煤矿巷道通风阻力长期实时监测方法及装置与流程

1.本发明涉及巷道通风阻力监测的技术领域，尤其一种煤矿巷道通风阻力长期实时监测方法及装置。


背景技术：

2.矿井通风阻力测定的方法分为压差计法和气压计法，其中的气压计法又分为基点法和同步法。无论哪种方法，都需要专业技术人员到煤矿井下对巷道进行实地测量，测量工作量巨大，花费时间很长，效率低下。此外，由于《煤矿安全规程》规定我国煤矿每三年必须至少进行一次矿井通风阻力测定，而实际的测定工作一般由具有相关检测检验资质的单位承担，煤矿为节省费用，通常在三年周期内，只进行一次矿井通风阻力测定。随着矿井采掘活动的不断进行，矿井通风网络也跟随着不断发生变化，即巷道通风阻力是不断发生变化的，因此，上述测定周期下所获取的巷道通风阻力数据大幅滞后其实际变化情况。
3.同时，随着煤矿智能化建设地快速推进，《智能化煤矿建设指南(2021年版)》和《智能化煤矿验收办法(试行)》等规章制度相继出台，其中都要求能够精准、自动、实时监测巷道通风阻力。这是因为智能通风系统要实现日常按需供风及异常灾变状态下应急控风，巷道风阻是必须依据的关键参数之一，而风阻是由巷道通风阻力和巷道风量计算而来，目前巷道风量已能依据风速传感器监测数据进行实时获取，而目前煤矿巷道通风阻力长期实时监测手段单一且存在不能长期监测的问题。
4.巷道通风阻力是指风流由巷道内测点i流动至巷道内测点ⅱ，由于风流的黏滞性、惯性以及井巷壁面等对风流的阻滞造成的风流能量损失。巷道内测点i与巷道内测点ⅱ之间的通风阻力为两点的静压差、位能差和动压差之和。为了监测静压差、动压差和位能差之和，目前大多都是通过差压传感器、皮托管和胶管共同完成监测。皮托管能够感受静压和动压，胶管能够形成位压，连接至差压传感器，即可测出两点的压力差。任意选择一段巷道利用差压传感器、皮托管和胶管可得出该巷道的通风阻力。但是经过现场实践反馈，这种方法只适合短期监测，无法长期监测，原因在于皮托管全压进口经常性堵塞。为了能够感受和传递动压，皮托管全压进口不得不正对风流，但是井下空气湿润，且夹杂着煤尘，久而久之，皮托管全压进口很容易堵塞，最终无法正常感受和传递动压和静压。因此，研发一种能长时间且可靠进行煤矿巷道通风阻力长期实时监测方法及装置势在必行。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
6.为此，本发明提出一种煤矿巷道通风阻力长期实时监测方法及装置，具有解决皮托管长时间连续使用发生堵塞的问题、实现巷道通风阻力长期实时监测的优点。
7.根据本发明实施例的煤矿巷道通风阻力长期实时监测方法，包括以下步骤：
8.第1步骤、确定监测点；具体步骤如下：
9.第1.1步骤、选取巷道断面规格相同的一条巷道作为监测对象；
10.第1.2步骤、确定巷道内测点i与巷道内测点ⅱ位置；
11.第2步骤、安装皮托管、差压传感器和胶管；具体步骤如下：
12.第2.1步骤、安装皮托管：在巷道内测点i和巷道内测点ⅱ处各安装一个皮托管；
13.第2.2步骤、安装差压传感器；
14.第2.3步骤、连接皮托管：将巷道内测点i处的皮托管通过胶管与差压传感器相连，将巷道内测点ⅱ处的皮托管通过胶管与差压传感器相连；
15.第3步骤、实时读取并上传监测数据；具体步骤如下：
16.第3.1步骤、差压传感器通过皮托管和胶管感测压力差，所述压力差包括静压差和位能差，该压力差为巷道内测点i和巷道内测点ⅱ之间的通风阻力；
17.第3.2步骤、差压传感器将监测结果在井下数显并上传至上位机。
