談國文

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室， 重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶 400037)

0 引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，對礦井安全生產(chǎn)具有舉足輕重的作用[1-3]。自1953年Scott和Hinsley首次使用計算機解決通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)問題以來，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算、分析及繪圖軟件得到了深入研究和開發(fā)，如國外的Avwine,Ventsim,Mivendes等軟件[4-6]，國內(nèi)的MVENT通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算軟件、通風(fēng)安全管理軟件、礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)、礦井通風(fēng)管理系統(tǒng)、智能通風(fēng)系統(tǒng)等[2，6-9]。上述軟件大多只側(cè)重于靜態(tài)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算、角聯(lián)分支判識或通風(fēng)系統(tǒng)管理等，不能對全礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進行實時監(jiān)控和評價。

我國西南地區(qū)的礦井大多存在煤層傾角大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、礦井開采時間長等情況。針對該類復(fù)雜礦井，采用傳統(tǒng)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)人工分析方法和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算軟件存在工作量大、效率低、錯誤率高、解算不全面等問題，不能實時、全面掌握井下各巷道的通風(fēng)安全狀況，難以保證礦井通風(fēng)可靠性[3，10-11]。本文以重慶能投渝新能源有限公司南桐煤礦通風(fēng)系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)其復(fù)雜特征，研究了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)可視化動態(tài)解算及預(yù)警技術(shù)，以及時、全面、方便地進行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析和管理，有效支撐礦井安全、高效生產(chǎn)。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)情況

南桐煤礦為生產(chǎn)礦井，始建于1938年。通過技術(shù)改造，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力達120萬t/a，主要開采二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督MK1,K2,K3煤層。礦井采用兩翼(南翼、北翼)對角抽出式通風(fēng)，共布置8個進風(fēng)井、2個回風(fēng)井。采煤和掘進工作面分別采用常規(guī)的“U”型通風(fēng)方式和局部通風(fēng)機壓入式供風(fēng)方式。礦井為典型的大傾角、復(fù)雜老礦井，通風(fēng)管理面臨如下復(fù)雜情況[10-12]。

(1) 賦存條件方面，煤層傾角大(南翼煤層傾角為32～45°)、厚度薄及中厚(3層煤分別厚1.6，0.9，2.9 m)、層間距近(煤層平均間距分別為24.6，14.4 m)、瓦斯含量大(最大為27.8 m3/t)、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜(斷層復(fù)雜程度為Ⅲb類)，增加了通風(fēng)隱患發(fā)生概率。

(2) 開拓開采方面，礦井開采水平劃分多(8個水平)、采區(qū)分布多(目前開采的七水平分為15個采區(qū))、開采時間長(近80 a)、采掘工作面多(同期作業(yè)工作面一般為20多個)，工作面采用跨采區(qū)、跨上山、跨石門、連續(xù)推進開采的方式進行布置，增加了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和變化頻度。

(3) 其他災(zāi)害危險方面，礦井為熱害礦井，各煤層均具有煤塵爆炸危險和自燃傾向。

2 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)可視化動態(tài)解算及預(yù)警技術(shù)

2.1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)解算模型及方法

2.1.1 解算模型[3，6，11]

對于節(jié)點而言，流入風(fēng)量與流出風(fēng)量代數(shù)和為零。對于回路而言，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中任意回路或網(wǎng)孔中的風(fēng)流遵守能量守恒:當(dāng)回路中沒有通風(fēng)動力時，沿回路方向通風(fēng)阻力的代數(shù)和為零;當(dāng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中有通風(fēng)動力時，任一回路中各分支通風(fēng)阻力沿回路方向的代數(shù)和恒等于沿回路方向通風(fēng)動力之和，即

∑hj=∑pj

(1)

式中：hj為回路中分支j的通風(fēng)阻力，Pa；pj為回路中分支j的通風(fēng)動力，包括自然風(fēng)壓和機械風(fēng)壓，Pa。

基于上述原理，在非穩(wěn)定條件下，將巷道中風(fēng)流視為一維流體流動，根據(jù)回路風(fēng)壓平衡定律，得巷道i內(nèi)的空氣流動方程：

(2)

