均压通风动态监测技术的研究.pdf

煤炭科学研究院 硕士学位论文 均压通风动态监测技术的研究 姓名张宏福 申请学位级别硕士 专业安全技术及工程 指导教师薛元修 2001.4.1 均压通风动态监测技术的研究 摘要 本文详细阐述了煤矿均压通风系统中的微压变化的动态监测 系统。通过新型器件的使用，有效地解决了原矿井监测系统中存在 的抗干扰能力差、传输距离受限等难题。在矿井均压通风动态监测 系统，研制了井下通用型分站，实时准确地反映监测区域的各项参 数根据矿用电气防爆要求，设计了通信接口电路；开发了通信软 件和监测软件。通过通信试验、系统联机试验和工业试验，验证了 本系统的正确性和可行性。 关键词 L ／ 均压通风动态监测 R e s e a r c hO nD y n a m i cM o n i t o r i n go fP r e s s u r eB a l a n c i n gV e n t i ] a t i o n A b s t r a c t T h e e x i s t i n g m i n e m o n i t o r i n gs y s t e m h a sl o wa n t i d i s t u r b a n c e c a p a b i l i t y a n di sl i m i t e di n t r a n s m i t t i n g d i s t a n c e ．An e wt y p e s i n g l ec h i pm o d e mi n t r o d u c e di nt h i st h e s i sh a ss o l v e dt h a tp r o b l e m e f f e c t i v e l y ． B ea i m e da t d y n a m i cm o n i t o r i n go fp r e s s u r eb a l a n c i n g v e n t i l a t i o n ，ag e n e r a l p u r p o s eu n d e r g r o u n d s u bs t a t i o nh a sb e e n d e v e l o p e d ，w h i c hr e f l e c t s r e a lt i m ep a r a m e t e r so fm o n i t o r e di t e m s a c c u r a t e l y ． I na c c o r d a n c ew i t he x p l o s i o n p r o o fe l e c t r i c a la p p a r a t u s r e g u l a t i o n f o r m i n i n gp u r p o s e ， a ni n t e r f a c ec i r c u i tf o r c o m m u n i c a t i o nh a sb e e nd e s i g n e da n ds o f t w a r e sf o rc o m m u n i c a t i o n s a n dm o n i t o r i n gh a v ea l s ob e e nd e v e l o p e d ．I ti saf i r s t a p p l i c a t i o n o fF S Km o d e mi nd y n a m i cm o n i t o r i n gs y s t e mo f p r e s s u r eb a l a n c i n g v e n t i l a t i o n ．T h et h e s i sa l s od e s c r i b e st h er e s u l to fo n - l i n et e s t sa n d S h o W St h a tt h eS c h e m ejsc o r r e c ta n df e a s i b 】e ． K e y w ords P r e s s u r eB a l a n c i n gV e n t i l a t i o n d y n a m j cm o n i t o r i n g 均压通风动态监测技术的研究 1 引言 掘资料统计，在我国的煤矿中，大约有半数以上的矿，1 二都存在煤炭自然 发火危险。