18.根据本发明实施例的煤矿巷道通风阻力长期实时监测装置，用于监测巷道内测点i与巷道内测点ⅱ两点之间的通风阻力，其特征在于：包括差压传感器、皮托管和胶管，所述皮托管由同心设置的内管和外管构成，所述外管套设在内管的外部，所述差压传感器上设置有高压进口和低压进口，所述内管的中心孔前端为与风流方向平行的全压进口，内管的中心孔后端设置有与风流方向垂直的全压接头，所述全压进口与全压接头相通，外管的侧壁前端设置有与风流方向垂直的静压进口，外管的侧壁后端设置有与风流方向平行的静压接头，所述静压进口与静压接头相通，巷道内测点i处皮托管的全压接头通过胶管与差压传感器中的高压进口相连，巷道内测点ⅱ处皮托管的全压接头通过胶管与差压传感器中的低压进口相连，全压进口与风流方向平行且与风流方向同向，皮托管仅感受和传递空气静压。
19.本发明的有益效果是，在实现煤矿巷道通风阻力长期实时监测的基础上解决了只能短期不能长期监测通风阻力的问题，通过深入分析通风阻力计算公式，提出了消除动压差的思想，并利用测点布置和皮托管安装连接方式完成了动压差的抵消，同时避免了皮托管长时间连续使用发生堵塞的问题，实现了巷道通风阻力长期实时监测。
20.进一步具体地限定，上述技术方案中，在第1.2步骤中，所述巷道内测点i与巷道内测点ⅱ之间的间距为100～200m。
21.进一步具体地限定，上述技术方案中，在第1.2步骤中，所述巷道内测点i位于风流的上风向，巷道内测点ⅱ位于风流的下风向。
22.进一步具体地限定，上述技术方案中，在第2.1步骤中，所述差压传感器安装在距离巷道内测点i前后方10m的范围内。
23.进一步具体地限定，上述技术方案中，在第2.2步骤中，所述巷道内测点i处的皮托管距离巷道底板的距离与巷道内测点ⅱ处的皮托管距离巷道底板的距离一致。
24.进一步具体地限定，上述技术方案中，在第3.1步骤中，利用巷道内测点i和巷道内测点ⅱ之间的通风阻力，根据长度比例来转换计算整条巷道的通风阻力。
25.进一步具体地限定，上述技术方案中，所述胶管中的空气用于形成位压并传递至差压传感器，所述差压传感器感测的压力为静压差和位压差之和。
26.进一步具体地限定，上述技术方案中，所述巷道内测点i处皮托管的安装连接方式与巷道内测点ⅱ处皮托管的安装连接方式一致。
27.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书
以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1是本发明的监测布置示意图一；
31.图2是本发明的监测布置示意图二；
32.图3是本发明的监测布置示意图三。
33.附图中的标号为：1、全压进口；2、静压进口；3、静压接头；4、全压接头；5、差压传感器；6、高压进口；7、低压进口；8、皮托管；9、胶管。
具体实施方式
34.为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
35.巷道内测点i与巷道内测点ⅱ之间的通风阻力为两点的静压差、位能差和动压差之和，计算公式如下：
[0036][0037]
其中，hr表示两点之间的通风阻力；p1表示巷道内测点i处的静压；p2表示巷道内测点ⅱ处的静压；p
1-p2表示两点的静压差；g表示重力加速度；ρm表示空气平均密度；z1表示测点i处的标高；z2表示测点ⅱ处的标高；gρm(z
1-z2)表示两点的位能差；表示两点的动压差；ρ1表示巷道内测点i处的空气密度；ρ2表示巷道内测点ⅱ处的空气密度；v1表示测点i处的风速；v2表示测点ⅱ处的风速。
