（安全技术及工程专业论文）掘进巷道迎头风量无线监测关键技术研究.pdf

a b s t r a c t e n e r g ya l ev i t a l l yt oac o u n t r y se c o n o m yd e v e l o p m e n t ，b e c a u s ei n d u s t r yd e v e l o p s s o q u i c k l y , t h ee n e r g yr e q u i r e m e n ti sg r o w i n gd a yb yd a y r e c e n t l y , a l o n gw i t ht h es h o r t a g eo f p e t r o l e u ma n dt h el e a p i n gp r i c e ，a sa ni r r e p r o d u c i b l ee n e r g y , c o a l ，i t se x p l o i t a t i o na n du s i n g h a sr e a c h e dac e r t a i ne x t e n t ，a n dt h es a f e t yp r o b l e mi ss oi m p o r t a n tt h a ti tm u s tb er e s o l v e d p r o m p t l y e s p e c i a l l y , t h eg r a v ea n do u t s i z ea c c i d e n tt a k e sp l a c ec o n t i n u o u s l yw h i c h t h r e a t e n t h el i f ea n dh e a l t ho fm i n e r s t h eh i g hf r e q u e n c ya c c i d e n t sa t t r i b u t et ot h ei m m a t u r i t ym o n i t o r e q u i p m e n ta n d t h eb e h i n d h a n dm a n a g e m e n tm e a n s a i ma tt h es a f e t yo fe x c a v a t i n gl a n e w a yv e n t i l a t i o n ，t h er e a l - t i m es y s t e mo faw i r e l e s s m o n i t o rf o re x c a v a t i n gl a n e w a yf r o n t a li n p u ta i ri ss t u d i e d t h es y s t e mc a nm o n i t o r i n ga n d c o n t r o l i n gt h ee x c a v a t i n gl a n e w a yi n p u ta i rl i v e ，a n da v o i dt i l ec u r r e n tm e a n s d i s a d v a n t a g e i t t r a n s m i t ss i g n a l sa n dd i s p l a y st h ew i n ds p e e dm o m e n t a r i l y ，g i v e sa na l a r mb yl i g h ta n dv o i c e ， a n dc u t st h ep o w e rn e c e s s a r i l y o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls i t u a t i o no fw i n ds p e e dm e a s u r e t e c h n o l o g ya n d c l o s eq u a r t e r sw i r e l e s st r a n s m i t t i n gt e c h n o l o g y , c o m b i n i n gt h ed e s i g n r e q u i r e m e n to fg e n e r a lt e c h n o l o g yq u a l i f i c a t i o no ft h em i n i n gs e n s o r , t i l ep a p e rp u t sf o r w a r d t h eo v e r a l lp l a no ft h ed e s i g n ，a n dd i s c u s si nd e t a i li t st h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n ，i m p l e m e n t a t i o n m e t h o d sa n