煤礦通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀及智能通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪培柱

（山西魯能河曲電煤開發(fā)有限責(zé)任公司，山西 忻州 036504）

近幾年，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)仍以監(jiān)測(cè)功能為主，盡管附加簡(jiǎn)單的邏輯控制功能，還不能真正起到調(diào)節(jié)和控制風(fēng)量、風(fēng)壓的功能，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)沒(méi)有得到最大程度的利用，一旦井下發(fā)生瓦斯變化需要緊急調(diào)整風(fēng)流時(shí)卻難以實(shí)現(xiàn)，又因巷道的推進(jìn)，局部通風(fēng)系統(tǒng)呈動(dòng)態(tài)變化，并非是一個(gè)恒定不變的系統(tǒng)。掘進(jìn)工作面通風(fēng)智能控制系統(tǒng)，以其顯著的脈動(dòng)通風(fēng)特性、柔性的變頻風(fēng)量調(diào)節(jié)、無(wú)極調(diào)速特性、操作簡(jiǎn)單、節(jié)能效果明顯、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)其他系統(tǒng)，智能控制系統(tǒng)不但使礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行得到有效保障，而且實(shí)現(xiàn)了人性化風(fēng)量調(diào)節(jié)的目標(biāo)，節(jié)能降耗的目的，可以取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

一、概述

礦井通風(fēng)系統(tǒng)作為煤炭礦井的“血液循環(huán)系統(tǒng)”，由通風(fēng)動(dòng)力及其裝置、通風(fēng)井巷網(wǎng)絡(luò)、風(fēng)流監(jiān)測(cè)與控制設(shè)施組成。建立系統(tǒng)合理、設(shè)施完好、風(fēng)量充足、風(fēng)流穩(wěn)定的通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)礦井安全生產(chǎn)至關(guān)重要。某礦井采用中央分列式通風(fēng)系統(tǒng)，主、副斜井、進(jìn)風(fēng)立井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)，通風(fēng)方式為機(jī)械抽出式。實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、通風(fēng)設(shè)施遠(yuǎn)程全自動(dòng)控制如主扇風(fēng)機(jī)、局扇風(fēng)機(jī)和風(fēng)門的三遙控、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)仿真及三維展示、通風(fēng)數(shù)據(jù)智能分析與管理、通風(fēng)系統(tǒng)異常變化或瓦斯涌出異常趨勢(shì)智能預(yù)警、與安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控等關(guān)聯(lián)系統(tǒng)及子系統(tǒng)之間聯(lián)動(dòng)控制等功能。

二、通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)控制功能

（一）通過(guò)綜合集中控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦井所有風(fēng)門的遠(yuǎn)程控制，監(jiān)測(cè)各個(gè)風(fēng)門開閉狀態(tài)，結(jié)合風(fēng)量傳感器實(shí)現(xiàn)所有風(fēng)窗風(fēng)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。風(fēng)門控制用電控裝置適用于煤炭礦井井下通風(fēng)巷道內(nèi)的環(huán)境，關(guān)閉風(fēng)門使風(fēng)向指定的方向流動(dòng)，在人員通過(guò)時(shí)，用礦燈照射風(fēng)門開閉狀態(tài)傳感器或使紅外線傳感器檢測(cè)到人員通過(guò)信號(hào)，讓風(fēng)門自動(dòng)打開，同時(shí)有燈光顯示及語(yǔ)言提醒的功能。一定時(shí)間后，風(fēng)門能自動(dòng)關(guān)閉；為防止2 個(gè)風(fēng)門同時(shí)打開，設(shè)有電器互鎖功能。

（二）根據(jù)集控平臺(tái)通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化和分析結(jié)果，自動(dòng)提示集控工作人員通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，通過(guò)設(shè)備風(fēng)量變頻閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)和風(fēng)葉動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功能，調(diào)整巷道風(fēng)量。

（三）實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)智能變頻調(diào)風(fēng)，通過(guò)集控平臺(tái)。通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，分析所有巷道風(fēng)量變化對(duì)系統(tǒng)風(fēng)量的影響，自動(dòng)生成通風(fēng)系統(tǒng)各關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)備、設(shè)施控制建議方案，提示集控中心人員，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，遠(yuǎn)程調(diào)整主通風(fēng)機(jī)、局扇、風(fēng)門等設(shè)備設(shè)施。反風(fēng)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)分析要求時(shí)間段內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)變化分析曲線、反風(fēng)仿真演示結(jié)果，為反風(fēng)提供決策依據(jù)，遠(yuǎn)程控制反風(fēng)設(shè)備。

