礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

王陽

【摘 要】 本文針對礦井現(xiàn)階段采用的PLC及變頻器通風(fēng)控制系統(tǒng)存在響應(yīng)時(shí)間長、監(jiān)測數(shù)據(jù)處理能力不足、分析失準(zhǔn)等問題，提出采用現(xiàn)場總線技術(shù)的智能通風(fēng)控制系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)措施。在井下回采及掘進(jìn)工作面采用CO2釋放測試方法對采用的通風(fēng)系統(tǒng)智能化、實(shí)用性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，智能通風(fēng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)策略與人工方式一致，表明采用的通風(fēng)控制系統(tǒng)可以滿足應(yīng)對井下一般通風(fēng)故障需要。

【關(guān)鍵詞】 礦井通風(fēng);優(yōu)化;通風(fēng)構(gòu)筑物;響應(yīng)速度;通風(fēng)故障

【中圖分類號】 TD724 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）02-0028-03

強(qiáng)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)參數(shù)精準(zhǔn)測量與監(jiān)控、確保通風(fēng)系統(tǒng)平穩(wěn)可靠運(yùn)行，對保證礦井生產(chǎn)安全以及效益提升都有顯著促進(jìn)意義。

山西某礦開采面積94.38km2，可采資源儲(chǔ)量接近1.5億t，設(shè)計(jì)產(chǎn)能300萬t/a，主采3號煤層，埋藏平均680m，厚度在6.8m，采用綜放開采方式。礦井通風(fēng)采用中央并列式，回風(fēng)斜井及回風(fēng)立井采用風(fēng)機(jī)型號分別為FBCDZNo21/2×120、FBCDZNo32/2×400。

1通風(fēng)控制系統(tǒng)存在問題分析

礦井現(xiàn)階段采用的以PLC及變頻器為基礎(chǔ)的通風(fēng)控制系統(tǒng)，存在結(jié)構(gòu)簡單、便于操控等優(yōu)點(diǎn)，在礦井生產(chǎn)初期，通風(fēng)系統(tǒng)簡單時(shí)可以有效對礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，但是隨著礦井開拓系統(tǒng)不斷擴(kuò)展，井下通風(fēng)系統(tǒng)、地質(zhì)構(gòu)造更趨復(fù)雜，采用的通風(fēng)控制系統(tǒng)逐漸難以滿足礦井通風(fēng)可靠需要，具體表現(xiàn)為：

通風(fēng)控制系統(tǒng)受到自身結(jié)構(gòu)限制，對通風(fēng)參數(shù)監(jiān)控范圍有限，隨著礦井開拓延伸不斷擴(kuò)展，勢必會(huì)發(fā)生由于采集數(shù)據(jù)不足導(dǎo)致通風(fēng)控制系統(tǒng)分析結(jié)果偏差較大問題;

隨著通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜程度增加，傳感器采集數(shù)據(jù)、PLC控制系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)以及變頻器執(zhí)行控制指令耗時(shí)增加，會(huì)出現(xiàn)無法及時(shí)對通風(fēng)異常情況即刻響應(yīng)問題;

隨通風(fēng)系統(tǒng)延伸，通風(fēng)阻力變大，井下風(fēng)壓會(huì)有所降低，若PLC數(shù)據(jù)分析不及時(shí)，無法有效確保井下用風(fēng)需求。

總之，隨著礦井開采深度不斷增加，地質(zhì)構(gòu)造更趨復(fù)雜，礦井通風(fēng)系統(tǒng)距離變大、構(gòu)成復(fù)雜，現(xiàn)采用的通風(fēng)控制系統(tǒng)時(shí)常出現(xiàn)分析失準(zhǔn)、響應(yīng)耗時(shí)過長問題，不能快速調(diào)整風(fēng)流，達(dá)不到減災(zāi)防災(zāi)目標(biāo)。為了克服現(xiàn)階段礦井變頻器以及PLC構(gòu)建的通風(fēng)控制系統(tǒng)存在不足基礎(chǔ)上，基于礦井煤炭生產(chǎn)地質(zhì)條件，提出采用現(xiàn)場總線控制方式的智能通風(fēng)系統(tǒng)，并采用CO2測試智能通風(fēng)系統(tǒng)可靠性。

2礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)

2.1運(yùn)行原理

針對礦井現(xiàn)階段通風(fēng)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀，提出基于現(xiàn)場總線技術(shù)的智能通風(fēng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及執(zhí)行、險(xiǎn)情預(yù)警以及冗余設(shè)計(jì)等獨(dú)立功能模塊。具體工作原理為：

在通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)布置的各類傳感器對通風(fēng)設(shè)備、通風(fēng)構(gòu)筑物、風(fēng)流參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控采集，采集數(shù)據(jù)先通過采集卡形式發(fā)送至現(xiàn)場監(jiān)控PC，隨后通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至遠(yuǎn)程控制PC;

遠(yuǎn)程控制PC對通風(fēng)設(shè)備、構(gòu)筑物運(yùn)行參數(shù)以及通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行智能分析，并根據(jù)嵌入的算法做出合理控制決策，通過工業(yè)以太網(wǎng)將控制指令傳輸給現(xiàn)場監(jiān)控PC;

