掘进面风流监测及适应性智能调控系统研制_龚晓燕.pdf

文章编号:1009-6094(2023)02-0424-11掘进面风流监测及适应性智能调控系统研制*龚晓燕，赵少龙，刘壮壮，张浩，薛河，杨富强，赵宽(西安科技大学机械工程学院，西安 710054)摘要:针对目前掘进面通风系统因无法对风流进行实时监测及适应性动态调控而造成的瓦斯与粉尘聚集严重等问题，研制出了风流监测及适应性智能调控原型系统来优化风流场分布。通过对掘进面风流监测及出风口风流适应性智能调控方法和系统实现的整体架构进行分析，基于流场相似与模化理论对掘进面进行了相似还原设计，确定了风速、瓦斯及粉尘隐患监测点位置，完成了基于 ZigBee 及 GPRS 技术的数据采集及传输架构，利用 PLC 控制技术实现了风流智能调控装置的动态调控，并研发了上位机系统。以柠条塔矿S1202 掘进面为对象，对研制的风流监测及适应性智能调控原型系统进行了测试，结果表明:出风口距迎头 5 m 时，司机位置与回风侧行人呼吸带高度平均粉尘质量浓度分别降低了 48.94%和 34.36%，平均瓦斯体积分数降低了 41.18%;出风口距迎头 10 m 时，司机位置与回风侧行人呼吸带高度平均粉尘质量浓度分别降低了 38.04%和 41.36%，平均瓦斯体积分数降低了 43.02%，验证了风流适应性智能调控的可行性。关键词:安全工程;掘进面;风流;实时监测;智能调控中图分类号:X936文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.1677*收稿日期:20210922作者简介:龚晓燕，教授，博士，博士生导师，从事矿井通风、矿井粉尘和瓦斯防治等研究，。基金项目:国家自然科学基金面上项目(51874235);陕西自然科学基础研究计划 企业陕煤联合基金项目(2021JLM01)0引言煤矿智能化是煤矿综合机械化发展的新阶段1，煤矿智能化是我国煤炭工业实现高质量发展的核心技术支撑。2020 年，王国法等2 引入了建立煤矿智能化标准体系框架的新思想。2021 年，王国法等3 最先解析了煤矿智能化发展的十大“痛点”及对策。目前煤矿掘进工作面通风系统智能化发展相对滞后，异常预警与应急决策能力不足4 6，且传统“粗放式”通风控制模式的出风口风流状态不能实时变化，导致掘进面死角区瓦斯难以稀释排出，粉尘质量浓度远超煤安规程 4 mg/m3标准7，造成瓦斯粉尘灾害和污染隐患。2003 年，Wang 等8 最先提出了粉尘运移分布规律主要受到风流影响的新理论。2016 年，张大明等9 最先对风筒出口有效距离进行了研究，提出风筒的安装距离对掘进工作面的粉尘运移规律有较大的影响。2017 年，王昊等10 最先研究了附壁风筒径向流量所占压风总量的比例及抽风筒的抽尘距离对综掘区域隔尘风幕形成及隔尘效果的影响。2021 年，王建国等11 提出了附壁风筒条缝参数对综掘工作面控尘效果的影响，明确了附壁风筒条缝位置、宽度和压抽比对综掘面控尘效果的影响。2017 年，龚晓燕等12 创新性地提出了通过调节风筒出风口距迎头距离、口径、风筒偏转角度参数来调控出风口风流状态，优化掘进面风速、瓦斯及粉尘场分布的新理论。2018 年，龚晓燕等13 自主研制了掘进面风筒出风口风流调控装置，通过改变风筒出风口参数来优化风流场分布。但目前掘进面风筒出风口风流方向不能实时动态调控，风速、瓦斯及粉尘质量浓度的监测及风流调控装置的监测主要依据人工操作完成，不能满足掘进过程中不同阶段对风量精细化调控需求及管控。基于以上现状，掘进面风流实时监测及适应性智能调控系统的研制符合目前矿井通风智能化发展需求，能够更好地促进矿井通风智能化程度。2011年，重庆工程职业技术学院建设了集矿山通风、巷道掘进、煤矿开采于一体的综合化地下“模拟矿井”14，2014 年，辽宁工程技术大学建设地下千米掘进试验模拟巷道，最先开展了掘进面风幕控尘的相关研究15。