dt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e b a s e do fa t 8 9 s 5 1 s i g n a l c h i pc o m p u t e r ， t h es v s t e mc o n s i s t so fs o m eu n i tc i r c u i t s ，s u c ha sd a t aa c q u i s i t i o n ，w i r e l e s sm o d e ，d i g i t a l d i s p l a y , g i v i n ga na l a r mb yl i g h ta n dv o i c e a c c o r d i n gt o t h ee l e m e n tr e q u i r e m e n tu s e di n v o l a t i l eg a s ，c a l c u l a t e sd e s i g n i n gs a f e t yp a r a m e t e r s t h e s o f t w a r ei sd e s i g n e dw i t ht h e p r o g r a m m i n g m e t h o do ft h em o d u l a r l z a t i o n , a d o p t a s s e m b l e ；a n dk e i l ci n t e g r a t e e n v i r o m n e n t t h es u c c e s s i v ee x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h es y s t e mc a nm e a s u r et h ee x c a v a t i n g ! a n e w 7 a y f r o n t a li n p u ta i re x a c t l y , h a v eab e t t e rp r a c t i c a l i t yp r o s p e c t k e yw o r d s ：e x c a v a t i n gl a n e w a y ；i n p u ta i r ；w i r e l e s s m o n i t o ra n dc o n t r o l ； s c h ( s i n g l e c h i p - m i c r o c o m p u t e r ) 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下进行研究所取得 的成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：乡加l 日期：修年历月2 一扫 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：彦抄易 导师签名： 日期：缈年歹月明 日期：秒萨月日 湖南科技大学硕七学位论文 第一章绪论 我固煤炭以井工开采为主，井下有害气体的排放与浓度控制都是靠强化通风 来解决的，并且通风系统的好坏直接关系着井下工作人员的工作环境健康度。通 常，矿井生产、运输巷道所需风量是由设在地面的大型扇风机( 主扇) 担负，而 掘进巷道所需风量则是由设在掘进巷道附近的小型通风机( 局扇) 通过风筒送到 迎头，其布置方式如图1 1 所示。 幽1 1 掘进巷道局嗣j j j 入式越风布置! 圈 f i g 1 1l a y c u to fp l e n u mv e n t i l a t i o ni ne x c a v a t i n gl a n e w a y 掘进巷道是煤矿瓦斯事故的多发区，主要原因是通风不良。尽管现有矿井安 全监测系统对主扇通风系统质量( 风速、风量) 的检测已有完善的手段但对局 扇通风系统质量的检；! 贝2 ，目薏玎还只是停留在对局扇开关的检测上，缺少对于掘进 通风的重点部位巷道迎头( 也称掘进头，通常是指距巷道迎头约2 0 m 的范 围) j = | 量的监测手段。 尽管从理论上讲，掘进迎头风量的有无，取决于局扇的开停，但实际上，局 扇提供的风量要通过风筒才能传输到掘进头，因此，掘进头风量的有无与多少， 不仅与局扇的运转情况有关，而且也与风筒的使用质量密切相关。 用于巷道掘进送风的风筒材质一般为涂胶的帆布，风筒直径4 0 0 9 0 0 m m ， 长度l o l r l 条，掘进巷道每延伸l o r e 就要接上一节风简。在掘进作业中，由于风 筒连接质量问题和巷道中来回运送材料、设各的刮碰，易于造成风筒的连接处脱 扣或筒身破口，如舆维护、修补不及时，风量传输途中泄露过多，尽管局扁在正 常运转，仍会造成掘进迎头微风或无风，其结果易于导致两类恶性事件发生：一 是有害气体排不出，空气中氧沐度降低，导致掘进作业人员中毒或窒息：二是易 于造成沼气超限和积存，为重大瓦斯事故的发生创造条件。 可以说；控制掘进巷道瓦斯事故的关键在于控制掘进头的通风质量，开展掘 第一章绪论 进迎头微风或无风监控技术的研究，实现对掘进头微风、无风等有害信息的实时 监控，对提高现场安全保障程度，防止重大瓦斯事故发生具有重要的现实意义。 