一种矿井通风网络异常诊断模拟实验系统及方法

技术领域

本发明涉及一种矿井通风网络异常诊断模型，具体涉及一种矿井通风网络异常诊断模拟实验系统及方法。

背景技术

矿井通风是指将地面新鲜空气源源不断的输入到井下各工作地点，提供人员呼吸，并稀释和排除井下各种有毒、有害气体和粉尘，创造良好的矿内工作环境，保证井下工作人员的身体健康和劳动安全。其基本任务是为井下各工作地点提供足够的新鲜空气，使井下空气中有毒的、有害气体及矿井粉尘浓度不超过规定值，并且矿井通风是防治瓦斯、火灾、粉尘等灾害最有效、最经济和最直接的手段，如果通风不良可导致瓦斯爆炸、火灾、粉尘爆炸等重特大事故。通风系统具有随机性、动态性和复杂性，井下各项因素的变化都会导致通风系统发生异常变化，如果这些通风系统异常变化没有及时捕捉、处理，将会导致通风系统失效，酿成重特大事故。

目前，对通风网络异常诊断的研究主要集中于理论研究和计算机模拟仿真软件上，对矿井通风网络异常诊断模拟实验系统可供参考的资料较少。CN203982676U公开了一种组合式矿井通风模型，该模型能够演示不同的通风系统，并与之对照，但该通风系统模型并未具备对通风系统异常诊断进行模拟的功能，CN105350998A公开了一种可拆卸通风网络模拟实验系统，虽然该模拟实验系统能够对通风网络系统进行解算，但同样未具备异常诊断的功能。因此，有必要设计一种矿井通风网络异常诊断模拟实验系统及方法，用以解决现阶段存在的空缺。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种矿井通风网络异常诊断模拟实验系统及方法，能模拟多种异常事件对矿井通风网络各个位置的影响情况，从而为实际矿井通风网络各个位置发生通风异常时能及时诊断得出对应的异常事件，便于及时采取维护措施。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种矿井通风网络异常诊断模拟实验系统，包括支撑支架、矿井通风动力模拟子系统、矿井通风网络模拟子系统、触发异常事件子系统和监测监控数据采集子系统，矿井通风动力模拟子系统和矿井通风网络模拟子系统放置在支撑支架上；

所述矿井通风网络模拟子系统包括主井、副井、进风大巷、采区轨道上山、采区回风上山、采区运输上山、联络巷、区段运输平巷、采煤工作面、区段回风平巷、绞车房、回风大巷I、回风井I、回风大巷Ⅱ和回风井Ⅱ，主井和副井连通后与进风大巷连通，进风大巷分别与两个采区轨道上山、两个采区回风上山和两个采区运输上山连通，两个采区轨道上山和两个采区运输上山分别通过联络巷与两个区段运输平巷连通，两个区段运输平巷和两个区段回风平巷分别处于两个采煤工作面两侧，两个采区轨道上山分别与两个区段回风平巷和两个绞车房连通，两个采区回风上山分别与两个区段回风平巷，且分别与回风大巷I和回风大巷Ⅱ连通，回风大巷I和回风大巷Ⅱ分别与回风井I和回风井Ⅱ连通；在进风大巷上分别安设可调节阀门III和可调节阀门IV，在两个采区回风上山靠近进风大巷处分别安设可调节阀门V和可调节阀门VI，在两个采区轨道上山与两个区段回风平巷的连接处各安设可调节阀门VII和可调节阀门VIII；

