煤矿通风系统动态预警研究

赵 波，路培超，苏南丁，朱亚飞，易永华

(1.河南省煤炭科学研究院有限公司，河南 郑州 450001； 2.河南省煤科院检测技术限公司，河南 郑州 450001； 3.光力科技股份有限公司，河南 郑州 450001)

矿井通风系统是矿井生产系统的重要组成部分，安全可靠的矿井通风系统是防止各种灾害发生的重要保障[1]。矿井通风系统是一个复杂的、随机的、非稳定的系统[2]，伴随着新鲜风流的不断供入，井下风门的开合、采掘布局的调整、地面气温的变化都时刻影响着矿井通风系统。因此，开展矿井通风系统动态预警分析研究具有重要意义。

目前针对矿井通风系统动态预警分析研究较多，学者康雪等[3]结合通风网络拓扑结构图，对井下发生的通风异常状况进行了预警分析研究。重庆大学杨守国[4]分析了通风网络及采掘工作面风流监测传感器的设置方法及原则，研究了通风网络动态解算、分析及预警方法。狐为民等[5]通过通风解算和风网反算，获得全矿井较准确的实时分风量分布状况，为通风系统的安全性能提供了保障。贾廷贵等[6]采用多元回归分析法对通风网络中高敏感风路进行识别，对风流稳定性的影响作出定性分析与评价。

前人从不同的切入点对矿井通风系统进行了预警分析研究，但是矿井通风系统智能调控能力弱。因此，对矿井通风系统动态预警分析系统的研究，实时监测矿井通风系统运行状况，并进行预警预报，指导矿井通风管理工作意义重大。

1 矿井通风系统安全预警分析

矿井通风系统安全预警分析是一项非常复杂的工作，为了便于研究，主要从巷道风速是否达标、用风地点风量能否满足需风量要求、通风系统可靠性3个方面进行预警分析[4，7-9]。

1.1 基础数据获取分析

准确获取基础数据是很关键的环节，目前常用的方式有人工实测和传感器获取，通过在线监测系统，合理优化布置风速和风压传感器，完成基础数据信息采集。

1.2 巷道风流状态预警分析

巷道风流状态预警主要是监测井下各巷道分支的风量、风速是否满足要求，巷道风流状态达不到要求时进行报警。针对不同类型的巷道设定其允许风速，根据传感器监测到的数据以及通风网络解算得到的全矿井各分支的风量、风速数据，当风速超出巷道允许风速范围时，进行报警提示；风速没有超过允许风速范围时，显示为“无警”。对于监测和解算得到的巷道分支风量、风速值，需进行历史数据变化规律分析，找出风流不稳定的巷道进行重点监测；对于一段时期风速变化较剧烈的巷道和按照一定规律发展风速有可能超标的巷道进行预警提示，以便提前做好补救措施。

1.3 用风地点通风状况预警分析

“以风定产”矿井通风能力核定中[10-11]，对通风能力验证很重要的一方面就是对用风地点有效风量的验证，核查井下各用风地点的有效风量能否满足需风量的要求。利用采煤、掘进工作面安设的传感器实时监测的数据，分析采掘面的风量是否满足需风量的要求、是否存在异常情况，进行预警提示。

1.4 通风系统可靠性预警分析

通风系统可靠性是指矿井在生产过程中，保持系统各环节正常运行、各地点风量分配合理、抵抗灾变的能力。通风系统的可靠性一般用指标来衡量[12-13]，如技术性、经济性、安全可靠性指标。通常把表征警情严重程度划分为3个警限：“无警”、“轻警”、“重警”。“无警”表征着评价对象合格，“轻警”表征着评价对象基本合格，“重警”表征着评价对象不合格、需整改。

2 矿井风网实时模拟与动态预警系统实现

2.1 系统总体结构与设计

矿井风网实时模拟与动态预警分析系统软件的主要功能是完成井下风流的实时监测，利用网络解算技术对风网进行实时模拟，并对风网解算系统进行自修复调整，实现对矿井通风系统实时模拟与动态预警预报分析。

