礦井智能通風(fēng)中精準(zhǔn)測風(fēng)部分

一、測風(fēng)當(dāng)前存在的問題

目前大面積使用的風(fēng)速測量儀表、風(fēng)速傳感器啟動風(fēng)速基本在 0.3ｍ/s，以上無法滿足《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的巖巷最低風(fēng)速0.15ｍ/s的要求測量精度在±0.2ｍ/s左右，尤其在于低風(fēng)速巷道風(fēng)速測量、風(fēng)門漏風(fēng)檢測、風(fēng)流精確調(diào)控等方面相對誤差較大。

常用的機(jī)械式風(fēng)表線路法測定風(fēng)速受人員高度和測風(fēng)經(jīng)驗(yàn)限制，尤其在大斷面巷道中測量結(jié)果的可靠性較低，風(fēng)速傳感器在巷道斷面內(nèi)的安裝位置、校正方法沒有切實(shí)可行的操作規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性不高。因此，風(fēng)速準(zhǔn)確測量儀表是未來應(yīng)著力解決的基礎(chǔ)。

綜上所述，當(dāng)前礦井巷道測風(fēng)存在如下幾點(diǎn)問題：

1. 測量精度不夠，差壓法風(fēng)速傳感器安裝必須迎風(fēng)且保持90°傾角，否則測風(fēng)數(shù)據(jù)不具備參考價值；
2. 固定點(diǎn)風(fēng)速，不代表巷道平均風(fēng)速（一般來說巷道中心風(fēng)速是邊緣的0.82-0.86倍），無法用于智能通風(fēng)調(diào)控參數(shù)；
3. 人工測風(fēng)可以獲取巷道平均風(fēng)速，手工活，因人而已，誤差差別大，無法實(shí)時獲??；
4. 各研究院校推出“六線式”、“九點(diǎn)式”自動測風(fēng)裝置，投資大、測風(fēng)時影響過車、測風(fēng)周期長、達(dá)不到實(shí)時風(fēng)速監(jiān)測效果。

利用超聲波傳感設(shè)備，改變傳統(tǒng)的差壓法“以點(diǎn)代面”的局限性，實(shí)現(xiàn)巷道測風(fēng)站及關(guān)鍵用風(fēng)地點(diǎn)平均風(fēng)速的精準(zhǔn)測定，我公司已獲得國家實(shí)用專利（專利號：ZL 2020 2 2309729.0）。

二、精準(zhǔn)測風(fēng)系統(tǒng)鍵技術(shù)

智能精準(zhǔn)測風(fēng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究井下巷道通風(fēng)參數(shù)的智能感知，核心技術(shù)包括:①穩(wěn)定可靠的煤礦井下巷道全斷面風(fēng)速超聲波或多普勒激光雷達(dá)監(jiān)測裝備，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速監(jiān)測精度的提升；②考慮風(fēng)流脈動特征的高精度單點(diǎn)平均風(fēng)速監(jiān)測技術(shù)和斷面風(fēng)速傳感器安裝位置確定方法，使傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)真實(shí)反映巷道實(shí)際風(fēng)速；③滿足全網(wǎng)絡(luò)風(fēng)阻(摩擦阻力)精確反演的高精度礦井絕對壓力、相對壓力監(jiān)測裝備，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)精確動態(tài)建模；④基于激光雷達(dá)掃描的巷道全斷面精細(xì)成圖裝備，實(shí)現(xiàn)巷道斷面的精確測定。

全斷面平均風(fēng)速的快速準(zhǔn)確測定，為全礦井智能通風(fēng)數(shù)據(jù)采集與聯(lián)動調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。

