多個(gè)采煤工作面風(fēng)量按需動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)

楊旭， 張浪， 馬強(qiáng)， 劉彥青， 張宏杰， 趙凱凱， 李偉， 段思恭， 耿鋒

（1. 山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000；2. 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；3. 煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

0 引言

礦井通風(fēng)安全、可靠、高效是保障礦井健康穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，采煤工作面是礦井最重要的用風(fēng)地點(diǎn)。受采煤工作面溫濕度、采空區(qū)自然發(fā)火狀況、瓦斯涌出、通風(fēng)路線長(zhǎng)度等因素影響，采煤工作面需風(fēng)量是動(dòng)態(tài)變化的，采煤工作面風(fēng)量調(diào)控是礦井通風(fēng)管理的重要工作。目前大部分礦井同時(shí)開采多個(gè)采煤工作面，由于礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量具有整體性，其中任一巷道分支風(fēng)量調(diào)控變化會(huì)引起其余巷道分支風(fēng)量變化[1-4]，礦井內(nèi)任一采煤工作面風(fēng)量調(diào)控會(huì)影響該礦井其他采煤工作面風(fēng)量發(fā)生改變。

近年來，各大煤礦大力推進(jìn)智能化建設(shè)[5-8]，采煤工作面風(fēng)量智能調(diào)控是礦井智能通風(fēng)的重要建設(shè)內(nèi)容[9-11]。通過查閱大量參考文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)目前對(duì)采煤工作面風(fēng)量智能調(diào)控的研究主要基于礦井風(fēng)量自動(dòng)調(diào)控算法[12-13]或礦井風(fēng)量調(diào)節(jié)設(shè)備[14]，缺乏對(duì)多個(gè)采煤工作面風(fēng)量按需動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)方面的研究。針對(duì)該問題，本文以百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗、井下隔爆兼本安型控制分站為硬件基礎(chǔ)，基于風(fēng)阻調(diào)節(jié)量聯(lián)合解算方法、調(diào)節(jié)風(fēng)窗過風(fēng)面積與風(fēng)阻之間定量關(guān)系開發(fā)上位機(jī)解算軟件，構(gòu)建了多個(gè)采煤工作面風(fēng)量按需動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井多個(gè)采煤工作面風(fēng)量進(jìn)行安全、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)、快速、同步調(diào)控的目標(biāo)。

1 調(diào)節(jié)風(fēng)窗過風(fēng)面積與風(fēng)阻之間定量關(guān)系

百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗能夠?qū)︼L(fēng)窗過風(fēng)面積進(jìn)行連續(xù)調(diào)控，同時(shí)能夠獲得表征風(fēng)窗過風(fēng)面積與風(fēng)阻之間定量關(guān)系的連續(xù)函數(shù)，百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗結(jié)構(gòu)Fig. 1 Louvered remote automatic regulating air window structure

百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗過風(fēng)面積為

式中：n為百葉窗百葉個(gè)數(shù)；l為單頁百葉窗長(zhǎng)度，m；b為單頁百葉窗寬度，m；θ為風(fēng)窗開啟角度，（°）。

以山西天地王坡煤業(yè)有限公司3308采煤工作面回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗為研究對(duì)象，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）數(shù)值模擬方法，模擬百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗流場(chǎng)分布情況，進(jìn)而研究不同過風(fēng)面積下百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗風(fēng)阻百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗數(shù)值模擬模型參數(shù)見表1。

表1 百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗數(shù)值模擬模型關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Louvered remote automatic regulating air window numerical simulation model key parameters

