CN112325940A - 一种矿井自然风压实时监测***及方法 - Google Patents

一种矿井自然风压实时监测***及方法 Download PDF

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王凯
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Abstract

本发明属于煤矿的安全监测领域，公开了一种矿井自然风压实时监测***及方法，对矿井自然风压进行实时监测，该监测***包括通风参数采集***、通风数据传输***，自然风压计算***、自然风压实时监测***。通过在矿井监测区域装设参数采集设备，对监测区域空气湿度、温度、气体压力参数进行采集，采集数据经数据传输***传输到自然风压计算***，自然风压计算***计算自然风压进而实现对自然风压的实时监测。本发明能够实现对某一矿井自然风压实时监测，解决了自然风压测定复杂、成本较高的问题，便于实现对自然风压实时监测，有助于建立更加完善的自然风压预警***，具有较好的应用前景。

Description

一种矿井自然风压实时监测***及方法
技术领域
本发明属于煤矿的安全监测领域，尤其涉及一种矿井自然风压实时监测***及方法。
背景技术
我国随着矿井开采深度的加大，矿井自然风压也随之增大，自然风压随季节的变化对矿井通风***的影响也愈加明显，自然风压已经成为影响矿井通风***稳定性的重要因素。
自然风压对通风***稳定性的影响不仅表现在影响主通风机的工况点，而且还可能引起风网中分支风流方向和风量的变化，使一些风流原本比较稳定的巷道内的风量减少或停滞，以致出现局部微风、无风甚至风流反向的现象，给矿井的安全生产带来威胁。同时，对于煤炭自然发火和瓦斯灾害比较严重的矿井，矿井自然风压的变化往往容易引发矿井瓦斯涌出量异常、局部瓦斯超限、矿井漏风量增大等问题，进而对矿井的灾害防治造成不利影响。
深部开采矿井自然风压的变化对于矿井通风***的稳定性和矿井的安全生产具有明显影响，掌握矿井自然风压的变化规律及影响因素，根据矿井的实际情况，合理地利用和控制自然风压，降低自然风压对矿井通风***的负面影响，对于矿井的安全生产、灾害防治以及经济效益的提高具有重要意义；浅部开采矿井具有自然风压对采空区漏风影响较大等特点，导致工作面瓦斯防治工作难度较大，漏风较为严重，采空区气体积聚和火灾事故频发。目前对自然风压的测定主要是通过现场测得然后进行计算，在测定过程中路线较长，消耗大量人力，计算的即时性较差，国内各大矿井均未建立自然风压实时监测***。
发明内容
本发明的目的是提供一种自然风压实时监测***及方法，通过在各监测点布置传感器、借助通风数据传输***，自然风压计算***，自然风压实时监测***，能够对自然风压进行可视化实时监测，提前对灾害预警。
本发明是通过以下技术方案实现的：
首先在矿井进风井口、进风井底、风硐、回风井底布置传感器采集数据，所述传感器包括湿度传感器、温度传感器、气体压力传感器；为提高采集数据的准确性，对于同一位置同一类型传感器布置两个，同一位置同一类型传感器数据输出一致时为有效数据，两个传感器的差值超过5％时该数据无效。
通过传感器测定各测点的温度、相对湿度与绝对压力，所测数据可以通过数据传输***传到自然风压实时监测***，数据传输***包含通讯传输模块，通讯传输模块可将数据上传至云存储端，数据上传云储存端后可实现数据共享；所述数据传输***包含井下数据传输***和井上数据传输***两部分，数据传输方式为有线传输和无线传输相结合，有线传输采用RS485信号传输，无线传输采用专网无线WIFI传输；进一步自然风压计算***根据监测数据查不同温度下饱和水蒸气分压表得出饱和水蒸汽的绝对分压，通过式(1)计算测点的空气密度。
Figure BDA0002764009430000021
式中：ρ——空气的密度，kg/m3；
P——空气的绝对静压，KPa；
Ps——饱和水蒸汽的绝对分压，KPa；
Figure BDA0002764009430000022
——空气的相对湿度，％；
T——空气的绝对温度，T＝273+t，K。
针对矿井的实际情况，根据进、回风井筒的标高不同可分为以下三种类型：①进、回风井标高相同；②进风井高程大于回风井；③回风井高程大于进风井。
自然风压计算***可根据矿井的实际情况经结合空气密度数值按下式计算自然风压。
按下式计算自然风压，根据进、回风井筒的标高不同可分为以下三种类型：
(1)当进、回风井标高相同时
H自＝(ρ进-ρ回)×H×g (2)
(2)进风井高程大于回风井时
H自＝(ρ进H进-ρ5×H1-ρ回H回)×g (3)
(3)回风井高程大于进风井时
H自＝(ρ9H0+ρ进×H进-ρ回×H回)×g (4)
式中：H自——自然风压；
ρ回——回风井筒中湿空气的平均密度，kg/m3；
ρ进——进风井筒中湿空气的平均密度，kg/m3；
H——井筒垂深，m；
