一種礦井多工作面風壓整體動態平衡控制系統及控制方法
2023-04-29 18:01:01 3
一種礦井多工作面風壓整體動態平衡控制系統及控制方法
【專利摘要】一種礦井多工作面風壓整體動態平衡控制系統及控制方法，屬於煤礦井下自燃災害防治【技術領域】。控制系統，包括行人風門和調節風門，穿過行人風門設置導風筒，導風筒與變頻調控通風機相連；穿過調節風門設置迴風測壓管，迴風測壓管與第一壓力傳感器相連；還設置有上覆採空區測壓管，其與第二壓力傳感器相連；各工作面的壓力傳感器和變頻器與控制器相連。控制方法：開啟各工作面的變頻調控通風機，向進風巷內供風；通過各工作面的壓力傳感器監測迴風巷和上覆採空區的風壓值，並傳輸至控制器；控制器根據風壓值信號，進行調控系統穩定性判定，若滿足要求，維持調控風壓不變；否則系統失穩，進行風壓值重新分配，進而實現礦井多工作面風壓整體動態平衡。
【專利說明】一種礦井多工作面風壓整體動態平衡控制系統及控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於煤礦井下自燃災害防治【技術領域】，特別是涉及一種礦井多工作面風壓 整體動態平衡控制系統及控制方法。
【背景技術】
[0002] 我國多數礦區存在近距離煤層群開採的問題，如大同礦區、西山礦區、淮南礦區 等，對近距離易自燃煤層群的火災防治研究將是煤礦地下開採的重大課題。煤層群下行開 採過程中，下部煤層工作面頂板垮落將造成多層採空區、地表相互聯通，形成複雜的立體交 叉漏風網，漏風源點數量龐大難以精確查找，極易引發自燃火災事故。
[0003] 當開採工作面採用負壓通風時，多層採空區內CO、CO2、瓦斯等有毒有害氣體將大 量導入工作面，威脅井下作業人員生命安全；而採用正壓通風時，新鮮風流將大量漏入多層 採空區，引發採空區遺煤自燃，若採空區有高濃度瓦斯聚集，還可導致瓦斯爆炸事故發生。
[0004] 應用傳統的均壓方法僅可以解決靜態壓力調控問題，而多層採空區流場與地表的 漏風通道有成百上千個，受氣溫、大氣壓力、機械通風和開採等諸多因素的影響，流場中氣 體的流量和壓力不是恆定不變的，是隨著時間變化的函數。因此，對於多層採空區流場風壓 動態變化的情況，傳統均壓方法無法獲取準確的均壓點，難以有效解決上述問題。
[0005] 在難以實現多層採空區流場風壓整體平衡的情況下，若採取一定的技術手段使開 採工作面的氣體壓力隨著上部相鄰採空區氣體壓力的變化而變化，並儘可能達到相等，則 可阻止氣體的相互流動，此即為多層採空區流場局部動態平衡。因此，不需考慮數量龐大的 漏風源，只需抓住唯一的漏風匯-工作面迴風巷，問題就會得到簡化；對迴風巷與其上部相 鄰採空區之間進行壓差調整，使整個漏風流場在局部範圍內實現動態壓力平衡，則可防止 有害氣體導入開採工作面和新鮮風流漏入採空區。
[0006] 在礦井單一工作面進行風壓調控時，多層採空區流場局部動態平衡控制方法將有 效解決近距離易自燃煤層群開採過程中的自燃火災問題。而對於礦井多工作面或鄰近礦井 工作面同時進行風壓調控的情況，受煤層地質條件與礦井開採過程的影響，各個風壓調控 區之間可能存在空氣滲流通道，則任一個調控區的風壓變動都會使得另一個調控區的風壓 隨之發生變化，進而破壞其調壓平衡狀態。由於多層採空區連通狀態是信息模糊、複雜無序 的混沌體，解決該問題存在三方面困難：一是無法掌握各調控區域的空間連通狀態；二是 各調控區域間的空間連通狀態將會隨著礦井開採進程而不斷發生變化，是一個動態過程； 三是連通區域通道的參數無法確定，無法應用傳統風網解算方法計算調控參數。因此，在礦 井多工作面同時進行風壓調控的情況下，應用傳統的調壓方法難以實現各工作面均達到風 壓平衡狀態，極易引發採空區遺煤自燃或瓦斯爆炸事故發生。