1 1 掘进巷道通风检测的研究现状 掘进巷道是矿井瓦斯涌出量最大的区域，加之放炮等采掘工艺的原因，煤尘 浓度高，工作环境恶劣。而解决这些问题最好的措施即是加强掘进工作面通风。 好的通风系统，不仅可以及时稀释工作面煤体所涌出的瓦斯，还能带走因采掘过 程中所产生的煤尘，供给工作面新鲜的空气，改善工作环境。国内外专家学者对 掘进巷道通风监测的研究从来没有停止过，随着电子技术的进步，各种新型的智 能化通风检测仪表相应出现。 1 1 1 通风检测仪表的发展 通风安全检测仪表的发展经历了三个阶段，即模拟式检测仪表、数字式检测 仪表和智能检测仪表。 ( 1 ) 模拟式检测仪表：模拟式通风安全检测仪表的发展经历了漫长的过程， 从最初的用蜡烛燃烧掉沼气及用安全油灯照明并检查沼气和二氧化碳浓度的检 测仪表的雏形开始一直到现在，在很长一段时问里模拟式仪表一直对煤矿安全生 产起着巨大的推动作用。如矿井通风阻力测定中常用的空盒气压计和风表等都属 于模拟仪表的范畴。这类仪表不管其原理和结构如何，都有一个共同的特征，就 是直接对模拟量进行测量，最终以指针的运动或工作液体液面的变化来显示测量 结果【i l 。 ( 2 ) 数字式检测仪表：数字式仪表与模拟式仪表相比，在原理、结构上发生 了根本性的变化，基本原理是将被测模拟量转化为数字量后再进行测量，数字集 成电路被大量采用，刖d ( 模拟一数字转换器) ，d a ( 数字一模拟转换器) 和 十进制数码显示技术是其最明显的特征标志。数字式检测仪表给人以直观的感 觉，响应速度和测量精度也比模拟式仪表提高很多。尽管如此，这一代检测仪表 的实时功能仍然十分简单，一般不具备记忆、对数掘分析处理、可程控以及人机 对话这样的高级功能【：1 。 ( 3 ) 独立式智能仪表：独立式智能通风安全检测仪表实际上是一个专用的微 型计算机系统，它由硬件和软件两大部分组成。硬件部分包括主机电路、过程输 入通道、人机联系输入输出设备及接e 1 电路、数据通信接口等。主机电路由微型 计算机及扩展电路组成。主机电路是智能化测量仪表区别于传统测量仪表的核心 部件，用于存储程序、数据、执行程序并进行各种运算、数据处理和实现各种控 制功能【：3 】；模拟量输入通道一般由信号预处理电路、多路模拟开关、采样保持器 s h 以及d 转换器等构成，用于将被测量对象的物理信息进行处理变换，使 2 湖南科技人学硕十学位论文 之适合于微机接受的数字量输入微机；人机联系输入输出设备用于沟通操作者与 仪表之间的联系，它主要由仪表面板上的键盘和显示器组成；通信接口由串行通 信电路或并行通信电路组成，用来实现仪表与仪表之间或仪表与通用计算机之间 交换信息。智能仪表的软件包括监控程序、中断服务子程序、实现各种功能的子 程序以及各种测量算法的功能模块等【l 。 智能仪表主要特点：极大的提高了仪表的准确性和可靠性，一部仪表的 优劣主要体现在“准确性”( 精度) 和“正确性 ( 可靠性) 两个方面。智能化 测量仪表通过自动校准或自动修正各类测量误差等手段来提高仪表的准确性，通 过各种自检手段来提高仪表的可靠性。对测量结果进行存储和运算处理等功能 是独立式智能化通j x l 安全检测仪表的突出特点。多功能化：传统的检测仪表一 般只能对某一特定参数进行测量，如空盒气压计只能测量大气压力、风表只能测 量风速等，然而，智能仪表通常能对多个通道、多个参数进行快速、实时检测。 输出形式多样化：传统的检测仪表的检测结果一般通过指针运动、工作液体液 面的变化或l e d 数码显示器等进行指示，其输出形式相对比较单一。然而，智能 仪表输出形式可以多种多样。数据通信功能：传统检测仪表是一台相对独立体， 它不能与其他的仪器设备进行通信联系。然而，智能化仪表可以按照串行总线或 并行总线规则，与其它智能仪表或通用计算机或常规数字仪表方便的实现互连， 以达到数据共享的目的f 3 】。 1 1 2 掘进巷道风量的检测方法 利用仪器、仪表对掘进巷道平均风流风速进行测量是掘进巷道最直接、应用 最为广泛的测量方法。目前，在矿山井巷进行的平均风速的测定，仍是沿用传统 的“曲线”测风法、“四线”测风法和“十二点”测风法【钉。由于这些传统的测 风方法均要在不断移动风表的情况下才。能完成，这就不可避免地存在由于风表的 移动、速度、倾斜、测风人员移动对风流的干扰以及使用风表时的准备、结束工 序时间对测量精度的影响1 6 1 。同时，在巷道横断面不同的风速层次上，移动风表 时间的不均匀性及大断面巷道不能全断面移动风表，测量精度也有非常大的影 响。姚德祥【5 】提出了井巷中心点定点测风法和井巷平均风速点定点测风法。该方 法避免了以往传统测量风速的不足，能从一定程度上提高测量精确度，并在现场 的工程实践中得到了较好的应用，并取得了一定的成效。岳才华【，j 通过对局部风 机性能的测定和对风筒导风性能的测定，对掘进通风做出了计算，对掘进巷道通 风风量的计算提供可靠性的数据。董世刚等1 6 】对传统的通风测量方法进行了系统 性分析，根据机械风表测量风速的原理在风速测算公式表达基础上，进行数学误 差分析，并结合现场实例论证了使用机械风表测量风速时存在误差，同时提出了 减少误差的实际测量要求。