煤矿井下运行环境温湿度测试系统设计

煤矿井下运行环境温湿度测试系统设计

李博 唐勇

1煤科集团沈阳研究院有限公司 , 辽宁 抚顺 113122； 2煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122；

摘要：近年来煤矿安全生产形式逐年好转，煤矿安全生产事故总数和百万吨死亡率逐年下降，但制约煤矿安全生产的事故隐患依然存在。在分析煤矿安全生产基础上，阐述了煤矿井下空气变化、压缩放热、围岩散热、水流散热等煤矿井下热源的成因和围岩温度上升计算方法，结合DSP设计煤矿井下运行环境温湿度测试系统整体结构，为煤矿智能化技术发展提供参考。

关键词：煤矿；温度；湿度；测试系统

Design of temperature and humidity measurement system for underground coal mine operation environment

Li Bo^1，2，Tang Yong^1，2

（1.CCTEG Shenyang Research Institute, Fushun Liaoning 113122,China；2.State Key Laboratory of Coal Safety, Fushun Liaoning 113122,China)

Abstract:. In recent years, the form of coal mine safety production has been improving year by year, and the total number of coal mine safety accidents and the death rate of one million tons have been decreasing year by year, but the hidden danger of accidents restricting coal mine safety production still exists. Based on the analysis of coal mine safety production, this paper expounds the coal mine, compressed air change such as heating, cooling, water cooling of surrounding rock in the coal mine, the cause of formation of heat source and the temperature rise calculation method of surrounding rock, combining with DSP overall structure design of the coal mine operation environment temperature and humidity test system, intelligent technology development to provide the reference for coal mines.

Key words: Coal mine; Temperature; Humidity; Test System

¹0 引言

煤炭是我国化石能源的主体，是我国各类能源中属于稳定性高、经济实用和自主保障程度最高的一次能源。虽然近些年来水能、核能及天然气等能源不断发展，但是受容量限制、技术瓶颈等多方因素制约，在短期内煤炭的主体地位不能动摇。在国家政策引导、科技发展及煤矿企业安全生产意识不断提升多方因素综合影响下，煤矿安全生产形势逐年好转。2020年1月，全国煤矿安全生产工作会议在京召开，会议指出：2019年全国煤矿发生死亡事故170起、死亡316人，同比分别下降24.1%和5.1%；百万吨死亡率0.083，同比下降10.8%。对煤矿近十年安全生产事故情况进行统计：煤矿事故总数从2010年1403起下降到2019年的170起，下降了88.0%，死亡人数从2010年2433人下降到2019年316人，下降了87%，我国煤矿安全生产情况如图1所示。

图1 2010年～2019年 我国煤矿安全生产情况

随着煤矿开采强度和深度不断增加，深井作业工作环境的温度和湿度不能增高，从而降低煤矿设备的使用寿命和采掘工作面人员工作效率，并严重影响工人的身体健康，为井下安全生产带来事故隐患。高温热害已成为危及煤矿井下安全生产的主要自然灾害之一，尤其是深部煤层开采过程高温热害的对安全生产的影响更为严重。为了确保煤矿安全开采和能源的可持续发展，开展井下设备运行环境温度和湿度测试技术，有利于合理开采和利用煤炭资源，具有十分重要的经济和社会意义。

1 煤矿热源

1.1围岩散热

通过热传导从围岩内部向井巷传递和借助于裂隙漏水通过对流将热量传递给井巷是围岩散热的主要形式。井下尚未开采的岩石温度正比地表温度，即地表温度升高岩石温度上升，地表温度下降岩石温度下降。按照岩石的温度变化可以分为变温带、恒温带和增温带三段，变温带的温度随地表温度的变化而变化，恒温带的温度不随地表温度的变化而变化，增温带的温度随随着岩石深度的增加而增大，增温带的岩层温度计算公式为：

(1)