[0038]
全压进口1之所以堵塞主要原因在于正对风流，为防止全压进口1堵塞，比较有效可行的方法是使全压进口1顺着风流方向，避免全压进口1正对风流，但是这会造成动压差无法监测。如果能通过有效的方法抵消动压差的话，既能准确监测通风阻力，又能长期监测，一举两得。
[0039]
首先分析巷道内测点i处的空气密度ρ1和巷道内测点ⅱ处的空气密度ρ2，空气密度的计算公式如下：
[0040]
[0041]
其中，ρ表示空气密度，单位为kg/m3；p0表示测点风流的绝对静压，单位为pa；φ表示空气相对湿度，单位为％；t表示空气温度，单位为℃；pw表示饱和水蒸气分压力，单位为pa。
[0042]
对于一段200m的巷道来说，空气相对湿度φ、空气温度t、饱和水蒸气分压力pw相差很小，只有测点风流的绝对静压p0会有差距，但是整个式子要乘以10-5
，因此空气密度ρ对动压差的影响非常小。
[0043]
其次分析巷道风流的速度v，当空气密度ρ近似一样时，动压差就转换为两个测点风速差因此只要保证两个测点风速相近即可。巷道风流的速度v的计算公式如下：
[0044]
v＝q/s (3)
[0045]
其中，v表示巷道风流的速度；q表示巷道内风量；s表示巷道断面积。
[0046]
对于一条独立巷道即其中部没有风流汇入及流出来说，流入巷道内的空气体积等于流出巷道的空气体积，即巷道内风量q是一个定值，当巷道断面积s不变时，巷道风流的速度v不会出现较大波动。由此可知，要使两个测点风速相近，保证测点所在断面的断面规格一样即可，而不是随意选取一段巷道。
[0047]
基于此，由此可以通过布置测点的方法抵消动压差，利用差压传感器5、皮托管8和胶管9可以长期实时测得巷道的通风阻力。
[0048]
见图1、图2和图3，本发明的煤矿巷道通风阻力长期实时监测方法，基于倾斜压差计原理，包括以下步骤：
[0049]
第1步骤、确定监测点；具体步骤如下：
[0050]
第1.1步骤、选取巷道断面规格相同的一条巷道作为监测对象。巷道规格包含的内容主要有断面形状、断面积、巷道支护方式以及安装的设备设施。断面形状包括矩形、半圆拱形以及三心拱等。断面积是巷道净宽与净高的乘积。巷道支护方式包括锚索网带喷支护、砌碹支护等。安装的设备设施指是否有皮带机等大型设备。
[0051]
第1.2步骤、确定巷道内测点i与巷道内测点ⅱ位置。煤矿井下大多数巷道都处于长期蠕变状态，巷道断面变化很小，因此断面规格不变的巷道长度可达到上千米，对于上千米的巷道，仅需要选取其中100～200m范围进行监测，通过100～200m范围内测得的通风阻力来转换计算整条巷道通风阻力。主要进回风大巷、采区进回风巷选取巷道长度宜为100m，采煤工作面顺槽选取巷道长度宜为200m。巷道内测点i与巷道内测点ⅱ之间的间距为100～200m。巷道内测点i位于风流的上风向，巷道内测点ⅱ位于风流的下风向。
[0052]
第2步骤、安装皮托管8、差压传感器5和胶管9；具体步骤如下：
[0053]
第2.1步骤、安装皮托管8：在巷道内测点i和巷道内测点ⅱ处各安装一个皮托管8；巷道内测点i处的皮托管8距离巷道底板的距离与巷道内测点ⅱ处的皮托管8距离巷道底板的距离一致。
[0054]
第2.2步骤、安装差压传感器5；差压传感器5最好安装在距离巷道内测点i前后方10m的范围内。
[0055]
第2.3步骤、连接皮托管8：将巷道内测点i处的皮托管8通过胶管9与差压传感器5相连，将巷道内测点ⅱ处的皮托管8通过胶管9与差压传感器5相连。