三、測風(fēng)裝備設(shè)計原理

井巷風(fēng)流的湍流脈動和斷面風(fēng)速的不均一特征，是導(dǎo)致平均風(fēng)速的準(zhǔn)確測試難度大的主要原因。實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的精確測量，首先要設(shè)計高溫、高濕和粉塵環(huán)境下抗干擾能力強(qiáng)、精度高、耐腐蝕性好、性能穩(wěn)定的風(fēng)速測量傳感器,然后利用湍流統(tǒng)計法測量單點(diǎn)或線段的時均風(fēng)速，并通過優(yōu)化設(shè)計傳感器分布解決井巷突變區(qū)大渦干擾、傳感器間相互干擾和校正問題，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)或線段風(fēng)速傳感器的高精度測定，最后基于速度場結(jié)構(gòu)近似恒定原理將單點(diǎn)或線段的時均風(fēng)速轉(zhuǎn)換為井巷斷面平均風(fēng)速。應(yīng)用超聲波時差法的測量線段風(fēng)速，發(fā)射和接收端的跨度大，可克服點(diǎn)風(fēng)速測量時傳感器尺度效應(yīng)與風(fēng)流湍流波動誘發(fā)的測量誤差，是一種精度較高的風(fēng)速測量方法。采用超聲波時差法，研發(fā)風(fēng)速高精度傳感器，實(shí)現(xiàn)了全量程測量精度小于0.1m/s，突破了井巷平均風(fēng)速(量)準(zhǔn)確測量的一道屏障，通過線段風(fēng)速的高精度測量實(shí)現(xiàn)了全斷面平均風(fēng)速(量)的快速準(zhǔn)確測定，技術(shù)原理如下圖1-2所示。

圖1-2 全斷面超聲波風(fēng)速測定技術(shù)原理

四、超聲波掃描測風(fēng)技術(shù)

巷道中的氣體速度曲線應(yīng)為子彈頭形狀，即：中間流速高，外圍流速低。超聲波風(fēng)速儀測量的是巷道橫截面的一條線，以這條測量線測量的流速代表整個橫截面積的風(fēng)速。利用超聲波在順風(fēng)和逆風(fēng)中傳播相同距離存在的時差與風(fēng)速之間的關(guān)系，測出風(fēng)流的速度。超聲波利用時差法,通過大跨度雙向設(shè)置超聲波接收與發(fā)射端，輔以時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片(TDC)精確計時技術(shù)和解耦算法，實(shí)現(xiàn)了全量程測量精度小于0.1m/s，突破了井巷平均風(fēng)速(量)準(zhǔn)確測量的一道屏障，通過線段風(fēng)速的高精度測量實(shí)現(xiàn)了全斷面平均風(fēng)速的準(zhǔn)確測定，超聲波風(fēng)速儀如圖1-3：

圖1-3 全斷面超聲波風(fēng)速傳感器

五、超聲波傳感器安裝方法

超聲波風(fēng)速儀在測點(diǎn)位置成對安裝，采用時差法測速原理，聲波在空氣中上行、下行傳播相同距離時，用的時間不同；而此時間差與被測空氣的流動速度有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，由此計算風(fēng)速；風(fēng)速儀控制超聲波換能器的發(fā)射與接收，并對接收到的聲波信號采集，經(jīng)過子站輸出RS485信號，通過分站轉(zhuǎn)為RJ45信號就近接入環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，然后傳到上位機(jī)上。安裝剖面圖1-4，安裝截面圖1-5：

圖1-4 超聲波風(fēng)速儀安裝剖面圖

圖1-5 超聲波風(fēng)速儀截面圖

超聲波風(fēng)速儀測定原理是巷道不同位置氣流傳播速度不同，與氣流速度正相關(guān)，通過正反2路交叉聲波計算2路聲波時間差，計算出氣流速度。兩個探頭最好成45°角水平安裝，不要安裝在巷道不規(guī)則位置；另外兩個探頭也不要安裝在巷道中間點(diǎn)上，要安裝在高于人或車水平兩側(cè)巷道璧上，因?yàn)?/font>安裝在有人或車活動下方，會影響測量準(zhǔn)確率。兩個探頭之間的距離5m左右就可以，兩個探頭位置如何，風(fēng)速儀轉(zhuǎn)換器主機(jī)有個信號強(qiáng)度參考項(xiàng)，只要強(qiáng)度大于85%就可以。