煤的自然火灾发生的次数占矿井火灾总数的绝大部分。长期以来， 煤的自然火灾一直是煤矿安全生产的大敌。由于发火大部分发生在采空区， 发火后火情难以控制，影响矿井的正常生产，给矿井造成大的经济损失和人 员伤亡。世界各大产煤国都因矿井内的煤炭自然发火事故曾遭受过巨大的经 济损失。因此，矿井自然火灾监测及火灾防治成为矿井安全生产的重中之重。 1 ．1 矿井自然火灾及防治方法 煤层自然发火是煤矿井下的重大自然灾害之一。为了消除煤自然发火隐 患，须采取预测预报、防治兼顾的措施。在预报煤层自然发火方面，主要是 根据火灾预报参量的变化情况对煤的氧化过程进行推算。采用的火灾预报参 量有C O 产生速率、C O 增量、格拉姆系数、烷烃比等。从5 0 年代我国开 始研制并在煤矿推广的火灾防治方法主要有黄泥湔浆、阻化剂防火、均压 通风和高倍数泡沫灭火等技术。 1 ．1 ．1 矿井自然火灾成因及表征 自然发火必须同时具备三要素可燃物、热源、一定的氧气。故可采取 有效措施使上述三要素同时出现的概率等于零或趋近于零，便可有效防止煤 的自然。 在煤矿井下，煤作为一种可燃物是普遍存在的，这是发生火灾的基本因 素。特别对于易燃厚煤层综放开采，自然发火的威胁更严重；热源是触发火 灾的必要因素。内因火灾的热源主要是由破裂的煤柱、煤壁、集中堆积的浮 煤，在一定的空气作用下，自身发生物理化学变化、吸氧、氧化而发热形成 的尽管可燃物有热源点燃，但是如果缺乏足够的氧气，自燃也难以维持， 所以空气的存在是维持燃烧形成火灾必不可少的条件。实验证明，在氧气浓 度为3 ％的空气环境里，任何可燃物的燃烧 占』j 不能维持，在氧气浓度为1 2 ％ 的空气中，瓦斯也失去爆炸性。因此，采取措施破坏上述三要素中的任何一 个或两个，乃至全部条件，便可有效防止煤炭自燃。 1 ．1 ．2 矿井自然火灾防治方法 目前矿井防治自然火灾采取的方法主要有 均压通风动态监测技术的研究 1 采取均压通风技术，优化通风系统。通过均衡漏风通道出口两端的风 压，以减少或杜绝漏风来破坏煤自燃的供氧条件。 2 阻化剂防火。利用有机盐类附着在烘体表面，通过吸收空气中f 内水 份使煤体表面形成含水粘膜，从而阻止煤氧接触。 3 预防性灌浆。将水、浆按比例混合制成浆液，借助输浆管路送往可 能发生自燃的采空区，通过隔氧和散热来防止自燃火灾的发生。 以上措施是从预防煤自燃角度而采取的，为了作到有的放失，人们迫切 希望了解火灾前的预兆，得到火灾预报参数，以便实时地制定防火技术措旌。 因而，早期预测预报自燃火灾技术随之发展起来。 1 ．2 矿井自然火灾监测及火灾预报方法 矿井火灾监测是矿井自然火灾防治的重要组成部分。预报自然发火的手 段，在7 0 年代前是用井下人工采气样，地面仪器分析，并结合温度检测和人 的感知来判断发火危险性。8 0 年代煤矿普及气相色谱分析方法，并研究应用 束管监测系统扪吸井下气体、地而集中分析、微机自动数据处理和预报自然 发火。束管监测系统已成为工作面自然发火预报和采空区注氮防火的主要监 测手段。此外，我国最进研究了各种监测系统，不同的系统监测不同的参数， 根据所监测的气体成份和变化趋势，用专业微机软件解篼和处理。 1 ．2 ．1 气体分析法 研究表明，煤的自燃过程一般要经过三个阶段潜伏期、自热期和燃烧 期。具有自然倾向性的煤与空气接触后，因吸附氧气而形成不稳定的气态氧 化物或含氧的游离基。当自燃超过临界值进入自燃期后，煤的氧化速度加快， 煤的温度迅速升高，氧含量开始减少，不稳定的氧化物不断生成一氧化碳和 二氧化碳，煤温的急剧上升进一步加速了其氧化过程，出现煤的干馏而生成 一氧化碳和碳氢化合物。因此，通过检测煤的潜伏期、自燃期和燃烧期这三 个时期所释放出的不同气体，或相同气体的不同含量，可有效预报早期煤的 自然火灾。 1 ．2 ．2 束管监测技术 利用真空泵和一束多芯塑料管自井下各监测地点抽取空气。利用气体分 析仪器连续分析各测点一氧化碳气体浓度，进而预报自然火灾。 该技术始于英国煤炭局。八十年代初煤科总院抚顺分院首次研制成功束 管监测系统。“七五”期间又开发出微机控制的监测C O 、C H 4 ．C 0 2 、0 2 四参 2 均压通风动态监测技术的研究 数束管监测系统。