一種礦井多工作面風(fēng)壓整體動(dòng)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(fēng)壓整體動(dòng)態(tài)平衡控制系統(tǒng)及控制方法，屬于煤礦井下自燃災(zāi)害防治【技術(shù)領(lǐng)域】?？刂葡到y(tǒng)，包括行人風(fēng)門和調(diào)節(jié)風(fēng)門，穿過行人風(fēng)門設(shè)置導(dǎo)風(fēng)筒，導(dǎo)風(fēng)筒與變頻調(diào)控通風(fēng)機(jī)相連；穿過調(diào)節(jié)風(fēng)門設(shè)置回風(fēng)測(cè)壓管，回風(fēng)測(cè)壓管與第一壓力傳感器相連；還設(shè)置有上覆采空區(qū)測(cè)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(diào)控通風(fēng)機(jī)，向進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)供風(fēng)；通過各工作面的壓力傳感器監(jiān)測(cè)回風(fēng)巷和上覆采空區(qū)的風(fēng)壓值，并傳輸至控制器；控制器根據(jù)風(fēng)壓值信號(hào)，進(jìn)行調(diào)控系統(tǒng)穩(wěn)定性判定，若滿足要求，維持調(diào)控風(fēng)壓不變；否則系統(tǒng)失穩(wěn)，進(jìn)行風(fēng)壓值重新分配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)礦井多工作面風(fēng)壓整體動(dòng)態(tài)平衡。
【專利說明】一種礦井多工作面風(fēng)壓整體動(dòng)態(tài)平衡控制系統(tǒng)及控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于煤礦井下自燃災(zāi)害防治【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種礦井多工作面風(fēng)壓 整體動(dòng)態(tài)平衡控制系統(tǒng)及控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)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(duì)近距離易自燃煤層群的火災(zāi)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(fù)雜的立體交 叉漏風(fēng)網(wǎng)，漏風(fēng)源點(diǎn)數(shù)量龐大難以精確查找，極易引發(fā)自燃火災(zāi)事故。
[0003] 當(dāng)開采工作面采用負(fù)壓通風(fēng)時(shí)，多層采空區(qū)內(nèi)CO、CO2、瓦斯等有毒有害氣體將大 量導(dǎo)入工作面，威脅井下作業(yè)人員生命安全；而采用正壓通風(fēng)時(shí)，新鮮風(fēng)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(dǎo)致瓦斯爆炸事故發(fā)生。
[0004] 應(yīng)用傳統(tǒng)的均壓方法僅可以解決靜態(tài)壓力調(diào)控問題，而多層采空區(qū)流場(chǎng)與地表的 漏風(fēng)通道有成百上千個(gè)，受氣溫、大氣壓力、機(jī)械通風(fēng)和開采等諸多因素的影響，流場(chǎng)中氣 體的流量和壓力不是恒定不變的，是隨著時(shí)間變化的函數(shù)。因此，對(duì)于多層采空區(qū)流場(chǎng)風(fēng)壓 動(dòng)態(tài)變化的情況，傳統(tǒng)均壓方法無法獲取準(zhǔn)確的均壓點(diǎn)，難以有效解決上述問題。
[0005] 在難以實(shí)現(xiàn)多層采空區(qū)流場(chǎng)風(fēng)壓整體平衡的情況下，若采取一定的技術(shù)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(dá)到相等，則 可阻止氣體的相互流動(dòng)，此即為多層采空區(qū)流場(chǎng)局部動(dòng)態(tài)平衡。因此，不需考慮數(shù)量龐大的 漏風(fēng)源，只需抓住唯一的漏風(fēng)匯-工作面回風(fēng)巷，問題就會(huì)得到簡(jiǎn)化；對(duì)回風(fēng)巷與其上部相 鄰采空區(qū)之間進(jìn)行壓差調(diào)整，使整個(gè)漏風(fēng)流場(chǎng)在局部范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)壓力平衡，則可防止 有害氣體導(dǎo)入開采工作面和新鮮風(fēng)流漏入采空區(qū)。
