礦井通風系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略研究

康志國

（晉能控股煤業(yè)集團云崗礦管路區(qū)，山西 大同 037017）

引言

某礦12 號煤層410 盤區(qū)的可開采面積為94.38 km2，設(shè)計產(chǎn)能300 萬t/年，煤層平均厚度為2.30 m，煤層結(jié)構(gòu)比較簡單，沒有特殊地質(zhì)構(gòu)造，煤塵不具有爆炸性，且瓦斯含量較低[1]。目前井下的通風系統(tǒng)是中央并列式，在回采初期，使用的是PLC+變頻器的通風系統(tǒng)，可以對井下的通風狀況進行監(jiān)測，但井下開采范圍和深度的不斷增大，加上通風系統(tǒng)的規(guī)模要不斷增大，使整個通風系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，數(shù)據(jù)分析出現(xiàn)失誤，無法對風流進行準確調(diào)整，使防災(zāi)效果變差。因此，為了確保通風系統(tǒng)的穩(wěn)定安全，對現(xiàn)有的通風系統(tǒng)進行改進，根據(jù)測量的通風阻力，對通風系統(tǒng)進行及時調(diào)整，以此提升系統(tǒng)的安全性。

1 通風系統(tǒng)問題分析

目前某礦井下采用的是PLC+變頻器的通風控制系統(tǒng)[2]，這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡單，容易操作控制，在開采初期，這種簡單的通風系統(tǒng)可以準確監(jiān)控其運行狀態(tài)，具體的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1 所示。

圖1 PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

隨著開采深度的不斷增加，井下煤層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及通風系統(tǒng)都越來越復(fù)雜，單純地采用通風系統(tǒng)很難滿足礦井的通風要求，受自身結(jié)構(gòu)的限制，通過系統(tǒng)只能監(jiān)測到一定范圍的通風參數(shù)，無法采集到足夠的數(shù)據(jù)而使分析結(jié)果出現(xiàn)很大的偏差。通風系統(tǒng)越復(fù)雜，采集和處理數(shù)據(jù)的時間也會增加，無法及時響應(yīng)異常情況而出現(xiàn)安全隱患。通風系統(tǒng)越向深處延伸，通風的阻力越大，井下的風壓會降低，如果來不及對數(shù)據(jù)進行分析，就無法準確地達到通風要求。

2 通風系統(tǒng)控制策略

為了克服PLC+變頻器通風控制系統(tǒng)的不足，根據(jù)某礦的實際地質(zhì)情況，采用現(xiàn)場總線[3]的方式智能調(diào)節(jié)通風系統(tǒng)，并通過CO2來監(jiān)測?；诂F(xiàn)場總線技術(shù)的系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集、操作執(zhí)行、險情預(yù)警和冗余設(shè)計模塊，具體構(gòu)成如圖2 所示，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)井上井下數(shù)據(jù)的傳輸，CAN 總線實現(xiàn)計算機與設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，確保四個模塊之間相互獨立，互不影響，增加冗余系統(tǒng)，在出現(xiàn)意外時，可立即調(diào)用備用設(shè)備，確保生產(chǎn)時的通風安全。

圖2 現(xiàn)場總線模塊構(gòu)成圖

通過各類傳感器采集的井下設(shè)備運行、環(huán)境等信息，傳送給現(xiàn)場的監(jiān)控計算機，現(xiàn)場計算機通過以太網(wǎng)將信息發(fā)送給遠程監(jiān)控計算機，同時通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的處理，判斷井下設(shè)備的工作狀態(tài)，通過Internet 將控制指令發(fā)送給控制器，控制器在通過協(xié)議解析后，通過處理數(shù)據(jù)，做出適當?shù)臎Q策，將每個命令對應(yīng)發(fā)送給CAN 節(jié)點，控制各個設(shè)備的正常運行，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的安全性。對井下系統(tǒng)的建模結(jié)合智能分析和模糊控制算法[4]，通過遠程監(jiān)控計算機，根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)對整個系統(tǒng)進行預(yù)測和分析，如果井下現(xiàn)有的通風系統(tǒng)難以達到要求或存在安全隱患時，遠程監(jiān)控計算機就會向主控制器發(fā)送警示命令，此時啟動報警系統(tǒng)，提醒井下作業(yè)人員盡快撤離。為了確保在通風機出現(xiàn)緊急突發(fā)事故時，井下作業(yè)可以正常繼續(xù)，搭建冗余系統(tǒng)，確保備用設(shè)備及時運行，不影響安全生產(chǎn)。

