一種礦井多工作面風壓整體動態(tài)平衡控制系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】一種礦井多工作面風壓整體動態(tài)平衡控制系統(tǒng)及控制方法，屬于煤礦井下自燃災害防治【技術領域】。控制系統(tǒng)，包括行人風門和調節(jié)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(jié)風門設置回風測壓管，回風測壓管與第一壓力傳感器相連；還設置有上覆采空區(qū)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?？刂品椒ǎ洪_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(jiān)測回風巷和上覆采空區(qū)的風壓值，并傳輸至控制器；控制器根據(jù)風壓值信號，進行調控系統(tǒng)穩(wěn)定性判定，若滿足要求，維持調控風壓不變；否則系統(tǒng)失穩(wěn)，進行風壓值重新分配，進而實現(xiàn)礦井多工作面風壓整體動態(tài)平衡。
【專利說明】一種礦井多工作面風壓整體動態(tài)平衡控制系統(tǒng)及控制方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于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(tài)平衡控制系統(tǒng)及控制方法。

【背景技術】
[0002] 我國多數(shù)礦區(qū)存在近距離煤層群開采的問題，如大同礦區(qū)、西山礦區(qū)、淮南礦區(qū) 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采的重大課題。煤層群下行開 采過程中，下部煤層工作面頂板垮落將造成多層采空區(qū)、地表相互聯(lián)通，形成復雜的立體交 叉漏風網，漏風源點數(shù)量龐大難以精確查找，極易引發(fā)自燃火災事故。
[0003] 當開采工作面采用負壓通風時，多層采空區(qū)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(yè)人員生命安全；而采用正壓通風時，新鮮風流將大量漏入多層 采空區(qū)，引發(fā)采空區(qū)遺煤自燃，若采空區(qū)有高濃度瓦斯聚集，還可導致瓦斯爆炸事故發(fā)生。
[0004] 應用傳統(tǒng)的均壓方法僅可以解決靜態(tài)壓力調控問題，而多層采空區(qū)流場與地表的 漏風通道有成百上千個，受氣溫、大氣壓力、機械通風和開采等諸多因素的影響，流場中氣 體的流量和壓力不是恒定不變的，是隨著時間變化的函數(shù)。因此，對于多層采空區(qū)流場風壓 動態(tài)變化的情況，傳統(tǒng)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(xiàn)多層采空區(qū)流場風壓整體平衡的情況下，若采取一定的技術手段使開 采工作面的氣體壓力隨著上部相鄰采空區(qū)氣體壓力的變化而變化，并盡可能達到相等，則 可阻止氣體的相互流動，此即為多層采空區(qū)流場局部動態(tài)平衡。因此，不需考慮數(shù)量龐大的 漏風源，只需抓住唯一的漏風匯-工作面回風巷，問題就會得到簡化；對回風巷與其上部相 鄰采空區(qū)之間進行壓差調整，使整個漏風流場在局部范圍內實現(xiàn)動態(tài)壓力平衡，則可防止 有害氣體導入開采工作面和新鮮風流漏入采空區(qū)。
[0006] 在礦井單一工作面進行風壓調控時，多層采空區(qū)流場局部動態(tài)平衡控制方法將有 效解決近距離易自燃煤層群開采過程中的自燃火災問題。而對于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采過程的影響，各個風壓調控 區(qū)之間可能存在空氣滲流通道，則任一個調控區(qū)的風壓變動都會使得另一個調控區(qū)的風壓 隨之發(fā)生變化，進而破壞其調壓平衡狀態(tài)。由于多層采空區(qū)連通狀態(tài)是信息模糊、復雜無序 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(qū)域的空間連通狀態(tài)；二是 各調控區(qū)域間的空間連通狀態(tài)將會隨著礦井開采進程而不斷發(fā)生變化，是一個動態(tài)過程； 三是連通區(qū)域通道的參數(shù)無法確定，無法應用傳統(tǒng)風網解算方法計算調控參數(shù)。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(tǒng)的調壓方法難以實現(xiàn)各工作面均達到風 壓平衡狀態(tài)，極易引發(fā)采空區(qū)遺煤自燃或瓦斯爆炸事故發(fā)生。