式中：t0表示恒温带岩层的温度；Nt表示地温梯度；z表示增温带岩层深度；z0表示恒温带深度。

1.2水流散热

通常煤矿井下都有水流动，如果井下水的温度高于巷道内空气的温度，水就会与井下空气发生热量交换，水流将热量散发到空气中，导致井下空气温度升高。通常情况下，煤矿井下水流散热受多方因素影响，其中散热面积、巷道温度、水流温度、风流速度等直接影响水流散热。水流的散热公式为：

(3)

式中： 表示为综合散热系数，T2为煤矿井下水流的温度，t2为煤矿井下水流环境温度；S表示为水流的散热面面积。

1.3 太阳辐射

压入式通风、抽出式通风及混合式通风是煤矿开采常用的通风方式，当地面的空气随着通风系统进入到煤矿井下时，地面的温度和湿度将对井下运行环境的温度和湿度产生直接影响。白天地面的空气受到太阳辐射等因素影响温度升高，高温空气流入煤矿井下导致井下运行环境的温度升高，夜晚地面空气没有太阳辐射温度下降，流入煤矿井下的空气温度也随着降低。太阳辐射的周期为24小时，通风流入空气对煤矿井下运行环境温度和湿度的影响周期也是24小时。夏天太阳辐射时间长、温度较高，冬天太阳辐射时间短、温度较低。空气温度变化对煤矿井下的影响一般七八月最高，1月份最低，一般变化周期为1年。在地面温度变化过程中，井上井下温差影响下将发生对流现象，井下围岩可能发生吸热或散热现象，但在长期通风情况下，井下温度会达到一个动态平衡，太阳辐射引起空气温度变化对井下温度的变化影响程度较小。地面空气流入到煤矿井下的巷道中，受自身重力影响位能会有所下降，产生压缩放热现象.

2 测试系统设计

利用数字信号处理器（digital signal processor，以下简称DSP）的强大数据处理能力设计煤矿井下运行环境温湿度测试系统，通过温湿度传感器采集煤矿井下温湿度数据，经过数据处理单元反馈给DSP，经过DSP对数据进行运算和处理传输给上位机的煤矿监控系统，在温度和湿度超过设置值起动降温除湿系统，保障煤矿井下安全生产工作顺利开展。煤矿井下运行环境温湿度测试系统主要由DSP、温湿度传感器、数据处理单元、通讯单元、编程接口、电源单元、显示单元、控制面板、时钟单元等部分组成，系统结构如图2所示。温湿度传感器用于采集煤矿井下温度和湿度数据，为测试系统提供原始数据。数据处理单元用于将传感器输出温湿度数据转换为DSP可识别的数据。通讯单元用于将煤矿井下温湿度数据传输给上位机监控系统，同时将监控系统的指令反馈给DSP。编程接口用于编译和调试软件程序。电源单元用于为DSP和系统供电。显示单元用于显示煤矿井下运行环境温度和湿度数据。控制面板用于将为外界控制指令转换为DSP可识别的信号。时钟单元用于为系统提供时钟信号。

图2煤矿井下运行环境温湿度测试系统结构简图

HMT330 系列产品适用于苛刻环境中温湿度测量，可采用通过变送器后方接线方式接入输入/输出电缆。HMT330系列产品采用配有多语言菜单和键盘的可选数字与图形显示屏，用户可以利用它轻松监控运行数据、测量趋势，以及访问长达 4 年的测量历史数据。HMT330 可以支持多达三个模拟输出，也可支持电隔离电源和多达四个继电器输出。HMT330 可采用 Modbus 通信协议，在选配适当连接方式的情况下可进行Modbus RTU (RS-485) 或 ModbusTCP/IP（以太网）通信。记录的数据可以在本地显示屏上查看，也可以传输到安装了 MicrosoftWindowsâ 软件的PC上。变送器还可连接到采用可选 LAN 接口的网络，实现以太网连接。

图3 HMT330传感器实物图

3 结论

结合煤矿安全生产形势和煤矿热源来源，设计煤矿井下运行环境温湿度测试系统，利用通讯电路将温湿度数据传输到中央监控室，方便监控人员及时了解煤矿井下温度和适度信息，为进一步决策和管理提供数据支撑。

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1作者简介：李博（1986-），男，助理工程师，

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