矿井通风参数实时监测系统及其监测方法与流程

1.本发明涉及矿井通风的技术领域，尤其是一种矿井通风参数实时监测系统及其监测方法。


背景技术：

2.通风是保障煤矿安全高效生产的基础，矿井通风最重要的几大参数是风速、风量及通风阻力。目前，煤矿对风速、风量及通风阻力的测定手段主要通过人工完成，费时费力，效率低下，且获得的数据具有一定的延滞性。
3.《煤矿安全规程》规定：矿井必须建立测风制度，每10天至少进行1次全面测风；每一个采区、一翼回风巷及总回风巷的测风站应当设置风速传感器；主要通风机的风硐应当设置压力传感器；主要通风机房内必须安装水柱计(压力表)。由此可见，《煤矿安全规程》规定的通风阻力测定周期太长，且要求实时监测风速、风量的地点偏少，而煤矿根据此规定采取的通风参数监测手段现已不满足当前矿井数字化、智能化建设的需要。
4.基于此，提出一种全矿井范围内风速、风量及通风阻力等通风参数实时监测系统显得尤为必要。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
6.为此，本发明提出一种矿井通风参数实时监测系统及其监测方法，解决目前矿井通风参数测定方式低效率、延滞性的问题，实现矿井通风参数监测数字化、智能化。
7.根据本发明实施例的矿井通风参数实时监测系统，包括传感器、光缆、通信电缆、网线、监控分站、电源、矿用本安型环网交换机、地面环网交换机、服务器以及煤矿地面监测中心；所述传感器通过所述通信电缆与所述监控分站的电接口相连接；所述监控分站与所述矿用本安型环网交换机通过所述光缆相连接；所述监控分站与监控分站之间通过所述光缆相连接；所述矿用本安型环网交换机与矿用本安型环网交换机之间通过所述光缆相连接；所述监控分站和所述矿用本安型环网交换机分别与所述电源相连接，所述电源对所述监控分站和所述矿用本安型环网交换机供电；所述电源与井下变电所取电点通过所述通信电缆相连接，采用交流电对所述电源供电；所述矿用本安型环网交换机通过所述光缆与所述地面环网交换机相连接；所述地面环网交换机与地面环网交换机之间采用所述光缆相连接；所述地面环网交换机通过所述网线与所述服务器相连接；所述服务器通过所述网线与所述煤矿地面监测中心相连接。
8.根据本发明实施例的矿井通风参数实时监测方法，具体步骤如下：第1步骤、将风速传感器和差压传感器安装在需要测定通风参数的井下巷道内，所述风速传感器用于测量矿井通风参数中的风速，该风速为测风站的风速；所述差压传感器用于测量矿井通风参数中的通风阻力；第2步骤、风速传感器将测得的数据通过监控分站、矿用本安型环网交换机、地面环网交换机上传到服务器，服务器对风速传感器测得的数据进行计算得到平均风速，
基于此平均风速乘以风速传感器安装位置断面积即可得到风速传感器所在巷道的风量；差压传感器将测得的数据通过监控分站、矿用本安型环网交换机、地面环网交换机上传到服务器，服务器对差压传感器测得的数据进行计算得到静压差和位压差。
9.根据本发明实施例的矿井通风参数实时监测方法，具体步骤如下：第1步骤、将风速传感器和多参数传感器安装在需要测定通风参数的井下巷道内，所述风速传感器用于测量矿井通风参数中的风速，该风速包括测风站的风速和最大通风阻力路线上每条单一巷道的风速；第2步骤、风速传感器将测得的数据通过监控分站、矿用本安型环网交换机、地面环网交换机上传到服务器，服务器对风速传感器测得的数据进行计算得到平均风速，基于此平均风速乘以风速传感器安装位置断面积即可得到风速传感器所在巷道的风量；第3步骤、多参数传感器将测得的数据通过监控分站、矿用本安型环网交换机、地面环网交换机上传到服务器，服务器对多参数传感器测得的数据进行计算得到静压差，再配合风速传感器和地面数据库数据测得动压差和位压差，最终得到通风阻力。