[0006] 在礦井單一工作面進(jìn)行風(fēng)壓調(diào)控時(shí)，多層采空區(qū)流場(chǎng)局部動(dòng)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(zāi)問題。而對(duì)于礦井多工作面或鄰近礦井 工作面同時(shí)進(jìn)行風(fēng)壓調(diào)控的情況，受煤層地質(zhì)條件與礦井開采過程的影響，各個(gè)風(fēng)壓調(diào)控 區(qū)之間可能存在空氣滲流通道，則任一個(gè)調(diào)控區(qū)的風(fēng)壓變動(dòng)都會(huì)使得另一個(gè)調(diào)控區(qū)的風(fēng)壓 隨之發(fā)生變化，進(jìn)而破壞其調(diào)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(fù)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(diào)控區(qū)域的空間連通狀態(tài)；二是 各調(diào)控區(qū)域間的空間連通狀態(tài)將會(huì)隨著礦井開采進(jìn)程而不斷發(fā)生變化，是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程； 三是連通區(qū)域通道的參數(shù)無法確定，無法應(yīng)用傳統(tǒng)風(fēng)網(wǎng)解算方法計(jì)算調(diào)控參數(shù)。因此，在礦 井多工作面同時(shí)進(jìn)行風(fēng)壓調(diào)控的情況下，應(yīng)用傳統(tǒng)的調(diào)壓方法難以實(shí)現(xiàn)各工作面均達(dá)到風(fēng) 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(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種礦井多工作面風(fēng)壓整體動(dòng)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(chǎng)多點(diǎn)調(diào)控反饋補(bǔ)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(diào)控風(fēng)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(fēng)流漏入采空區(qū)，保證了各工作面風(fēng)壓都保持局部動(dòng)態(tài)平衡。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，一種礦井多工作面風(fēng)壓整體動(dòng)態(tài) 平衡控制系統(tǒng)，包括設(shè)置在各工作面進(jìn)風(fēng)巷靠近巷口處的兩道行人風(fēng)門和設(shè)置在各工作面 回風(fēng)巷靠近巷口處的兩道調(diào)節(jié)風(fēng)門；穿過兩道行人風(fēng)門設(shè)置有導(dǎo)風(fēng)筒，所述導(dǎo)風(fēng)筒與變頻 調(diào)控通風(fēng)機(jī)相連接，在變頻調(diào)控通風(fēng)機(jī)上均裝配有變頻器；穿過兩道調(diào)節(jié)風(fēng)門設(shè)置有回風(fēng) 測(cè)壓管，回風(fēng)測(cè)壓管與第一壓力傳感器相連接；在各工作面回風(fēng)巷口與調(diào)節(jié)風(fēng)門之間的頂 板向上覆采空區(qū)開設(shè)有測(cè)壓鉆孔，穿過測(cè)壓鉆孔設(shè)置有上覆采空區(qū)測(cè)壓管，上覆采空區(qū)測(cè) 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(dǎo)風(fēng)筒通過柔性導(dǎo)風(fēng)筒與變頻調(diào)控通風(fēng)機(jī)相連接。
[0011] 所述的變頻調(diào)控通風(fēng)機(jī)采用對(duì)旋式局部變頻調(diào)控通風(fēng)機(jī)，在各工作面變頻調(diào)控通 風(fēng)機(jī)和導(dǎo)風(fēng)筒均設(shè)置為兩組，一組使用一組備用，所述變頻調(diào)控通風(fēng)機(jī)吊掛于巷幫一側(cè)或 固定于風(fēng)機(jī)穩(wěn)裝平臺(tái)上。