【發明內容】
[0007] 針對現有技術存在的問題，本發明提供一種礦井多工作面風壓整體動態平衡控制 系統及控制方法。其基於多層採空區流場多點調控反饋補償整體平衡理論，採用集中控制 方式，由控制器統一分配各工作面的調控風壓值，防止採空區有害氣體流入開採工作面及 開採工作面新鮮風流漏入採空區，保證了各工作面風壓都保持局部動態平衡。
[0008] 為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案，一種礦井多工作面風壓整體動態 平衡控制系統，包括設置在各工作面進風巷靠近巷口處的兩道行人風門和設置在各工作面 迴風巷靠近巷口處的兩道調節風門；穿過兩道行人風門設置有導風筒，所述導風筒與變頻 調控通風機相連接，在變頻調控通風機上均裝配有變頻器；穿過兩道調節風門設置有迴風 測壓管，迴風測壓管與第一壓力傳感器相連接；在各工作面迴風巷口與調節風門之間的頂 板向上覆採空區開設有測壓鑽孔，穿過測壓鑽孔設置有上覆採空區測壓管，上覆採空區測 壓管與第二壓力傳感器相連接；各工作面的第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和變頻器分 別與控制器相連接。
[0009] 所述的各工作面的第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和變頻器分別通過RS485總 線與控制器相連接。
[0010] 所述的導風筒通過柔性導風筒與變頻調控通風機相連接。
[0011] 所述的變頻調控通風機採用對旋式局部變頻調控通風機，在各工作面變頻調控通 風機和導風筒均設置為兩組，一組使用一組備用，所述變頻調控通風機吊掛於巷幫一側或 固定於風機穩裝平臺上。
[0012] 所述的迴風測壓管和上覆採空區測壓管均為銅管，迴風測壓管通過膠管與第一壓 力傳感器相連接，上覆採空區測壓管通過膠管與第二壓力傳感器相連接。
[0013] 採用所述的礦井多工作面風壓整體動態平衡控制系統的控制方法，包括如下步 驟：
[0014] 步驟一：開啟各工作面的變頻調控通風機，向進風巷內供風，風流經由迴風巷及調 節風門流出；
[0015] 步驟二：通過各工作面的第一壓力傳感器和第二壓力傳感器監測迴風巷和上覆採 空區的風壓值，並將風壓值信號傳輸至控制器；
[0016] 步驟三：控制器根據接收到的各工作面的風壓值信號，進行調控系統穩定性判定， 即判定各工作面調控風壓能否滿足防止採空區有害氣體流入開採工作面及防止開採工作 面新鮮風流過量漏入採空區的要求；若滿足要求，則礦井多工作面風壓整體動態平衡控制 系統穩定，維持各工作面調控風壓不變；否則系統失穩，通過控制器進行各工作面風壓值重 新分配，並將重新分配的風壓值傳輸至各工作面的變頻器；各工作面的變頻器通過控制變 頻調控通風機的轉速，使各工作面的調控風壓值達到指定分配值，進而實現礦井多工作面 風壓整體動態平衡。
[0017] 上述方法中，當進風巷處變頻調控通風機發生故障時，由控制器自動切換至備用 變頻調控通風機；當兩組變頻調控通風機同時發生故障時，打開該工作面進風巷的兩道行 人風門和迴風巷的兩道調節風門，恢復工作面負壓通風。
[0018] 上述方法中，一旦控制器出現故障，打開各工作面進風巷的兩道行人風門和迴風 巷的兩道調節風門，恢復工作面負壓通風。