系统设计时应遵循的原则[14-15]：实用性原则、规范化原则、可升级性原则、可操作性原则、安全性原则。本系统主要有数据采集、报警处理与预警、风路解算、风网自修复、数据分析显示等模块(图1)。

图1 软件系统结构功能Fig.1 Structure functional diagram of software system

2.2 系统的开发环境

矿井风网实时模拟与动态预警分析系统主界面如图2所示。

图2 主界面Fig.2 Main interface

系统基于Microsoft Visual C++程序开发平台，SQL数据库管理系统。

3 应用实例

3.1 矿井概况

该矿位于山西朔州怀仁县，井田位于大同煤田中部东缘，口泉山脉西侧，海拔为+1 271～+1 455 m。井田面积4.100 4 km2，开采深度1 040～1 260 m。矿井可采储量2 969万t，生产能力为90万t/a。目前矿井开采5-1号煤层，煤层厚度为1.23～3.97 m，平均厚2.59 m。该井田为一向北西倾斜的单斜构造，产状较平缓，一般为3°以内，断层、岩浆岩均较发育，地质条件中等。

矿井为低瓦斯矿井。煤尘具有爆炸危险性，Ⅰ类易自燃煤层。矿井通风方式为中央分列式，通风方法为机械抽出式。布置有进风井2个，回风井1个，即主斜井和副斜井进风，回风斜井回风。地面通风机房安装有2台FBCDZ-6-No.19A型轴流式通风机，1台运转，1台备用。矿井通风网络如图3所示。

图3 矿井通风网络Fig.3 Mine ventilation network

3.2 矿井通风基础参数的获取

采用“测风求阻”法推演全矿井的通风基础数据获取过程。本文“测风求阻”法的计算模型是在一次系统调风数据和通风阻力测定的基础上求解分支风阻。按照测算方法，利用系统软件逐步完成测算过程。

利用软件的“测风求阻”法模块功能，矿井风网络中未知分支的风阻值可以轻松得出。将全矿井风阻值输入到系统的网络解算功能模块，对矿井风网进行解算。实测风量与解算风量对比情况见表1和图4所示。

表1 实测风量与结算风量对比Tab.1 Comparison of measured air volume and settled air volume

从表1对比分析可知，实测风阻与解算值相近，多数分支数据误差都在1%以内，极个别分支误差稍大，但是处于合理范围内，测风求阻所得分支风阻精度高，可用于风网的动态监测和预警分析。

3.3 矿井通风安全预警分析

根据矿井实时模拟解算出的各分支风量等基础数据，对巷道风流状态和用风地点通风状况进行预警分析。如对矿井某次模拟后各分支的风量数据进行预警分析，巷道风流状态预警分析结果见表2。

该矿井用风地点包括：115-105工作面、115-103备用面、掘进面、采区变电所、消防材料库、轨道大巷、运输大巷，其中轨道大巷、运输大巷作为其他巷道用风。矿井各用风地点通风状况预警分析结果见表3。

表3 用风地点通风状况预警分析结果Tab.3 Ventilation conditions of using wind place pre-warning analysis results

根据矿井实时模拟解算出的各分支风量等基础数据，通过系统计算对矿井通风系统可靠性进行预警分析，结果见表4。

表4 矿井通风系统可靠性预警分析Tab.4 Reliability of mine ventilation system pre-warning analysis

根据实时模拟得到的相关数据，对该矿井巷道风流状态、用风地点通风状况和通风系统可靠性进行预警分析。经计算，该矿井整体通风系统可靠性F=0.74，矿井安全状况为基本合格，矿井需进行一定整改并加强安全管理。

4 结论

(1)在研究矿井通风网络、监测监控等理论的基础上，对矿井通风系统安全状况的巷道风流状态、用风地点通风状况和通风系统可靠性进行预警分析研究，设计出矿井风网实时模拟与动态预警分析系统软件的总体构架及相关功能模块。

(2)利用“测风求阻”模型完成了山西某矿的通风基础参数获取工作，从表征矿井通风系统安全状况的巷道风流状态、用风地点通风状况和通风系统可靠性3个方面进行了预警分析，实现对矿井通风安全的预警预报。

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