[0012] 所述的回風(fēng)測(cè)壓管和上覆采空區(qū)測(cè)壓管均為銅管，回風(fēng)測(cè)壓管通過膠管與第一壓 力傳感器相連接，上覆采空區(qū)測(cè)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(fēng)壓整體動(dòng)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(diào)控通風(fēng)機(jī)，向進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)供風(fēng)，風(fēng)流經(jīng)由回風(fēng)巷及調(diào) 節(jié)風(fēng)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(cè)回風(fēng)巷和上覆采 空區(qū)的風(fēng)壓值，并將風(fēng)壓值信號(hào)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(fēng)壓值信號(hào)，進(jìn)行調(diào)控系統(tǒng)穩(wěn)定性判定， 即判定各工作面調(diào)控風(fēng)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(fēng)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(fēng)壓整體動(dòng)態(tài)平衡控制 系統(tǒng)穩(wěn)定，維持各工作面調(diào)控風(fēng)壓不變；否則系統(tǒng)失穩(wěn)，通過控制器進(jìn)行各工作面風(fēng)壓值重 新分配，并將重新分配的風(fēng)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(diào)控通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使各工作面的調(diào)控風(fēng)壓值達(dá)到指定分配值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)礦井多工作面 風(fēng)壓整體動(dòng)態(tài)平衡。
[0017] 上述方法中，當(dāng)進(jìn)風(fēng)巷處變頻調(diào)控通風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由控制器自動(dòng)切換至備用 變頻調(diào)控通風(fēng)機(jī)；當(dāng)兩組變頻調(diào)控通風(fēng)機(jī)同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，打開該工作面進(jìn)風(fēng)巷的兩道行 人風(fēng)門和回風(fēng)巷的兩道調(diào)節(jié)風(fēng)門，恢復(fù)工作面負(fù)壓通風(fēng)。
[0018] 上述方法中，一旦控制器出現(xiàn)故障，打開各工作面進(jìn)風(fēng)巷的兩道行人風(fēng)門和回風(fēng) 巷的兩道調(diào)節(jié)風(fēng)門，恢復(fù)工作面負(fù)壓通風(fēng)。
[0019] 步驟三中所述的控制器根據(jù)接收到的各工作面的風(fēng)壓值信號(hào)，進(jìn)行調(diào)控系統(tǒng)穩(wěn)定 性判定以及控制器進(jìn)行各工作面風(fēng)壓值重新分配，其具體步驟如下：
[0020] 步驟A :進(jìn)行多工作面空間連通狀態(tài)辨識(shí)，
[0021] t時(shí)刻礦井m個(gè)工作面的風(fēng)壓值分別為U1 (t)，U2 (t)，···!!_"(〇,對(duì)第i個(gè)工作面的 風(fēng)壓增加一個(gè)擾動(dòng)量SiQ = 1，2,…m)，在擾動(dòng)量δ 作用下，第j個(gè)工作面風(fēng)壓產(chǎn)生 的擾動(dòng)量為=1，2，…m);若δ』α) =〇,則說明第j個(gè)工作面與第i個(gè)工作面 無連通狀態(tài)；若S j(i)尹〇,則說明第j個(gè)工作面與第i個(gè)工作面之間存在空氣滲流通道；
[0022] 步驟B :建立調(diào)控系統(tǒng)風(fēng)壓耦合矩陣，

【權(quán)利要求】
1. 一種礦井多工作面風(fēng)壓整體動(dòng)態(tài)平衡控制系統(tǒng)，其特征在于包括設(shè)置在各工作面進(jìn) 風(fēng)巷靠近巷口處的兩道行人風(fēng)門和設(shè)置在各工作面回風(fēng)巷靠近巷口處的兩道調(diào)節(jié)風(fēng)門；穿 過兩道行人風(fēng)門設(shè)置有導(dǎo)風(fēng)筒，所述導(dǎo)風(fēng)筒與變頻調(diào)控通風(fēng)機(jī)相連接，在變頻調(diào)控通風(fēng)機(jī) 上均裝配有變頻器；穿過兩道調(diào)節(jié)風(fēng)門設(shè)置有回風(fēng)測(cè)壓管，回風(fēng)測(cè)壓管與第一壓力傳感器 