深部巷道通風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用研究

霍志強(qiáng)

（山西焦煤西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

引言

煤礦井下通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中將新鮮風(fēng)流送入井下巷道和綜采工作面，并將巷道和工作面內(nèi)煤層釋放的瓦斯、硫化氫等有害氣體和井下生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的剩余熱量經(jīng)回風(fēng)巷道排出地表。與淺部煤層相比，深部煤層開(kāi)采過(guò)程中，采掘巷道和綜采工作面處溫度較高、瓦斯等有害氣體釋放速度快，需要地表通風(fēng)機(jī)提供更大的風(fēng)壓以滿足井下工作面和巷道的風(fēng)量需求。復(fù)雜的通風(fēng)環(huán)境要求礦井通風(fēng)系統(tǒng)具有更高的耐久性和安全性，傳統(tǒng)的由人工控制通風(fēng)機(jī)的方式難以根據(jù)井下條件實(shí)時(shí)調(diào)整通風(fēng)機(jī)功率和通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)，具有一定的滯后性[1]。利用PLC 智能監(jiān)控技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況和井下氣體、溫度等環(huán)境參數(shù)，經(jīng)控制模塊中預(yù)先存入的邏輯語(yǔ)句的判斷，及時(shí)輸出控制信號(hào)，調(diào)整通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)參數(shù)。與傳統(tǒng)的控制方法相比，PLC 智能監(jiān)控技術(shù)排除了人為因素的影響，具有明顯的智能化、自動(dòng)化和及時(shí)性特點(diǎn)[2]。

1 深部礦井通風(fēng)特點(diǎn)

1.1 地表通風(fēng)機(jī)

通風(fēng)系統(tǒng)所需風(fēng)壓包括通風(fēng)阻力和因?yàn)楦叨炔町a(chǎn)生的靜壓，計(jì)算公式如下：

式中：V0為地表通風(fēng)機(jī)初始風(fēng)壓，kPa；V1為新鮮空氣從井口流入井下，經(jīng)井下巷道和工作面后流出地表過(guò)程中所受到的工作阻力，kPa；V2為井口與井下工作面高度差產(chǎn)生的大氣壓力，kPa；V3為風(fēng)流從排風(fēng)井口排出時(shí)的殘余壓力，kPa。

從式（1）中可以發(fā)現(xiàn)，隨著開(kāi)采深度的增加，風(fēng)流在垂直方向上線路延長(zhǎng)，通風(fēng)阻力V1相應(yīng)增大，靜壓差V2增大，當(dāng)排風(fēng)口處殘余風(fēng)壓V3不變時(shí)，地表通風(fēng)機(jī)初始風(fēng)壓V0隨通風(fēng)阻力V1和靜壓差V2的增大而增大。深部煤層開(kāi)采時(shí)，為了得到更大的地表通風(fēng)機(jī)初始?jí)毫0，對(duì)通風(fēng)機(jī)的線速度、葉輪直徑和通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提出更高的要求，以滿足井下工作面和巷道的風(fēng)壓要求。在增大通風(fēng)機(jī)的線速度、葉輪直徑和通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)，通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)幅度隨之增大。過(guò)大的振動(dòng)幅度嚴(yán)重降低了通風(fēng)機(jī)的耐久性和安全性，并產(chǎn)生噪聲危害因素。為了確保通風(fēng)機(jī)安全高效運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中，要求通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)幅度不大于7 mm[3]。

1.2 深部煤層開(kāi)采對(duì)工作環(huán)境的影響

煤礦開(kāi)采時(shí)，井下溫度隨著開(kāi)采深度的增加逐漸增大，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，煤礦開(kāi)采時(shí)深度每增加100 m，井下溫度增加約3 ℃，為了確保井下的安全生產(chǎn)環(huán)境，要求井下溫度不大于26 ℃。同時(shí)，井下溫度的增高降低了巷道圍巖的瓦斯吸附常數(shù)，實(shí)驗(yàn)室條件下，巷道圍巖的最大吸附量與井下溫度的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 巷道圍巖的最大吸附量與井下溫度的關(guān)系

如圖1 所示，在20 ℃條件下，瓦斯飽和吸附常數(shù)a 為37 m3/t；在40 ℃條件下，瓦斯飽和吸附常數(shù)a為30 m3/t；隨著溫度的增加，巖瓦斯飽和吸附常數(shù)a呈下降趨勢(shì)，下降的幅度逐漸增大，巷道圍巖內(nèi)煤巖體的瓦斯吸附量減小，瓦斯釋放速度增加。為了防止瓦斯積聚產(chǎn)生瓦斯爆炸事故，規(guī)程要求總回風(fēng)巷道中瓦斯?jié)舛炔淮笥?.7%。

