掘進工作面中智能化通風(fēng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

董師帥，赤孟博

（河南永錦能源有限公司，河南 許昌 461670）

1 概述

211 巷道的開口處位于830 南翼皮帶巷內(nèi)部6號導(dǎo)線點前21.7 m，其角度為270°，沿9 號煤層的頂板進行施工。掘進巷道斷面的寬和高分別為4.8 m和3.0 m，巷道掘進所采取的工藝為綜合化機械掘進，掘進長度已經(jīng)有480 m。

211 巷道在掘進的過程中采取局部通風(fēng)機來實施供風(fēng)，通風(fēng)機共有兩臺，功率為55 kW，型號為FBD，安裝部位處于巷道開口向北20 m 的進風(fēng)流之內(nèi)。局部通風(fēng)機需要配置相應(yīng)的聯(lián)鎖開關(guān)，風(fēng)機所配置的專用電源將與1 號配電點的660 V 移變和3 號高壓配電開關(guān)進行連接[1]。備用電池主要與2 號配電點的660 V 移變及8 號高壓配電開關(guān)進行連接。風(fēng)機與風(fēng)筒形成連接，其中風(fēng)筒的半徑、長度分別為0.5 m和10 m，其出風(fēng)口與作業(yè)面之間的距離<10 m。

在掘進過程中，211 巷道內(nèi)每隔50 m 需要配置一個噴霧灑水降塵設(shè)備，該設(shè)備的工作原理為：借助巷道存在的靜壓作用，利用高壓噴頭將水源進行霧化處理，以實現(xiàn)降塵效果，灑水量為0.5 m3/min。

2 原通風(fēng)防塵系統(tǒng)運行中存在的問題

1）自動化水平較低。傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)采用的局部通風(fēng)機不能實現(xiàn)自動化切巷，需要人工介入切換，風(fēng)機進行切巷的過程中不具備倒機不停風(fēng)的功能，供風(fēng)的過程中風(fēng)機即使發(fā)生故障也不能及時做出預(yù)警[2]。同時，地面操控室不能對風(fēng)機運行過程中的各個參數(shù)進行有效監(jiān)測，不具備較高的自動化水平，且極易發(fā)生故障。

2）無法有效控制風(fēng)流的溫度。傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)主要是借助局部通風(fēng)機向作業(yè)面壓入新鮮的風(fēng)流，由于該礦井存在較長的通風(fēng)路線，其內(nèi)部的溫度一般為17 ℃，在掘進的前期階段，該巷道的溫度相對較低，在后期的延伸工作中具備較高的穩(wěn)定性，供風(fēng)的風(fēng)流溫度無法達到施工要求。

3）無法調(diào)節(jié)風(fēng)速。在對該巷道的前200 m 進行掘進時，風(fēng)筒的漏風(fēng)系數(shù)及風(fēng)阻相對較小，作業(yè)面的風(fēng)速可以達到2.1 m/s。在掘進之后，作業(yè)面形成的高速風(fēng)流將會導(dǎo)致作業(yè)面出現(xiàn)大量粉塵，不僅影響生產(chǎn)，而且在后期掘進過程中也會不斷增加巷道內(nèi)部的阻力。當(dāng)掘進工作進行到500 m 的時候，作業(yè)面的風(fēng)速將會不斷降低，盡管可有效降低巷道內(nèi)部的粉塵濃度，但是回風(fēng)流內(nèi)部的風(fēng)速持續(xù)降低，導(dǎo)致污風(fēng)在巷道內(nèi)不斷擴散，對掘進工作產(chǎn)生影響[3]。

4）不具備較好的降塵效果。在掘進過程中，該巷道的回風(fēng)流的粉塵質(zhì)量濃度將會達到132 mg/m3，利用以往噴霧灑水裝置來進行除塵，無法取得較好的效果，在完成降塵操作之后，粉塵的質(zhì)量濃度將會達到90 mg/m3，可見度較低。同時，傳統(tǒng)設(shè)備無法達到較大的灑水量，不僅會導(dǎo)致巷道內(nèi)存在大量的積水，巷道質(zhì)量無法實現(xiàn)標準化，而且大量的積水將會對巷道內(nèi)的設(shè)備產(chǎn)生極大的影響[4]。

3 智能化通風(fēng)控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用

為了有效完善原通風(fēng)系統(tǒng)運行中的不足，該礦通風(fēng)科對其進行改良，設(shè)計了一套自動化的通風(fēng)控制系統(tǒng)。

3.1 智能化通風(fēng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1）智能化通風(fēng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成主要有PLC 控制器、聯(lián)鎖開關(guān)和除塵系統(tǒng)等，如下頁圖1 所示。

2）地面操控系統(tǒng)的組成主要有以太網(wǎng)、上位機控制體系等。地面網(wǎng)路交換站借助以太網(wǎng)及井下的交換站來進行信息交換。上位機控制體系的組成主要有打印機、主機等，而主機內(nèi)部安裝了FameVice 組態(tài)軟件，可以對通風(fēng)控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行遠程展示[5]。

3）智能化供風(fēng)系統(tǒng)的組成主要為兩臺多功能的變頻風(fēng)機、風(fēng)機開關(guān)等，變頻風(fēng)機與PLC 控制器形成連接，這個風(fēng)機可以對頻速開展自動化調(diào)節(jié)，有效控制風(fēng)速。

4)溫度風(fēng)速控制系統(tǒng)的組成部分主要有基站、風(fēng)速及溫度傳感器等，其中兩個傳感器的安裝部位處于掘進作業(yè)面的迎頭，基站與PLC 控制器形成連接，可以利用PLC 控制器對兩個傳感器的保護值進行設(shè)定[6]。