10.根据本发明实施例的矿井通风参数实时监测方法，当井下巷道为规整巷道时，利用风速传感器测量矿井通风参数中的风速，利用差压传感器测量矿井通风参数中的通风阻力；当井下巷道为不规整巷道时，利用风速传感器测量矿井通风参数中的风速，利用多参数传感器测量矿井最大通风阻力路线上每条单一巷道的交叉点处的静压、温度和相对湿度，每条单一巷道两个交叉点静压的差值即为静压差，进而配合最大通风阻力路线上每条单一巷道的风速和地面数据库中的数据测量出矿井通风阻力。
11.本发明的有益效果是，首先，解决了目前矿井风速、风量测定区域局限性的问题，实现全矿井范围内实时测风；其次，可实现矿井通风阻力实时在线监测，可根据巷道具体情况选取合适的方案，解决了传统人工测定矿井通风阻力数据延滞、效率低下的问题。
12.进一步具体地限定，上述技术方案中，所述传感器由设置在井下规整巷道内且相互之间配合使用的风速传感器和差压传感器组合而成。
13.进一步具体地限定，上述技术方案中，所述传感器由设置在井下不规整巷道内且相互之间配合使用的风速传感器和多参数传感器组合而成。
14.进一步具体地限定，上述技术方案中，所述传感器、所述监控分站、所述电源和所述矿用本安型环网交换机设置在井下。
15.进一步具体地限定，上述技术方案中，所述地面环网交换机和所述服务器设置在所述煤矿地面监测中心。
16.进一步具体地限定，上述技术方案中，所述光缆采用的是矿用阻燃单模光缆。
17.进一步具体地限定，上述技术方案中，所述通信电缆采用的是矿用阻燃通信电缆。
18.进一步具体地限定，上述技术方案中，所述电源采用的是矿用隔爆兼本安型多路电源。
19.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
20.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1是本发明矿井通风参数实时监测系统的结构示意图；
23.图2是本发明实施例一的原理图；
24.图3是本发明实施例一的布局图；
25.图4是本发明实施例二的原理图；
26.图5是本发明实施例二的布局图；
27.图6是本发明实施例三的原理图。
28.图7是不规整巷道示意图一；
29.图8是不规整巷道示意图二。
30.附图中的标号为：1、差压传感器；2、胶管；3、皮托管；4、多参数传感器；5、风速传感器；6、巷口。
具体实施方式
31.为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
32.见图1，矿井通风参数实时监测系统，包括传感器、光缆、通信电缆、网线、监控分站、电源、矿用本安型环网交换机、地面环网交换机、服务器以及煤矿地面监测中心。通风参数包含风速、风量和通风阻力三大项。
33.传感器包括风速传感器、差压传感器和多参数传感器，根据通风参数测定方式的不同使用的传感器有所不同。传感器可以由设置在井下规整巷道内且相互之间配合使用的风速传感器和差压传感器组合而成。当然，传感器也可以由设置在井下不规整巷道内且相互之间配合使用的风速传感器和多参数传感器组合而成，多参数传感器只能测得每条单一巷道交叉点处的静压、温度和相对湿度，每条单一巷道两个交叉点处静压的差值即为静压差，多参数传感器配合每条单一巷道内的风速传感器测得的风速和地面数据库多参数传感器安装高程等数据，计算得到动压差和位压差，进而测定每条单一巷道的通风阻力，对每条单一巷道通风阻力进行累加，得到矿井通风阻力。