式中：ρi為巷道i內(nèi)空氣密度，kg/m3；Li為巷道i的長度，m；vi為巷道i內(nèi)空氣速度，m/s；t為時間，s；Hi為巷道i的通風(fēng)阻力，Pa；Ri為巷道i的摩擦風(fēng)阻，N·s2/m8；Qi為巷道i的風(fēng)量，m3/s；g為重力加速度，9.8 m/s2；Zi為巷道i兩端高程差，m；hfi為巷道i上安裝的通風(fēng)機壓力，Pa。

令巷道i的慣性系數(shù)Ki=ρiLi/Ai，其中Ai為巷道i斷面面積,得一維流體動量方程：

(3)

(4)

式中n為巷道數(shù)。

2.1.2 通風(fēng)監(jiān)測傳感器部署

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，風(fēng)速、風(fēng)壓傳感器應(yīng)安設(shè)在礦井、采區(qū)的主要進回風(fēng)巷及關(guān)鍵用風(fēng)點，監(jiān)測所在位置風(fēng)流狀態(tài)變化，利用網(wǎng)絡(luò)解算，求解出其他巷道的通風(fēng)狀況。

采煤工作面在進回風(fēng)巷安裝風(fēng)速傳感器和風(fēng)壓傳感器，其中風(fēng)壓傳感器用硅膠管相連，分別監(jiān)測工作面風(fēng)量和風(fēng)壓。掘進工作面在回風(fēng)巷安裝風(fēng)速傳感器，監(jiān)測工作面風(fēng)量；在風(fēng)門內(nèi)外側(cè)分別安設(shè)靜壓管，用膠皮管連接至風(fēng)壓傳感器，監(jiān)測風(fēng)門兩側(cè)的風(fēng)壓。工作面?zhèn)鞲衅鞑贾萌鐖D1所示，F(xiàn)為風(fēng)速傳感器，F(xiàn)Y為風(fēng)壓傳感器。

(a) 采煤工作面

(b) 掘進工作面

在重要的采區(qū)進回風(fēng)巷分叉口上風(fēng)側(cè)安裝風(fēng)速傳感器，如圖2所示，以及時掌握采區(qū)局部風(fēng)速、風(fēng)量變化，為該區(qū)域通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算提供實時數(shù)據(jù)。

圖2 關(guān)鍵通風(fēng)巷道傳感器布置Fig.2 Sensor distribution in key ventilation roadways

南桐煤礦由于通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在南翼及北翼的總進風(fēng)巷、總回風(fēng)巷、采區(qū)進風(fēng)巷、采區(qū)回風(fēng)巷及各用風(fēng)地點共安裝40多臺風(fēng)速傳感器、10多臺風(fēng)壓傳感器，全面監(jiān)測關(guān)鍵位置通風(fēng)參數(shù)。

2.1.3 巷道實時風(fēng)速修正

風(fēng)速傳感器監(jiān)測值是所處巷道斷面中的點風(fēng)速，與巷道斷面平均風(fēng)速存在差異，因此需對實時監(jiān)測風(fēng)速進行修正，將其換算為斷面平均風(fēng)速，再乘以巷道斷面面積得到巷道實時風(fēng)量。

首先測得巷道斷面中心位置最大風(fēng)速，根據(jù)以下經(jīng)驗公式計算斷面中心平均風(fēng)速：

(5)

然后計算風(fēng)速傳感器監(jiān)測值與斷面中心平均風(fēng)速的關(guān)聯(lián)系數(shù)：

(6)

最后根據(jù)關(guān)聯(lián)系數(shù)和傳感器監(jiān)測值，修正得到巷道斷面平均風(fēng)速。

2.1.4 動態(tài)解算方法及服務(wù)