由于束管系统可以直接从采空区、密闭区连续采样分析各 种气体组分浓度，且具有井下无电气设备、安全可靠维护方便投资少等特点， 在英网、澳大利皿、法同等采煤网家预报自然火灾中应用。我困推广综采放 顶煤采用注氮防火技术，用束管系统可监测采空区惰化效果，并监测煤炭自 燃，因此得到广泛应用。 由于长距离束管系统气体沿塑料管输送时间长，实时性差，不适应大型 矿井应用。新研制的K J F 型系统将束管技术与环境监测相结合，传感器放于 井下，然后将电信号传送至地面，缩短了束管取样距离。 1 ．2 ．3 均压通风监测技术 为了防止煤炭自燃，必须设法杜绝或减少漏风。均压通风是减少漏风的 主动而有效的手段，是作好煤矿防灭火工作的有力保证。 均压通风技术早在六十年代就被引入我国煤矿安全生产，八十年代则得 到进一步的发展，并成为一种新的通风安全措施，在我国众多煤矿中推广应 用。均压通风技术确实在煤矿安全生产中起到了很大作用。但由于过去使用 的技术手段不够先进，这一技术的应用水平仅仅局限在人工操作阶段，还远 未达到其应有的效果一杜绝或基本杜绝漏风，彻底破坏煤炭自燃的供氧条件。 随着计算机、自动控制等一系列新技术的飞速发展，已使得煤矿井下安全监 测技术得到很大的提高，应用现代高新技术来提高矿井均压通风技术的应用 水平已成为可能，也是煤矿防灭火工作的追切需要。 目前国内众多矿井采用了均压通风技术，并且也起到了很好的作用。不 过，从使用的技术手段来看还属于人工操作阶段，还没有将矿井均压通风技 术的各个环节集成在一起，形成一个完成特定功能的监测系统。为了使矿井 均压通风技术取得更好的应用效果，就必须把现有的这种分离方式，通过应 用现代电子技术和计算机技术将其紧密地结合在一起，从而组成一个完整的 均压通风实时动态监测系统。 5 0 年代初，波兰学者从理论上对均压防灭火技术予以阐述，7 0 年代至 8 0 年代相继应用，并日臻成熟。但其应用前提是必须了解矿井通风状态，进 行通风参数测量，绘制矿井通风系统网络和压能图。波兰在8 0 年代应用通 风压能图分析通风网络，用于合理调整矿井通风压力、防止自然发火和管理 火区。但其风网测量基本上是使用传统拉胶管用压差计测定静压差或用精密 气压计测定矿井空气绝对压力。还不能实现矿井通风参数的连续监测。 美国西弗吉尼亚大学 w V u 和美国矿业局在7 0 年代末，应用微处理 3 均压通风动态监测技术的研究 机技术研究矿井通风遥测。这是最早实现遥测矿井大气压力并实施遥控通风 设施的试验。但至今未见有用于均压通风监测完整的理论和实践。 总之，日1 1 口困内外都还没有把矿- J F 均压通风动态j 瓶测技术完魁地应用到 煤矿安全生产中，矿井均压通风动态监测系统是～个急需研究开发的应用系 统。可以说，对系统的研究和安装使用也是提高均压通风技术水平的一种必 然趋势，将为存在自燃危险的矿井、特别是综放无煤柱开采矿井的防灭火工 作提供技术保障。同时，它也是注惰防灭火等技术措施有效实施的基本保证。 1 ．3 本文研究内容 主要目标是研制一套功能完善、运行稳定的均压通风动态监测系统。该 系统长期无故障运行，随时反映所监测区域通风系统的均压状态，及时给出 系统变化状态下的调压方案并与其它专项防火措施相配合，保证安全回采。 研究内容 1 停采线两端及其它可能的漏风通道两侧压差控制的临界值和漏风 控制的临界值； 2 通风系统压能监测，显示和压能图绘制； 3 监测系统的结构方式研究及设计； 4 系统中各类软、硬件的研制； ． 5 动态压能监测的测点选择原则及方案。 主要技术难点是监测系统必须能长期、稳定、无故障地运行，各类传 感器和井下分站要适应井下较恶劣的工作环境，传感器的精度要满足要求。 有关漏风通道进回风两侧临界值准确，限制所漏风量不足以引起自燃。 本文重点研究内容 1 从均压通风动态监测系统要求高精度、高可靠性目标出发，研制满 足本系统要求且扩展能力强的井下通用型分站； 2 选用新型芯片设计数据通讯装置，制定合理的通信协议，满足系统 的精度要求； 3 编制系统中的各类软件。并探讨该硬、软件在一般矿井监控系统 中应用的通用性。 4 均压通风动态监测技术的研究 2 均压通风动态监测系统 2 ．1 系统总体设计、技术原理、目标及关键 2 ．1 ．1 监测系统的总体设计 通过对监测系统的功能要求以及煤矿通风系统特点的分析，从提高系统 的可靠性、经济性和灵活性出发，确定采用分布式两级监测系统，系统组成 形式如图2 一l 所示。 