34.传感器、监控分站、电源和矿用本安型环网交换机设置在井下。地面环网交换机和服务器设置在煤矿地面监测中心。光缆采用的是矿用阻燃单模光缆。通信电缆采用的是矿用阻燃通信电缆。电源采用的是矿用隔爆兼本安型多路电源，需要说明的是，给监控分站和矿用本安型环网交换机供电的电源虽名称都是矿用隔爆兼本安型多路电源，但其型号和供电参数并不相同，属于专用设备。
35.传感器通过矿用阻燃通信电缆与监控分站的电接口相连接；监控分站与矿用本安型环网交换机通过矿用阻燃单模光缆相连接；监控分站与监控分站之间通过矿用阻燃单模光缆相连接；矿用本安型环网交换机与矿用本安型环网交换机之间通过矿用阻燃单模光缆
相连接；监控分站和矿用本安型环网交换机分别与矿用隔爆兼本安型多路电源相连接，矿用隔爆兼本安型多路电源对监控分站和矿用本安型环网交换机供电；矿用隔爆兼本安型多路电源与井下变电所取电点通过矿用阻燃通信电缆相连接，采用交流电对矿用隔爆兼本安型多路电源供电；矿用本安型环网交换机通过矿用阻燃单模光缆与地面环网交换机相连接；地面环网交换机与地面环网交换机之间采用矿用阻燃单模光缆相连接；地面环网交换机通过网线与服务器相连接；服务器通过网线与煤矿地面监测中心相连接。
36.矿井通风参数实时监测系统的监测方法，采用的风速和风量监测方式为：将风速传感器安装在需要测定风速的巷道内，风速传感器将测得的数据通过监控分站、矿用本安型环网交换机、地面环网交换机上传到服务器，服务器对风速传感器测得的数据进行计算得到平均风速，基于此平均风速乘以风速传感器安装位置断面积即可得到风速传感器所在巷道的风量。服务器将每条巷道计算得到的风速、风量数据上传至煤矿地面监测中心，煤矿地面监测中心实时显示和查看每条巷道的风速值和风量值。风速传感器所在位置的巷道断面积是在风速传感器安装时由人工测量得到，并将巷道断面积数据事先录入到安装在服务器中的上位机，以备后续计算使用。风速传感器安装在表征巷道平均风速的点位上，测得的数据上传到服务器。需要说明的是，风速传感器测得的是巷道内某一点的瞬时风速，而不是巷道的平均风速，但是根据“平均风速圈”理论，巷道中心点风速最大，巷壁处风速最小，所以在从巷道中心点出发到巷壁处的连接线上，必然存在某一点的风速值刚好等于巷道的平均风速，将从巷道中心点向四周巷壁无数的连接线上的这种风速等于平均风速的点连接起来，就形成了“平均风速圈”，所以风速传感器就是安装在平均风速圈上，那么理论上风速传感器测得的瞬时风速就是平均风速了，但是实际上，巷道中的风流属于紊流，紊流的特点之一就是风速具有湍流脉动性，即某一点的瞬时风速会围绕着此点的平均风速做上下波动，所以服务器才会进一步的对测得的风速传感器数据进行拟合，以此计算得到平均风速。
37.根据测定原理和传感器选用方式的不同，采用的通风阻力监测方式也不同。
38.需要说明的是：最大通风阻力路线由多条巷道组成，这些巷道与矿井其他巷道相交的地方会出现交叉点；另外，为便于说明，抽出式通风的进风井井口、压入式通风的回风井井口、风硐与主要通风机衔接处也作交叉点处理。定义两交叉点之间的巷道为一条单一巷道。
39.实施例1：
40.见图2和图3，矿井通风参数实时监测方法，差压传感器配合风速传感器，具体步骤如下：
41.第1步骤、将风速传感器和差压传感器安装在需要测定通风参数的井下巷道内，风速传感器用于测量矿井通风参数中的风速，该风速为测风站的风速；差压传感器用于测量矿井通风参数中的通风阻力；
42.第2步骤、风速传感器将测得的数据通过监控分站、矿用本安型环网交换机、地面环网交换机上传到服务器，服务器对风速传感器测得的数据进行计算得到平均风速，基于此平均风速乘以风速传感器安装位置断面积即可得到风速传感器所在巷道的风量；差压传感器将测得的数据通过监控分站、矿用本安型环网交换机、地面环网交换机上传到服务器，服务器对差压传感器测得的数据进行计算得到静压差和位压差。需要说明的是，风速传感器用来测定风速，然后乘以断面积得到风量，此时风速传感器的使命就完成了，差压传感器