[0056]
第3步骤、实时读取并上传监测数据；具体步骤如下：
[0057]
第3.1步骤、差压传感器5通过皮托管8和胶管9感测已消除动压差的压力差，该压力差包括静压差和位能差，该压力差为巷道内测点i和巷道内测点ⅱ之间的通风阻力；由于巷道断面规格相同，利用巷道内测点i和巷道内测点ⅱ之间的通风阻力，根据长度比例来转换计算整条巷道的通风阻力。
[0058]
第3.2步骤、差压传感器5将监测结果在井下数显并上传至上位机，具体地，差压传感器5一方面将监测结果在井下数显以供一线工人查看，另一方面将监测结果上传至上位机。
[0059]
见图1、图2和图3，本发明的煤矿巷道通风阻力长期实时监测装置，用于监测巷道内测点i与巷道内测点ⅱ两点之间的通风阻力，包括差压传感器5、皮托管8和胶管9，差压传感器5能够感受两点压力并计算出两点压力差，皮托管8能够感受和传递静压，胶管9中的空气用于形成位压并传递至差压传感器5。巷道内测点i处皮托管8的安装连接方式与巷道内测点ⅱ处皮托管8的安装连接方式一致。皮托管8由两个同心圆管相套组成，具体地，皮托管8由同心设置的内管和外管构成，外管套设在内管的外部，差压传感器5上设置有高压进口6和低压进口7，内管的中心孔前端为与风流方向平行的全压进口1，内管的中心孔后端设置有与风流方向垂直的全压接头4，且全压接头4垂直指向巷道底板，全压进口1与全压接头4相通，皮托管8仅具有感受和传递压力的作用。外管的侧壁前端设置有与风流方向垂直的静压进口2，外管的侧壁后端设置有与风流方向平行的静压接头3，静压进口2与静压接头3相通，皮托管8能够感受和传递静压。
[0060]
需要说明的是：皮托管8和胶管9能够传递压力，差压传感器5能够感测这种压力并且数显，具体地，皮托管8能够感受和传递静压和动压，胶管9能够传递位压。
[0061]
见图1，监测通风阻力时，要求全压进口1正对风流，静压进口2垂直风向，具体地，全压进口1与风流方向平行且正对于风流方向，巷道内测点i处皮托管8的全压接头4通过胶管9与差压传感器5中的高压进口6相连，巷道内测点ⅱ处皮托管8的全压接头4通过胶管9与差压传感器5中的低压进口7相连，此时皮托管8感受和传递空气的静压和动压，胶管9中形成位压，三者共同作用于差压传感器5，差压传感器5显示的数据为静压差、动压差和位压差之和。
[0062]
按照上述连接方式，根据以往现场经验反馈，由于井下空气相对湿度大，湿润的空气会混合一定量煤尘，在较长周期内，由于全压进口1正对风流，容易堵塞，最终造成皮托管8无法正常感受和传递压力。
[0063]
见图2，为解决以上问题，本发明利用全压进口1测静压，具体操作如下：全压进口1依旧与风向平行，但不正对风向，而是顺着风向，即全压进口1与风流方向平行且与风流方向同向。胶管9连接全压接头4，这样全压进口1感受的压力仅为静压，由于全压进口1不正对风向，减少了煤尘进入，避免了堵塞，解决了皮托管8因粉尘堵塞而失效的问题，此时差压传感器5感测的压力为静压差和位压差之和，具体地，差压传感器5感测到皮托管8传来的压力仅为静压，差压传感器5感测到胶管9传来的压力仅为位压。
[0064]
差压传感器5、皮托管8和胶管9共同完成了巷道通风阻力实时监测，特别说明的是，这里监测的通风阻力是针对一条同种规格巷道，如果测全矿井通风阻力，在确定关键通风路线上的测点后，以此方法为模板套用即可。
[0065]
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。