根據(jù)回路法，在南桐煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算中將安裝主要通風(fēng)機的巷道設(shè)為風(fēng)機巷道，利用通風(fēng)機性能曲線參與解算；將安設(shè)風(fēng)速傳感器的巷道設(shè)為風(fēng)量監(jiān)測巷道，利用根據(jù)風(fēng)速實時監(jiān)測值計算出的風(fēng)量參與解算；將安設(shè)風(fēng)壓傳感器的巷道設(shè)為阻力監(jiān)測巷道，利用風(fēng)壓實時監(jiān)測值作為分支通風(fēng)阻力參與解算；其他巷道設(shè)為普通巷道，利用測定的通風(fēng)阻力參數(shù)，根據(jù)解算模型進行求解[3，13]。在進行回路生成時，風(fēng)機巷道、風(fēng)量監(jiān)測巷道和阻力監(jiān)測巷道作為獨立分支處理。

基于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)解算方法，開發(fā)后臺解算服務(wù)，界面如圖3所示。程序啟動后第1次解算應(yīng)采用靜態(tài)解算方式解算通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中各分支風(fēng)量，解算結(jié)果作為下一迭代過程中各巷道分支的初始風(fēng)量。之后按照設(shè)定頻率提取傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行網(wǎng)絡(luò)迭代解算。

2.2 礦井通風(fēng)阻力參數(shù)測定

為了建立真實可靠的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算初始模型，需對礦井主要通風(fēng)巷道進行通風(fēng)阻力參數(shù)測定，主要依據(jù)MT/T 440—2008《礦井通風(fēng)阻力測定方法》、MT/T 635—1996《礦井巷道通風(fēng)摩擦阻力系數(shù)測定方法》進行。

由于礦井賦存條件復(fù)雜、開采時間長，且存在風(fēng)量微小、斷面異形等復(fù)雜情況，為提高測定精度、簡化測定工作，采用體積小、質(zhì)量輕的CFD15型高精度風(fēng)速儀(量程為0.1～15 m/s、精度為0.01 m/s、誤差為2%)、CPD120型高精度氣壓儀(量程為700～1 200 hPa，精度為1 Pa，誤差為0.01% F.S.)、激光巷道斷面檢測儀等。測量數(shù)據(jù)可導(dǎo)出或上傳到軟件系統(tǒng)中。

圖3 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)解算服務(wù)界面Fig.3 Dynamic solution service interface of ventilation network

考慮到南桐煤礦煤層傾角大，設(shè)置的開采水平多，共有1 182條巷道分支、824個節(jié)點、196個通風(fēng)設(shè)施、20多個采掘工作面的復(fù)雜通風(fēng)特性，確定了南北兩翼各4條測定路線，測定基點大氣壓、測點絕對靜壓、測點平均風(fēng)速、測點大氣狀態(tài)(溫度、濕度)、測點巷道斷面規(guī)格及參數(shù)、測段距離等1 000多組數(shù)據(jù)，計算、掌握了1 000多條巷道的斷面尺寸、支護形式、巷道阻力、風(fēng)阻、摩擦阻力系數(shù)等通風(fēng)參數(shù)，形成了南桐煤礦通風(fēng)阻力數(shù)據(jù)倉庫，為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算、建模提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3 通風(fēng)異常預(yù)警

(1) 巷道風(fēng)流異常預(yù)警。巷道風(fēng)流異常預(yù)警主要是監(jiān)測、分析通風(fēng)系統(tǒng)中各分支風(fēng)量、風(fēng)速是否滿足要求，不滿足要求時進行預(yù)警。根據(jù)2016年版《煤礦安全規(guī)程》設(shè)定各用途巷道的允許風(fēng)速取值范圍。

(2) 采掘工作面通風(fēng)異常預(yù)警。根據(jù)采掘工作面安裝的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，對工作面通風(fēng)安全狀況進行監(jiān)測、分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)局部通風(fēng)機停機、循環(huán)風(fēng)、風(fēng)流短路、通風(fēng)阻力異常等安全隱患、異常等情況時及時預(yù)警，以便實時掌握工作面通風(fēng)安全狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患。