本文在前期掘进面风流动态智能调控实现方法分析的基础上16 19，以出风口风流适应性智能调控为切入点，研制掘进面风流实时监测及风流适应性智能调控原型系统，为掘进面风流精细化智能管控提供新的思路。通过掘进面风流监测及智能调控原型系统的设计搭建及试验研究可以进一步论证风流调控降尘技术及装备的可行性、可达性及准确性，弥补井下实测部分区域数据获取困难的问题。1系统总体架构及工作流程1.1总体架构及实现方法在对风速、瓦斯及粉尘实时监测预警及风流适应性智能调控方法分析的基础上，研究系统实现的功能模型及方法，构建如图 1 所示的系统总体架构，424第 23 卷第 2 期2023 年 2 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 2Feb，2023其组成为巷道空间、通风设备及粉尘瓦斯发生装置、风流智能调控装置等，数据采集及传输系统，上位机系统。系统三维模型及实现技术见图 2。图 1系统总体架构Fig 1Overall structure of the system图 2系统三维模型及实现技术Fig 2Three-dimensional model and implementationof the system系统可适应不同形状和尺寸的巷道、通风方式及掘进方式等。智能调控装置安装于风筒出风口前端，通过调控风筒出风口口径、方向、前后距离来优化风流场分布，从而降低瓦斯体积分数和粉尘质量浓度，达到对通风精细化调控及管控的目的。数据采集子系统用于巷道内风速、瓦斯体积分数、粉尘质量浓度等实时数据的监测采集，数据传输子系统在于实现监测数据的实时上传及上位机系统与智能调控装置之间的通信。上位机子系统具有实时监测、决策评价预警及风流适应性智能调控等功能，可以将风速、瓦斯、粉尘和距离信息等实时数据、预警信息、风流智能调控装置运行状态通过报表、图形、实时数值显示等方式为管理人员直观地反映出来，并且可以利用三维虚拟模型实时动态显示与调节装置的状态。1.2工作流程根据掘进面实际情况，对巷道空间、设备及掘进过程的瓦斯溢出及粉尘涌出进行相似性还原，采用数值模拟及试验测试分析确定风速、粉尘及瓦斯隐患区域监测点;利用 ZigBee 及 GPRS 传输技术将实时采集到的数据传输至上位机系统，进行数据实时显示监测及三维虚拟模型实时动态显示和调控。建立距离、风速、瓦斯及粉尘四因素决策评价机制对数据进行决策判断及预警，建立风流适应性智能调控神经网络模型，通过实时数据生成最优风流适应性智能调控方案。上位机系统利用 GPRS 传输技术及时下达调控指令至风流智能调控装置中的 PLC 控制器，从而实现风流适应性动态调控，达到优化风流场，进而降低粉尘质量浓度和瓦斯体积分数的目的，实现方法及工作流程见图 3。2系统各部分详细设计2.1基于相似与模化理论的掘进面还原设计2.1.1掘进面流场相似与模化方法分析若要较为准确地反映掘进面流体流动的规律和风流监测及适应性智能调控系统与原型的物理现象相似，则必须保证两个流动几何相似、运动相似和动力相似20 23。1)几何相似指流动空间几何相似，即形成两个空间的任意两条线段长度按一定的几何比例尺 Cl成比例。Cl=lp lm(1)式中lp为原型长度，m;lm为相似模型长度，m。研究表明，距掘进迎头约 38 m 后巷道内全尘浓度基本不变，趋于稳定，呼吸性粉尘质量浓度的变化规律与全尘一致，只是距工作面 20 m 后其浓度就基本保持不变，因此在设计原型系统时选取掘进工作5242023 年 2 月龚晓燕，等:掘进面风流监测及适应性智能调控系统研制Feb，2023面的前 30 m 作为原型。选取 Cl=5 作为几何比例尺进行相似物理原型系统搭建。2)运动相似指在几何空间相似的前提下，对应时空点的流速 Cv成比例。图 3方法及工作流程Fig 3Methods and workflowCv=vp vm(2)式中vp为原型流速，m/s;vm为相似模型流速，m/s。3)动力相似指作用在两个流体上的各同名力对应成比例，包括黏性力、压力、重力等。