g——重力加速度，9.8m/s2；
ρ5——进风井高于回风井部分湿空气的平均密度；
H1——进风井高于回风井部分的高度；
ρ9——回风井高于进风井部分湿空气的平均密度；
H0——回风井高于进风井部分的高度。
自然风压计算完成后，通过可视化实时监测***对自然风压实时监测。
矿井自然风压实时监测***由两部分组成：实时数据读取***和可视化实时监测***。整个***投入少，易于现场人员掌握，能够实现非接触式、实时、连续监测。其工作原理：基于Visual Basic(VB)可视化语言建立实时数据采集***，***通过FTP数据传输协议读取采样点云端实时数据，传送至Sql Server数据库，通过MATLAB连接Sql Server数据库进行实时风压的后端数值计算，同时利用MATLAB中的GUI模块进行可视化实时监测***的搭建，实现矿井自然风压实时可视化监测。
可视化实时监测***的界面采用MATLAB中的GUI板块来实现，结合编程语言设计前端可视化，并利用其数值计算功能进行后端实时解算。
可视化实时监测***分为主界面和参数实时监测界面。主界面显示矿井实时自然风压情况，对整个矿区进行循环连续监测，由主界面进入参数实时监测界面，显示各个采样点数据变化曲线。
附图说明
图1是本发明实施例提供的当进、回风井标高相同时自然风压监测原理图。
图2是本发明实施例提供的当进风井高程大于回风井时自然风压监测原理图。
图3是本发明实施例提供的当回风井高程大于进风井时自然风压监测原理图。
图4为本发明实施例自然风压实时监测***示意图。
图中1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12均为无线传感器布置点。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。
下面结合附图1～3对发明所述***及方法进一步说明，由图4可以看出自然风压实时监测***包括通风参数采集***、通风数据传输***，自然风压计算***、自然风压实时监测***。
实施例1如附图1所示：当进、回风井标高相同时，在1、2、3、4位置布传感器，为了提高采集数据的精确性，对于同一位置同一类型传感器布置两个，为提高采集数据的准确性，对于同一位置同一类型传感器数据输出一致时为有效数据，当两个传感器的差值较大时该数据无效。温湿传感器采用四探头温湿度变送器，设备型号为RS-WS-WIFI-Y4，该设备可实现WiFi信号传输，温度量程-20℃～60℃，湿度量程0％RH～100％RH，该设备测量精度高，抗干扰强；压力传感器型号为SM5190，数据通过RS485接口采取有线传输。其监测方法为通过传感器采集数据经数据传输***输送自然风压计算***，数据传输***采用有线传输和无线传输相结合的方式，有线传输采用RS485信号传输，无线传输采用专网无线WIFI传输，数据传输***包含通讯传输模块，通讯传输模块可将数据上传至云存储端实现数据共享。传感器采集数据经数据传输***传输到数据处理***，由自然风压计算***按式(1)计算测点的空气密度，ρ进由1、2两测点空气密度取平均值得到，即ρ进＝(ρ1+ρ2)/2，ρ回由3、4两测点空气密度取平均值得到，即ρ回＝(ρ3+ρ4)/2，按照式(2)计算自然风压，绘制自然风压曲线，实现对自然风压的动态监测及灾害预警。
实施例2如附图2所示：进风井高程大于回风井时，在5、6、7、8位置布传感器，温湿传感器采用四探头温湿度变送器，设备型号为RS-WS-WIFI-Y4，该设备可实现WiFi信号传输，温度量程-20℃～60℃，湿度量程0％RH～100％RH，该设备测量精度高，抗干扰强。压力传感器型号为SM5190，数据通过R485接口采取有线传输。其监测方法为通过传感器采集数据经数据传输***输送数据处理***，数据传输***采用有线传输和无线传输相结合的方式，有线传输采用RS485信号传输，无线传输采用专网无线WIFI传输，数据传输***包含通讯传输模块，通讯传输模块可将数据上传至云存储端实现数据共享。由数据处理***按式(1)计算测点的空气密度，ρ进由5、6两测点空气密度取平均值得到，即ρ进＝(ρ5+ρ6)/2，ρ回由7、8两测点空气密度取平均值得到，即ρ回＝(ρ7+ρ8)/2，按照式(3)计算自然风压，绘制自然风压曲线，实现对自然风压的动态监测及灾害预警。
实施例3如附图3所示：进风井高程大于回风井时，在9、10、11、12位置布传感器，温湿传感器采用四探头温湿度变送器，设备型号为RS-WS-WIFI-Y4，该设备可实现WiFi信号传输，温度量程-20℃～60℃，湿度量程0％RH～100％RH，该设备测量精度高，抗干扰强。压力传感器型号为SM5190，数据通过R485接口采取有线传输。其监测方法为通过传感器采集数据经数据传输***输送数据处理***，数据传输***采用有线传输和无线传输相结合的方式，有线传输采用RS485信号传输，无线传输采用专网无线WIFI传输，数据传输***包含通讯传输模块，通讯传输模块可将数据上传至云存储端实现数据共享。由数据处理***按式(1)计算测点的空气密度，ρ进由9、10两测点空气密度取平均值得到，即ρ进＝(ρ9+ρ10)/2，ρ回由11、12两测点空气密度取平均值得到，即ρ回＝(ρ11+ρ12)/2，按照式(4)计算自然风压，绘制自然风压曲线，实现对自然风压的动态监测及灾害预警。