（四）智能預(yù)警及聯(lián)動(dòng)控制功能系統(tǒng)依據(jù)動(dòng)態(tài)。解算的數(shù)據(jù)，按照集控平臺(tái)事先確定的預(yù)警規(guī)則，實(shí)時(shí)對(duì)井下各巷道以及工作面的通風(fēng)數(shù)據(jù)、工作面瓦斯涌出數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析，超前預(yù)警，并與管控平臺(tái)各生產(chǎn)系統(tǒng)互聯(lián)互動(dòng)，控制設(shè)備，指導(dǎo)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)與生產(chǎn)系統(tǒng)的聯(lián)通聯(lián)動(dòng)。煤礦智能通風(fēng)系統(tǒng)工作原理如圖所示。

三、智能通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主通風(fēng)機(jī)采用具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定、使用方便、適應(yīng)負(fù)載多變特點(diǎn)的高壓變頻調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)反風(fēng)。高壓變頻拖動(dòng)系統(tǒng)可降低電機(jī)損耗、提高系統(tǒng)效率，節(jié)約能源，同時(shí)可避免機(jī)械調(diào)風(fēng)方式對(duì)設(shè)備的沖擊，提高設(shè)備使用壽命。其主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用可編程序控制器PLC 為核心，配套壓力、流量、振動(dòng)等傳感器，對(duì)主通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控；井下局部通風(fēng)機(jī)采用防爆變頻裝置，能夠通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)局部通風(fēng)量的大小；井下風(fēng)門均設(shè)有控制裝置，能夠通過(guò)該裝置對(duì)風(fēng)門進(jìn)行開閉。

（一）通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)。在礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵分支巷道的關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置風(fēng)流狀態(tài)傳感器，用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該關(guān)鍵巷道分支的風(fēng)流狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)解算，從而得出通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中各巷道的實(shí)時(shí)通風(fēng)風(fēng)流狀態(tài)。風(fēng)流狀態(tài)傳感器主要包括風(fēng)壓傳感器、風(fēng)速傳感器、溫度傳感器等，考慮到煤礦井下溫度在相近地點(diǎn)的變化幅度較小，對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果的影響不大，因此只在溫度變化幅度較大的區(qū)域設(shè)置溫度傳感器，而風(fēng)壓傳感器、風(fēng)速傳感器在各關(guān)鍵點(diǎn)均普遍安裝。

（二）關(guān)鍵點(diǎn)監(jiān)測(cè)。在礦井回風(fēng)井井口的主要通風(fēng)機(jī)引風(fēng)道內(nèi)安裝靜壓傳感器，用于監(jiān)測(cè)全礦井實(shí)時(shí)的靜壓情況；在礦井、采區(qū)的主要進(jìn)、回風(fēng)巷道以及各用風(fēng)地點(diǎn)的回風(fēng)巷道等風(fēng)流狀態(tài)(風(fēng)量、負(fù)壓)變化幅度較大的地方，安裝風(fēng)速、風(fēng)壓傳感器；在礦井主要進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)巷道間聯(lián)絡(luò)巷的風(fēng)門兩側(cè)安裝風(fēng)流差壓傳感器，同時(shí)為了能較容易地捕捉到通風(fēng)系統(tǒng)災(zāi)變情況，在對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)變化較敏感的角聯(lián)巷道中也需要安裝風(fēng)流差壓傳感器。

（三）采、掘工作面監(jiān)測(cè)?；夭?、掘進(jìn)工作面回風(fēng)巷安裝風(fēng)速傳感器，監(jiān)測(cè)采、掘工作面風(fēng)量變化；安裝瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，監(jiān)測(cè)采、掘工作面瓦斯?jié)舛龋话惭b粉塵濃度傳感器，監(jiān)測(cè)采、掘工作面粉塵濃度；安裝溫度傳感器，監(jiān)測(cè)采、掘工作面溫度；在回風(fēng)巷與進(jìn)風(fēng)巷的連接風(fēng)門內(nèi)、外兩側(cè)分別安裝風(fēng)壓傳感器與風(fēng)流差壓傳感器，用以監(jiān)測(cè)各風(fēng)門內(nèi)、外兩側(cè)的壓差情況。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，后臺(tái)對(duì)比，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)回采、掘進(jìn)工作面風(fēng)流的異常情況。

（四）智能通風(fēng)系統(tǒng)的技術(shù)

1.井下通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)查。智能通風(fēng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)的有效調(diào)查，并對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)控制。調(diào)查后的數(shù)據(jù)將真實(shí)反饋給相應(yīng)的管理人員，通過(guò)專業(yè)的設(shè)備和技術(shù)對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，從而確定井下通風(fēng)的系統(tǒng)的設(shè)置。

