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礦井智能通風中精準測風部分

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一、測風當前存在的問題

目前大面積使用的風速測量儀表、風速傳感器啟動風速基本在 0.3ｍ/s，以上無法滿足《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的巖巷最低風速0.15ｍ/s的要求測量精度在±0.2ｍ/s左右，尤其在于低風速巷道風速測量、風門漏風檢測、風流精確調(diào)控等方面相對誤差較大。

常用的機械式風表線路法測定風速受人員高度和測風經(jīng)驗限制，尤其在大斷面巷道中測量結(jié)果的可靠性較低，風速傳感器在巷道斷面內(nèi)的安裝位置、校正方法沒有切實可行的操作規(guī)范和標準，導致監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性不高。因此，風速準確測量儀表是未來應(yīng)著力解決的基礎(chǔ)。

綜上所述，當前礦井巷道測風存在如下幾點問題：

測量精度不夠，差壓法風速傳感器安裝必須迎風且保持90°傾角，否則測風數(shù)據(jù)不具備參考價值；
固定點風速，不代表巷道平均風速（一般來說巷道中心風速是邊緣的0.82-0.86倍），無法用于智能通風調(diào)控參數(shù)；
人工測風可以獲取巷道平均風速，手工活，因人而已，誤差差別大，無法實時獲取；
各研究院校推出“六線式”、“九點式”自動測風裝置，投資大、測風時影響過車、測風周期長、達不到實時風速監(jiān)測效果。

利用超聲波傳感設(shè)備，改變傳統(tǒng)的差壓法“以點代面”的局限性，實現(xiàn)巷道測風站及關(guān)鍵用風地點平均風速的精準測定，我公司已獲得國家實用專利（專利號：ZL 2020 2 2309729.0）。

二、精準測風系統(tǒng)鍵技術(shù)

智能精準測風系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究井下巷道通風參數(shù)的智能感知，核心技術(shù)包括:①穩(wěn)定可靠的煤礦井下巷道全斷面風速超聲波或多普勒激光雷達監(jiān)測裝備，實現(xiàn)風速監(jiān)測精度的提升；②考慮風流脈動特征的高精度單點平均風速監(jiān)測技術(shù)和斷面風速傳感器安裝位置確定方法，使傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)真實反映巷道實際風速；③滿足全網(wǎng)絡(luò)風阻(摩擦阻力)精確反演的高精度礦井絕對壓力、相對壓力監(jiān)測裝備，實現(xiàn)通風網(wǎng)絡(luò)精確動態(tài)建模；④基于激光雷達掃描的巷道全斷面精細成圖裝備，實現(xiàn)巷道斷面的精確測定。

全斷面平均風速的快速準確測定，為全礦井智能通風數(shù)據(jù)采集與聯(lián)動調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。

三、測風裝備設(shè)計原理

井巷風流的湍流脈動和斷面風速的不均一特征，是導致平均風速的準確測試難度大的主要原因。實現(xiàn)風速的精確測量，首先要設(shè)計高溫、高濕和粉塵環(huán)境下抗干擾能力強、精度高、耐腐蝕性好、性能穩(wěn)定的風速測量傳感器,然后利用湍流統(tǒng)計法測量單點或線段的時均風速，并通過優(yōu)化設(shè)計傳感器分布解決井巷突變區(qū)大渦干擾、傳感器間相互干擾和校正問題，實現(xiàn)點或線段風速傳感器的高精度測定，最后基于速度場結(jié)構(gòu)近似恒定原理將單點或線段的時均風速轉(zhuǎn)換為井巷斷面平均風速。應(yīng)用超聲波時差法的測量線段風速，發(fā)射和接收端的跨度大，可克服點風速測量時傳感器尺度效應(yīng)與風流湍流波動誘發(fā)的測量誤差，是一種精度較高的風速測量方法。采用超聲波時差法，研發(fā)風速高精度傳感器，實現(xiàn)了全量程測量精度小于0.1m/s，突破了井巷平均風速(量)準確測量的一道屏障，通過線段風速的高精度測量實現(xiàn)了全斷面平均風速(量)的快速準確測定，技術(shù)原理如下圖1-2所示。

圖1-2 全斷面超聲波風速測定技術(shù)原理

四、超聲波掃描測風技術(shù)

巷道中的氣體速度曲線應(yīng)為子彈頭形狀，即：中間流速高，外圍流速低。超聲波風速儀測量的是巷道橫截面的一條線，以這條測量線測量的流速代表整個橫截面積的風速。利用超聲波在順風和逆風中傳播相同距離存在的時差與風速之間的關(guān)系，測出風流的速度。超聲波利用時差法,通過大跨度雙向設(shè)置超聲波接收與發(fā)射端，輔以時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片(TDC)精確計時技術(shù)和解耦算法，實現(xiàn)了全量程測量精度小于0.1m/s，突破了井巷平均風速(量)準確測量的一道屏障，通過線段風速的高精度測量實現(xiàn)了全斷面平均風速的準確測定，超聲波風速儀如圖1-3：

圖1-3 全斷面超聲波風速傳感器

五、超聲波傳感器安裝方法

超聲波風速儀在測點位置成對安裝，采用時差法測速原理，聲波在空氣中上行、下行傳播相同距離時，用的時間不同；而此時間差與被測空氣的流動速度有一定的數(shù)學關(guān)系，由此計算風速；風速儀控制超聲波換能器的發(fā)射與接收，并對接收到的聲波信號采集，經(jīng)過子站輸出RS485信號，通過分站轉(zhuǎn)為RJ45信號就近接入環(huán)網(wǎng)交換機，然后傳到上位機上。安裝剖面圖1-4，安裝截面圖1-5：