图2 1均压通风动态监测系统结构图 均压通风动态j 临测系统叫1 ，采J 1 J 商梢皮、商稳定性的压力传感器、风_ j { i l 传感器和温度传感器，将有关测点的各个通风参数转换为电信号。井下监测 分站实时采集这些信号并将其传输到地面中心站。地面中心站对井下各个监 测分站传送的监测数据进行必要的分析与处理，进行显示、绘制图表和超限 报警等工作，并给出经过优选的、可行的调压技术方案。 均压通风动态监测技术的研究 2 ．1 ．2 技术原理与技术目标 根据通风安全原理和现代数学知识，研究提出矿井均压通风动态监测的 数学模型和控制、涧节方案，然后综合应用计算机技术、I b 予技术和信息技 术，设计制造一套完整的矿井均压通风动态监测系统。 通风系统中，某一测点i 与基点1 之间的风压差 或阻力 h l i 就是该测 点的压能N ，，即； N i h l i P I P i - r P - v 1 。／2 一p ．V 。。／2 1 3l ，g z l z i ⋯⋯⋯⋯ 1 式中，P 1 ，P i 一分别为1 ，i 两点空气的绝对静压，P a ； p 。．p 。一分别为1 ，i 两点空气的密度，k g ／m 3 ； p 。，一为1 ，i 两点间空气的平均密度，k g ／m 3 ； v 1 ．v i - 分别为1 ，i 两点所在断面的平均风速，m ／s ； Z 1 ，Z i 一分别为1 ，i 两点的绝对标高，m ； g 一重力加速度，g 9 ．8 1 m ／s 2 。 因此，对于可能的漏风通道两端i 、J 的压能差N i i ，在由 1 式求出N i ， N ；的基础上，可以通过下式方便地求出 N i j N i N ， ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 为监测两测点间的压能差N ”需要分别测定两测点的绝对压力P i 、P i 和风速”i 、v j ，并测定两点的温度t i 、t j ，以计算出密度p ‘、PJ ；同时，应精 确确定各测点的标高z i 、z j 。当然，基点1 的上述各个参数亦应同时测出。 实际应用时，各个监测参数均为实时数据的算术平均值。 因此，本系统研制的技术目标是研制一套功能完善、运行稳定的矿井均 压通风动态监测系统。该系统应能长期无故障运行，实时监测各测点的绝对 压力、风速和温度，以反映所监测区域通风系统的压能分布状态，及时给出 系统变化状态下的调压方案，保持所监测区域通风系统的稳定均压状态，并 与其他专项防火措施相配合，保证安全回采。 2 ．1 ．3技术关键 本系统的技术关键是 1 监测系统必须能长期、稳定、无故障地运行，各类传感器和井下分 站要适应井下较恶劣的工作环境 为保证监测系统长期、稳定、无故障地运行，采用高质量的微型计算机 作为监测主机，选用技术先进的新型单片调制解调器设计通信电路，并精心 组织系统的调试工作；为使传感器和分站适应井下的恶劣工作环境，从井下 6 均压通风动态监测技术的研究 实际条件出发，选配各类传感器，设计制造井下监测分站。 2 各类传感器的精度要满足系统要求 传感器的精度、特别是压力传感器的精度能否达到要求，足决定均压通 风动态监测系统能否取得预期效果的关键问题。因此，根据系统的要求和传 感器的技术指标选择符合要求的各类传感器。 3 可能漏风通道进回风两侧压力控制的临界值准确，限制所漏风量不 足以引起自燃 对于不同漏风通道进回风两侧压力控制的临界值，采用理论计算和现场 实测相结合的方法研究。 4 均压调节方案可行、有效 若漏风通道进回风两侧的压能差超出压力控制的临界值，则需采用可行 的调压技术方案进行均压调节，并应对调压技术方案进行优选。 对于上面的四个问题的解决方法，后面将做专门介绍。 2 ．2 监测点布置方案 选定在兴隆庄煤矿四采区进行，主要监测4 3 2 0 综放工作面的风压分布状 况。首先给出监测点的布置原则，在本矿其它地点以及其它矿井安装均压通 风动态监测系统时，这些原则都是适用的。 ， 2 ．2 ．1 监测点的布置原则 对于采煤工作面来讲，停采线两端的压力差最大，因此是最容易漏风而 引起自燃的地段，故也是监测的重点地段；其它部位的漏风要根据风压分布 状况具体分析。根据上述分析和均压监测的目的，监测点的布置原则是 ①停采线两端 ②工作面沿空顺槽及可能与之形成漏风通道的另一侧 ③其它可能的漏风通道两侧； ④生产工作面两端头。 