重大安全生产隐患，避免煤矿重大事故的目的。

因此，有必要研究出一种矿井通风系统分析预警方法，能够实现快速的网络实时解算，为在线监测及分析提供良好的数据支撑。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种矿井通风系统在线监测及分析预警方法，通过实时监测矿井通风系统运行情况和动态分析网络可靠性，保证矿井通风系统的风量、风流的稳定性，达到及时发现和消除煤矿重大安全生产隐患，避免煤矿重大事故的目的；本发明的目的之二是提供一种矿井通风系统在线监测及分析预警系统。

本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：

该种矿井通风系统在线监测及分析预警方法，包括以下步骤：

步骤一：是在井下关键点安装通风监测设备，由通风监测设备将监测到的相关信息传输到地面监控中心，所述井下关键点包括井下矿井、采区主要进回风巷道及采掘工作面；

步骤二：根据监测地点监测到的风速、风压变化，将风速数据换算成风量数据，通过建立通风网络解算模型，实现井下通风系统风量分配的动态解算；

步骤三：基于通风网络实时监测和解算结果，动态计算通风系统可靠性评价指标，并分析通风系统中可能存在的安全隐患，给出报警。

进一步，

在步骤二中，由于风速传感器监测值是所处巷道断面中的点风速，与巷道断面平均风速存在差异，故采用以下方法步骤将实时监测风速数据换算成断面平均风速数据，进而乘以巷道断面积得到巷道实时风量：

步骤1：测得巷道断面中心位置最大风速，根据下式计算出断面平均风速；式中为巷道断面平均风速，单位为m/s；为巷道中心最大风速，通过测量得到，单位为m/s；α为巷道摩擦阻力系数，通过通风阻力测定方法得到，单位为N·s²/m⁴。

${\stackrel{\‾}{u}}_s=\frac{{\stackrel{\‾}{u}}_{\max }}{1+3.3\sqrt{\mathrm{\α}};}$

步骤2：利用风速传感器的实时监测值，结合下式计算传感器监测风速与断面平均风速的关联系数，式中为传感器监测的时均风速，单位为m/s；A为监测值与平均风速之间的关系系数。

$A=\frac{{\stackrel{\‾}{u}}_s}{{\stackrel{\‾}{u}}_b};$

步骤3：利用步骤2所得关系系数A和传感器实时监测值得到巷道断面实时平均风速。

进一步，在步骤二中，通风网络动态解算模型通过以下步骤得到：

步骤1：将风流在巷道中的流动采用一维流体流动，即在巷道断面内，风流性质是均匀的，在非稳定条件下，以下式计算在巷道i内的空气流动：

式中，ρ_i为巷道i内空气密度，kg/m³；L_i为巷道i的长度，m；dv_i/dt为巷道i内空气加速度，m/s²；H_i为巷道i的通风阻力，Pa；R_i为巷道i的摩擦风阻，N·S²m⁸；Qi为巷道i的风量，m/s；g为重力加速度，9.8m/s²；Z为巷道i两端高程差，m；h_fi为巷道i上安装的风机压力，Pa；

步骤2：令K_i=ρ_iL_i/A_i，其中K_i为巷道i的惯性系数，A_i为巷道i的断面面积，对上式进行整理，得巷道内空气一维流体动量方程为：

$H_i=R_i\left|Q_i\right|Q_i+K_i\frac{{\mathrm{dQ}}_i}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ρ}}_{i}g{Z}_i+h_{\mathrm{fi}};$

步骤3：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dQ_i/dt=(Q_i-Q_0i)/Δt，代入上式得：

$H_i=R_i\left|Q_i\right|Q_i+K_i\frac{Q_i-Q_{0i}}{\mathrm{\Δt}}+{\mathrm{\ρ}}_{i}g{Z}_i+h_{\mathrm{fi}};$

步骤4：采用破圈法计算通风网络中的独立回路，对于每一回路中每条巷道H_i相加，根据回路风压平衡定律，得到如下回路风流方程：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(R_i\right|Q_i|Q_i+K_i\frac{Q_i-Q_{0i}}{\mathrm{\Δt}}+{\mathrm{\ρ}}_{i}g{Z}_i)+h_{\mathrm{fi}}=0;$