現(xiàn)場控制PC將收集到的指令傳輸給相應(yīng)的CAN節(jié)點(diǎn)，控制并監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

2.2系統(tǒng)優(yōu)勢

相對于礦井采用的傳統(tǒng)通風(fēng)控制系統(tǒng)，選用的智能通風(fēng)控制系統(tǒng)具有下述主要優(yōu)勢：

系統(tǒng)內(nèi)的各功能模塊獨(dú)立運(yùn)行，任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障不會(huì)給其他環(huán)節(jié)造成不利影響，控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性顯著提升;

控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用工業(yè)以太網(wǎng)以及CAN總線兩種方式，工業(yè)以太網(wǎng)用以現(xiàn)場監(jiān)控PC與遠(yuǎn)程監(jiān)控PC間數(shù)據(jù)交互;CAN總線用以現(xiàn)場監(jiān)控PC對通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備控制。采用的信息交互方式確保了控制系統(tǒng)具有快速反應(yīng)能力;

煤礦生產(chǎn)過程中面臨諸多不利因素影響，為應(yīng)對可能突發(fā)的各類問題給通風(fēng)控制系統(tǒng)造成的影響，確保智能通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，該智能通風(fēng)控制系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)配備有冗余系統(tǒng)，冗余系統(tǒng)可以在通風(fēng)構(gòu)筑物、通風(fēng)設(shè)備發(fā)生意外情況時(shí)及時(shí)、快速響應(yīng)，保證礦井通風(fēng)安全。

選用的智能通風(fēng)控制系統(tǒng)可以對礦井通風(fēng)設(shè)備、構(gòu)造物運(yùn)行參數(shù)及通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行時(shí)實(shí)在線監(jiān)測，具備大量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)同時(shí)分析處理能力，依據(jù)智能算法作出更為合理的決策指令，遠(yuǎn)程對通風(fēng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，掌握各個(gè)通風(fēng)節(jié)點(diǎn)變化情況，確保井下合理通風(fēng)。

3現(xiàn)場工業(yè)應(yīng)用測試分析

礦井于2018年2月開始使用智能通風(fēng)系統(tǒng)，為對該系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性進(jìn)行測試，在井下13307回采工作面以及13301煤巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行CO2釋放測試分析，從而判斷通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)對井下異常情況的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力。

3.1測試方案

在13307回采工作面、13301煤巷掘進(jìn)工作面同時(shí)測試，具體的測試步驟為：

在測試地面所有的通風(fēng)構(gòu)造物（主要為1～4號風(fēng)門、E～H號風(fēng)窗）均處于關(guān)閉狀態(tài)（0表示關(guān)閉、1表示開啟），地面風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)工作頻率為30Hz;

在測試地點(diǎn)用穩(wěn)壓閥將CO2緩慢釋放至M點(diǎn)及N點(diǎn)，CO2濃度增加3000×10-6表示“慢速”災(zāi)害、濃度增加5000×10-6表示“快速”災(zāi)害;

在最短時(shí)間以及最小風(fēng)速下對有害氣體濃度進(jìn)行稀釋，并對通風(fēng)設(shè)備及通風(fēng)構(gòu)筑物運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整，具體遵循原則為優(yōu)先調(diào)節(jié)風(fēng)門，其次調(diào)節(jié)風(fēng)窗，最后才調(diào)整通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，通過調(diào)整風(fēng)門、風(fēng)窗開度以及風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，達(dá)到最佳通風(fēng)控制策略;

井下用通風(fēng)風(fēng)速控制在0.7～2.7m/s，稀釋后的CO2濃度控制在2000×10-6以下。

具體在各測試點(diǎn)的位置、通風(fēng)線路及通風(fēng)構(gòu)筑物布置情況見圖1。

3.2測試結(jié)果分析

3.2.1 13307回采工作N點(diǎn)釋放CO2測試結(jié)果分析

具體在13307回采工作N點(diǎn)釋放CO2測試結(jié)果見表1。從表1可以得出，當(dāng)CO2釋放類型為慢速時(shí)，風(fēng)門、風(fēng)窗狀態(tài)分別為0111、0110，通風(fēng)機(jī)工作頻率為30Hz，通風(fēng)系統(tǒng)可以在124s將釋放點(diǎn)的CO2濃度降低至1924×10-6，整個(gè)耗時(shí)時(shí)間為124s;當(dāng)CO2釋放類型為快速時(shí)，若僅僅通過改變風(fēng)門、風(fēng)窗狀態(tài)無法實(shí)現(xiàn)降低CO2濃度目的，需要將通風(fēng)機(jī)工作頻率由30Hz調(diào)整至60Hz，風(fēng)門、風(fēng)窗狀態(tài)分別為0110、0111通風(fēng)系統(tǒng)可以在236s將釋放點(diǎn)的CO2濃度降低至1930×10-6。

在具體人工調(diào)節(jié)時(shí)也是將2、3號風(fēng)門、F、G號風(fēng)窗開啟，通過調(diào)整4號風(fēng)門、H號風(fēng)窗以及主要通風(fēng)機(jī)工作頻率，來達(dá)到既可以滿足通風(fēng)風(fēng)速需求，又可以降低CO2釋放點(diǎn)濃度目的。