[0019] 步驟三中所述的控制器根據接收到的各工作面的風壓值信號，進行調控系統穩定 性判定以及控制器進行各工作面風壓值重新分配，其具體步驟如下：
[0020] 步驟A :進行多工作面空間連通狀態辨識，
[0021] t時刻礦井m個工作面的風壓值分別為U1 (t)，U2 (t)，···!!_"(〇,對第i個工作面的 風壓增加一個擾動量SiQ = 1，2,…m)，在擾動量δ 作用下，第j個工作面風壓產生 的擾動量為=1，2，…m);若δ』α) =〇,則說明第j個工作面與第i個工作面 無連通狀態；若S j(i)尹〇,則說明第j個工作面與第i個工作面之間存在空氣滲流通道；
[0022] 步驟B :建立調控系統風壓耦合矩陣，
【權利要求】
1. 一種礦井多工作面風壓整體動態平衡控制系統，其特徵在於包括設置在各工作面進 風巷靠近巷口處的兩道行人風門和設置在各工作面迴風巷靠近巷口處的兩道調節風門；穿 過兩道行人風門設置有導風筒，所述導風筒與變頻調控通風機相連接，在變頻調控通風機 上均裝配有變頻器；穿過兩道調節風門設置有迴風測壓管，迴風測壓管與第一壓力傳感器 相連接；在各工作面迴風巷口與調節風門之間的頂板向上覆採空區開設有測壓鑽孔，穿過 測壓鑽孔設置有上覆採空區測壓管，上覆採空區測壓管與第二壓力傳感器相連接；各工作 面的第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和變頻器分別與控制器相連接。
2. 根據權利要求1所述的礦井多工作面風壓整體動態平衡控制系統，其特徵在於所述 的各工作面的第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和變頻器分別通過RS485總線與控制器相 連接。
3. 根據權利要求1所述的礦井多工作面風壓整體動態平衡控制系統，其特徵在於所述 的導風筒通過柔性導風筒與變頻調控通風機相連接。
4. 根據權利要求1所述的礦井多工作面風壓整體動態平衡控制系統，其特徵在於所述 的變頻調控通風機採用對旋式局部變頻調控通風機，在各工作面變頻調控通風機和導風筒 均設置為兩組，一組使用一組備用，所述變頻調控通風機吊掛於巷幫一側或固定於風機穩 裝平臺上。
5. 根據權利要求1所述的礦井多工作面風壓整體動態平衡控制系統，其特徵在於所述 的迴風測壓管和上覆採空區測壓管均為銅管，迴風測壓管通過膠管與第一壓力傳感器相連 接，上覆採空區測壓管通過膠管與第二壓力傳感器相連接。
6. 採用權利要求1所述的礦井多工作面風壓整體動態平衡控制系統的控制方法，其特 徵在於，包括如下步驟： 步驟一：開啟各工作面的變頻調控通風機，向進風巷內供風，風流經由迴風巷及調節風 門流出； 步驟二：通過各工作面的第一壓力傳感器和第二壓力傳感器監測迴風巷和上覆採空區 的風壓值，並將風壓值信號傳輸至控制器； 步驟三：控制器根據接收到的各工作面的風壓值信號，進行調控系統穩定性判定，即判 定各工作面調控風壓能否滿足防止採空區有害氣體流入開採工作面及防止開採工作面新 鮮風流過量漏入採空區的要求；若滿足要求，則礦井多工作面風壓整體動態平衡控制系統 穩定，維持各工作面調控風壓不變；否則系統失穩，通過控制器進行各工作面風壓值重新分 配，並將重新分配的風壓值傳輸至各工作面的變頻器；各工作面的變頻器通過控制變頻調 控通風機的轉速，使各工作面的調控風壓值達到指定分配值，進而實現礦井多工作面風壓 整體動態平衡。
7. 根據權利要求6所述的採用所述的礦井多工作面風壓整體動態平衡控制系統的控 制方法，其特徵在於，當進風巷處變頻調控通風機發生故障時，由控制器自動切換至備用變 頻調控通風機；當兩組變頻調控通風機同時發生故障時，打開該工作面進風巷的兩道行人 風門和迴風巷的兩道調節風門，恢復工作面負壓通風。