和风速传感器两者之间是并联关系，互不干扰，差压传感器测定通风阻力。由于差压传感器只测静压差和位压差，不测动压差，再由于规整的巷道风速变化较小，即可以忽略动压差，也就不需要测动压差，因此差压传感器布置的巷道必须要规整。
43.利用差压传感器1实时监测矿井通风阻力。对每条单一巷道，将差压传感器1布置在巷道中间位置，差压传感器1的胶管连接口连接两个胶管2，两个胶管2分别连接皮托管3，差压传感器1测得的每条单一巷道静压差和位压差通过通信电缆上传至监控分站，井下监控分站将各个接入的传感器数据信号通过光缆上传至矿用本安型环网交换机，矿用本安型环网交换机将各个接入监控分站的数据信号通过光缆上传至地面环网交换机，地面环网交换机将各个接入的矿用本安型环网交换机数据信号通过光缆上传至服务器，服务器对差压传感器数据进行统一计算后，将计算结果通过光缆发送到煤矿地面监测中心，上述服务器对传感器数据进行计算的公式为：
[0044][0045]
其中，h表示矿井通风阻力；hi表示第i条巷道的通风阻力。
[0046]
第i条巷道的通风阻力hi的计算公式为：
[0047]hi
＝pi ei[0048]
其中，pi表示第i条巷道的静压差；ei表示第i条巷道的位压差，由差压传感器直接测得，由于每条单一巷道内风量、风速变化不大，故动压差可忽略不计，上述公式即可每条单一巷道通风阻力，累加后代表矿井通风阻力。需要说明的是，差压传感器1直接测定得到静压差和位压差。
[0049]
该实施例1的每条单一巷道内只需配置一台差压传感器1，成本较低，测定误差相对小于多参数传感器，但其适用性较差，一般适用于巷道断面比较规整的巷道。
[0050]
实施例2：
[0051]
见图4和图5，矿井通风参数实时监测方法，多参数传感器配合风速传感器，具体步骤如下：
[0052]
第1步骤、将风速传感器和多参数传感器安装在需要测定通风参数的井下巷道内，风速传感器用于测量矿井通风参数中的风速，该风速包括测风站的风速和最大通风阻力路线上每条单一巷道的风速；风速传感器不但需要布置在测风站内，还需要布置在最大通风阻力路线上的每条单一巷道内。
[0053]
第2步骤、风速传感器将测得的数据通过监控分站、矿用本安型环网交换机、地面环网交换机上传到服务器，服务器对风速传感器测得的数据进行计算得到平均风速，基于此平均风速乘以风速传感器安装位置断面积即可得到风速传感器所在巷道的风量；
[0054]
第3步骤、多参数传感器将测得的数据通过监控分站、矿用本安型环网交换机、地面环网交换机上传到服务器，服务器对多参数传感器测得的数据进行计算得到静压差，再配合风速传感器和地面数据库数据测得动压差和位压差，最终得到通风阻力。
[0055]
需要说明的是，由于多参数传感器方案测定的通风阻力包括静压差、位压差和动压差，所以就需要用到风速，那么此时的风速传感器测得的风速，除了表示巷道风速，还要用来计算风量，最后还需要配合相邻两台多参数传感器测定的静压的差值，以及多参数传
感器安装位置的高程来计算动压差和位压差，最后系统把静压差、位压差和动压差三者加在一起，得到矿井通风阻力。
[0056]
利用多参数传感器4和风速传感器实时监测矿井通风阻力。将多参数传感器4布置在最大通风阻力路线上每条单一巷道的交叉点，将风速传感器5布置在单一巷道距离任一巷口6至少10m处的巷帮上，多参数传感器4将测得的绝压、温度、相对湿度以及风速传感器5测得的巷口风速通过电缆上传至监控分站，井下监控分站将各个接入的传感器数据信号通过光缆上传至矿用本安型环网交换机，矿用本安型环网交换机将各个接入分站的数据信号通过光缆上传至地面环网交换机，地面环网交换机将各个接入的矿用本安型环网交换机数据信号通过光缆上传至服务器，服务器对传感器数据进行统一计算后，将计算结果通过光缆发送到地面监测中心。上述服务器对传感器数据进行计算的公式为：