2 自動(dòng)控制技術(shù)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)控制在整流技術(shù)和PLC 智能監(jiān)控技術(shù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并控制通風(fēng)機(jī)及時(shí)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行工況。與傳統(tǒng)的通風(fēng)機(jī)控制技術(shù)相比，自動(dòng)控制技術(shù)具有高度的智能化、自動(dòng)化特點(diǎn)。其中，利用整流技術(shù)對(duì)通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)輸出頻率進(jìn)行調(diào)整是自動(dòng)控制技術(shù)的前提。在整流器的作用下，將供電網(wǎng)絡(luò)中頻率恒定的交流電經(jīng)整流器作用轉(zhuǎn)換為頻率可控的交流電，根據(jù)井下通風(fēng)系統(tǒng)環(huán)境和通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況，及時(shí)調(diào)整供電網(wǎng)絡(luò)輸出頻率。PLC 技術(shù)是以單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的智能控制技術(shù)，它將監(jiān)測(cè)到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，經(jīng)控制器中預(yù)先輸入的邏輯語(yǔ)句的判斷，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，經(jīng)輸出模塊轉(zhuǎn)換為電信號(hào)控制設(shè)備設(shè)施作出相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備設(shè)施的自動(dòng)智能控制。PLC 模塊如圖2 所示。

圖2 PLC 控制系統(tǒng)主要組成模塊

如圖2 所示，PLC 控制系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)模塊、輸入模塊、控制模塊、輸出模塊組成。根據(jù)控制對(duì)象的不同特性，選取相應(yīng)的單個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)以電信號(hào)的形式傳輸給輸入模塊，輸入模塊中含有大量的I/O 接口，每一個(gè)I/O接口與預(yù)先確定的監(jiān)測(cè)參數(shù)相對(duì)應(yīng)，當(dāng)監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)到相應(yīng)的預(yù)定參數(shù)值時(shí)，如一定的瓦斯?jié)舛?、環(huán)境溫度、風(fēng)速等，相應(yīng)的I/O接口結(jié)果為1，當(dāng)相應(yīng)的參數(shù)沒(méi)有達(dá)到預(yù)定值時(shí)，相應(yīng)的I/O接口結(jié)果為0，通過(guò)輸入模塊的作用，將監(jiān)測(cè)設(shè)備傳輸?shù)碾娦盘?hào)轉(zhuǎn)換為I/O數(shù)字信號(hào)傳輸給控制器；控制器模塊由一套可編程的存儲(chǔ)器組成，通過(guò)預(yù)先存入的邏輯判斷語(yǔ)句對(duì)輸入模塊傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，并將控制信號(hào)傳輸給輸出模塊，輸出模塊將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成可被識(shí)別的電信號(hào)控制相應(yīng)的設(shè)備設(shè)施。

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由上述分析可知，煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行與通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)幅度、深部巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛取⒕颅h(huán)境溫度、風(fēng)量有關(guān)，通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)幅度臨界值為7mm，深部巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛扰R界值為0.7%，深部巷道環(huán)境溫度不大于26°。井下所需風(fēng)量：

式中：Q 為監(jiān)測(cè)點(diǎn)處風(fēng)量，m3/min；V 為監(jiān)測(cè)點(diǎn)處風(fēng)速，m/min；S 為監(jiān)測(cè)點(diǎn)處斷面面積，m2；N 為井下作業(yè)人數(shù)；K 為礦井通風(fēng)系數(shù)，取值為1.2～1.25；

式（2）中，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處工作人員數(shù)量一定時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處所需風(fēng)量Q 是常數(shù)，相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的最小風(fēng)速V 也是一定的。

設(shè)計(jì)在井下巷道入口串聯(lián)布置一臺(tái)或數(shù)臺(tái)通風(fēng)機(jī)備用通風(fēng)機(jī)，選定監(jiān)測(cè)點(diǎn)處風(fēng)量正常時(shí)風(fēng)速的90%、80%作為井下局部通風(fēng)機(jī)的預(yù)警值和安全限值，選定瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)值1%、2%作為瓦斯?jié)舛葏?shù)的預(yù)警值和安全限值，選定監(jiān)測(cè)點(diǎn)處溫度臨界值的90%、100%作為溫度參數(shù)的預(yù)警值和安全限值。當(dāng)PLC 監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到深部巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到預(yù)警值時(shí)，PLC 監(jiān)控系統(tǒng)輸出控制信號(hào)打開(kāi)風(fēng)門；當(dāng)PLC監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到安全限值時(shí)，PLC 監(jiān)控系統(tǒng)輸出控制信號(hào)打開(kāi)備用通風(fēng)機(jī)，當(dāng)PLC 監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到深部巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到爆炸極限時(shí)，PLC 監(jiān)控系統(tǒng)控制報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提醒井下工作人員及時(shí)撤離工作面，由專業(yè)人員消除安全隱患后恢復(fù)作業(yè)。當(dāng)PLC 監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到深部巷道內(nèi)環(huán)境溫度達(dá)到預(yù)警值時(shí)，PLC 監(jiān)控系統(tǒng)輸出控制信號(hào)打開(kāi)風(fēng)門；當(dāng)PLC 監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到巷道內(nèi)環(huán)境溫度達(dá)到安全限值時(shí)，PLC 監(jiān)控系統(tǒng)輸出控制信號(hào)打開(kāi)備用通風(fēng)機(jī)，增大風(fēng)量將工作面生產(chǎn)作業(yè)產(chǎn)生的熱量帶出井下。由于井下通風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)通常用于緊急情況，為了確保井下工作面生產(chǎn)安全，放棄對(duì)井下通風(fēng)機(jī)振動(dòng)幅度的監(jiān)控，而集中監(jiān)控地表通風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)的通風(fēng)機(jī)，當(dāng)PLC 監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)到地表通風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)通風(fēng)機(jī)振動(dòng)幅度超過(guò)限值時(shí)，PLC監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)控制故障通風(fēng)機(jī)降低功率并發(fā)出聲光警報(bào)提醒工作人員排除設(shè)備故障，同時(shí)啟用地表通風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)的備用通風(fēng)機(jī)，確保井下巷道和工作面所需風(fēng)量。