步骤5：采用牛顿迭代法对上式方程进行求解，迭代过程中风量修正值按下式计算，当迭代到ΔQ小于0.0001时，迭代结束，此时所得的Q_i值即为求得的巷道实时风量；

$\mathrm{\ΔQ}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(R_i\right|Q_i|Q_i+K_i\frac{Q_i-Q_{0i}}{\mathrm{\Δt}}+{\mathrm{\ρ}}_{i}g{Z}_i)+h_{\mathrm{fi}}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(R_i\right|Q_i|+\frac{K_i}{\mathrm{\Δt}})};$

在解算模型中，将安设有风速传感器的巷道视为固定风量巷道，生成回路时直接按余树处理；将安设有风流压力传感器的巷道定义为固定风压巷道，回路生成时按普通巷道处理；

进一步，在步骤二中，将各巷道的风量、风速在通风系统图上进行动态显示；

进一步，所述通风监测设备包括风速传感器和风压传感器；

进一步，在步骤一中，井下关键点包括采掘工作面、主要进回风巷道。

本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：

该矿井通风系统在线监测及分析预警系统，包括

通风监测设备，用于安装在井下关键点，采集关键点的风速、风压实时数据；

综合监控设备，用于接收各路通风监测设备采集的数据，经处理后传输至上一级；

地面监控中心，用于接收综合监控设备传输的数据，对井下通风系统风量分配进行动态解算，对风量异常变化的巷道进行报警。

进一步，所述地面监控中心还包括通风系统显示装置，用于动态显示各巷道的风量和风速变化状态；

进一步，所述通风监测设备包括风速传感器和风压传感器。

本发明的有益效果是：

本发明能根据井下的实时变化进行动态解算，并在通风系统图上清晰、直观的动态显示各巷道的风量、风速等，便于通风管理人员实时了解井下各巷道的通风情况；同时实现井下巷道通风情况、采掘工作面通风安全状况的预警，为矿井通风安全管理及安全生产提供科学管理工具和先进技术手段。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的方法步骤示意图；

图2、图3为通风监测设备的安装位置示意图；

图4为本发明的架构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本发明首先提供了一种矿井通风系统在线监测及分析预警方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一：是在井下关键点安装通风监测设备，由通风监测设备将监测到的相关信息传输到地面监控中心，所述井下关键点包括井下矿井、采区主要进回风巷道及采掘工作面，如图2、图3所示；

步骤二：根据监测地点监测到的风速、风压变化，将风速数据换算成风量数据，通过建立通风网络解算模型，实现井下通风系统风量分配的动态解算；

步骤三：基于通风网络实时监测和解算结果，动态计算通风系统可靠性评价指标，并分析通风系统中可能存在的安全隐患，给出报警。

关于步骤二的进一步说明：

在步骤二中，由于风速传感器监测值是所处巷道断面中的点风速，与巷道断面平均风速存在差异，故采用以下方法步骤将实时监测风速数据换算成断面平均风速数据，进而乘以巷道断面积得到巷道实时风量：

步骤1：测得巷道断面中心位置最大风速，根据下式计算出断面平均风速；式中为巷道断面平均风速，单位为m/s；为巷道中心最大风速，通过测量得到，单位为m/s；α为巷道摩擦阻力系数，通过通风阻力测定方法得到，单位为N·s²/m⁴。

${\stackrel{\‾}{u}}_s=\frac{{\stackrel{\‾}{u}}_{\max }}{1+3.3\sqrt{\mathrm{\α}};}$

步骤2：利用风速传感器的实时监测值，结合下式计算传感器监测风速与断面平均风速的关联系数，式中为传感器监测的时均风速，单位为m/s；A为监测值与平均风速之间的关系系数。

$A=\frac{{\stackrel{\‾}{u}}_s}{{\stackrel{\‾}{u}}_b};$

步骤3：利用步骤2所得关系系数A和传感器实时监测值得到巷道断面实时平均风速。

2.风流压力传感器的安装

一般安装在矿井、采区主要进回风巷之间的联络巷内的反向风门处，用于监测整个矿井或采区的通风阻力，同时也可监测关键风门的闭合状态。另外，防突掘进工作面反向风门处、采煤工作面进上下顺槽之间，也需安设风流压力传感器，对安全隐患和通风事故进行监测。

3.在步骤二中，通风网络动态解算模型通过以下步骤得到：

步骤1：将风流在巷道中的流动采用一维流体流动，即在巷道断面内，风流性质是均匀的，在非稳定条件下，以下式计算在巷道i内的空气流动：

式中，ρ_i为巷道i内空气密度，kg/m³；L_i为巷道i的长度，m；dv_i/dt为巷道i内空气加速度，m/s²；H_i为巷道i的通风阻力，Pa；R_i为巷道i的摩擦风阻，N·S²m⁸；Qi为巷道i的风量，m/s；g为重力加速度，9.8m/s²；Z为巷道i两端高程差，m；h_fi为巷道i上安装的风机压力，Pa；