百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗流場(chǎng)分布模擬結(jié)果如圖2所示?？煽闯鲈诎偃~式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗之前巷道內(nèi)氣壓和風(fēng)速分布均勻；在百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗位置處巷道內(nèi)氣壓和風(fēng)速驟然急劇變化，氣壓和風(fēng)速分布復(fù)雜，風(fēng)窗前后兩側(cè)巷道內(nèi)出現(xiàn)明顯的氣壓降低現(xiàn)象，降低值達(dá)100 Pa以上；在百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗之后巷道內(nèi)氣壓和風(fēng)速均逐漸恢復(fù)到巷道內(nèi)均勻分布狀態(tài)，氣壓要先于風(fēng)速恢復(fù)到巷道內(nèi)均勻分布狀態(tài)。表明調(diào)節(jié)風(fēng)窗對(duì)巷道風(fēng)流具有明顯的降壓增阻效果。

圖2 百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗流場(chǎng)分布Fig. 2 Louvered remote automatic regulating air window flow field distribution

百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗所在巷道的通風(fēng)阻力包括巷道摩擦阻力和風(fēng)窗阻力，數(shù)值模擬模型中設(shè)置巷道摩擦阻力為0，即百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗所在巷道通風(fēng)阻力為風(fēng)窗阻力。根據(jù)調(diào)節(jié)風(fēng)窗所在巷道的通風(fēng)阻力和巷道風(fēng)量，對(duì)百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗在不同過風(fēng)面積下的風(fēng)窗風(fēng)阻進(jìn)行模擬計(jì)算，如圖3所示?？煽闯霭偃~式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗風(fēng)阻隨風(fēng)窗過風(fēng)面積增大而減小。

圖3 百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗風(fēng)阻隨風(fēng)窗過風(fēng)面積變化的擬合曲線Fig. 3 Fitting curve of wind resistance with wind area of louvered remore automatic regulating air window

利用Origin軟件對(duì)百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗過風(fēng)面積與風(fēng)窗風(fēng)阻之間非線性關(guān)系進(jìn)行擬合，可得擬合度為0.994。

式中：R為風(fēng)窗風(fēng)阻；S0為風(fēng)窗最大過風(fēng)面積，m2；B，C為常數(shù)系數(shù)，由風(fēng)窗結(jié)構(gòu)、尺寸和風(fēng)窗所在巷道的巷道尺寸、斷面形狀決定，B=0.524 7 N·s2/m8，C=1.508。

實(shí)測(cè)在不同過風(fēng)面積下百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗所在巷道通風(fēng)阻力和巷道風(fēng)量，得到百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗風(fēng)阻，并與利用式（2）計(jì)算得到的風(fēng)窗風(fēng)阻進(jìn)行對(duì)比，見表2?？煽闯霈F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的風(fēng)窗風(fēng)阻與利用式（2）計(jì)算得到的風(fēng)窗風(fēng)阻之間相對(duì)誤差小于6%，說明采用CFD數(shù)值模擬方法模擬計(jì)算風(fēng)窗風(fēng)阻是可行的。

表2 百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗實(shí)測(cè)風(fēng)阻與計(jì)算風(fēng)阻對(duì)比Table 2 Comparison of measured and calculated wind resistance in louvered remote automatic regulating air window

由式（1）、式（2）推導(dǎo)得到風(fēng)窗開啟角度與百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗風(fēng)阻之間的關(guān)系函數(shù)。

2 多個(gè)采煤工作面風(fēng)阻調(diào)節(jié)量聯(lián)合解算方法

2022版《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定：采煤工作面應(yīng)當(dāng)實(shí)行獨(dú)立通風(fēng)，嚴(yán)禁2個(gè)采煤工作面之間串聯(lián)通風(fēng)。滿足該規(guī)定的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有采煤工作面均可作為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)余支，進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)回路圈劃。對(duì)于有M個(gè)基本回路、D個(gè)分支的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)采煤工作面基本回路數(shù)量為W，且包含E個(gè)采煤工作面分支，則剩余M-W個(gè)基本回路中不包含采煤工作面；已知W個(gè)包含采煤工作面的基本回路風(fēng)量，采用牛頓法迭代求解M-W個(gè)不包含采煤工作面的基本回路風(fēng)量；根據(jù)M個(gè)基本回路風(fēng)量求得通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)所有巷道分支風(fēng)量，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)量達(dá)到平衡，但W個(gè)包含采煤工作面的基本回路的風(fēng)壓不平衡；建立W個(gè)包含采煤工作面的基本回路的風(fēng)壓平衡方程（式（4）），計(jì)算得到E個(gè)采煤工作面巷道分支風(fēng)阻，按照計(jì)算結(jié)果對(duì)E個(gè)采煤工作面巷道分支風(fēng)阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，使通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到風(fēng)壓平衡，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)壓、風(fēng)量平衡。