2 ．2 ．2 监测点布置方案 系统主要围绕4 3 2 0 综放工作面布置测点。在进行工业性试验的前期，恰 逢4 3 2 0 工作面完成安装、调试，正式投入生产的初期。因此，根据4 3 2 0 工 作面当时的通风状况，按照上述测点布置原则，共设置1 0 个监测点，如图2 2 所示。 随着4 3 2 0 工作面的推进，亦按照上述测点布置原则，及时调整监测点的 7 饕K 捌“∽㈧n ，jii 一每枢一囹喊培瑶；爵帐嚣鹭跑奈目遗S N 山日 均压通风动态监测技术的研究 实际条件出发，选配各类传感器，设计制造井下监测分站。 2 各类传感器的精度要满足系统要求 传感器的精度、特别是压力传感器的精度能否达到要求，足决定均压通 风动态监测系统能否取得预期效果的关键问题。因此，根据系统的要求和传 感器的技术指标选择符合要求的各类传感器。 3 可能漏风通道进回风两侧压力控制的临界值准确，限制所漏风量不 足以引起自燃 对于不同漏风通道进回风两侧压力控制的临界值，采用理论计算和现场 实测相结合的方法研究。 4 均压调节方案可行、有效 若漏风通道进回风两侧的压能差超出压力控制的临界值，则需采用可行 的调压技术方案进行均压调节，并应对调压技术方案进行优选。 对于上面的四个问题的解决方法，后面将做专门介绍。 2 ．2 监测点布置方案 选定在兴隆庄煤矿四采区进行，主要监测4 3 2 0 综放工作面的风压分布状 况。首先给出监测点的布置原则，在本矿其它地点以及其它矿井安装均压通 风动态监测系统时，这些原则都是适用的。 ， 2 ．2 ．1 监测点的布置原则 对于采煤工作面来讲，停采线两端的压力差最大，因此是最容易漏风而 引起自燃的地段，故也是监测的重点地段；其它部位的漏风要根据风压分布 状况具体分析。根据上述分析和均压监测的目的，监测点的布置原则是 ①停采线两端 ②工作面沿空顺槽及可能与之形成漏风通道的另一侧 ③其它可能的漏风通道两侧； ④生产工作面两端头。 2 ．2 ．2 监测点布置方案 系统主要围绕4 3 2 0 综放工作面布置测点。在进行工业性试验的前期，恰 逢4 3 2 0 工作面完成安装、调试，正式投入生产的初期。因此，根据4 3 2 0 工 作面当时的通风状况，按照上述测点布置原则，共设置1 0 个监测点，如图2 2 所示。 随着4 3 2 0 工作面的推进，亦按照上述测点布置原则，及时调整监测点的 7 饕K 捌“∽㈧n ，jii 一每枢一囹喊培瑶；爵帐嚣鹭跑奈目遗S N 山日 、12 4 犍曰v回啊培京烬璧羼赳跑督唛斟逍嚣阶、奠回 ‘ 雾器熏眯嚣彗尊。 f ∥ 、‘，／i l l 。 ] 净弓丝』 巍 i 锄 l 。】 。么7 ；、 冀＼ 萨≈ 骢 薏 釜 f ≮≤、 ≮ 繁 蕈囊- q 、≮ 耋 J S 童赴联裂 性 书寸 忆} 断 可 ＼Q l l 妥萄兰 絷 F ≯ 嗓1 1 } 并捌p 。三 』l 窑嗤lI ，司鲁卜弓 制 ‘ 引 洲 I x l ≮等l 刊 崇 √夕‘ k 昕霸j b 慷 ，一o H ，。。f 藩 宝嵌I 印牟捌I x - 弓芭 翳；薰 1 1 ∥ “等 f 蕈 ，髟∥ 于 1 弋’ } ’ ‘r ／』 均压通风动态监测技术的研究 实际条件出发，选配各类传感器，设计制造井下监测分站。 2 各类传感器的精度要满足系统要求 传感器的精度、特别是压力传感器的精度能否达到要求，足决定均压通 风动态监测系统能否取得预期效果的关键问题。因此，根据系统的要求和传 感器的技术指标选择符合要求的各类传感器。 3 可能漏风通道进回风两侧压力控制的临界值准确，限制所漏风量不 足以引起自燃 对于不同漏风通道进回风两侧压力控制的临界值，采用理论计算和现场 实测相结合的方法研究。 4 均压调节方案可行、有效 若漏风通道进回风两侧的压能差超出压力控制的临界值，则需采用可行 的调压技术方案进行均压调节，并应对调压技术方案进行优选。 对于上面的四个问题的解决方法，后面将做专门介绍。 2 ．2 监测点布置方案 选定在兴隆庄煤矿四采区进行，主要监测4 3 2 0 综放工作面的风压分布状 况。首先给出监测点的布置原则，在本矿其它地点以及其它矿井安装均压通 风动态监测系统时，这些原则都是适用的。 ， 2 ．2 ．