相連接；在各工作面回風(fēng)巷口與調(diào)節(jié)風(fēng)門之間的頂板向上覆采空區(qū)開設(shè)有測(cè)壓鉆孔，穿過 測(cè)壓鉆孔設(shè)置有上覆采空區(qū)測(cè)壓管，上覆采空區(qū)測(cè)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(quán)利要求1所述的礦井多工作面風(fēng)壓整體動(dòng)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(quán)利要求1所述的礦井多工作面風(fēng)壓整體動(dòng)態(tài)平衡控制系統(tǒng)，其特征在于所述 的導(dǎo)風(fēng)筒通過柔性導(dǎo)風(fēng)筒與變頻調(diào)控通風(fēng)機(jī)相連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦井多工作面風(fēng)壓整體動(dòng)態(tài)平衡控制系統(tǒng)，其特征在于所述 的變頻調(diào)控通風(fēng)機(jī)采用對(duì)旋式局部變頻調(diào)控通風(fēng)機(jī)，在各工作面變頻調(diào)控通風(fēng)機(jī)和導(dǎo)風(fēng)筒 均設(shè)置為兩組，一組使用一組備用，所述變頻調(diào)控通風(fēng)機(jī)吊掛于巷幫一側(cè)或固定于風(fēng)機(jī)穩(wěn) 裝平臺(tái)上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦井多工作面風(fēng)壓整體動(dòng)態(tài)平衡控制系統(tǒng)，其特征在于所述 的回風(fēng)測(cè)壓管和上覆采空區(qū)測(cè)壓管均為銅管，回風(fēng)測(cè)壓管通過膠管與第一壓力傳感器相連 接，上覆采空區(qū)測(cè)壓管通過膠管與第二壓力傳感器相連接。
6. 采用權(quán)利要求1所述的礦井多工作面風(fēng)壓整體動(dòng)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(diào)控通風(fēng)機(jī)，向進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)供風(fēng)，風(fēng)流經(jīng)由回風(fēng)巷及調(diào)節(jié)風(fēng) 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(cè)回風(fēng)巷和上覆采空區(qū) 的風(fēng)壓值，并將風(fēng)壓值信號(hào)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(fēng)壓值信號(hào)，進(jìn)行調(diào)控系統(tǒng)穩(wěn)定性判定，即判 定各工作面調(diào)控風(fēng)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(fēng)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(fēng)壓整體動(dòng)態(tài)平衡控制系統(tǒng) 穩(wěn)定，維持各工作面調(diào)控風(fēng)壓不變；否則系統(tǒng)失穩(wěn)，通過控制器進(jìn)行各工作面風(fēng)壓值重新分 配，并將重新分配的風(fēng)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(diào) 控通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使各工作面的調(diào)控風(fēng)壓值達(dá)到指定分配值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)礦井多工作面風(fēng)壓 整體動(dòng)態(tài)平衡。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用所述的礦井多工作面風(fēng)壓整體動(dòng)態(tài)平衡控制系統(tǒng)的控 制方法，其特征在于，當(dāng)進(jìn)風(fēng)巷處變頻調(diào)控通風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由控制器自動(dòng)切換至備用變 頻調(diào)控通風(fēng)機(jī)；當(dāng)兩組變頻調(diào)控通風(fēng)機(jī)同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，打開該工作面進(jìn)風(fēng)巷的兩道行人 