式中：cij為第j（j=1,2，…，E，…，D）個(gè)分支在第i（i=1，2，…，W…，M）個(gè)基本回路中的系數(shù)，如果第i個(gè)基本回路中包含第j個(gè)分支，則cij=1，如果第i個(gè)基本回路中不包含第j個(gè)分支，則cij=0；Qj為第j個(gè)分支風(fēng)量，m3/s；ΔRj為第j個(gè)分支風(fēng)阻增量，N·s2/m8；Pj為第j個(gè)分支通風(fēng)動(dòng)力，Pa；為第j個(gè)分支風(fēng)阻初始值，N·s2/m8。

3 多個(gè)采煤工作面風(fēng)量按需動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)

根據(jù)調(diào)節(jié)風(fēng)窗過風(fēng)面積與風(fēng)阻之間定量關(guān)系函數(shù)、多個(gè)采煤工作面風(fēng)阻調(diào)節(jié)量聯(lián)合解算方法開發(fā)了上位機(jī)解算軟件，基于上位機(jī)解算軟件、井下隔爆兼本安型控制分站、百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗構(gòu)建了多個(gè)采煤工作面風(fēng)量按需動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。在上位機(jī)解算軟件內(nèi)預(yù)設(shè)各個(gè)采煤工作面風(fēng)量調(diào)節(jié)目標(biāo)值，上位機(jī)解算軟件調(diào)用多個(gè)采煤工作面風(fēng)阻調(diào)節(jié)量聯(lián)合解算程序，獲得各個(gè)采煤工作面調(diào)節(jié)風(fēng)窗風(fēng)阻調(diào)節(jié)量；上位機(jī)解算軟件繼續(xù)調(diào)用調(diào)節(jié)風(fēng)窗過風(fēng)面積與風(fēng)阻之間定量關(guān)系函數(shù)程序，根據(jù)各個(gè)采煤工作面調(diào)節(jié)風(fēng)窗風(fēng)阻調(diào)節(jié)量計(jì)算得到各個(gè)采煤工作面調(diào)節(jié)風(fēng)窗過風(fēng)面積和開啟角度目標(biāo)值；上位機(jī)解算軟件將各個(gè)采煤工作面調(diào)節(jié)風(fēng)窗開啟角度目標(biāo)值下發(fā)給井下隔爆兼本安型控制分站；井下隔爆兼本安型控制分站控制開啟壓風(fēng)氣源電磁閥，獲得調(diào)節(jié)風(fēng)窗壓風(fēng)動(dòng)力，開始調(diào)節(jié)風(fēng)窗開啟角度；井下隔爆兼本安型控制分站通過調(diào)節(jié)風(fēng)窗編碼器實(shí)時(shí)獲取調(diào)節(jié)風(fēng)窗開啟角度，調(diào)節(jié)風(fēng)窗開啟角度達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)窗開啟角度目標(biāo)值，井下隔爆兼本安型控制分站控制壓風(fēng)氣源電磁閥，關(guān)閉壓風(fēng)氣源電磁閥，停止調(diào)節(jié)風(fēng)窗開啟角度，完成調(diào)控過程。

圖4 多個(gè)采煤工作面風(fēng)量動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)流程Fig. 4 Realization process of dynamic linkage control for air volume of multiple coal working faces