2.4 通風(fēng)系統(tǒng)可視化

(1) 通風(fēng)巷道色彩渲染。將巷道設(shè)置為進風(fēng)巷道、用風(fēng)巷道、回風(fēng)巷道3類。不同類型巷道用不同顏色的箭頭表示巷道風(fēng)速和風(fēng)向。

(2) 風(fēng)流大小及移動方向動態(tài)顯示。巷道風(fēng)向和風(fēng)速不僅可用顏色分類，還可通過箭頭大小進行劃分。對解算的巷道風(fēng)量用風(fēng)向箭頭大小來區(qū)分，風(fēng)量大的巷道則箭頭較大，風(fēng)量小的則箭頭較小。以箭頭不同移動方向和速度表示風(fēng)向和風(fēng)速，解算風(fēng)速較大的巷道對應(yīng)的風(fēng)向箭頭移動速度較快，解算風(fēng)速較小的巷道對應(yīng)的風(fēng)向箭頭移動速度較慢。

(3) 異常預(yù)警信息顯示。對于系統(tǒng)出現(xiàn)的風(fēng)速超限、風(fēng)流短路、循環(huán)風(fēng)、傳感器異常等信息，在所在巷道或傳感器處以紅色標(biāo)注，在異常期間該巷道閃爍提示，并在礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)可視化動態(tài)解算及預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警窗口以紅色提示報警信息(包括異常巷道或傳感器編號、異常數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)對比等)。

(4) 三維立體顯示。通過采用三維可視化技術(shù)，以獲取的巷道標(biāo)高為依據(jù)，將二維通風(fēng)系統(tǒng)平面圖自動轉(zhuǎn)換為三維通風(fēng)系統(tǒng)立體圖，顯示通風(fēng)系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)、風(fēng)流方向、巷道通風(fēng)參數(shù)、通風(fēng)設(shè)施分布狀況等，如圖4所示。

圖4 通風(fēng)系統(tǒng)三維顯示Fig.4 3D display of ventilation system

3 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)可視化動態(tài)解算及預(yù)警系統(tǒng)

基于上述技術(shù)開發(fā)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)可視化動態(tài)解算及預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于C/S網(wǎng)絡(luò)模式，以監(jiān)測儀器、計算機硬件與網(wǎng)絡(luò)通信平臺為依托，以規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、信息化機構(gòu)及安全體系為保障，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用Microsoft Visual C#.Net為開發(fā)平臺完成構(gòu)建[6，14-15]。系統(tǒng)主要包括以下模塊。

(1) 綜合監(jiān)控模塊。連接安全監(jiān)控系統(tǒng)，關(guān)聯(lián)井下各路通風(fēng)監(jiān)測設(shè)備，接收各路通風(fēng)監(jiān)測設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后傳輸至上一級。

(2) 通風(fēng)系統(tǒng)圖繪制模塊。定制巷道、節(jié)點、風(fēng)門、密閉、風(fēng)橋、主要通風(fēng)機、局部通風(fēng)機、通風(fēng)標(biāo)注等專用繪制工具，方便繪制、瀏覽通風(fēng)系統(tǒng)圖，并能快速維護其基本屬性信息。

(3) 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)解算模塊。自動檢查各要素的空間、屬性數(shù)據(jù)的完整性和一致性；按通風(fēng)阻力定律計算巷道風(fēng)阻；按照設(shè)置的解算間隔時間，根據(jù)巷道實時風(fēng)量和風(fēng)壓情況，自動解算其他巷道的風(fēng)量及風(fēng)壓，并以曲線形式給出解算的收斂情況。

