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全断面无人精准测风机器人在梅花井煤矿的研究与应用

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蒋栋　周鹏　常立华　李权　赵俊达

摘要：提出了一种固定安装在巷道壁上的非介入式精准风量测量机器人，以实现实时监测巷道全断面平均风速、风向和单位时间内的风量。借此可为矿井通风管理提供精准实测数据，提高矿井通风安全，有针对性的增减通风设施及指导通风设备选型，以减少不必要的通风方面费用投入和电力资源的无效损耗，对实现智能通风管控具有很好的指导意义。

Abstract： A non-intrusive precision air volume measurement robot fixed on the wall of a tunnel is proposed to achieve real-time monitoring of the average wind speed， wind direction and air volume per unit time of the tunnel's full cross-section， which can provide accurate measured data for mine ventilation management， improve the safety of mine ventilation， increase or decrease ventilation facilities in a targeted manner， and guide the selection of ventilation equipment to reduce unnecessary ventilation costs and invalid loss of power resources and guide intelligent ventilation control.

关键词：测风机器人;实时性;自动运行;节约能耗

Key words： wind measuring robot;real-time;automatic operation;saving energy consumption

中图分类号：TP242.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2020）14-0239-02

0? 引言

巷道全断面平均风速、风向和单位时间内的风量数据的精确性对井下用风地点风量按需分配起决定性的作用。常规的测风方法虽也能测定某一地点的风速，但存在着测风速度慢、实时性差、可靠性差等弊端。梅花井煤矿目前进行巷道风量测量时，普遍采用测量巷道内某一点风速的方式，然后通过估算巷道几何断面大小，换算乘积的方式来实现对巷道风量的估算。测风人员常用的气体流速测量设备是机械式风速测定仪，每班到井下固定测风点测量风速，采用人工计算方式計算风量，10天内全矿进行一次系统风量测定并出一次测风报表，在实际操作中受测风员技能水平和责任心因素影响，存在数据测量不准确，不及时，数据实时性差等问题。矿井安全检测工作中，针对通风的阻力测定、解算、反风等工作目前实现起来工作量大，周期长，测定结果滞后，对矿井安全起到的指导作用很有限。本文通过介绍梅花井矿全断面无人精准测风机器人的研究与应用，有效解决了上述问题。该技术方案在国内现有井工煤矿测风方法中具有先驱性，能够满足测风实时性要求，具有很好的推广意义。

1? 传统测风方式的局限性

传统的机械式风速测定仪需要定期进行检测和维护，在高粉尘环境下容易发生磨损，维护鉴定成本较高。且由于在测风过程中测风人员移动，影响到测定断面风流的稳定性，使得各点风速不断变化，所测数据存在一定误差。而安全监测系统中安装的风速传感器测量风速时要求传感器悬挂在巷道中央的顶部，传感器探头离顶部的距离要大于50cm，距传感器20m范围内若有遮挡物体存在会挡住风流，影响传感器的正常测量，要求探头的进风口始终要对准来风方向。在实际操作中，受巷道实际环境条件限制和维护保养不及时等诸多原因往往不能达到使用的理想要求，导致测风所得数据与实际工况偏差较大。

此外，机械式风速测定仪和风速传感器也只能测量单点气体流速，一个点的风速无法体现全断面的风速值，测风员通常采用间隔取点的方式得到测量区域的平均速度，这种方式也不能有效测量巷道风量，测量结果参考价值有限。

由于对矿井风量测量不准确，导致目前矿井通风机的选型都是按照2-3倍以上的功率进行设计选型，具有盲目性，造成许多不必要的通风设备投入和电力资源的无效损耗。且按照经验和不准确的风量数据测算出来的结果去指导通风设计时，通风源头数据的不准确，导致通风设计中设备选型的准确及通风结构优化都无法实现预期目标。