【發(fā)明內容】

[0007] 針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種礦井多工作面風壓整體動態(tài)平衡控制 系統(tǒng)及控制方法。其基于多層采空區(qū)流場多點調控反饋補償整體平衡理論，采用集中控制 方式，由控制器統(tǒng)一分配各工作面的調控風壓值，防止采空區(qū)有害氣體流入開采工作面及 開采工作面新鮮風流漏入采空區(qū)，保證了各工作面風壓都保持局部動態(tài)平衡。
[0008] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案，一種礦井多工作面風壓整體動態(tài) 平衡控制系統(tǒng)，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 回風巷靠近巷口處的兩道調節(jié)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(jié)風門設置有回風 測壓管，回風測壓管與第一壓力傳感器相連接；在各工作面回風巷口與調節(jié)風門之間的頂 板向上覆采空區(qū)開設有測壓鉆孔，穿過測壓鉆孔設置有上覆采空區(qū)測壓管，上覆采空區(qū)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采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于巷幫一側或 固定于風機穩(wěn)裝平臺上。
[0012] 所述的回風測壓管和上覆采空區(qū)測壓管均為銅管，回風測壓管通過膠管與第一壓 力傳感器相連接，上覆采空區(qū)測壓管通過膠管與第二壓力傳感器相連接。
[0013] 采用所述的礦井多工作面風壓整體動態(tài)平衡控制系統(tǒng)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，風流經由回風巷及調 節(jié)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(jiān)測回風巷和上覆采 空區(qū)的風壓值，并將風壓值信號傳輸至控制器；
[0016] 步驟三：控制器根據(jù)接收到的各工作面的風壓值信號，進行調控系統(tǒng)穩(wěn)定性判定， 即判定各工作面調控風壓能否滿足防止采空區(qū)有害氣體流入開采工作面及防止開采工作 面新鮮風流過量漏入采空區(qū)的要求；若滿足要求，則礦井多工作面風壓整體動態(tài)平衡控制 系統(tǒng)穩(wěn)定，維持各工作面調控風壓不變；否則系統(tǒng)失穩(wěn)，通過控制器進行各工作面風壓值重 新分配，并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(xiàn)礦井多工作面 風壓整體動態(tài)平衡。
[0017] 上述方法中，當進風巷處變頻調控通風機發(fā)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(fā)生故障時，打開該工作面進風巷的兩道行 人風門和回風巷的兩道調節(jié)風門，恢復工作面負壓通風。
[0018] 上述方法中，一旦控制器出現(xiàn)故障，打開各工作面進風巷的兩道行人風門和回風 巷的兩道調節(jié)風門，恢復工作面負壓通風。
[0019] 步驟三中所述的控制器根據(jù)接收到的各工作面的風壓值信號，進行調控系統(tǒng)穩(wěn)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(tài)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(tài)；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(tǒng)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(tài)平衡控制系統(tǒng)，其特征在于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回風巷靠近巷口處的兩道調節(jié)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(jié)風門設置有回風測壓管，回風測壓管與第一壓力傳感器 相連接；在各工作面回風巷口與調節(jié)風門之間的頂板向上覆采空區(qū)開設有測壓鉆孔，穿過 測壓鉆孔設置有上覆采空區(qū)測壓管，上覆采空區(qū)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(jù)權利要求1所述的礦井多工作面風壓整體動態(tài)平衡控制系統(tǒng)，其特征在于所述 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(jù)權利要求1所述的礦井多工作面風壓整體動態(tài)平衡控制系統(tǒng)，其特征在于所述 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(jù)權利要求1所述的礦井多工作面風壓整體動態(tài)平衡控制系統(tǒng)，其特征在于所述 的變頻調控通風機采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于巷幫一側或固定于風機穩(wěn) 裝平臺上。
5. 根據(jù)權利要求1所述的礦井多工作面風壓整體動態(tài)平衡控制系統(tǒng)，其特征在于所述 的回風測壓管和上覆采空區(qū)測壓管均為銅管，回風測壓管通過膠管與第一壓力傳感器相連 接，上覆采空區(qū)測壓管通過膠管與第二壓力傳感器相連接。
6. 采用權利要求1所述的礦井多工作面風壓整體動態(tài)平衡控制系統(tǒng)的控制方法，其特 征在于，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，風流經由回風巷及調節(jié)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(jiān)測回風巷和上覆采空區(qū) 的風壓值，并將風壓值信號傳輸至控制器； 步驟三：控制器根據(jù)接收到的各工作面的風壓值信號，進行調控系統(tǒng)穩(wěn)定性判定，即判 定各工作面調控風壓能否滿足防止采空區(qū)有害氣體流入開采工作面及防止開采工作面新 鮮風流過量漏入采空區(qū)的要求；若滿足要求，則礦井多工作面風壓整體動態(tài)平衡控制系統(tǒng) 穩(wěn)定，維持各工作面調控風壓不變；否則系統(tǒng)失穩(wěn)，通過控制器進行各工作面風壓值重新分 配，并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(xiàn)礦井多工作面風壓 整體動態(tài)平衡。
7. 根據(jù)權利要求6所述的采用所述的礦井多工作面風壓整體動態(tài)平衡控制系統(tǒng)的控 制方法，其特征在于，當進風巷處變頻調控通風機發(fā)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(fā)生故障時，打開該工作面進風巷的兩道行人 風門和回風巷的兩道調節(jié)風門，恢復工作面負壓通風。
8. 根據(jù)權利要求6所述的采用所述的礦井多工作面風壓整體動態(tài)平衡控制系統(tǒng)的控 制方法，其特征在于，一旦控制器出現(xiàn)故障，打開各工作面進風巷的兩道行人風門和回風巷 的兩道調節(jié)風門，恢復工作面負壓通風。
9.根據(jù)權利要求6所述的采用所述的礦井多工作面風壓整體動態(tài)平衡控制系統(tǒng)的控 制方法，其特征在于步驟三中所述的控制器根據(jù)接收到的各工作面的風壓值信號，進行調 控系統(tǒng)穩(wěn)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(tài)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(tài)；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(tǒng)風壓耦合矩陣，
式中，M為調控系統(tǒng)風壓耦合矩陣；R為風壓增益系數(shù)矩陣；E為m階單位矩陣；rij為風 壓增益系數(shù)，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(tǒng)穩(wěn)定性判定， 將各工作面實現(xiàn)風壓整體動態(tài)平衡的理論風壓控制值域看作一個m維實數(shù)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(qū)域滿足采空區(qū)有害氣體不流入開采工作面和 漏入采空區(qū)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(tǒng) 關于U(t)是平衡的，否則稱系統(tǒng)關于U(t)是失穩(wěn)的； 步驟D :進行各工作面風壓值重新分配，
1得出矩陣M的所有特征值入：、 入2、…入m ; 對于每一個特征值X Ji = 1，2，…m)，求解線性方程組（M-A占）*11 = 0,得出對應的 特征向量U = Ui⑴； 計算每個特征值的n次冪（入Jn，（入2)n，…（Am) n，若存在矩陣M的某個特征值入k， 其對應的特征向量為Uk(t) = [ukl(t)，uk2(t)，…Ukm(t)]T，且對于任何正整數(shù)n，均滿足：
則系統(tǒng)關于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}，特征向量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(yōu)先權日:2014年9月9日
【發(fā)明者】張勛, 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