苏玉成等【7 】应用现代技术设计一套风量自动检测装置， 对巷道的通风情况进行日常检测，显示巷道的实际供风量，并且在危险情况下发 第一章绪论 出声光报警信号以及切断该巷道的总电源，可提高掘进工作面的安全装备水平。 t h o m a scw l l i o t t 早在1 9 9 1 年就提出了应用多种传感器技术对矿井通风系统进行 全面监测，但是由于井下不定因素太多，所监测的数据不稳定，未能取得较好的 应用。a a 梅谢里亚科夫设计的由俄罗斯一家3 k o t e x h h b e c t 科学制造公司制造 的新型风表，亦是一种传统的便携式仪器，虽然有较高的测量精确度，但是依然 不能摆脱传统便携式仪器的不足之处。 ( 1 ) 流动检测方式：流动检测方式是目前国内外对掘进巷道通风最主要的监 测方式。即有测风人员随身携带各种风速测量仪器、仪表，流动、不定时、随意 性对井下各个场所风量进行检测。 ( 2 ) 定时、定点检测方式：定时监测方式也是目的国内外对掘进巷道通风检 测的方式之一。即是在规定的时间对掘进巷道进行风速的检测。 1 1 3 现有通风检测技术评述 1 1 3 1 便携式检测仪器、仪表的不足 ( 1 ) 虽然现在的仪表都实现了便携式、智能化，但是常用的仪器仪表由测风 员随身携带，由于在仪表同常使用过程中，不免发生碰撞等意外情况，容易造成 精密仪器损伤，精确度的下降，导致风表测量精度的降低。 ( 2 ) 其次各种仪表校j 下时的空气温度、湿度和大气压力以及实际使用矿井巷 道中的风流温度、湿度和大气压力对风表的准确读数都有很大影响，对测量精度 也有不同程度的影响【剐。 ( 3 ) 测量人员在进行测量时，由于不能完全按照规定的操作要求，也使得测 量精度降低【s 】。 1 1 3 2 检测方法的不足 虽然在巷道通风检测方法上不断进行改进，提出了如井巷中心点定点测风法 和井巷平均风速点定点测风法等精确度较高的检测方法，但是依然存在很大程度 上的不足。 ( 1 ) 掘进巷道大多是不规则的拱形断面，这些方法在实际测量过程中操作较 难掌握巷道的中心点，使得测量难度加大。而且由于掘进巷道壁面风阻大，巷道 风流存在不规则流动，使得巷道同一个断面上由内而外，风流速度存在不规则流 动，很难实现井下风速的准确测量。 ( 2 ) 由于井下工作面多，距离远，而监测人员数量有限，流动检测方式以及 定时、定点检测方式都只能对掘进巷道风量进行临时性的监测，无法实现实时监 测效果，而瓦斯事故往往发生在较短的时间内。 1 1 3 3 迎头风量有线监测模式的不足 掘进巷道风量有线实时监测系统早在上世纪8 0 年代就有相关产品的问世， 4 湖南科技人学硕士学位论文 它是通过设在风筒内的风速传感器实现对掘进迎头风量的监测，系统采用的是有 线供电、信息传输系统，虽然能对迎头风量进行实时监测，但其在安装、移动过 程中与风筒的动态连接、延伸不适配，所以，一直未能被现场接受。 1 2 巷道掘进迎头风量无线监控的提出 近年来，虽然煤矿安全监测系统已得到普及，但巷道掘进一般都只是配有瓦 斯传感器，监测功能单一，对于掘进巷道迎头风量，由于原有的监测技术存在不 同程度的局限性，使其实时监测问题始终没有得到有效解决。根据近年来统计， 在掘进巷道发生的瓦斯事故占矿井瓦斯事故总数的8 0 以上【- l 。掘进巷道微风或 无风是导致矿工作业环境恶劣，甚至瓦斯爆炸等重大灾难发生的主要原因之一。 实现对掘进巷道迎头风量，特别是微风或无风状态的实时监控是安全监测技 术必须解决的问题，而掘进迎头风量无线监测技术是解决上述问题的有效途径之 一。新的风量监测思路充分利用现有瓦斯监测的信息传输系统，抛弃原有自成体 系的有线模式，使用上还要考虑与掘进作业的环境与流程相匹配，便于安装、易 于保护( 防止炮崩) ，不给现场作业人员增加干扰和工作负担，掘进巷道迎头风 量无线监测模式的研究是基于上述原则进行的，其实现可大大提高巷道掘进作业 安全监管水平，也符合掘进巷道风量监控技术发展的大趋势。 1 3 研究内容和关键技术 课题采用理论研究与实验模拟相结合的研究方法，对掘进巷道迎头风量无线 监测关键技术进行研究。首先充分了解井下掘进工作面现场生产情况，所设计的 系统必须能满足井下复杂环境的要求；确定系统的设计方案，系统要具有良好的 工作性能，能圆满完成系统设计所要求完成的任务。从了解市场上常用的单片机 及其外围电路入手，充分考虑其体积、性能、价格比和工作稳定性等参数，对元 器件进行选型和总体设计方案的可行性研究，确定系统的基本功能及总体设计思 路。开发的主要任务包括以下几个方面： ( 1 ) 掘进迎头风量的信号采集，包括信号采集设备的布置方案的设计，对信 号采集电路进行设计，分析其测量精确度； ( 2 ) 信号无线传输电路的设计； ( 3 ) 风量显示、报警电路及工作面电源控制电路的设计； ( 4 ) 风量监控系统软件设计： ( 5 ) 风量检测的误差分析： ( 6 ) 风量监控电路电器规范的的安全性计算。 研究的关键技术： ( 1 ) 风筒中风速传感器的设计及布局，实现对风筒前端风速信号的实时采集。 ( 2 ) 上位机与下位机之间风速信号的无线传输。 第一章绪论 ( 3 ) 风量的准确换算，对风量的实时显示，以及在微风、无风情况下掘进工 作面断电的控制。 