2.人員定位系統(tǒng)人員信息和相關(guān)設(shè)備信息的采集。智能通風(fēng)系統(tǒng)可以對(duì)礦井中的作業(yè)人員進(jìn)行良好的管理和監(jiān)控，并對(duì)作業(yè)人員數(shù)量、方位等進(jìn)行全方位的掌握，并整理形成檔案進(jìn)行存儲(chǔ)。管理人員只需查閱數(shù)據(jù)庫(kù)就可以及時(shí)掌握礦井下的作業(yè)情況，并在意外發(fā)生時(shí)及時(shí)、有效的制定應(yīng)對(duì)策略。

3.建立井下通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行模式。通過(guò)智能通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用，煤礦企業(yè)可以在井下建立起合理、科學(xué)的通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行模式。通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行首先必須符合國(guó)家及行業(yè)的相關(guān)規(guī)定，其次還要結(jié)合礦井自身的作業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整。進(jìn)行作業(yè)人員需要將礦井作業(yè)過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)及時(shí)反饋給管理人員，便于管理人員進(jìn)行管理方式的調(diào)整。

4.建立井下通風(fēng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)并確保數(shù)據(jù)可靠性。智能化通風(fēng)系統(tǒng)在許多工作環(huán)節(jié)中都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，減少了人工的控制，有效的提高了檢測(cè)數(shù)據(jù)的客觀、真實(shí)性，同時(shí)還極大的提高了檢測(cè)的效率。同時(shí)，智能檢測(cè)系統(tǒng)采用的是分區(qū)管理，能對(duì)礦井中的各個(gè)細(xì)小環(huán)節(jié)進(jìn)行良好的把控。通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)采集各區(qū)域內(nèi)風(fēng)量，主要在各分區(qū)域內(nèi)機(jī)站風(fēng)機(jī)巷設(shè)置的風(fēng)速傳感器采集各區(qū)域風(fēng)量，經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)入通風(fēng)系統(tǒng)智能控制終端，得到實(shí)際供風(fēng)量。定期對(duì)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，確保其可靠性及穩(wěn)定性。建立三維通風(fēng)系統(tǒng)模型，三維通風(fēng)系統(tǒng)模式的建立是智能通風(fēng)系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)之一。通過(guò)三維通風(fēng)系統(tǒng)模式的建立，可以對(duì)礦井內(nèi)部的實(shí)際施工情況進(jìn)行模擬，從而確保通風(fēng)量能夠滿足實(shí)際開采作業(yè)的需要。

5.智能通風(fēng)系統(tǒng)的適用性。當(dāng)前大多數(shù)礦井都采用了通風(fēng)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，信息的傳輸速率和處理速率都有明顯提升。網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的應(yīng)用使得系統(tǒng)的精確度有了更好的保障，此外還能通過(guò)控制中心對(duì)礦井通風(fēng)進(jìn)行有效的調(diào)整。智能通風(fēng)采用多功能計(jì)算機(jī)，其在電路連接形式方面進(jìn)一步優(yōu)化，解決了單一信號(hào)傳輸不足問(wèn)題，使大型礦區(qū)通風(fēng)有了可靠的傳輸平臺(tái)。智能局部通風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)掘進(jìn)工作面的瓦斯?jié)舛?、風(fēng)量、風(fēng)速來(lái)自動(dòng)調(diào)整風(fēng)速以調(diào)節(jié)風(fēng)量，能更有效地排出掘進(jìn)工作面的礦塵及各種有害氣體，有利于工作人員的身體、健康。智能化設(shè)計(jì)是在傳統(tǒng)采煤網(wǎng)基礎(chǔ)上開辟的新模式，注重煤礦井內(nèi)通風(fēng)改造是行業(yè)改革的必然趨勢(shì)。

智能通風(fēng)系統(tǒng)是在變頻技術(shù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)、智能控制技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)發(fā)展到一定水平后的必然產(chǎn)物。該礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)將整個(gè)煤炭礦井的各采、掘工作面監(jiān)測(cè)，主要通風(fēng)巷道監(jiān)測(cè)以及關(guān)鍵區(qū)域瓦斯、溫度、粉塵等的監(jiān)測(cè)與礦井主要通風(fēng)機(jī)和各局部通風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)整合成為一個(gè)智能化的整體，通過(guò)建立全礦井通風(fēng)數(shù)學(xué)模型，采用個(gè)性化、智能化技術(shù)方案來(lái)集中管理和智能化控制，及時(shí)調(diào)整和改善井下各關(guān)鍵區(qū)域的通風(fēng)情況，保證礦井的通風(fēng)安全，同時(shí)達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求。