4 自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

利用自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)某礦綜采工作面進(jìn)風(fēng)巷道的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，工作面情況如下：額定工作人員70 人，進(jìn)風(fēng)巷道截面積10.5 m2，回采工作面的瓦斯涌出量峰值為1.1 m3/s。采用KG94A2 型瓦斯傳感器測(cè)量工作面的瓦斯?jié)舛?，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在采煤工作面上部，KG94A2 型瓦斯傳感器采用熱催化原理監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛?，在瓦斯?jié)舛容^低時(shí)傳感器的催化元件工作穩(wěn)定、精度高，工作面瓦斯突出低谷值僅有0.2m3/s，瓦斯涌出量較小，因此選用在低瓦斯?jié)舛认氯杂泻芨呔鹊腒G94A2 型瓦斯傳感器；采用KG3044 型礦用溫度傳感器測(cè)量工作面的環(huán)境溫度，監(jiān)測(cè)點(diǎn)均勻布置在采煤工作面上部或中部，KG3044 型礦用溫度傳感器利用PN 結(jié)測(cè)溫原理，在0～100 ℃范圍內(nèi)，設(shè)備的精度可以達(dá)到1 ℃；采用測(cè)量范圍較廣，在風(fēng)速較低時(shí)，傳感器的靈敏度較高的KG3088 型礦用風(fēng)速傳感器測(cè)量該綜采工作面進(jìn)風(fēng)巷道的風(fēng)速，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在采煤工作面中部。

為保證煤礦開(kāi)采時(shí)的通風(fēng)安全，礦井通風(fēng)系數(shù)取最大值1.25，由式（2）計(jì)算可得，1507 綜采工作面設(shè)計(jì)風(fēng)量350 m3/min，由式（3）計(jì)算可得，進(jìn)風(fēng)巷道初始風(fēng)速0.56 m/s。PLC 智能監(jiān)控系統(tǒng)在該綜采工作面應(yīng)用過(guò)程中的監(jiān)測(cè)參數(shù)如表1 所示。

表1 綜采工作面監(jiān)測(cè)參數(shù)

PLC 智能監(jiān)控系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中，各監(jiān)測(cè)參數(shù)之間是邏輯關(guān)系，以保證綜采工作面通風(fēng)安全。如表1 所示，當(dāng)監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)到進(jìn)風(fēng)巷道風(fēng)速為0.532 m/s或瓦斯?jié)舛葹?%或環(huán)境溫度為23.4 ℃時(shí)，監(jiān)測(cè)信號(hào)經(jīng)PLC 控制器判斷，輸出控制風(fēng)門全開(kāi)的控制信號(hào)；當(dāng)監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)到進(jìn)風(fēng)巷道風(fēng)速為0.476 m/s 或瓦斯?jié)舛葹?%或環(huán)境溫度為28.6 ℃時(shí)，監(jiān)測(cè)信號(hào)經(jīng)PLC 控制器判斷，輸出控制局部通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的控制信號(hào)。當(dāng)?shù)乇硗L(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)的通風(fēng)機(jī)振動(dòng)幅度超過(guò)7 mm 時(shí)，正在運(yùn)行的通風(fēng)機(jī)降低輸出功率，備用通風(fēng)機(jī)啟用，確保井下綜采工作面風(fēng)量。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，在利用自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)進(jìn)風(fēng)巷道進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制的過(guò)程中，自動(dòng)控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)量、瓦斯?jié)舛?、環(huán)境溫度和地表通風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)幅度等通風(fēng)參數(shù)，經(jīng)預(yù)先輸入控制器的邏輯語(yǔ)句的判斷，能及時(shí)輸出控制風(fēng)門開(kāi)啟、井下局部通風(fēng)機(jī)開(kāi)啟或地表通風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)備用通風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制，提高了通風(fēng)系統(tǒng)可靠性。