圖1-4 超聲波風速儀安裝剖面圖

圖1-5 超聲波風速儀截面圖

超聲波風速儀測定原理是巷道不同位置氣流傳播速度不同，與氣流速度正相關(guān)，通過正反2路交叉聲波計算2路聲波時間差，計算出氣流速度。兩個探頭最好成45°角水平安裝，不要安裝在巷道不規(guī)則位置；另外兩個探頭也不要安裝在巷道中間點上，要安裝在高于人或車水平兩側(cè)巷道璧上，因為安裝在有人或車活動下方，會影響測量準確率。兩個探頭之間的距離5m左右就可以，兩個探頭位置如何，風速儀轉(zhuǎn)換器主機有個信號強度參考項，只要強度大于85%就可以。

六、超聲波風速風速顯示

超聲波風速子站可以把從傳感器采集到的實時風速直接在子站自帶的LED電子管直接顯示（大小猶如家用電表LED屏），也可以直接輸出全彩LED替代測風站牌板，全彩LED尺寸1mX0.6m，如圖8-5，對于風速超限巷道，可以屏蔽數(shù)據(jù)顯示，也可以通過修改巷道斷面，降低風速顯示，當然也可只在地面上位機軟件查看。軟件巷道對應(yīng)位置也以“電子屏”展示，見下“礦井測風系統(tǒng)”章節(jié)。

圖8-5 超聲波外接全彩LED顯示

七、辛強煤礦測點布置

礦井監(jiān)控系統(tǒng)效率的高低在很大程度上依賴于傳感器的位置和數(shù)量。因此，對于傳感器部署位置的具有重要的意義，辛強煤礦一期超聲波測風儀以監(jiān)測礦井主副井和各大巷進風、礦井總回風以及回采面進回風量為主，以便主風機調(diào)整時能實時觀察礦井風量情況，同時能實時監(jiān)測回采工作面需風量變化情況，出現(xiàn)異常情況及時報警。監(jiān)測點布置如下：

在回風井東西兩側(cè)各安裝一套風速儀，監(jiān)測礦井總回風；在井底車場爆炸材料庫東側(cè)、無軌膠輪車庫東側(cè)、中央帶式輸送機大巷和401盤區(qū)帶式輸送機巷丁字口東側(cè)各安裝一套風速儀，監(jiān)測礦井總進風量。

在401102工作面進回風巷道口，各安裝一套風速儀，實時監(jiān)測工作面需風量變化情況。

八、精準測風用途

根據(jù)《煤礦智能化建設(shè)指南（2021 年版）》（國能發(fā)煤炭規(guī)﹝2021﹞29 號）的智能通風系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容：風速傳感器的數(shù)量和位置應(yīng)滿足精確測風環(huán)境狀態(tài)識別的需要。結(jié)合《煤炭工業(yè)智能化礦井設(shè)計標準》(GB/ T 51272—2018)的通風系統(tǒng)應(yīng)符合“風溫聯(lián)合解算”的規(guī)定。

隨著碳達峰、碳中和政策的不斷深入實施，今后制約煤礦發(fā)展的因素，一是生態(tài)治理能力和綠色礦山建設(shè)的水平，二是安全生產(chǎn)標準化的水平，三是智能礦山建設(shè)的水平。這是未來煤礦產(chǎn)能選擇、資源運營權(quán)集中的政策導向。所以，未來煤礦的智能化水平將是決定性因素，誰走在前面，誰就是受益者。羅馬不是一天建成的，煤礦智能化建設(shè)不能好高騖遠、一蹴而就，需要持續(xù)保持功成不必在我，功成必定有我的戰(zhàn)略定力，持續(xù)加大投入，持續(xù)迭代創(chuàng)新，小步快跑，蹄疾步穩(wěn)。辛強煤礦先把最基本也是最核心的風搞精準，首先建立井下精準測風系統(tǒng)，以點帶面，不斷突破，逐步把智能通風管控預警平臺大數(shù)據(jù)中心建立起來，逐步實現(xiàn)數(shù)據(jù)治理，夯實智能化通風系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)。

通過智能精準測風系統(tǒng)通風參數(shù)感知，準確掌控巷道的真實平均風速或風量，為實現(xiàn)風網(wǎng)實時解算、通風異常診斷、通風智能調(diào)控、控風方案確定、應(yīng)急預案啟動提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障，測風系統(tǒng)與智能通風其他子系統(tǒng)相互關(guān)系如圖8-8：

圖8-8 測風系統(tǒng)與其他系統(tǒng)關(guān)系

由上圖可知，測風系統(tǒng)主要有以下幾點作用：

（1）通過超聲波掃描巷道截面測量技術(shù)，實現(xiàn)全截面精準的平均風速測量，構(gòu)建礦井精確的風向、風速和風量監(jiān)控體系，融合有害氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時通風安全預警。滿足《煤礦智能化建設(shè)指南（2021 年版）》（國能發(fā)煤炭規(guī)﹝2021﹞29號）文件的智能通風中的“精準測風”標準要求。測風在三維通風顯示效果圖如圖8-9

（2）通過精準通風參數(shù)（風速、風向），加入三維通風模擬系統(tǒng)中聯(lián)合解算。滿足《煤炭工業(yè)智能化礦井設(shè)計標準》(GB/ T 51272—2018)文件的通風及安全系統(tǒng)中的“實現(xiàn)風速、風溫聯(lián)合解算”標準要求，如圖8-9所示。并根據(jù)解算和實測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對風量、風速、風向不穩(wěn)定性的自動報警，如圖8-10，提高通風系統(tǒng)的安全性和通風管理的科學性。

a）超聲波風速未聯(lián)合解算的風速8.6