1 监测点的布置原则 对于采煤工作面来讲，停采线两端的压力差最大，因此是最容易漏风而 引起自燃的地段，故也是监测的重点地段；其它部位的漏风要根据风压分布 状况具体分析。根据上述分析和均压监测的目的，监测点的布置原则是 ①停采线两端 ②工作面沿空顺槽及可能与之形成漏风通道的另一侧 ③其它可能的漏风通道两侧； ④生产工作面两端头。 2 ．2 ．2 监测点布置方案 系统主要围绕4 3 2 0 综放工作面布置测点。在进行工业性试验的前期，恰 逢4 3 2 0 工作面完成安装、调试，正式投入生产的初期。因此，根据4 3 2 0 工 作面当时的通风状况，按照上述测点布置原则，共设置1 0 个监测点，如图2 2 所示。 随着4 3 2 0 工作面的推进，亦按照上述测点布置原则，及时调整监测点的 7 均压通风动态监测技术的研究 设置。4 3 2 0 工作面回采结束并且封闭后，设置8 个监测点，如图2 3 所示， 这也是目前的测点布置情况。 2 ．3 风压控制I 临界值的确定 2 ．3 ．1 理论计算 研究表明，漏风强度在0 ．1 ～0 ．9 m 3 ／r a i n m 2 范围内容易引起煤炭自燃，低 于O ．0 6m 3 ／m i n - m 2 或大于1 ．2m 3 ／r a i n m 2 都不会引起自燃。因此，均压通风技 术的目的，是使漏风量控制在O ．0 6m 3 ／m i n m 2 以下。 采空区和停采线中漏风风流的流动状态可以认为属于层流，故风压与漏 风量之间遵守一次方关系，即 h R Q 式中h 一漏风通道两端风流的总压差，P a R 一漏风通道的风阻，N s 2 ／m 8 Q ～漏风量，m 3 ／s 因此，测得漏风通道两端的总压荔以后，可估计其漏风盘l 反之，糟设 定必须限制的最大漏风量，即可求得漏风通道两端允许的最大风压差。 按照以上漏风控制数值进行计算，工作面停采线两端的压差不应超过 6 9 P a ，巷帮煤柱两侧的压差不应超过3 7 ．5 P a 。基于上述计算，并考虑到传感 器误差以及系统中可能产生的其他误差，上述地点压差控制的临界值设定为 停采线两端密闭墙前5 0 P a ； 沿空顺槽可能形成的漏风通道两端3 0 P a 对于其他可能的漏风通道两端，如沿空顺槽与停采线密闭墙之间、通往 采空区的联络巷密闭墙与停采线密闭墙之间，则以上述数据为基础，并综合 考虑漏风通道的距离大小，确定其压差控制临界值。这些地点的临界值一般 设置为6 0 P a ～8 0 P a 之间。 2 ．3 ．2 现场实测 对于压差控制的临界值，除根据理论计算确定外，还将根据现场实测来 调整。 现场实测采用释放S F 6 的方法进行。即在设定的压差控制值下，通过释 放s F s 的方法来检测漏风的实际数值，验证漏风数量是否在控制范围之内。 若漏风量过大，则对压差控制的临界值进行调整，使之达到漏风控制的需要。 通过实测证明，上述压差控制的临界值设置是合理的。 R 均压通风动态监测技术的研究 24 传感器主要参数的确定 2 ．4 ．1 传感器及其精度要求 根据上述分析，为进行均压通风动态监测，应该围绕所需监测的区域选 择若干个监测点，每个监测点设置绝对压力传感器、风速传感器和温度传感 器各一台，实时监测该点的各个参数。 为使监测系统达到上述精度要求，对各类传感器的精度要求是 绝对压力传感器测量误差不大于5 P a 温度传感器测量误差不大于O ．5 ℃ 风速传感器风速为O ～l m ／s 时，测量误差不大于O ．2 m ／s 风速为1 ～2 m ／s 时，测量误差不大于0 ．15 m ／s 风速为2 ～6 m ／s 时，测量误差不大于0 ．1 m ／s 通过对国内外各类传感器的调研分析，目前市场上的传感器均难以达到 上述精度要求。为解决这一问题，在深入研究的基础上，决定通过缩小传感 器的量程来保证其所需的精度。因此，需要对传感器的最程进行准确预计。 2 ．4 ．2 压力传感器量程及精度的确定 绝对压力传感器的量程需要根据矿井地表大气压力的大小及其变化、矿 井开采深度及其通风阻力情况进行预计。根据对兴隆庄煤矿以及附近东滩、 扬庄等矿井不同季节的地表大气压力的多次观测，预计兴隆庄煤矿进风井1 3 大气压力最高 冬季 为1 0 2 ．2 k P a ，最低 夏季 为1 0 0 ．2 k P a 。根据这些数 据，结合兴隆庄煤矿目前的开采条件和通风系统，预计设于井下的绝对压力 传感器的最大读数为10 7 ．3 k P a ，最小读数为1 0 2 ．