(4) 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)監(jiān)控及預(yù)警。在通風(fēng)系統(tǒng)圖上顯示風(fēng)速、風(fēng)壓等傳感器實時監(jiān)測值，點擊相應(yīng)地點可查看與其相關(guān)聯(lián)的傳感器數(shù)值曲線；顯示各巷道的解算風(fēng)量、風(fēng)速及風(fēng)流流動情況，點擊相應(yīng)地點可查看各數(shù)據(jù)變化曲線；利用動態(tài)解算結(jié)果，結(jié)合相關(guān)預(yù)警規(guī)則，對巷道和工作面通風(fēng)安全情況進行預(yù)警，點擊相關(guān)報表可查看全礦井通風(fēng)異常預(yù)警情況。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)監(jiān)控及預(yù)警界面如圖5所示。

圖5 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)監(jiān)控及預(yù)警界面Fig.5 Dynamic monitoring and early warning interface of ventilation network

4 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)可視化動態(tài)解算及預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

按照通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)解算要求，南桐煤礦在井下關(guān)鍵巷道(如工作面進回風(fēng)巷、采區(qū)巷道、主要進回風(fēng)大巷等)安裝了風(fēng)速傳感器，在主要進回風(fēng)巷之間的聯(lián)絡(luò)巷、工作面進回風(fēng)巷之間的關(guān)鍵風(fēng)門兩側(cè)安裝風(fēng)壓傳感器，共安裝33臺風(fēng)速傳感器、15臺風(fēng)壓傳感器。將風(fēng)速傳感器和風(fēng)壓傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)融入網(wǎng)絡(luò)解算中，實現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)解算及預(yù)警。

通過融合傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算的工作面風(fēng)量與實際風(fēng)量對比見表1?？煽闯鼋馑泔L(fēng)量與實際風(fēng)量誤差小于10%，滿足日常通風(fēng)管理需求。

系統(tǒng)每5 min進行1次解算，保證了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)解算的及時性。巷道風(fēng)量隨動態(tài)解算實時更新，并在對應(yīng)巷道顯示，如圖6所示。風(fēng)流方向以箭頭形式按不同風(fēng)速在巷道上移動，通過箭頭移動可直觀判斷風(fēng)速大小，實現(xiàn)了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果直觀、動態(tài)顯示。

南桐煤礦-200 m北大巷風(fēng)速傳感器2018年7月10日部分監(jiān)測值如圖7所示。該巷道風(fēng)速基本在4.80～5.11 m/s范圍波動，且集中在4.98 m/s左右，9時47分傳感器監(jiān)測值突然跳至5.81 m/s(持續(xù)時間1 min)，系統(tǒng)及時進行風(fēng)速突變預(yù)警。

表1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算風(fēng)量與實際風(fēng)量對比Table 1 Comparison between solved air quantity and the actual one of ventilation network

圖6 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)監(jiān)測及解算結(jié)果Fig.6 Dynamic monitoring and solution results of ventilation network

后經(jīng)考證分析，原因是井下通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整，增大了該巷道風(fēng)量。預(yù)警后通知井下通風(fēng)技術(shù)人員加強調(diào)風(fēng)管理，保證了調(diào)風(fēng)期間礦井安全生產(chǎn)。

圖7 -200 m北大巷風(fēng)速傳感器監(jiān)測值Fig.7 Wind sensor monitoring value in -200 m north main roadway

5 結(jié)論

(1) 根據(jù)南桐煤礦通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，借助先進的監(jiān)測技術(shù)，結(jié)合通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)解算模型，構(gòu)建了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)可視化動態(tài)解算及預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)了礦井風(fēng)速及風(fēng)壓參數(shù)全量程精準(zhǔn)檢測、全礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)解算、通風(fēng)異常連續(xù)分析與預(yù)警，減輕了解算及分析工作量，提高了解算結(jié)果準(zhǔn)確性。

(2) 通過多方式、多顏色的三維可視化技術(shù)，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)可視化動態(tài)解算及預(yù)警系統(tǒng)可全面、直觀、清晰地展示礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖及通風(fēng)參數(shù)變化，促進了通風(fēng)系統(tǒng)“一張圖”技術(shù)發(fā)展，對礦井通風(fēng)安全管理起到了積極作用。