所述矿井通风动力模拟子系统包括两个小型空气泵和主空气泵，主空气泵为矿井通风网络模拟子系统提供通风动力；

所述触发异常事件子系统包括模拟瓦斯突出或瓦斯涌出装置、模拟漏风孔装置、模拟巷道坍塌变窄装置和模拟通风动力异常装置，所述模拟瓦斯突出或瓦斯涌出装置包括进气孔I、进气孔Ⅱ和进气管道，进气孔I和进气孔Ⅱ分别开设在矿井通风网络模拟子系统中的管道上，进气孔I和进气孔Ⅱ分别通过进气管道与两个小型空气泵连通，进气孔I和进气孔Ⅱ处分别装有控制阀门IX和控制阀门X，用于分别控制进气孔I和进气孔Ⅱ的进气量；所述模拟漏风孔装置包括四个漏风孔，每两个漏风孔为一组，两组分别开设在矿井通风网络模拟子系统的两个区段运输平巷上，四个漏风孔处分别装有控制阀门，用于分别控制四个漏风孔的漏风量；所述模拟巷道坍塌变窄装置由两组软管组成，分别安设于两个采煤工作面与区段进风平巷的交接处，通过对软管施加挤压力模拟巷道坍塌变窄；所述模拟通风动力异常装置包括可调节阀门I和可调节阀门Ⅱ，可调节阀门I和可调节阀门Ⅱ分别安装在主井和副井的端口，主空气泵分别与可调节阀门I和可调节阀门Ⅱ连通，通过控制可调节阀门I和可调节阀门Ⅱ开度模拟通风动力异常；

所述监测监控数据采集子系统由数据采集仪、计算机、多个风速传感器和多个风压传感器，多个风速传感器和多个风压传感器分别布设在主井、副井、进风大巷、采区轨道上山、区段运输平巷、区段回风平巷、回风大巷I和回风大巷Ⅱ，各个风速传感器和各个风压传感器均将检测的数据通过数据采集仪反馈给计算机进行分析处理。

进一步，所述主井、副井、回风井I、回风井II和采煤工作面所选用的管道直径均为40mm，所述进风大巷、回风大巷I、回风大巷II及联络巷所选用的管道直径均为25mm，所述采区轨道上山、采区回风上山和采区运输上山所选用的管道直径均为20mm，所述区段运输平巷和区段回风平巷所选用的管道直径均为16mm，软管所选用的管道直径为16mm。上述管道的制作材料为钢管或塑料管。

一种矿井通风网络异常诊断模拟实验系统的工作方法，具体步骤为：

A、组装矿井通风网络异常诊断模拟实验系统：先探测所需模拟矿井的各个巷道的位置及连接关系，然后根据探测结果组装矿井通风网络异常诊断模拟实验系统，使其各个巷道的位置及连接关系与所需模拟矿井一致，完成组装过程；

B、进行单一模拟实验：分别进行模拟瓦斯突出或瓦斯涌出、模拟漏风、模拟巷道坍塌变窄和模拟通风动力异常上述各种情况实验，从而得出各种情况下各个巷道内的风速及风压数据，确定各种情况下矿井通风网络存在异常的位置；

其中，模拟瓦斯突出或瓦斯涌出实验过程为：先在计算机内设定风速及风压的正常范围值，然后启动主空气泵，并控制各个可调节阀门模拟实际矿井中各个巷道的正常通风情况，各个风速传感器和风压传感器均将检测数据反馈计算机，然后启动两个小型空气泵并打开控制阀门IX和控制阀门X，此时小型空气泵产生的气体进入矿井通风网络模拟子系统内模拟瓦斯突出或瓦斯涌出，此时各个风速传感器和风压传感器均将检测数据反馈计算机，计算机实时将各个检测数据与正常范围值比对，若任一风压传感器或风速传感器的检测数据超出正常范围值，则判定其所处位置为通风网络异常位置并进行记录；持续一定时间后，完成该实验过程；

模拟漏风实验过程为：先在计算机内设定风速及风压的正常范围值，然后启动主空气泵，并控制各个可调节阀门模拟实际矿井中各个巷道的正常通风情况，各个风速传感器和风压传感器均将检测数据反馈计算机，然后根据需要控制各个漏风孔处的控制阀门开度，从而模拟矿井的漏风位置及漏风量，此时各个风速传感器和风压传感器均将检测数据反馈计算机，计算机实时将各个检测数据与正常范围值比对，若任一风压传感器或风速传感器的检测数据超出正常范围值，则判定其所处位置为通风网络异常位置并进行记录；持续一定时间后，完成该实验过程；