1 4 本章小结 本章简要分析了目前国内煤矿井下开采工作中掘进巷道的生产现状，瓦斯超 限问题是当前掘进工作安全问题的核心：论述了掘进工作面风量检测的发展史和 研究现状，并详细分析了其存在的不足之处；针对其存在的主要问题，提出了掘 进巷道迎头风量无线监测技术的解决方案，给出了论文的主要研究内容、研究方 法和研究的关键技术。 6 湖南科技火学硕士学位论文 第二章掘进巷道通风及其风量计算 2 1 掘进巷道的通风方式 在矿井生产过程中，为了准备新水平、新采区和采煤工作面，都必须掘进大 量的巷道。在掘进巷道时，为了供给作业人员呼吸新鲜空气，稀释掘进工作而的 瓦斯及爆破后产生的有害气体、炮烟和矿尘，创造良好的气候条件，必须对掘进 工作面进行通风。这种掘进巷道时的通风称之为掘进通风。它属于局部通风的范 筹。局部通风就是指利用局部通风机或主要通风机产生的风压对局部地点进行通 风的方法f 9 j 。 掘进通风的通风方式主要有压入式通风、抽出式通风、混合式通风、可控循 环风和矿井全压通j x l f , o j 。 2 1 1 压入式通风 压入式通风的局部通风机设在新鲜风流中，污风不通过局部通风机，具有有 效射程远，工作面风速大，工作面迎头区排烟效果好，可使用柔性风筒，使用方 便等优点嗍。布置方式如图2 1 所示。 图2 1 掘进巷遭压入式通风布局 f i g 2 1l a y o u to fp l e n u mv e n t i l a t i o ni ne x c a v a t i n gl a n e w a y 从风筒出口至射流反向的最远距离称射流有效射程，一般为】： 厶= ( 4 5 ) 店 ( 2 1 ) 式中：厶，有效射程m ；s ，巷道断面，m 2 。 压入式通风的主要特点是局扇及电器设备布置在新鲜风流中；有效射程远， 工作面风速大，排烟效果好；可使用柔性风筒，使用方便。但是因污风沿巷道排 出，巷道内劳动环境条件差，当风量一定时，掘进巷道越长，污风在巷道内流动 时间越久，要缩短通风时间，就必须增大风量。单一的压入式通风方式将会使大 7 第二章掘进巷道通风及其风量计算 量的粉尘吹出工作面，造成有人工作的巷道及回风系统被严重污染，直接影响着 工人的身体健康2 l 。 要求：( 1 ) q 局 q 巷，避免产生循环风； ( 2 ) 局扇入口与掘进巷道距离大于1 0 m ： ( 3 ) 风筒出口至工作面距离小于l s 。 2 1 2 抽出式通风 抽出式通风是将局部通风机安装在离掘进巷道l o r e 以外的回风侧，新风沿 巷道流入，污风通过风筒由局部通风机抽出】。抽出式通风的优点是新鲜风流沿 巷道进入工作面，整个井巷空气清新，劳动环境好。布置方式如图2 2 所示。 f i g 2 2l a y o u to f e x h a u s tv e n t i l a t i o ni ne x c a v a t i n gl a n e w a y 在巷道边界条件下，其一般计算式为( 1 i 1 ： 乞= 1 5 括 ( 2 2 ) 式中：s ，巷道断面，m 2 ；l 。，风筒吸口吸入空气的作用范围。 抽出式通风存在一些不足之处：风机安装在回风流中，不能用于瓦斯浓度较 大的巷道；带有粉尘的风流进入伸缩风筒后，部分粉尘沉积在风筒内壁，清扫比 较困难；湿式除尘风机的滤网需定期冲洗、清扫，这就需要停止风机运转，不利 于工作面瓦斯管理；污风通过通风机，若风机防爆性能差，则抽出爆炸性气体时 不安全：有效吸程小，工作面排烟效果不好，不能使用柔性风筒等；带有刚性圈 的伸缩风筒造价比较御他】。 2 1 3 混合式通风 混合式通风是压入式和抽出式两种通风方式的联合运用，兼有压入式和抽出 式两者的优点，被认为是掘进通风中较好的一种通风方式。其中压入式风筒向工 作面供新风，抽出式风筒从工作面排出污风f i j 。其布局方式取决于掘进工作面空 气中污染物的空间分布和掘进、装载机械的位置。按局部通风机和风筒的布设位 置，分为：长压短抽，长抽短压和长抽长压；按抽压风筒口的位置关系，每种方 湖南科技人学硕十学位论文 式又有前抽后压和前压后抽两种m 。 图2 3 掘进巷道k 抽短压式混合通风布局幽 f i g 2 3l a y o u to fl o n gp o s i t i v ep r e s s u r ea n ds h o nn e g a t i v ec o m p o s i t ev e n t i l a t i o ni ne x c a v a t i n g l a n e w a y ( 1 ) 长抽短压( 前压后抽) 工作面的污风出压入式风筒压入的新风予以冲淡和稀释，由抽出式主风筒排 出。其中抽出式风筒须用刚性风筒或带刚性骨架的可伸缩风筒，若采用柔性风筒， 则可将抽出式局部通风机移至风简入风口，改为压出式，由罩向外排出污风。 ( 2 ) 长压短抽( 前抽后压) 新鲜风流经压入式长风筒送入工作面，工作面污风经抽出式通风除尘系统 净化，被净化后的风流沿巷道排出。 混合式通风是大断面长距离岩巷掘进通风的较好方式。煤科总院重庆分院掘 进通风组介绍了巷道掘进混合式通风的布置方法及合理通风参数，并对矿井现有 通风、除尘设备进行选译和配套，同时提出了采用混合式通风的一些管理方法m 1 。 