8. 根據權利要求6所述的採用所述的礦井多工作面風壓整體動態平衡控制系統的控 制方法，其特徵在於，一旦控制器出現故障，打開各工作面進風巷的兩道行人風門和迴風巷 的兩道調節風門，恢復工作面負壓通風。
9.根據權利要求6所述的採用所述的礦井多工作面風壓整體動態平衡控制系統的控 制方法，其特徵在於步驟三中所述的控制器根據接收到的各工作面的風壓值信號，進行調 控系統穩定性判定以及控制器進行各工作面風壓值重新分配，其具體步驟如下： 步驟A :進行多工作面空間連通狀態辨識， t時刻礦井m個工作面的風壓值分別為U1 (t)，U2 (t)，…Um(t)，對第i個工作面的風壓 增加一個擾動量Si(i = 1，2,…m)，在擾動量Si的作用下，第j個工作面風壓產生的擾 動量為Sj(i)(j = 1，2，…m);若SjQ) =〇,則說明第j個工作面與第i個工作面無連 通狀態；若S ^i)尹0,則說明第j個工作面與第i個工作面之間存在空氣滲流通道； 步驟B :建立調控系統風壓耦合矩陣，
式中，M為調控系統風壓耦合矩陣；R為風壓增益係數矩陣；E為m階單位矩陣；rij為風 壓增益係數，i = j時，= 0 ;Ui (t)為t時刻礦井第i個工作面的風壓值；S ,為對第i個 工作面的風壓增加的擾動量；S ^i)為在擾動量S ,的作用下，第j個工作面風壓產生的擾 ^]fi；i = l,2, ---Iii5J' = 1,2, ---m; 以列向量U(t) = ?um(t)]T表示t時刻礦井m個工作面的風壓值，貝Ij U (t+n) = Mn ? U (t)，Iim（卜卜"）=Iim 對」.D ⑴=M . (y ⑴'其中，u (t+n)表不 t+n 時刻礦 71 -^ c>o yi -^ 〇〇 井m個工作面的風壓值； 步驟C :進行調控系統穩定性判定， 將各工作面實現風壓整體動態平衡的理論風壓控制值域看作一個m維實數集合 G = [〃i(,)_Aii,"i(Y) + Ai::]x["2(/.)-A::i，"::(,) + A22]xA -Aml,+;其中，A n、 A i2(i = 1，2,…m)分別表示第i個調控區域滿足採空區有害氣體不流入開採工作面和 漏入採空區的新鮮風流不引起遺煤自燃的允許風壓變化值；如果M . e ￠/，則稱系統 關於U(t)是平衡的，否則稱系統關於U(t)是失穩的； 步驟D :進行各工作面風壓值重新分配，
1得出矩陣M的所有特徵值入：、 入2、…入m ; 對於每一個特徵值X Ji = 1，2，…m)，求解線性方程組（M-A佔）*11 = 0,得出對應的 特徵向量U = Ui⑴； 計算每個特徵值的n次冪（入Jn，（入2)n，…（Am) n，若存在矩陣M的某個特徵值入k， 其對應的特徵向量為Uk(t) = [ukl(t)，uk2(t)，…Ukm(t)]T，且對於任何正整數n，均滿足：
則系統關於uk(t)是n步平衡的；其中，e i為第i個工作面風壓允許的調控誤差半徑， e^mintAn，Ai2}，特徵向量Uk(t) = [ukl(t)，uk2(t),即為各工作面的風壓 分配值。
【文檔編號】E21F1/00GK104329108SQ201410455440
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月9日 優先權日:2014年9月9日
【發明者】張勳, 王繼仁, 鄧存寶, 金智新, 鄧漢忠, 王雪峰, 張效春 申請人:遼寧工程技術大學