模拟巷道坍塌变窄实验过程为：先在计算机内设定风速及风压的正常范围值，然后启动主空气泵，并控制各个可调节阀门模拟实际矿井中各个巷道的正常通风情况，各个风速传感器和风压传感器均将检测数据反馈计算机，然后根据需要对各个位置的模拟巷道坍塌变窄施加挤压力，使软管断面面积变小模拟巷道坍塌变窄，此时各个风速传感器和风压传感器均将检测数据反馈计算机，计算机实时将各个检测数据与正常范围值比对，若任一风压传感器或风速传感器的检测数据超出正常范围值，则判定其所处位置为通风网络异常位置并进行记录；持续一定时间后，完成该实验过程；

模拟通风动力异常实验过程为：先在计算机内设定风速及风压的正常范围值，然后启动主空气泵，并控制各个可调节阀门模拟实际矿井中各个巷道的正常通风情况，各个风速传感器和风压传感器均将检测数据反馈计算机，然后根据需要控制可调节阀门I和可调节阀门Ⅱ的开闭模拟通风动力异常，此时各个风速传感器和风压传感器均将检测数据反馈计算机，计算机实时将各个检测数据与正常范围值比对，若任一风压传感器或风速传感器的检测数据超出正常范围值，则判定其所处位置为通风网络异常位置并进行记录；持续一定时间后，完成该实验过程；

C、进行多种情况综合模拟实验：将步骤B中四种单一模拟实验中的至少两种同时进行实验，从而得出多种情况综合下矿井通风网络存在异常的位置，最终结合步骤B获取的单一实验的数据，能在实际矿井各个位置出现矿井通风网络异常时及时确定产生的原因，便于人员后续处理。

与现有技术相比，本发明采用支撑支架、矿井通风动力模拟子系统、矿井通风网络模拟子系统、触发异常事件子系统和监测监控数据采集子系统相结合方式，能根据实际矿井中通风网络的布设位置进行组装模拟，然后能进行模拟瓦斯突出或瓦斯涌出、模拟漏风、模拟巷道坍塌变窄和模拟通风动力异常上述各种情况的单一实验，进而确定各种单一情况下矿井通风网络存在异常的位置；同时能将上述各种情况至少两种同时进行实验，从而得出多种情况综合下矿井通风网络存在异常的位置，最终确定模拟的多种异常事件对矿井通风网络各个位置的影响情况，从而为实际矿井通风网络各个位置发生通风异常时能及时诊断得出对应的异常事件位置，便于及时采取维护措施。

附图说明

图1是本发明实验系统的平面示意图；

图2是本发明实验系统中主井、副井的立体示意图；

图3是本发明实验系统中模拟瓦斯突出或涌出装置的结构示意图；

图4是本发明实验系统中模拟漏风装置的结构示意图。

图中：1-主井；2-副井；3-进风大巷；4-采区轨道上山；5-采区回风上山；6-采区运输上山；7-联络巷；8-区段运输平巷；9-采煤工作面；10-区段回风平巷；11-绞车房；12-回风大巷I；13-回风井I；14-回风井II；15-回风大巷II；16-可调节阀门V；17-可调节阀门VI；18-可调节阀门VII；19-可调节阀门VIII；20-可调节阀门I；21-可调节阀门II；22-可调节阀门III；23-可调节阀门IV；24-进气孔I；25-进气孔II；26-漏风孔I；27-漏风孔II；28-漏风孔III；29-漏风孔IV；30-可调节阀门IX；31-可调节阀门X；32-软管。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1至图4所示，本发明包括支撑支架、矿井通风动力模拟子系统、矿井通风网络模拟子系统、触发异常事件子系统和监测监控数据采集子系统，矿井通风动力模拟子系统和矿井通风网络模拟子系统放置在支撑支架上；