步骤2：令K_i=ρ_iL_i/A_i，其中K_i为巷道i的惯性系数，A_i为巷道i的断面面积，对上式进行整理，得巷道内空气一维流体动量方程为：

$H_i=R_i\left|Q_i\right|Q_i+K_i\frac{{\mathrm{dQ}}_i}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ρ}}_{i}g{Z}_i+h_{\mathrm{fi}};$

步骤3：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dQ_i/dt=(Q_i-Q_0i)/Δt，代入上式得：

$H_i=R_i\left|Q_i\right|Q_i+K_i\frac{Q_i-Q_{0i}}{\mathrm{\Δt}}+{\mathrm{\ρ}}_{i}g{Z}_i+h_{\mathrm{fi}};$

步骤4：采用破圈法计算通风网络中的独立回路，对于每一回路中每条巷道H_i相加，根据回路风压平衡定律，得到如下回路风流方程：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(R_i\right|Q_i|Q_i+K_i\frac{Q_i-Q_{0i}}{\mathrm{\Δt}}+{\mathrm{\ρ}}_{i}g{Z}_i)+h_{\mathrm{fi}}=0;$

步骤5：采用牛顿迭代法对上式方程进行求解，迭代过程中风量修正值按下式计算，当迭代到ΔQ小于0.0001时，迭代结束，此时所得的Q_i值即为求得的巷道实时风量；

$\mathrm{\ΔQ}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(R_i\right|Q_i|Q_i+K_i\frac{Q_i-Q_{0i}}{\mathrm{\Δt}}+{\mathrm{\ρ}}_{i}g{Z}_i)+h_{\mathrm{fi}}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(R_i\right|Q_i|+\frac{K_i}{\mathrm{\Δt}})};$

在解算模型中，将安设有风速传感器的巷道视为固定风量巷道，生成回路时直接按余树处理；将安设有风流压力传感器的巷道定义为固定风压巷道，回路生成时按普通巷道处理。

关于步骤3的进一步说明：

1.巷道风流状态预警

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。本实施例中，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，当风速不符合要求时进行报警。

表1巷道中的允许风流速度

2.采掘工作面通风预警

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.风网可靠性分析预警

本实施例中，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。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、红四个报警级别，当所有指标都合格时显示绿色，三项及以下指标为基本合格时显示兰色，三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。

表2通风系统评价指标及取值

上述方法中，作为进一步的改进，在步骤二中，将各巷道的风量、风速在通风系统图上进行动态显示。显示方式直观、清晰，易于通风管理人员实时了解井下各巷道的通风情况。

如图4所示，本发明的矿井通风系统在线监测及分析预警系统，包括以下组成部分：

（1）通风监测设备1：用于安装在井下关键点，采集关键点的风速、风压实时数据；主要包括风速传感器和风压传感器。

（2）综合监控设备2：用于接收各路通风监测设备采集的数据，经处理后传输至上一级；

（3）地面监控中心3：用于接收综合监控设备传输的数据，对井下通风系统风量分配进行动态解算，对风量异常变化的巷道进行报警。其中，地面监控中心还包括通风系统显示装置，用于动态显示各巷道的风量和风速变化状态。

该系统的投入使用，不仅便于通风管理人员实时了解井下各巷道的通风情况；同时实现井下巷道通风情况、采掘工作面通风安全状况的预警，为矿井通风安全管理及安全生产提供科学管理工具和先进技术手段。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.矿井通风系统在线监测及分析预警方法，包括以下步骤：

步骤一：是在井下关键点安装通风监测设备，由通风监测设备将监测到的相关信息传输到地面监控中心，所述井下关键点包括井下矿井、采区主要进回风巷道及采掘工作面；

步骤二：根据监测地点监测到的风速、风压变化，将风速数据换算成风量数据，通过建立通风网络解算模型，实现井下通风系统风量分配的动态解算；

步骤三：基于通风网络实时监测和解算结果，动态计算通风系统可靠性评价指标，并分析通风系统中可能存在的安全隐患，给出报警；

其特征在于：在步骤二中，由于风速传感器监测值是所处巷道断面中的点风速，与巷道断面平均风速存在差异，故采用以下方法步骤将实时监测风速数据换算成断面平均风速数据，进而乘以巷道断面积得到巷道实时风量：