7 k P a 。因此，在通风系统不 发生大的变动的前提下，绝对压力传感器的量程应选为1 0 2 ～1 0 8 k P a 因此，压力传感器的主要技术指标是 电源电压2 1 V D C 量程1 0 2 ～1 0 8 k P a 测量误差不大于O ．2 5 ％F ．S 线性度小于O ．2 ％F ．S 包括所有误差源最差线性度， 重复性，滞后，热影响及标定误差等 工作温度．2 5 ～4 0 ℃ 安全过压1 ．5 倍量程 过压冲击3 倍量程 9 均压通风动态监测技术的研究 零点漂移小于0 ．0 1 5 ％／℃ 温度漂移小于0 ．0 0 8 ％／℃ 模拟输f i j 4 ～2 0 m A 稳定性0 ．1 ％／年 防爆类型本安 2 ．4 ．3 其它传感器技术参数确定 温度传感器选用国内生产的产品即可，但必须符合以下技术参数 量程范围O ～5 0 ℃ 基本误差O ．5 ℃ 分辨率0 ．1 ℃ 模拟输出2 0 0 ～1 0 0 0 H z 防爆类型矿用本安 电源电压2 1 V D C 风速传感器必须满足以下技术指标 量程范围 模拟输出 防爆类型 电源电压 工作环境 0 ～i m ／s误 I ～2 m ／s误 2 ～1 5 m ／s误 2 0 0 ～1 0 0 0 H Z 矿用本安 2 1 V D C 0 ～4 0 ℃ 差小于0 ．2m ／s 差小于O ．1 5m ／s 差小于0 ．1m ／s 2 ．5 调压方案的设计与优选 2 ．5 ．1 调压方案设计 均压通风的最终目的是根据压能监测结果，及时进行风压调节，将有关 区域的通风压差控制在临界值之内。 若有关区域的通风压差超过I | 缶界值，则说明该区域可能产生漏风。对每 - - } , I ，能够导致漏风的可能，均需设计出一套调压方案，并全面考虑实施该方 案对相关区域的影响，优化所选方案。 调压方案设计需根据压能分布状况进行，即若因某个测点的压能值过 高，而使该测点与相邻测点的压能差超过临界值，则应降低该测点的压能值； 否则，应升高该测点的压能值。 1 0 均压通风动态监测技术的研究 2 ．5 ．2 调压方案优选 在进行均压调节时，由于一个测点往往同时与其它几个测点之间存在可 能的漏风通道，当降低 或提高 这个测点的压能值，使之与其中一个测点 的压能差达到临界值之内时，很可能使它与另外几个测点间的压能差超出临 界值，而使压能分布更不合理。这一问题不解决，就无法由监测系统给出调 压技术方案。 采用数学规划的方法解决这一问题，即采用数学规划进行调压方案的优 化选择。若测点i 与测点j l ，j 2 ⋯，j 。存在可能的漏风通道，当系统监测到测 点i 与测点j 1 间的压能差N i j 大于临界值L i j i 时，就给出如下线性规划模型 r a i nf X i x f I X i - x j l ≤L ⋯，N ，≥N J l i x j 2 ≤L , j2 ，N 。≥N j 2 ⋯⋯ ⋯⋯⋯ 3 l X ．i n ≤I ⋯。，1 4 t ≥N n X ；≥0 x jr ≥0 以上约束条件各式中，若N i 与其它各点压能值之间的数量关系不象式中 表示的那样，则需分别换为如下形式 若N i N j l ，x j l X i ≤L i j i 若N i N j 2 ，x j 2 - X i ≤L i j 2 若N i N j n ，X j n - X i ≤L i j n 解线性规划 3 ，求得X i 和X j l ，即分别是测点i 和测点j 1 所需要的压能 值。 求解过程中，先令X j l N j ，即先保证测点j 1 的压能值不变，只调节测点 i 的爪能值。荇此时舰划 3 无解，再将x j I 作为变员进行求解。 最后，根据X i 与N 。、X j l 与N j l 的大小关系，确定对哪个测点进行调节、 进行增压调节或降压调节，并给出具体的调节方案。 均压通风动态监测技术的研究 3 数据通信装置的研究 数据通讯装置是整个均压通风动态监测系统信息传送媒体。其可靠性的 高低决定着整个系统能否正常进行均压通风。因此，从均压通风动态监测系 统的实际要求出发，从保证以下几个指标来设计数据通讯装置。 1 保证传输信号的可靠性 误码率低 。 2 传输信息的速率要高 单位时间内传输的信息量 。 3 传输距离要远，大于1 0 公里。 4 一对芯线要尽可能多传信息量。 3 ．