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)存在如下幾點問題：
- 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；
- 固定點風(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)；
- 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，無法實時獲??；
- 各研究院校推出“六線式”、“九點式”自動測風(fēng)裝置，投資大、測風(fēng)時影響過車、測風(fēng)周期長、達不到實時風(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“以點代面”的局限性，實現(xiàn)巷道測風(fēng)站及關(guān)鍵用風(fēng)地點平均風(fēng)速的精準(zhǔn)測定，我公司已獲得國家實用專利（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監(jiān)測裝備，實現(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)真實反映巷道實際風(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，實現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)精確動態(tài)建模；④基于激光雷達掃描的巷道全斷面精細成圖裝備，實現(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、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，實現(xiàn)點或線段風(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，然后傳到上位機上。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上，要安裝在高于人或車水平兩側(cè)巷道璧上，因為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)換器主機有個信號強度參考項，只要強度大于85%就可以。
六、超聲波風(fēng)速風(fēng)速顯示
超聲波風(fēng)速子站可以把從傳感器采集到的實時風(fēng)速直接在子站自帶的LED電子管直接顯示（大小猶如家用電表LED屏），也可以直接輸出全彩LED替代測風(fēng)站牌板，全彩LED尺寸1mX0.6m，如圖8-5，對于風(fēng)速超限巷道，可以屏蔽數(shù)據(jù)顯示，也可以通過修改巷道斷面，降低風(fēng)速顯示，當(dāng)然也可只在地面上位機軟件查看。軟件巷道對應(yīng)位置也以“電子屏”展示，見下“礦井測風(fēng)系統(tǒng)”章節(jié)。
圖8-5 超聲波外接全彩LED顯示
七、辛強煤礦測點布置
礦井監(jiān)控系統(tǒng)效率的高低在很大程度上依賴于傳感器的位置和數(shù)量。因此，對于傳感器部署位置的具有重要的意義，辛強煤礦一期超聲波測風(fēng)儀以監(jiān)測礦井主副井和各大巷進風(fēng)、礦井總回風(fēng)以及回采面進回風(fēng)量為主，以便主風(fēng)機調(diào)整時能實時觀察礦井風(fēng)量情況，同時能實時監(jiān)測回采工作面需風(fēng)量變化情況，出現(xiàn)異常情況及時報警。監(jiān)測點布置如下：
在回風(fēng)井東西兩側(cè)各安裝一套風(fēng)速儀，監(jiān)測礦井總回風(fēng)；在井底車場爆炸材料庫東側(cè)、無軌膠輪車庫東側(cè)、中央帶式輸送機大巷和401盤區(qū)帶式輸送機巷丁字口東側(cè)各安裝一套風(fēng)速儀，監(jiān)測礦井總進風(fēng)量。
在401102工作面進回風(fēng)巷道口，各安裝一套風(fēng)速儀，實時監(jiān)測工作面需風(fēng)量變化情況。
八、精準(zhǔn)測風(fēng)用途
根據(jù)《煤礦智能化建設(shè)指南（2021 年版）》（國能發(fā)煤炭規(guī)﹝2021﹞29 號）的智能通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容：風(fēng)速傳感器的數(shù)量和位置應(yīng)滿足精確測風(fēng)環(huán)境狀態(tài)識別的需要。結(jié)合《煤炭工業(yè)智能化礦井設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB/ T 51272—2018)的通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)符合“風(fēng)溫聯(lián)合解算”的規(guī)定。
隨著碳達峰、碳中和政策的不斷深入實施，今后制約煤礦發(fā)展的因素，一是生態(tài)治理能力和綠色礦山建設(shè)的水平，二是安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的水平，三是智能礦山建設(shè)的水平。這是未來煤礦產(chǎn)能選擇、資源運營權(quán)集中的政策導(dǎo)向。所以，未來煤礦的智能化水平將是決定性因素，誰走在前面，誰就是受益者。羅馬不是一天建成的，煤礦智能化建設(shè)不能好高騖遠、一蹴而就，需要持續(xù)保持功成不必在我，功成必定有我的戰(zhàn)略定力，持續(xù)加大投入，持續(xù)迭代創(chuàng)新，小步快跑，蹄疾步穩(wěn)。辛強煤礦先把最基本也是最核心的風(fēng)搞精準(zhǔn)，首先建立井下精準(zhǔn)測風(fēng)系統(tǒng)，以點帶面，不斷突破，逐步把智能通風(fēng)管控預(yù)警平臺大數(shù)據(jù)中心建立起來，逐步實現(xiàn)數(shù)據(jù)治理，夯實智能化通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)。
通過智能精準(zhǔn)測風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)參數(shù)感知，準(zhǔn)確掌控巷道的真實平均風(fēng)速或風(fēng)量，為實現(xiàn)風(fēng)網(wǎng)實時解算、通風(fēng)異常診斷、通風(fēng)智能調(diào)控、控風(fēng)方案確定、應(yīng)急預(yù)案啟動提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障，測風(fēng)系統(tǒng)與智能通風(fēng)其他子系統(tǒng)相互關(guān)系如圖8-8：
圖8-8 測風(fēng)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)關(guān)系
由上圖可知，測風(fēng)系統(tǒng)主要有以下幾點作用：
（1）通過超聲波掃描巷道截面測量技術(shù)，實現(xiàn)全截面精準(zhǔn)的平均風(fēng)速測量，構(gòu)建礦井精確的風(fēng)向、風(fēng)速和風(fēng)量監(jiān)控體系，融合有害氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時通風(fēng)安全預(yù)警。滿足《煤礦智能化建設(shè)指南（2021 年版）》（國能發(fā)煤炭規(guī)﹝2021﹞29號）文件的智能通風(fēng)中的“精準(zhǔn)測風(fēng)”標(biāo)準(zhǔn)要求。測風(fēng)在三維通風(fēng)顯示效果圖如圖8-9
（2）通過精準(zhǔn)通風(fēng)參數(shù)（風(fēng)速、風(fēng)向），加入三維通風(fēng)模擬系統(tǒng)中聯(lián)合解算。滿足《煤炭工業(yè)智能化礦井設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB/ T 51272—2018)文件的通風(fēng)及安全系統(tǒng)中的“實現(xiàn)風(fēng)速、風(fēng)溫聯(lián)合解算”標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖8-9所示。并根據(jù)解算和實測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對風(fēng)量、風(fēng)速、風(fēng)向不穩(wěn)定性的自動報警，如圖8-10，提高通風(fēng)系統(tǒng)的安全性和通風(fēng)管理的科學(xué)性。
a）超聲波風(fēng)速未聯(lián)合解算的風(fēng)速8.6
圖8-10超限報警前后對比圖
（3）通過實時監(jiān)測井下各巷道的精準(zhǔn)風(fēng)速和分析計算，并能導(dǎo)出測風(fēng)旬報，如圖8-11，以便測風(fēng)人員加工和統(tǒng)計，上報主管部門，作為主要通風(fēng)機、局部通風(fēng)機、風(fēng)門、調(diào)節(jié)風(fēng)門（風(fēng)窗）等的調(diào)控參考依據(jù)，如圖8-12，8-13：
圖8-11測風(fēng)旬報導(dǎo)出