步骤1：测得巷道断面中心位置最大风速，根据下式计算出断面平均风速；式中为巷道断面平均风速，单位为m/s；为巷道中心最大风速，通过测量得到，单位为m/s；α为巷道摩擦阻力系数，通过通风阻力测定方法得到，单位为N·s²/m⁴，

${\stackrel{\‾}{u}}_s=\frac{{\stackrel{\‾}{u}}_{\max }}{1+3.3\sqrt{\mathrm{\α}}};$

步骤2：利用风速传感器的实时监测值，结合下式计算传感器监测风速与断面平均风速的关联系数，式中为传感器监测的时均风速，单位为m/s；A为监测值与平均风速之间的关系系数，

$A=\frac{{\stackrel{\‾}{u}}_s}{{\stackrel{\‾}{u}}_b};$

步骤3：利用步骤2所得关系系数A和传感器实时监测值得到巷道断面实时平均风速；

在步骤二中，通风网络解算模型通过以下步骤得到：

步骤1：将风流在巷道中的流动采用一维流体流动，即在巷道断面内，风流性质是均匀的，在非稳定条件下，以下式计算在巷道i内的空气流动：

${\mathrm{\ρ}}_i{L}_i\frac{{\mathrm{dv}}_i}{\mathrm{dt}}=H_i+R_i\left|Q_i\right|Q_i-{\mathrm{\ρ}}_{i}g{Z}_i-h_{\mathrm{fi}};$ 式中，ρ_i为巷道i内空气密度，kg/m³；L_i为巷道i的长度，m；dv_i/dt为巷道i内空气加速度，m/s²；H_i为巷道i的通风阻力，Pa；R_i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_i为巷道i两端高程差，m；h_fi为巷道i上安装的风机压力，Pa；

步骤2：令K_i＝ρ_iL_i/A_i，其中K_i为巷道i的惯性系数，A_i为巷道i的断面面积，对上式进行整理，得巷道内空气一维流体动量方程为：

$H_i=R_i\left|Q_i\right|Q_i+-K_i\frac{d{Q}_i}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ρ}}_{i}g{Z}_i+h_{\mathrm{fi}};$

步骤3：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dQ_i/dt＝(Q_i-Q_0i)/Δt，代入上式得：

$H_i=R_i\left|Q_i\right|Q_i+K_i\frac{Q_i-Q_{0i}}{\mathrm{\Δt}}+{\mathrm{\ρ}}_{i}g{Z}_i+h_{\mathrm{fi}};$

步骤4：采用破圈法计算通风网络中的独立回路，对于每一回路中每条巷道H_i相加，根据回路风压平衡定律，得到如下回路风流方程：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(R_i\right|Q_i|Q_i+K_i\frac{Q_i-Q_{0i}}{\mathrm{\Δt}}+{\mathrm{\ρ}}_{i}g{Z}_i)+h_{\mathrm{fi}}=0;$

步骤5：采用牛顿迭代法对上式方程进行求解，迭代过程中风量修正值按下式计算，当迭代到ΔQ小于0.0001时，迭代结束，此时所得的Q_i值即为求得的巷道实时风量；

$\mathrm{\ΔQ}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(R_i\right|Q_i|Q_i+K_i\frac{Q_i-Q_{0i}}{\mathrm{\Δt}}+{\mathrm{\ρ}}_{i}g{Z}_i)+h_{\mathrm{fi}}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(R_i\right|Q_i|+\frac{K_i}{\mathrm{\Δt}})};$

在解算模型中，将安设有风速传感器的巷道视为固定风量巷道，生成回路时直接按余树处理；将安设有风流压力传感器的巷道定义为固定风压巷道，回路生成时按普通巷道处理。

2.根据权利要求1所述的矿井通风系统在线监测及分析预警方法，其特征在于：在步骤二中，将各巷道的风量、风速在通风系统图上进行动态显示。

3.根据权利要求1或2所述的矿井通风系统在线监测及分析预警方法，其特征在于：所述通风监测设备包括风速传感器和风压传感器。

4.根据权利要求1所述的矿井通风系统在线监测及分析预警方法，其特征在于：所述步骤三的报警类型包括：

1)巷道风流状态预警

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；

2)采掘工作面通风预警

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包括通风阻力异常、循环风隐患、常闭风门开启、局部通风机停机和工作面煤与瓦斯突出；

3)风网可靠性分析预警

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，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指标组成评价体系，并按影响风网可靠性程度的不同定义多个报警级别。