所述矿井通风网络模拟子系统包括主井1、副井2、进风大巷3、采区轨道上山4、采区回风上山5、采区运输上山6、联络巷7、区段运输平巷8、采煤工作面9、区段回风平巷10、绞车房11、回风大巷I12、回风井I13、回风大巷Ⅱ14和回风井Ⅱ15，主井1和副井2连通后与进风大巷3连通，进风大巷3分别与两个采区轨道上山4、两个采区回风上山5和两个采区运输上山6连通，两个采区轨道上山4和两个采区运输上山6分别通过联络巷7与两个区段运输平巷8连通，两个区段运输平巷8和两个区段回风平巷10分别处于两个采煤工作面9两侧，两个采区轨道上山4分别与两个区段回风平巷10和两个绞车房11连通，两个采区回风上山5分别与两个区段回风平巷10，且分别与回风大巷I12和回风大巷Ⅱ14连通，回风大巷I12和回风大巷Ⅱ14分别与回风井I13和回风井Ⅱ15连通；在进风大巷3上分别安设可调节阀门III22和可调节阀门IV23，在两个采区回风上山5靠近进风大巷3处分别安设可调节阀门V16和可调节阀门VI17，在两个采区轨道上山4与两个区段回风平巷10的连接处各安设可调节阀门VII18和可调节阀门VIII19；

所述矿井通风动力模拟子系统包括两个小型空气泵和主空气泵，主空气泵为矿井通风网络模拟子系统提供通风动力；

所述触发异常事件子系统包括模拟瓦斯突出或瓦斯涌出装置、模拟漏风孔装置、模拟巷道坍塌变窄装置和模拟通风动力异常装置，所述模拟瓦斯突出或瓦斯涌出装置包括进气孔I24、进气孔Ⅱ25和进气管道，进气孔I24和进气孔Ⅱ25分别开设在矿井通风网络模拟子系统中的管道上，进气孔I24和进气孔Ⅱ25分别通过进气管道与两个小型空气泵连通，进气孔I24和进气孔Ⅱ25处分别装有控制阀门IX30和控制阀门X31，用于分别控制进气孔I24和进气孔Ⅱ25的进气量；所述模拟漏风孔装置包括四个漏风孔，每两个漏风孔为一组，两组分别开设在矿井通风网络模拟子系统的两个区段运输平巷8上，四个漏风孔处分别装有控制阀门，用于分别控制四个漏风孔的漏风量，四个漏风孔分别为漏风孔I26、漏风孔II27、漏风孔III28和漏风孔IV29；所述模拟巷道坍塌变窄装置由两组软管32组成，分别安设于两个采煤工作面与区段运输平巷的交接处，通过对软管施加挤压力模拟巷道坍塌变窄；所述模拟通风动力异常装置包括可调节阀门I20和可调节阀门Ⅱ21，可调节阀门I20和可调节阀门Ⅱ21分别安装在主井1和副井2的端口，主空气泵分别与可调节阀门I20和可调节阀门Ⅱ21连通，通过控制可调节阀门I20和可调节阀门Ⅱ21开度模拟通风动力异常；

所述监测监控数据采集子系统由数据采集仪、计算机、多个风速传感器和多个风压传感器，多个风速传感器和多个风压传感器分别布设在主井1、副井2、进风大巷3、采区轨道上山4、区段运输平巷8、区段回风平巷10、回风大巷I12和回风大巷Ⅱ14，各个风速传感器和各个风压传感器均将检测的数据通过数据采集仪反馈给计算机进行分析处理。

进一步，所述主井1、副井2、回风井I13、回风井II14和采煤工作面所选用的管道直径均为40mm，所述进风大巷3、回风大巷I12、回风大巷II15及联络巷所选用的管道直径均为25mm，所述采区轨道上山4、采区回风上山5和采区运输上山6所选用的管道直径均为20mm，所述区段运输平巷8和区段回风平巷10所选用的管道直径均为16mm，软管32所选用的管道直径为16mm。上述管道的制作材料为钢管或塑料管。