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在王坡煤業(yè)3308采煤工作面和3203采煤工作面的回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷分別部署了相同規(guī)格的百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗，井下隔爆兼本安型控制分站采用PLC自動(dòng)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了地面遠(yuǎn)程自動(dòng)控制百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗。為了不影響采煤工作面正常生產(chǎn)，選擇檢修期間開展多個(gè)采煤工作面風(fēng)量按需動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過對(duì)比采煤工作面風(fēng)量調(diào)節(jié)目標(biāo)值與調(diào)節(jié)后實(shí)際風(fēng)量，驗(yàn)證系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。井下安裝的百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗實(shí)物如圖5所示。

圖5 百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗實(shí)物Fig. 5 Physical object of louvered remote automatic regulating air window

具體試驗(yàn)步驟如下：

（1） 通過上位機(jī)解算軟件分別設(shè)置3308采煤工作面和3203采煤工作面的風(fēng)量調(diào)節(jié)目標(biāo)值。

（2） 上位機(jī)解算軟件自動(dòng)進(jìn)行3308采煤工作面和3203采煤工作面風(fēng)量按需動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)調(diào)控決策，解算獲得2個(gè)采煤工作面回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷調(diào)節(jié)風(fēng)窗風(fēng)阻，進(jìn)一步計(jì)算獲得2個(gè)采煤工作面的回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷調(diào)節(jié)風(fēng)窗開啟角度。

（3） 上位機(jī)解算軟件向井下隔爆兼本安型控制分站發(fā)送“百葉開啟角度”指令，井下隔爆兼本安型控制分站遠(yuǎn)程自動(dòng)控制調(diào)節(jié)風(fēng)窗進(jìn)行執(zhí)行，快速自動(dòng)調(diào)節(jié)百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗開啟角度，一次性調(diào)節(jié)到位。

安排2名測(cè)風(fēng)人員利用葉輪式機(jī)械風(fēng)表分別測(cè)試2個(gè)采煤工作面回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)量，獲得2個(gè)采煤工作面完成風(fēng)量調(diào)節(jié)后的實(shí)際風(fēng)量，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果見表3?？煽闯?308采煤工作面和3203采煤工作面風(fēng)量調(diào)節(jié)目標(biāo)值與調(diào)節(jié)后實(shí)際風(fēng)量之間相對(duì)誤差均在7%以內(nèi)，表明多個(gè)采煤工作面風(fēng)量按需動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)具有良好的使用效果。

表3 3308采煤工作面和3203采煤工作面風(fēng)量按需動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Field test results of air volume on demand dynamic linkage control system in No.3308 working face and No.3203 working face

5 結(jié)論

（1） 基于多個(gè)采煤工作面風(fēng)阻調(diào)節(jié)量聯(lián)合解算方法、調(diào)節(jié)風(fēng)窗過風(fēng)面積與風(fēng)阻之間定量關(guān)系函數(shù)、井下隔爆兼本安型控制分站、百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗，構(gòu)建了多個(gè)采煤工作面風(fēng)量按需動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)。

（2） 采用CFD數(shù)值模擬方法模擬百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗流場(chǎng)分布情況，研究了不同過風(fēng)面積下百葉式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗風(fēng)阻，風(fēng)窗風(fēng)阻實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間相對(duì)誤差小于6%，說明采用CFD數(shù)值模擬方法模擬計(jì)算風(fēng)窗風(fēng)阻是可行的。

（3） 以王坡煤業(yè)3308采煤工作面和3203采煤工作面風(fēng)量為調(diào)控對(duì)象，進(jìn)行多個(gè)采煤工作面風(fēng)量按需動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，風(fēng)量調(diào)節(jié)目標(biāo)值與調(diào)節(jié)后實(shí)際風(fēng)量之間相對(duì)誤差均在7%以內(nèi)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有良好的使用效果。