Figure BDA0002764009430000041
式中：ρ——空气的密度，kg/m3；
P——空气的绝对静压，KPa；
Ps——饱和水蒸汽的绝对分压，KPa；
Figure BDA0002764009430000051
——空气的相对湿度，％；
T——空气的绝对温度，T＝273+t，K。
按下式计算自然风压，根据进、回风井筒的标高不同可分为以下三种类型：
(1)当进、回风井标高相同时
H自＝(ρ进-ρ回)×H×g (2)
(2)进风井高程大于回风井时
H自＝(ρ进H进-ρ5×H1-ρ回H回)×g (3)
(3)回风井高程大于进风井时
H自＝(ρ9H0+ρ进×H进-ρ回×H回)×g (4)
式中：H自——自然风压；
ρ回——回风井筒中湿空气的平均密度，kg/m3；
ρ进——进风井筒中湿空气的平均密度，kg/m3；
H——井筒垂深，m；
g——重力加速度，9.8m/s2；
ρ5——进风井高于回风井部分湿空气的平均密度；
H1——进风井高于回风井部分的高度；
ρ9——回风井高于进风井部分湿空气的平均密度；
H0——回风井高于进风井部分的高度。
实施例中所述矿井自然风压实时监测***由两部分组成：实时数据读取***和可视化实时监测***。整个***投入少，易于现场人员掌握，能够实现非接触式、实时、连续监测。其工作原理：基于Visual Basic(VB)可视化语言建立实时数据采集***，***通过FTP数据传输协议读取采样点云端实时数据，传送至Sql Server数据库，通过MATLAB连接SqlServer数据库进行实时风压的后端数值计算，同时利用MATLAB中的GUI模块进行可视化实时监测***的搭建，实现矿井自然风压实时监测可视化。
实时数据读取***由***配置和***运行两部分组成，其中，***配置部分负责对***主要运行环境的配置与对接；***运行部分负责对数据读取的实时控制。
数据库运行环境建议版本为Microsoft SQL Server 2005以上。***运行环境建议配置：CPU：Intel酷睿i3及以上系列处理器，主频2.4GHz及以上，内存：4GB，硬盘：60GB，操作***：windows 7/8/10 64位操作***，Microsoft.net环境：4.6，屏幕分辨率：1600*1200以上。
实时数据读取***运行过程如下：
(1)开始读取数据
启动实时采集数据模块，***会对网络映射驱动器的数据进行实时拷贝和数据采集。
(2)停止读取数据
停止实时采集数据模块，***会对网络映射驱动器的数据停止实时拷贝和数据采集。
(3)校对***时间
当管理员确认其他数据采集******时间可作为本***的***时间时，可点击激活此模块，同步两***的时间。
可视化实时监测***运行过程如下：
可视化实时监测***的界面采用MATLAB中的GUI板块来实现，结合编程语言设计前端可视化，并利用其数值计算功能进行后端实时解算。
GUI又被称为图形用户界面，它是由一系列的组件而构成，可以连接人与计算机通信的界面显示格式。它可以通过鼠标点击相应按钮来实现函数的调用、命令的选择、程序的启动与关闭，执行相应的日常任务。GUI拥有相应的板块，可以简单的实现按钮、下拉菜单、静态文本、可编辑文本、图表、坐标轴等的组合功能，不需要手动去编写程序。在对相应功能进行编辑时，只需要右击鼠标找到callback命令，便可轻松的定位到当前程序下，查找更加方便。GUI中的属性编辑器中可以显示当前状态的程序设计结构，将菜单栏和子菜单栏下的相关命令进行结构化，方便了解程序的整体结构和进行编辑修改。GUI具有操作简单、功能齐全的特点，极大地方便了用户的使用，提高了编辑的速度。GUI不仅设计简单，而且能够生成exe可执行文件，脱离MATLAB的语言环境独立出来，在应用上更加的便捷。MATLAB生成可执行文件就要用到mcc编译，MATLAB中就自带有编译器MCRInstaller，可以通过文件搜索找到该程序并进行安装，安装完成后输入mbuild-setup，此时会弹出两条语言，选择mex-setup C++-client MBUILD这条语言，完成设置。在进行exe生成之前还需要安装上VisualStdio 2010软件，此时只需要将需要转化的m文件在MATLAB中打开，输入“mcc-m文件名”即可，运行后则生成对应的exe可执行文件。
可视化实时监测***分为主界面和参数实时监测界面。主界面显示矿井实时自然风压情况，对整个矿区进行循环连续监测，由主界面进入参数实时监测界面，显示各个采样点数据变化曲线。