風(fēng)門和回風(fēng)巷的兩道調(diào)節(jié)風(fēng)門，恢復(fù)工作面負(fù)壓通風(fēng)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用所述的礦井多工作面風(fēng)壓整體動(dòng)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(jìn)風(fēng)巷的兩道行人風(fēng)門和回風(fēng)巷 的兩道調(diào)節(jié)風(fēng)門，恢復(fù)工作面負(fù)壓通風(fēng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用所述的礦井多工作面風(fēng)壓整體動(dòng)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(fēng)壓值信號(hào)，進(jìn)行調(diào) 控系統(tǒng)穩(wěn)定性判定以及控制器進(jìn)行各工作面風(fēng)壓值重新分配，其具體步驟如下： 步驟A :進(jìn)行多工作面空間連通狀態(tài)辨識(shí)， t時(shí)刻礦井m個(gè)工作面的風(fēng)壓值分別為U1 (t)，U2 (t)，…Um(t)，對(duì)第i個(gè)工作面的風(fēng)壓 增加一個(gè)擾動(dòng)量Si(i = 1，2,…m)，在擾動(dòng)量Si的作用下，第j個(gè)工作面風(fēng)壓產(chǎn)生的擾 動(dòng)量為Sj(i)(j = 1，2，…m);若SjQ) =〇,則說明第j個(gè)工作面與第i個(gè)工作面無連 通狀態(tài)；若S ^i)尹0,則說明第j個(gè)工作面與第i個(gè)工作面之間存在空氣滲流通道； 步驟B :建立調(diào)控系統(tǒng)風(fēng)壓耦合矩陣，
式中，M為調(diào)控系統(tǒng)風(fēng)壓耦合矩陣；R為風(fēng)壓增益系數(shù)矩陣；E為m階單位矩陣；rij為風(fēng) 壓增益系數(shù)，i = j時(shí)，= 0 ;Ui (t)為t時(shí)刻礦井第i個(gè)工作面的風(fēng)壓值；S ,為對(duì)第i個(gè) 工作面的風(fēng)壓增加的擾動(dòng)量；S ^i)為在擾動(dòng)量S ,的作用下，第j個(gè)工作面風(fēng)壓產(chǎn)生的擾 ^]fi；i = l,2, ---Iii5J' = 1,2, ---m; 以列向量U(t) = ?um(t)]T表示t時(shí)刻礦井m個(gè)工作面的風(fēng)壓值，貝Ij U (t+n) = Mn ? U (t)，Iim（卜卜"）=Iim 對(duì)」.D ⑴=M . (y ⑴'其中，u (t+n)表不 t+n 時(shí)刻礦 71 -^ c>o yi -^ 〇〇 井m個(gè)工作面的風(fēng)壓值； 步驟C :進(jìn)行調(diào)控系統(tǒng)穩(wěn)定性判定， 將各工作面實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓整體動(dòng)態(tài)平衡的理論風(fēng)壓控制值域看作一個(gè)m維實(shí)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(gè)調(diào)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(fēng)流不引起遺煤自燃的允許風(fēng)壓變化值；如果M . e ￠/，則稱系統(tǒng) 關(guān)于U(t)是平衡的，否則稱系統(tǒng)關(guān)于U(t)是失穩(wěn)的； 步驟D :進(jìn)行各工作面風(fēng)壓值重新分配，
1得出矩陣M的所有特征值入：、 入2、…入m ; 對(duì)于每一個(gè)特征值X Ji = 1，2，…m)，求解線性方程組（M-A占）*11 = 0,得出對(duì)應(yīng)的 特征向量U = Ui⑴； 計(jì)算每個(gè)特征值的n次冪（入Jn，（入2)n，…（Am) n，若存在矩陣M的某個(gè)特征值入k， 其對(duì)應(yīng)的特征向量為Uk(t) = [ukl(t)，uk2(t)，…Ukm(t)]T，且對(duì)于任何正整數(shù)n，均滿足：
則系統(tǒng)關(guān)于uk(t)是n步平衡的；其中，e i為第i個(gè)工作面風(fēng)壓允許的調(diào)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(fēng)壓 分配值。
【文檔編號(hào)】E21F1/00GK104329108SQ201410455440
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年9月9日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:遼寧工程技術(shù)大學(xué)