混合式通风的主要缺点是降低了压入式与抽出式两列风筒重叠段巷道内的风量， 当掘进巷道断面较大时，风速就更小，则此段巷道顶板附近容易形成瓦斯层状聚 集。因此，两台风机之间的风量要合理配置，以免发生循环风，并使风筒重叠段 内风速大于最低风速。 2 1 4 可控循环风 可控循环风作为一种新的通风方法，与传统的通风方法相比，能大幅度地降 低通风费用，因此在国际上进行了深入的研究与应用m m 】。循环通风方法的理论 研究。国内许多高校和科研单位也纷纷对循环通风方法进行了理论研究。其中， 东北大学的研究认为，在采用短压长抽混合式通风的巷道掘进中，利用掺有新鲜 风的可控循环通风系统，能较好地解决排除炮烟、排尘和改善工作面气候条件的 问题。有研究认为，采用压入式通风的掘进巷道中，在有循环风的情况下，只要 适当把循环系数( 循环风量与局部通风机风量的比值) 控制在一定范围内，巷道 9 第二章掘进巷道通风及其风垃计算 风流中的瓦斯浓度就会控制在一定的限度内。在采取长压短抽的混合式通风巷道 掘进中，采用循环通风时，仅会使工作面与抽出式风机出口断面间的风流中的瓦 斯浓度增高，但升高浓度是有限的。巷道中其余断面上的瓦斯浓度与循环风无关， 只取决于压入式风机的风量。当压入式风机风量足以使抽出式风机出口断面处的 瓦斯浓度不超过限度时，通过抽出式风机的风流中的瓦斯浓度就不会超限。此外， 循环风可使巷道中的风量增大，风速提高，对防止顶板瓦斯聚集反而有利i l 引6 】。 人们还根据循环区范围的大小，对可控循环通风系统进行了分类。将其分 为局部性、区域性和全矿性的可控循环通风系统。目前局部性可控循环通风系 统的研究与推广应用工作大多集中于掘进工作面或独头巷道中，并取得了明显 的效果f 1 7 j 。 2 1 5 矿井全风压通风 全风压通风是利用矿井主要通胍机的风压，借助导风设施把主导风流的新鲜 空气引入掘进工作面。其通j x l 量取决于可利用的风压和风路风阻】。按其导风设 施不同可分为： ( 1 ) 胍筒导风：在巷道内设置挡胍墙截断主导风流，用风筒把新鲜空气引入 掘进工作面，污浊空气从独头掘进巷道中排出。特点：此种方法辅助工程量小， 风筒安装、拆卸比较方便，通常用于需风量不大的短巷掘进通风中。 ( 2 ) 平行巷道导风：在掘进主巷的同时，在附近与其平行掘一条配风巷，每 隔一定距离在主、配巷间开掘联络巷，形成贯穿风流，当新的联络巷沟通后，旧 联络巷即封闭。两条平行巷道的独头部分可用风幛或风筒导风，巷道的其余部分 用主巷进风，配巷回风。 特点：此方法常用于煤巷掘进，尤其是厚煤层的采区巷道掘进中，当运输、 通风等需要开掘双巷时。此法也常用于解决长巷掘进独头通风的困难。 ( 3 ) 钻孔导风：离地表或邻近水平较近处掘进长巷反眼或上山时，可用钻孑l 提前沟通掘进巷道，以便形成贯穿风流。这种通风方法曾被应用于煤层上山的掘 进通风，取得了良好的排瓦斯效果。 ( 4 ) 风幛导风：在巷道内设置纵向风幛，把风幛上游- - n 的新风引入掘进工 作面，清洗后的污风从风幛下游一侧排出。这种导风方法，构筑和拆除风幛的工 程量大。适用于短距离或无其它好方法可用时采用。 2 2 掘进巷道所需风量计算 每个独立通风的掘进工作面实际需要的风量，应按瓦斯、二氧化碳涌出量、 炸药用量、局部通风机实际吸风量、人数和风速的规定要求分别进行计算并取 其中的最大值【9 】。 1 0 湖南科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 按瓦斯涌出量计算 q 掘= l o o q 瓦k 鼎 ( 2 3 ) 式中：姥，掘进工作面的绝对瓦斯涌出量，m 3 m i n ；k ，掘进工作面的通 风系数，主要包括瓦斯或者二氧化碳用处不均衡和备用风量等因素，因根据实际 考察的结果确定，一般取k = i 5 2 o ；s ，巷道断面积，m 2 ：瓯，掘进巷道需风量， m 3 m i n 。 ( 2 ) 按炸药量计算 = 2 5 a ( 2 4 ) 式中：2 5 ，每公斤炸药爆破后需要供给的风量，m 3 ( m i n k g ) ：a ，掘进工 作面次爆破的最大炸药用量，k g 。 ( 3 ) 按人数计算 o 掘= 4 n ( 2 。5 ) 式中：4 ，规程规定没人每分钟的供给风量，m 3 ( 人m i n ) ：n ，掘进工 作面同时工作的最多人数，人。 ( 4 ) 按局部通风机的实际吸风量计算 q 撖= q 通i c ( 2 6 ) 式中：绋，掘进工作面所用局部通风机实际吸入的风量，m 3 r a i n ：i ，个 掘进工作面同时工作的局部通风机的台数：c ，掘进工作面防止局部通风机吸循 环风的系数，一般可以取c = 1 1 一1 2 。局部通风机的吸入风量姥，可以根据所用 局部通风机的型号确定，如 j b t _ _ 4 2 ( 4 k w ) 型局部通风机，可取蜘= 1 2 0 m 3 m i n ： j b 卜5 2 ( 1l k w ) 型局部通风机，可取= 2 0 0 m 3 m i n ； j b t - 一6 2 ( 2 8 k w ) 型局部通风机，可取蜘= 3 5 0 m 3 m i n 。 ( 5 ) 稀释瓦斯所需风量 按规程规定，岩巷掘进工作面的最低允许风速为o 1 5 m s ：煤巷和半煤 岩巷掘进工作而的最低允许风速为0 2 5 m s ：最高允许风速均为4 m s 。所以： 岩巷掘进时，掘进工作的风量q 掘应满足 9 s l q 掘2 4 0 s 掘 ( 2 。7 ) 式中：，掘进巷道断面积，m 3 。 煤巷或半煤岩巷掘进时，掘进工作的风量& 应满足 15s 相q 掘2 4 0 s 掘 ( 2 8 ) 总之，掘进巷道需风量，原则上应该按排除炮烟、瓦斯、矿尘诸因素分别计 算，取其中最大值，然后按风速验算。 第二章掘进巷道通风及其风颦计算 2 3 掘进巷道迎头的风量计算 掘进巷道迎头风量由局部通风机的风量和传输中的漏风率决定。漏风率则需 要根据通风机的风量和风筒出风口的风量进行计算，而风筒出风口的风量就是掘 进巷道的迎头风量，即 q 迎= q 机xk 漏 ( 2 9 ) 式中：瓯，巷道迎头风量，1 1 1 3 s ：g l ，局部通风机的风量，m 3 s ：k 溜，漏 风率。 2 4 风筒风速的计算 掘进巷道迎头风量等于风筒出口风量，根据不可压缩流体体积流量计算公 式，可计算出其风筒风速e 迎= v s ，则风速 v = e 迎s ( 2 1 0 ) 式中：q 娅，掘进巷道迎头风量，r f l 3 s ；n 风筒风速，m s ：s ，风筒断面积， 1 m 。 2 5 本章小结 掘进工作面通风方式繁多，本章对掘进巷道传统的压入式、抽出式、混合式 等通风方式做了介绍，并叙说了各种通风方式的优缺点：根据掘进工作面不同采 掘方式，分别给出了需求风量计算公式；对掘进巷道迎头风量两种不同的测量方 法进行了分析，给出了计算公式。 湖南科技大学硕士学位论文 第三章掘进迎头风量信号检测 迎头风量检测电路在巷道中的布置尤为重要，布置不合理，不能有效检测巷 道的迎头风量，将使整个监测系统丧失监测的效果。合理的布局是在充分了解掘 进巷道现行通风方式的基础上设计出来的。 3 1 掘进通风设备的布置 掘进巷道通风以压入式为主，通风设备布置如图3 1 所示。局扇置于具有系 统风流巷道的进风侧，距掘进巷道的外口l o m 左右。局扇产生的风量通过风筒 送到掘进巷道的迎头，风筒沿巷道壁面上部平行挂接。随着采掘工作进行，整个 送风风筒会不断加长。在生产过程中，由于炮崩、同常生产过程中的碰刮等原因， 第一节风简通常存在较严重的破损，因此新增加的风筒将在工作面前端第一节和 第二节风筒之i 、日j 接入，将第一节风筒始终放在最前端，以减少对风简的修补工作。 监测系统的瓦斯传感器悬挂于工作面前端，采用电缆供电、有线信号传输方 式，保证对掘进工作面瓦斯浓度的实时监测。监测信号通过监测分站接入矿井监 测系统中，传输到地面监控中心。 图3 1 掘进巷道压入式通风系统布局图 f i g 3 1l a y o u to fp l e n u mv e n t i l a t i o ni ne x c a v a t i n gl a n e w a y 3 2 掘进迎头风量无线监测布局 掘进迎头风量无线监测系统由上位机( 包括风速传感器、信号处理电路、中 央控制器、无线发射模块) 和下位机( 包括无线接收模块、中央控制器、显示电 路、报警电路以及控制电路) 组成。 迎头风量主要通过对末端风筒风速进行监测。迎头风量的无线监测方案及其 第三章掘进迎头风鼙信号检测 风速传感器和置方式如图3 2 - 3 所示。 图3 2 掘进巷道迎头风域无线监控系统布局图 f i g 3 2l a y o u to f w i r e l e s sm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mf o rf r o n t a la i rf l o w r a t ei ne x c a v a t i n g l a n e w a y 图3 3 风筒内风速传感器布蓝图 f i g 3 3l a y o u to fw i n ds p e e ds e n s o r i nv e n t i l a t i o nd u c t 通过设置在风筒内部的风速传感器采集风速信号，再经过信号处理电路放 大、整形后，送入上位机中央控制器，然后通过无线发射模块将信号传送值下位 机。下位机接收到信号后，与预定风速等级进行比较，并根据比较结果发出不同 的控制动作( 风量正常则显示蓝灯；不足则黄灯亮，声音报警；微风、无风则红 色灯亮，并控制工作面断电) 。 掘进巷道迎头风量无线监测系统可以从以下几个方面避免传统监测模式的 不足，对掘进巷道迎头风量进行准确、实时监测。 ( 1 ) 传统的、风速风量监测都是基于巷道风速的监测，由于掘进巷道存在不 1 4 湖南科技人学硕士学位论文 规则性等因素，在同一断面上的风速都不均匀，不同断面上的风速也存在很大差 异，给测量的精确性带来难度。而对风筒送风风量的监测，可以弥补这一缺点。 风筒具有规则的结构，由于筒内风速高，分布相对较均匀，便于信号的拾取，只 要挂接合理，可以保证测量的精确度。 ( 2 ) 将风量监测装黄固定于风简内部，可有效防止外面物体的砸、刮，保证 监测装置的正常运行。 ( 3 ) 采用独立电源供电，风量传感器与现有安全监测系统实现无线传输，解 决了传统有线模式有线供电、信息传输的不足和安装、移动与风筒的动态连接、 延伸不适配问题，便于保证对风量的长期监测，不会给掘进工作面增加工作量。 此外，将风量检测装置作为上位机，始终处于整个局部送风系统的前端，可 以保证实时测量的是巷道迎头的风量。而下位机挂接在瓦斯传感器上，通过时分 复用技术，可以共用一条信号线接入矿井监控系统。由于上、下位机为近距离无 线传输，信号损失小，抗干扰性好。 3 3 迎头风量信号检测原理 对迎头风量信号的检测是建立在机械光电原理基础上的。主要是运用光电耦 合器件，将电路的物理量转换成数字量。光电耦合器，是近几年发展起来的一种 半导体光电器件，由于它具有体积小、寿命长、抗干扰能力强、工作温度宽及无 触点输入与输出在电气上完全隔离等特点，被广泛地应用在电子技术领域及工业 自动控制领域中，它可以代替继电器、变压器、斩波器等，而用于隔离电路、开 关电路、数模转换、逻辑电路、过流保护、长线传输、高压控制及电平匹配等【l s 1 9 j 迎头风量信号检测正是利用机械光电原理而实现的。系统利用风筒风压的推 力拖动扇叶的转动，扇叶转动速度的快慢与风筒风速成正比，在扇叶上安装一些 附件，通过对扇叶转动速度快慢的测量，即可换算出风筒风速值。 如图3 4 所示。风量检测电路主要通过前端光源和光敏元件对扇叶转速进行 监测，红外光光源每照射光敏元件一次，即产生一次电脉冲信号。因此光敏元件 所产生的电脉冲次数与扇叶的转动速度成正比例关系。通过单片机计数器对电脉 冲信号进行计数，即可求出扇叶转动速度的快慢和风速。 3 4 迎头风量信号检测电路设计 迎头风量信号检测电路是整个检测系统的最主要组成部分，信号采集电路设 计的好坏直接关系着整个检测电路的成功与否。 第三章掘进迎头风量信号检测 图3 4 风速信号转换原理示意图 f i g 。3 。4s k e t c hm a po f p r i n c i p l ea b o u tw i n ds p e e dt od i g i t a ls i n g a l s 3 4 1 单片机测量系统的构成 一般以单片机为中央控制单元的测量系统的基本构成主要包括信号拾取电 路、信号整形放大电路、单片机控制器以及驱动、显示电路和报警电路等几个 部分1 2 0 1 结构如图3 5 所示。 + 。璧i 驱j ! 转i 穗；竺 篓!；冀；单? ； j 星：一6 z - l 片i 一显 ；囊! ；奏； 机|蚕； - - u j 图3 5 转速测量系统基本构成 f i g 3 5f r a m e w o r ko fr o t a t i o nr a t em e a s u r e m e n ts y s t e m ( 1 ) 信号拾取 信号的拾取是整个检测系统的最前端，将外界的非电量信号转化为检测系统 可识别的电量信号。一般信号的拾取可以通过以下方式来实现【2 l l ： 通过敏感元件拾取。根据检测系统的需求，可以将敏感元件制作成不同的 外形，将所要被测的物理量转换成电流、电压等，在通过对电流、电压信号的测 量，通过计算即可转换成对应的检测量。 通过传感器拾取。通过传感器拾取被测信号是检测系统中最常用的使用方 式，将敏感元件和相应的测量电路、传递机构以适当的形式连接成不同类型、不 同用处的传感器，输出模拟量、数字量或者开关量。本文采用光电传感器件作为 前端信号的拾取元件，根据机械光电原理，拾取叶轮的转速，再计算风速。 通过测量仪表拾取。测量仪表拾取被测量信号是通过专门的测量仪表直接 输出信号。 1 6 湖南科技人学硕士学伉论文 ( 2 ) 整形和放大 从传感器或敏感元件输出的信号在进入计算机之前必须转换成计算机所能 识别的信号。有前端传感器所采集到的信号，由于信号调节电路的选择，现场干 扰等因素，都会使信号产生失真。因此信号在进入计算机之前必须进行整形滤波， 去掉各种干扰源所产生的干扰信号。脉冲信号的上升沿和下降沿对数字电路的触 发则显得更为重要，因为数字信号直接送入计算机( 计数器或外部中断输入端) ， 利用其上升沿或下降沿来触发进行计数，必须要求输入的信号有陡峭的上升沿或 下降沿，因此，有必要通过触发电路对信号进行整形。 信号的放大用于将传感器输出的微弱的电压、电流或者电荷信号转换成标准 信号。对其基本要求是：输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；一定的放大 倍数和稳定的增益；低噪声；低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂 移：足够的带宽和转换速率( 无畸变的放大瞬态信号) ；高输入共模范围( 如 达几百伏) 和高共模抑制比；可调的闭环增益；线性好、精度高：成本低 3 4 2 迎头风量信号检测电路 信号采集电路是以单片机为中央控制单元的测量系统的最前端电路。采用无 接触式光电组合套件对扇叶转速信号进行采集，脉冲信号经抗干扰电路、放大电 路和整形电路后，送入单片机，进行计数，接i z i 电路原理图如图3 6 所示。 图3 6 迎头风量数据采集输入检测通道 f i g 3 6i n p u td e t e c t i o nw a yo f d a t aa c q u i s i t