1 确定系统数据传输方式的原则 在确定监测系统的数据传输方式时，本文考虑了国内外现有煤矿监测监 控系统的数据传输方式、系统组成和煤矿井下数据传输的特点、煤矿监测系 统总体设计规范和软件设计规范。因此，在最终确定系统数据传输方式时以 下几个方面值得注意 1 电予技术的发展，特别是超大舰棋集成电路的发展，使得满足远距 离串行通讯的芯片和接口信号转换芯片不断出现，为简化监测系统的硬件设 计和完善信息传输技术提供了保证。因此，在传输设计中应采用最新技术实 现的芯片。 一 2 借鉴我国煤矿现有的国内外监测监控系统中的信息传输技术。调研 它们在现场运行中的实际效果，再切合均压通风动态监测系统的要求来选择 适合的传输方式。 3 系统的可靠性、冗余性和实时性。从均压通风动态监测系统的高精 度、高可靠性出发，选择的传输方式从理论上和技术上应保证传输可靠。监 测系统的可靠性同其他设备的可靠性一样，是影响其自身功能完善和推广应 用的重要因素。煤矿井下与地面不同，有其环境特殊性，其巷道空间狭窄， 监测系统的传输电缆与井下动力用电缆平行布置，且铺设距离远、长达1 0 多公里。因此，监测系统传输线易受电磁波干扰、易受挤压、片帮砸压。因 潮湿、淋水而造成系统传输线路漏电、开路和短路故障，严重时造成整个系 统不能正常工作。因此，为达到实时测控的目的，监测和信息传输系统的抗 干扰能力、抗故障能力和可靠性在设计中应特别注意。 另外，矿井监测系统的监测和数据传输还要求有防爆性能。还要考虑软 均压通风动态监测技术的研究 件编程和硬件的选择要大众化，操作方式要简单实用。 3 ．2 传输方式比较及传输方式选择 3 ．2 ．1 几种传输方式比较 在工业测控系统中用于远距离传输的通讯方式主要是异步串行通讯方 式。异步串行通讯接口有R S 一2 3 2 C 、R S 一4 4 9 、R S 一4 2 2 、R S 一4 8 5 和2 0 m A 电流环。 R S - 2 3 2 C 是由美国电子工业协会 E I A 正式公布的、在异步串行通讯中 应用最广的标准总线。用来实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的 数据通讯。它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定。R S ．2 3 2 C 串行 接口总线适用于设备之间的通讯距离不大于15 m ，传输速率最大为2 0 k b ／s 。 虽然适当地降低通讯速度，可以提高通讯距离，但它仍不能直接用于井下的 远距离传输。如果带调制解调器则可实现远距离通讯。 19 7 7 年E I A 又公布的电子工业标准接口R S 一4 4 9 ，在很多方面与R S ．3 2 3 兼容。两者的主要差别是信号在导线上的传输方法不同。R S 一2 3 2 C 是利用传 输信号线与公共地之问的I U 位差，R S ．4 4 9 接口足利用信号导线之问信号电位 差。传输速率可达9 0 0 0 0 b p s ，传输距离达1 2 0 0 m 。R S 一4 4 9 在不使用调制解调 器的条件下，比R S ．2 3 2 C 传输速率高，通讯距离长，噪声低。 R S 一4 8 5 是多发送器的电路标准，它扩展了R S ．4 4 2 A 的性能，允许双导线 上一个发送器驱动3 2 个接收器。R S 一4 8 5 电路允许共用电话线通讯。电路结 构是在平衡连接电缆两端有终端电阻，在平衡电缆上挂发送器、接受器。R S 一4 8 5 采用多级连接时可达2 5 5 个节点。传输距离一般为1 ．5 k m 。显然要满 足传输距离15 k m 的要求必须使用多级中继器，但中继器的增加不仅会降低 系统的可靠性，而且现场使用维护不便，系统性能价格比低。 我国的监测监控技术起步较晚，在8 0 年代中期，我国一方面从波兰、 法国、德国、英国、美国等批量引进了安全监控系统，装备了部分煤矿；另 一方面，在引进外国设备的同时，消化、吸收了制造技术，并结合我国煤矿 的实际情况，先后{ i j f 制出自己的监控系统，如K J l 、K J 2 、K J 4 、K J F 、K J l 0 1 、 K J 6 6 、K J 9 5 、K J F 2 0 0 0 等，并在我国煤矿使用。在数据传输方面主要发展了 数字基带传输和数字频带传输技术。表3 1 所列是我国使用的一些监控系统 的传输方式比较。 均