一种矿井通风网络异常诊断模拟实验系统的工作方法，具体步骤为：

A、组装矿井通风网络异常诊断模拟实验系统：先探测所需模拟矿井的各个巷道的位置及连接关系，然后根据探测结果组装矿井通风网络异常诊断模拟实验系统，使其各个巷道的位置及连接关系与所需模拟矿井一致，完成组装过程；

B、进行单一模拟实验：分别进行模拟瓦斯突出或瓦斯涌出、模拟漏风、模拟巷道坍塌变窄和模拟通风动力异常上述各种情况实验，从而得出各种情况下各个巷道内的风速及风压数据，确定各种情况下矿井通风网络存在异常的位置；

其中，模拟瓦斯突出或瓦斯涌出实验过程为：先在计算机内设定风速及风压的正常范围值，然后启动主空气泵，并控制各个可调节阀门模拟实际矿井中各个巷道的正常通风情况，各个风速传感器和风压传感器均将检测数据反馈计算机，然后启动两个小型空气泵并打开控制阀门IX30和控制阀门X31，此时小型空气泵产生的气体进入矿井通风网络模拟子系统内模拟瓦斯突出或瓦斯涌出，此时各个风速传感器和风压传感器均将检测数据反馈计算机，计算机实时将各个检测数据与正常范围值比对，若任一风压传感器或风速传感器的检测数据超出正常范围值，则判定其所处位置为通风网络异常位置并进行记录；持续一定时间后，完成该实验过程；

模拟漏风实验过程为：先在计算机内设定风速及风压的正常范围值，然后启动主空气泵，并控制各个可调节阀门模拟实际矿井中各个巷道的正常通风情况，各个风速传感器和风压传感器均将检测数据反馈计算机，然后根据需要控制各个漏风孔处的控制阀门开度，从而模拟矿井的漏风位置及漏风量，此时各个风速传感器和风压传感器均将检测数据反馈计算机，计算机实时将各个检测数据与正常范围值比对，若任一风压传感器或风速传感器的检测数据超出正常范围值，则判定其所处位置为通风网络异常位置并进行记录；持续一定时间后，完成该实验过程；

模拟巷道坍塌变窄实验过程为：先在计算机内设定风速及风压的正常范围值，然后启动主空气泵，并控制各个可调节阀门模拟实际矿井中各个巷道的正常通风情况，各个风速传感器和风压传感器均将检测数据反馈计算机，然后根据需要对各个位置的模拟巷道坍塌变窄施加挤压力，使软管断面面积变小模拟巷道坍塌变窄，此时各个风速传感器和风压传感器均将检测数据反馈计算机，计算机实时将各个检测数据与正常范围值比对，若任一风压传感器或风速传感器的检测数据超出正常范围值，则判定其所处位置为通风网络异常位置并进行记录；持续一定时间后，完成该实验过程；

模拟通风动力异常实验过程为：先在计算机内设定风速及风压的正常范围值，然后启动主空气泵，并控制各个可调节阀门模拟实际矿井中各个巷道的正常通风情况，各个风速传感器和风压传感器均将检测数据反馈计算机，然后根据需要控制可调节阀门I20和可调节阀门Ⅱ21的开闭模拟通风动力异常，此时各个风速传感器和风压传感器均将检测数据反馈计算机，计算机实时将各个检测数据与正常范围值比对，若任一风压传感器或风速传感器的检测数据超出正常范围值，则判定其所处位置为通风网络异常位置并进行记录；持续一定时间后，完成该实验过程；

C、进行多种情况综合模拟实验：将步骤B中四种单一模拟实验中的至少两种同时进行实验，从而得出多种情况综合下矿井通风网络存在异常的位置，最终结合步骤B获取的单一实验的数据，能在实际矿井各个位置出现矿井通风网络异常时及时确定产生的原因，便于人员后续处理。