3.2.2 13301軌道巷M點(diǎn)釋放CO2測試結(jié)果分析

具體在13301軌道巷M點(diǎn)釋放CO2測試結(jié)果見表2。從表2可以得出，當(dāng)CO2釋放類型為慢速時(shí)，保持通風(fēng)量及降低CO2濃度最佳的通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整策略為：風(fēng)門、風(fēng)窗狀態(tài)為0110、0101，主要通風(fēng)機(jī)工作頻率為30Hz，可以在131s時(shí)間內(nèi)將CO2濃度從3000×10-6降低至1955×10-6;當(dāng)CO2釋放類型為快速時(shí)，需要將主要通風(fēng)機(jī)工作頻率調(diào)整至60Hz，風(fēng)門、風(fēng)窗狀態(tài)為0100、0111，此時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)通過243s可以將CO2濃度從5000×10-6降低至1968×10-6。

正常情況下2號風(fēng)門、F號風(fēng)窗均為開啟狀態(tài)，4號風(fēng)門為關(guān)閉狀態(tài)、H號風(fēng)窗為開啟狀態(tài)。當(dāng)掘進(jìn)面出現(xiàn)通風(fēng)事故時(shí)，僅僅通過調(diào)整主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率以及3號風(fēng)門、G號風(fēng)窗進(jìn)行調(diào)節(jié)即可對掘進(jìn)面風(fēng)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)滿足13307回采工作面最低通風(fēng)速度要求。

3.2.3 M點(diǎn)、N點(diǎn)同時(shí)釋放CO2測測試結(jié)果分析

在M點(diǎn)、N點(diǎn)同時(shí)釋放CO2濃度為5000×10-6，通風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)門、風(fēng)窗以及主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到最優(yōu)通風(fēng)策略，具體調(diào)節(jié)結(jié)果見表3。

從表3可以看出，智能通風(fēng)控制系統(tǒng)將風(fēng)門、風(fēng)窗狀態(tài)調(diào)整為0110、0110，主要通風(fēng)機(jī)工作頻率提升至60Hz，回采工作面以及軌道巷掘進(jìn)工作面分別用時(shí)190s、192s將CO2濃度降低至運(yùn)行范圍內(nèi)。

在實(shí)際人工調(diào)節(jié)時(shí)，也是將2及3號風(fēng)門、F及G風(fēng)窗全部開啟，1及4號風(fēng)門、E及H風(fēng)窗全部關(guān)閉，增加主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，來提升掘進(jìn)以及回采工作面風(fēng)量，從而達(dá)到迅速稀釋有害氣體濃度目的。

3.3測試結(jié)果分析

從上述測試可以看出，礦井采用的智能通風(fēng)控制系統(tǒng)可以對通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果對通風(fēng)構(gòu)筑物、主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行遠(yuǎn)程智能調(diào)節(jié)，保障井下用風(fēng)點(diǎn)風(fēng)量以及用風(fēng)安全。

4總結(jié)

針對礦井現(xiàn)階段采用的通風(fēng)控制系統(tǒng)存在響應(yīng)速度慢、控制不及時(shí)、數(shù)據(jù)處理能力不足等問題，提出采用現(xiàn)場總線技術(shù)的智能通風(fēng)控制系統(tǒng)，并對智能通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成、優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行具體闡述。

在礦井13307回采工作面以及13301軌巷掘進(jìn)工作面采用CO2釋放測試方法對智能通風(fēng)控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，智能通風(fēng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)策略與人工方式一致，表現(xiàn)出智能通風(fēng)控制系統(tǒng)較強(qiáng)的實(shí)用性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]頊利芳.井下智能通風(fēng)系統(tǒng)研究[J].能源與節(jié)能，2020（1）：52-53.

[2]王鳳舞.智能礦井通風(fēng)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].世界有色金屬，2019（19）：18，20.

[3]聶貴亮.井下智能通風(fēng)控制系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].能源與節(jié)能，2019（12）：80-81.

[4]孟凡林.基于智能分析系統(tǒng)的新疆龜茲西井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化[J].能源與環(huán)保，2019，41（10）：123-128.

[5]韓利軍.礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化升級探究[J].能源與節(jié)能，2019（9）：80-81.

[6]羅紅波，李俊橋，李雨成.礦井通風(fēng)智能決策支持系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2019，35（7）：209-212.

[7]欒王鵬.礦井智能通風(fēng)與實(shí)時(shí)監(jiān)測控制系統(tǒng)[J].山東煤炭科技，2019（5）：183-185，191.

[8]劉紅英，王秋里.煤礦智能通風(fēng)系統(tǒng)研究[J].煤礦機(jī)械，2019，40（3）：37-38.

[9]王斌，王永寶，郝繼寶，等.王樓煤礦智能通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化[J].煤礦安全，2019，50（2）：105-108.

[10]徐明生.馬路坪礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造設(shè)計(jì)的研究[D].南昌：江西理工大學(xué)，2010.