以現(xiàn)場總線技術(shù)為基礎(chǔ)的通風系統(tǒng)通過對井下的通風狀況進行實時監(jiān)測，得到大量采集數(shù)據(jù)，通過分析匯總大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠找到最優(yōu)的處理方案，做到按需要供風，主控制器通過模糊控制算法，不斷地學(xué)習(xí)，得到各節(jié)點的數(shù)據(jù)趨勢，做到對風量進行超前調(diào)節(jié)，從而對設(shè)備進行精準調(diào)控，確保合適的供風量。

3 通風系統(tǒng)的應(yīng)用測試

對所建立的通風系統(tǒng)進行測試，確保測試點處的所有通風建筑物都處于關(guān)閉，主要是風門1 號、2號、3 號、4 號和風窗E 號、F 號、G 號、H 號，地面通風機的工作頻率是30 Hz，在測試點處，使用穩(wěn)壓閥將CO2濃度慢慢釋放到M、N 點，其中，慢速CO2質(zhì)量濃度稀釋到3 000×10-6g/m3，快速稀釋CO2質(zhì)量濃度到5 000×10-6g/m3，在短時間內(nèi)，使用最小風速來稀釋有害氣體，并不斷調(diào)整通風設(shè)備和通風建筑物，一般遵循以下的原則：先調(diào)節(jié)風門，再調(diào)節(jié)風窗，最后調(diào)節(jié)通風機的整體運行狀態(tài)，通過對風門、風窗和運行頻率的綜合調(diào)節(jié)，達到最優(yōu)的通風控制策略。在井下通風時，一般將通風風速設(shè)置在0.7～2.7 m/s，CO2質(zhì)量濃度在稀釋后控制在2 000×10-6g/m3以下，具體的測點位置、通風線路以及通風建筑物布置如圖3 所示。

圖3 測點位置、通風線路以及通風建筑物布置圖

回采工作面在M 點、N 點分別釋放CO2的測試結(jié)果如表1、2 所示，從表中可以看出，在監(jiān)測點M處，在慢速CO2釋放時，風門和風窗的狀態(tài)是0110和0110，風機頻率是30 Hz，在120 s 可以將CO2的質(zhì)量濃度稀釋到1 920×10-6g/m3，在快速CO2釋放時，風門和風窗的狀態(tài)是0110 和0111（其中，0 代表關(guān)閉，1 代表打開），風機頻率是60 Hz，在235 s 可以將CO2的質(zhì)量濃度稀釋到1 950×10-6g/m3；在監(jiān)測點N 處，在慢速CO2釋放時，風門和風窗的狀態(tài)是0111 和0101，風機頻率是30 Hz，在130 s 可以將CO2的質(zhì)量濃度稀釋到1 955×10-6g/m3，在快速CO2釋放時，風門和風窗的狀態(tài)是0101 和0111，風機頻率是60 Hz，在242 s 可以將CO2的質(zhì)量濃度稀釋到1 970×10-6g/m3。

表1 監(jiān)測點M 處CO2 濃度測試表

表2 監(jiān)測點N 處CO2 濃度測試表

因此，在通風機的初始狀態(tài)下，在慢速CO2釋放時，可以通過合理調(diào)整風門的狀態(tài)來降低CO2濃度，在快速CO2釋放時，需要適當調(diào)整風門和風窗的狀態(tài)，同時增加風機的頻率來降低CO2濃度。

4 結(jié)論

針對某礦目前通風系統(tǒng)響應(yīng)速度慢、無法準確調(diào)整風量等問題，提出以現(xiàn)場總線技術(shù)為基礎(chǔ)的智能通風控制系統(tǒng)，得到如下結(jié)果：

1）依靠現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，采用模糊控制算法分析和提前預(yù)測數(shù)據(jù)，得到最優(yōu)的調(diào)整方案，通過對監(jiān)測點處釋放的CO2濃度進行測試，可以得出，通過合理調(diào)整風門的狀態(tài)來降低CO2濃度，在快速CO2釋放時，適當調(diào)整風門和風窗的狀態(tài)，同時增加風機的頻率來降低CO2濃度。

2）結(jié)果表明，優(yōu)化后的通風系統(tǒng)能及時對井下通風狀況進行分析，通過遠程操控確保合適的供風量，提升通風系統(tǒng)的安全性。