当流动属于强迫流动时，对流动状态起主要作用的是黏滞力，因此只要保证黏性力的相似准则即雷诺数(Re)准则，即可保证模型缩放后的动力相似。Re=vl(3)式中 为流体密度，kg/m3;v 为流体对应某点流速，m/s;l 为出风口口径，m;为流体动力黏度系数，Pas。选取掘进面原型风筒出风口口径为 1 m，风速为8.07 m/s，流体密度为1.20 kg/m3，流体动力黏度系数 =1.81 105Pas，根据式(3)可得Re=1.20 8.07 11.81 105=5.35 105 2300此时流体处于完全紊流状态，位于阻力平方区或第二自模区。根据尼古拉兹试验的结论，若流体位于阻力平方区，只要满足动力相似，即可保证运动相似。因此，风速可以不用满足相似条件，只要保证出风口口径几何相似即可达到动力相似。2.1.2掘进面还原设计基于相似与模化理论以实际掘进巷道为原型，对掘进面巷道空间进行还原设计，主要包括巷道空间、局部通风系统、瓦斯和粉尘发生装置及掘进机等几部分。巷道空间及设备三维模型见图 4。图 4巷道空间及设备三维模型Fig 4Three-dimensional model of roadway spaceand equipment1)巷道空间及局部通风系统设计:可实现矩形和直墙拱形两种巷道空间形状变化，可以实现压入式、抽出式及混合式 3 种通风方式，巷道倾角可以根据巷道的不同进行调整，可搭建不同巷道及通风工况下的试验系统。2)粉尘发生装置设计:掘进工作面大部分粉尘源于掘进机破煤掘进工作过程中24，要模拟掘进巷道内的实际工况，不同的掘进工艺和截割路径都会影响粉尘产生的浓度及位置，在进行粉尘发生的模拟时，需根据实际作业工序进行。为了实现不同截割路径的粉尘发生模拟，将粉尘储料仓以 3 5 的方式均布在端面上，如图 4 所示，通过不同的截割路径624Vol 23No 2安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 2 期和截割方式，模拟在掘进过程中截割头部位由于截割煤体和岩体产生的粉尘掉落。在进行粉尘发生的模拟时，需要根据实际进行，为此选择最简单可靠的方式，直接到现场取样或预先配比，完全还原矿上粉尘。3)瓦斯发生装置设计:采用有间隙的双层玻璃板模拟瓦斯溢出，其中外侧玻璃开有 8 个口径较大的孔，内侧玻璃板上密布微小口径的孔，见图 4。高压气瓶将模拟气体自外侧玻璃的大孔压入，以双层玻璃板之间的空间作为缓冲，将气体自微小孔释放，从而达到模拟瓦斯自煤壁溢出的效果。2.2基于 PLC 控制的风流智能调控装置设计2.2.1智能调控装置结构设计调控装置通过改变出风口距迎头的距离、口径、水平偏角，从而优化掘进巷道内风速、瓦斯及粉尘场分布，达到对通风精细化调控及管控的目的。建立风流调控装置虚拟样机，见图 5。前后位移电机驱动滑移小车的移动实现调控装置的前后位移，角度偏转电机驱动锥齿轮转动实现调控装置的水平偏转，口径偏转电机驱动丝杠滑块机构实现出风口口径的调节。调控范围如下:1)直线位移范围为 0 5m;2)水平偏转角度范围为 0 25;3)出风口调节口径范围为 0.7 1.2 m。图 5风流智能调控装置三维模型Fig 5Three-dimensional model of airflow intelligentcontrol device2.2.2智能调控方法研究上位机系统根据风流适应性动态调控 BP 神经网络模型建立的调控方案，及时下达调控指令至PLC 控制器，控制风流调控装置自动改变风筒出风口参数，达到对通风精细化调控的目的。控制 PLC的继电器进而控制 3 个步进电机进行装置调控，改变出风口风流状态，优化风速、瓦斯及粉尘场的运移分布。并根据测距传感器、增量式编码器的工作信号反馈，在上位机系统中对风流调控装置的实时状态进行显示，控制程序运行流程见图 6。采用 BP 神经网络对距离、风速、瓦斯、粉尘和风筒出风口参数的内在关系进行拟合，以风速、瓦斯、粉尘及出风口距端头距离作为输入层，以前后调节距离、口径、偏转角度作为输出层，建立的