5）降塵系統(tǒng)的組成主要有集控器、泡沫抑塵器等，而與集控器相互連接的裝置主要有粉塵濃度傳感器、PLC 等，泡沫抑塵設(shè)備的組成部分主要有旋轉(zhuǎn)式高壓噴頭、電控液閥等。

3.2 智能化通風(fēng)控制系統(tǒng)的運行原理

3.2.1 溫度風(fēng)速控制系統(tǒng)的運行原理

1）對于溫度、風(fēng)速兩種傳感器，可以利用PLC 控制器設(shè)定其保護值，兩者的保護值分別為22 ℃和1.5 m/s。

2）當(dāng)作業(yè)面的溫度<22 ℃時，溫度傳感器可以將采集到的數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)交?，基站再將這些數(shù)據(jù)進行處理，并傳輸?shù)絇LC 控制器。該控制器在接收到信號之后，將會向聯(lián)鎖開關(guān)下發(fā)“加熱”指令，此時聯(lián)鎖開關(guān)與防爆電熱阻絲的電源進行連接，溫控器通過將空氣引入到風(fēng)機來實施加熱，確保作業(yè)面的溫度可以維持在22 ℃。

3）當(dāng)作業(yè)面的溫度>22 ℃時，PLC 控制在經(jīng)過信號處理之后可以向聯(lián)鎖開關(guān)下發(fā)“制冷”指令，此時溫控器半導(dǎo)體制冷機的電源將會被打開，溫控器通過將風(fēng)流引入到風(fēng)機內(nèi)部進行制冷，以降低作業(yè)面的溫度[7]。

4）當(dāng)作業(yè)面的風(fēng)速超出或低于1.5 m/s 的時候，風(fēng)速傳感器所采集的數(shù)據(jù)將會通過基站轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC 控制器內(nèi)部，該控制器在對信號進行處理之后，可以有效調(diào)節(jié)多功能變頻風(fēng)機頻速，確保作業(yè)面的風(fēng)筒出風(fēng)口維持1.5 m/s 的風(fēng)速。

3.2.2 回風(fēng)流降塵系統(tǒng)的運行原理

1）PLC 控制器可以將粉塵質(zhì)量濃度傳感器的保護動作值維持在15～50 mg/m3的范圍之內(nèi)，每隔200 m 就需要安裝一套降塵系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)高壓噴頭安裝在與頂板相距0.8 m 的部位。

2）當(dāng)巷道回風(fēng)流之內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度>50 mg/m3時，集控器可以將傳感器所采集的數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)絇LC 控制器內(nèi)，該控制器在接收到信號之后，將會向聯(lián)鎖開關(guān)下發(fā)“開啟”指令，此時泡沫抑塵裝置的電控液壓電源將會打開，裝置開始運行。

3）當(dāng)回風(fēng)流內(nèi)部的粉塵質(zhì)量濃度<20 mg/m3時，集控器可以將傳感器所采集的數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)絇LC控制器內(nèi)，該控制器在接收到信號之后，向聯(lián)鎖開關(guān)下發(fā)“關(guān)閉”指令，此時泡沫抑塵裝置的電控液壓電源將會關(guān)閉，裝置停止運行。

3.2.3 遠程操控系統(tǒng)的運行原理

1）對于風(fēng)機的運行狀態(tài)、作業(yè)面的風(fēng)速、溫度等各個參數(shù)，PLC 控制器可利用信號線將其傳輸?shù)骄碌能噲鼍W(wǎng)路交換站內(nèi)，該交換站再利用以太網(wǎng)及井筒內(nèi)部的信號基站，傳輸至井口的網(wǎng)路交換站，這一交換站再借助信號線將其傳輸?shù)降孛娌倏厥业闹鳈C內(nèi)[8]。

2）地面操控室所采取的主機中設(shè)計了一套Fame-Vice 組態(tài)軟件，該軟件的運行原理為：借助顯示器直觀顯示通風(fēng)控制系統(tǒng)運行過程中各個元件的狀態(tài)，操作人員可以對該系統(tǒng)進行遠程控制，并且修改其中的相關(guān)參數(shù)。同時，在系統(tǒng)運行過程中，可以借助打印機繪制曲線圖。

4 結(jié)語

通過開展技術(shù)研究，本礦井通風(fēng)科針對211 巷道采用的通風(fēng)系統(tǒng)在前期掘進過程中存在的問題進行分析，并對其加以改良，設(shè)計了一套智能化的通風(fēng)控制系統(tǒng)，在礦井的實際應(yīng)用中取得了較好的效果。

1）具有較高的自動化水平。該系統(tǒng)具有較強的自動化水平，在掘進過程中極大地提升了運行的穩(wěn)定性，同時也確保了掘進工作安全、順利進行。而在應(yīng)用該系統(tǒng)之后，井下不需要再安排專業(yè)人員來看守通風(fēng)系統(tǒng)，極大地節(jié)省了人力資源。

2）完成了溫度及風(fēng)速的調(diào)節(jié)控制。該系統(tǒng)可以對作業(yè)面產(chǎn)生的風(fēng)流溫度、風(fēng)速進行自動化調(diào)控，促使211 巷道在掘進工作中維持恰當(dāng)?shù)臏囟取L(fēng)速，為工作人員營造了穩(wěn)定可靠的工作環(huán)境。

3）增強了除塵效果。與傳統(tǒng)噴霧灑水除塵設(shè)備相對比，該裝置主要是利用泡沫來對粉塵進行吸附，其吸附性及除塵性較好。通過實際運用發(fā)現(xiàn)，泡沫在吸附粉塵之后，回風(fēng)流中存在的粉塵質(zhì)量濃度<20 mg/m3以下，而且極大防止了靜壓水的浪費，同時對噴霧灑水階段產(chǎn)生的巷道污水進行了有效處理，取得了顯著的效果。