2? 基于测风机器人的全断面无人精准测风系统设计

本设计提出了一种固定安装在巷道壁上的非介入式精准风量测量机器人，采用声波低频的长距离传输特性。根据煤矿现场的应用环境，采用基于声波在气体中顺、逆流方向上的声飞行时间，再根据设备安装角度与声波传播距离便可得到气体流速，进而可求得在测量截面上的风量大小。以实现实时监测巷道全断面平均风速、风向和单位时间内的风量。通过使用声波原理的传感器阵列进行全断面多点测风，极大提高了通风测量精度和数据密度。传感器将测得的数据上传至现场边缘计算机，经过处理后将测得的数据结果利用现有井下环网交换机提供的通讯接口，通过矿井工业环网，上传至井上系统控制中心站。通过地面控制中心站平台可以实时查看各测风站的风速、围岩断面、风向、风量、温度等矿井通风状况。改变了现有人员测量周期长、精度不够、实时性差的状况。测风设备安装位置如图1所示。

测风机器人采用一种大范围的声波精确风速测量方法进行测量。声波测风算法系统包括信号调理、信号滤波、卷积计算等信号处理算法，能够精确获取巷道截面多点风速，可以根据数据用途对测得的数据进行选择。

矿用风速测量采用声波测量原理，主要由拾音器、扩音器、信号发生和解算主机三个部分组成，基本框图如图2所示。

扩音器部分主要由声波收发装置和驱动电路构成;拾音器部分主要由高性能数据采集卡构成，采样率为2M/s。信号发生和解算主机构成边缘计算机，具备高性能计算功能，满足煤矿现场使用工况要求，支持远程部署和运维，边缘计算机为信号的解算提供算力支持。信号发生和解算主机通过网络通讯网关与系统软件进行通信，将所处截面的测量数据上传到系统软件中。

同时，测量机器人的实时监测数据可以通过地面中心站软件数据平台积累形成时序大数据，通过数据挖掘和大数据分析，可以指导巷道和通风设施建设，并制定智能通风控制策略，节约能耗。此外，软件平台可全面采集全矿各截面的风速信息，根据时间、巷道连通关系、风门开闭状态和截面积来进行全矿风流解算。软件平台具备3D风流显示、风流解算、巷道设计规划、通风设施、通风机选型规划等功能，从而有效指导矿井通风系统改造。

3? 测风机器人系统的优越性

①建立矿井无人实时风量精准测量，实现不在以人工测量的数据为主要数据依据。采用精准测量的数据为主要通风数据源，实时解算矿井风量、风流，真实反应矿井通风现状。并建立了矿井实时通风解算平台，实现矿井通风阻力、设计、执行一体化平台，减少通风设计人员重复性工作，提高工作效率，减少矿井人力成本的投入。

②建立的矿井实时通风数据后高效的指导矿井通风设计，提高矿井通风安全，减少矿井非必要通风设施的投入。

③通过非介入式的方式实现量风速、风量、围岩断面识别、风向、温度的精准测量，将采集的信息实时上传到地面监控中心。地面上位机将实时采集的数据通过设定的程序进行巷道标准风量计算，获取巷道实际风量。也可以通过设定相应参数进行反算，获得不同参数条件下所对应的需风量，从而为风量调节提供指导。充分利用了矿山网络技术和智能设备实现矿井通风系统的自动化和智能化，对矿井安全生產的减人提效起到至关重要的作用。

④测风机器人系统不需要人工参与自动实现闭环运行，只有当出现故障和移装时才需要人工参与。软件平台能充分利用矿井自动化技术实现矿井通风系统的在线分析、识别、诊断和优调优控，确保矿井通风系统正常时期和灾变时期的按时按需低功耗最优供风。

⑤搭建的系统平台能够轻松的实现矿井通风能力测定、通风阻力测定，有效指导矿井通风设施完善，减少漏风量。

⑥系统了实现全量程风速测定。避免了很多较低风速的风道风量无法精确测定的情况，提高了通风系统状态识别能力，也提高了通风阻力测定、数据平差、风速传感器调校等工作的质量。

4? 结论

通过全断面无人精准测风机器人的研究与应用，梅花井矿现可以精准掌握矿井各用风地点的风量，借此指导矿井通风机合理选型，减少“大马拉小车”现象，可直接减少不必要的通风设备投入和电力资源的无效损耗。能够减少井下测风人员数量，降低职业健康风险，提高矿井通风安全，对矿井安全生产和减人提效起到至关重要的作用，具有创新性和先进性，在类似条件的煤矿有巨大的推广应用前景。

参考文献：

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