[0057][0058]
其中，h表示矿井通风阻力；hi表示第i条巷道的通风阻力。
[0059]
第i条巷道的通风阻力hi的计算公式为：
[0060]hi
＝pi ei h
vi
[0061]
其中，pi表示第i条巷道的静压差，由每条单一巷道两个交叉点处多参数传感器4测得的静压值的差确定；ei表示第i条巷道的位压差，由多参数传感器4测得的每处交叉口的温度、相对湿度、静压以及结合服务器数据库中同温度下饱和水蒸气分压等查表数据计算获得；h
vi
表示第i条巷道的动压差，由每条单一巷道巷口6处风速传感器5测得平均风速、多参数传感器4测得的温度、湿度以及服务器中查表获得的同温度下水蒸气分压等数据计算获得。需要说明的是，多参数传感器测定的是静压，然后相邻两台多参数传感器之间测定的静压相减，才能得到静压差。
[0062]
该实施例2的适用性较强，尤其适用于立井和因巷道围压、支护等原因造成的断面不规整的巷道，但每条单一巷道内布置两个多参数传感器加一个风速传感器，其成本较高。
[0063]
实施例3：
[0064]
见图6，矿井通风参数实时监测方法，当井下巷道为规整巷道时，利用风速传感器测量矿井通风参数中的风速，利用差压传感器测量矿井通风参数中的通风阻力；当井下巷道为不规整巷道时，利用风速传感器测量矿井通风参数中的风速，利用多参数传感器测量矿井最大通风阻力路线上每条单一巷道的交叉点处的静压、温度和相对湿度，每条单一巷道两个交叉点静压的差值即为静压差，进而配合最大通风阻力路线上每条单一巷道的风速和地面数据库中的数据测量出矿井通风阻力。需要说明的是，虽然差压传感器配合风速传感器来实时监测矿井通风参数的方式十分简单，且使用传感器的数量少，但是毕竟少了动压差，不可能每条巷道都十分规整，因此该方式的适用性有限；另外，虽然多参数传感器配合风速传感器来实时监测矿井通风参数的方式的适用性更好，但是该方式操作起来更加繁琐，且成本更高。因此，需要综合实际情况，在合适的地方选用合适的方式；在井下巷道规整的情况下，利用差压传感器配合风速传感器来实时监测矿井通风参数；见图7和图8，在井下巷道不规整的情况下，利用多参数传感器配合风速传感器来实时监测矿井通风参数。
[0065]
基于多参数传感器、风速传感器及差压传感器实时监测矿井通风阻力。在最大通
风阻力路线上，对一条单一巷道而言，若其巷道断面比较规整，即一条巷道内风速变化不大，则选用差压传感器对此条巷道通风阻力进行监测；若此条单一巷道断面不规整，即同一条巷道内风速明显出现变化，则选用多参数传感器配合风速传感器对此条巷道的通风阻力进行监测。即对最大通风阻力路线的每条单一巷道进行风量风速稳定性判别后，选用合适的传感器，形成通风阻力实施在线监测系统。服务器对每条单一巷道选用的传感器类别进行记录，并选取相对应的计算公式，然后将最大通风阻力路线上的每条单一巷道的通风阻力进行累加，得到矿井通风阻力。
[0066]
该实施例3的结构特点与实施例1、实施例2相同，具体到每一条单一巷道，根据其选用的传感器类别，其安装方法、系统连接方法、通风阻力测定原理都与实施例1或实施例2相同。
[0067]
采用上述三种矿井通风阻力测定方式，都可以实现对矿井通风阻力实时在线监测地功能，克服传统人工测定通风阻力费时、费力、效率低下且数据延迟滞后地问题，有益于保障安全、高效地矿井通风，促进矿井通风阻力测定向数字化、智能化方向发展。
[0068]
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。