Claims (5)

1.一种矿井自然风压实时监测***及方法，其特征在于，可以通过安全监测***对自然风压进行动态实时监测，该监测***包括通风参数采集***、通风数据传输***，自然风压计算***、自然风压实时监测***；
所述参数采集***用于采集环境参数的数据信息，参数采集***包括湿度传感器、温度传感器、气体压力传感器；
所述数据传输***包括井下数据传输***和井上数据传输***两部分，数据传输方式为有线传输和无线传输相结合；
所述自然风压计算***可根据采集数据计算空气密度和自然风压；
所述自然风压实时监测***可实现实时数据读取和自然风压的可视化动态实时监测。
2.一种矿井自然风压实时监测***及方法，其特征是：第一步通过在进风井口、进风井底、风硐、回风井底布置传感器采集数据，对于同一位置同一类型传感器布置两个，对于同一位置同一类型传感器数据取平均值定为有效数据，当两个传感器的差值超过5％时该数据无效；第二步将传感器采集数据经数据传输***输送到自然风压计算***；第三步由自然风压计算***计算得到空气密度和自然风压数值；第四步绘制自然风压变化曲线；第五步实现自然风压的动态监测。
3.如权利要求1所述传感器包含有线传感器和无线传感器，无线传感器是集成传感、无线通信、低功耗等技术的无线传感网络产品，无线传感器，在工程实施中避免了大工作量的通讯线缆、管线、供电线路的铺设，也可根据现场实际使用情况，调整安装的位置。
4.如权利要求1所述数据传输***，有线传输采用RS485信号传输，无线传输采用专网无线WIFI传输，数据传输***包含通讯传输模块，通讯传输模块可将数据上传至云存储端可实现数据共享。
5.如权利要求1所述自然风压实时监测***可实现可视化实时监测，整个***投入少，易于现场人员掌握，能够实现非接触式、实时、连续监测；其工作原理：基于Visual Basic(VB)可视化语言建立实时数据读取***，***通过FTP数据传输协议读取采样点实时数据，传送至Sql Server数据库，通过MATLAB连接Sql Server数据库进行实时自然风压的后端数值计算，同时利用MATLAB中的GUI模块进行可视化实时监测***的搭建，实现矿井自然风压可视化实时监测。
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