基于通風機智能調(diào)節(jié)的井下瓦斯防治技術(shù)研究

汪 洋

（國家能源集團國源電力有限公司沙吉海煤礦， 新疆 塔城 834411）

引言

煤炭在開采過程中會釋放出一定的瓦斯氣體，當瓦斯含量超標時不僅會使井下作業(yè)人員產(chǎn)生瓦斯中毒，還會導致瓦斯爆炸，是威脅煤礦井下綜采作業(yè)安全的核心因素，因此確保井下瓦斯含量不超過警戒值是確保井下作業(yè)安全的關(guān)鍵。隨著綜采作業(yè)技術(shù)水平的不斷提升，單位時間內(nèi)的瓦斯涌出量不斷加大，礦井通風系統(tǒng)采用定轉(zhuǎn)速通風的模式無法根據(jù)井下瓦斯?jié)舛鹊淖兓`活調(diào)整，不僅能耗高，而且調(diào)節(jié)靈活性不足，無法滿足井下高效綜采的作業(yè)需求。

本文提出了一種新型基于通風機智能調(diào)節(jié)的井下瓦斯防治技術(shù)，通過對井下瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測自動匹配最佳的通風參數(shù)，控制通風機的運行，實現(xiàn)了風量- 瓦斯?jié)舛鹊闹悄芷ヅ?，根?jù)在煤礦井下的實際應用表明，該基于通風機智能調(diào)節(jié)的井下瓦斯防治技術(shù)，能夠?qū)⒕聺舛瘸瑯寺式档偷?，同時將通風系統(tǒng)的運行能耗降低18.5%，對提升礦井通風安全和經(jīng)濟性具有十分重要的意義。

1 通風控制系統(tǒng)需求分析

根據(jù)煤礦井下瓦斯變化特征及通風系統(tǒng)的運行模式，結(jié)合對礦井通風系統(tǒng)智能化、自動化的控制需求，本文所提出了通風機智能調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)需要具備以下功能[1]：

1）風機通風狀態(tài)自動調(diào)整。能夠根據(jù)井下空氣中的瓦斯?jié)舛茸兓闆r，自動調(diào)節(jié)礦井通風系統(tǒng)的運行狀態(tài)，保證井下瓦斯?jié)舛鹊钠胶庑浴?/p>

2）本安控制功能。使模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將瓦斯?jié)舛葏?shù)實時傳遞到控制中心內(nèi)，使井下瓦斯?jié)舛缺３衷诎踩秶鷥?nèi)，當出現(xiàn)異常時能夠快速切斷非本安電氣設(shè)備，保證井下作業(yè)安全性。

3）冗余控制。系統(tǒng)采用雙向、雙路控制系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置主機和備用機，兩機采用了同系統(tǒng)控制，同數(shù)據(jù)共享，能夠在出現(xiàn)故障時進行無縫切換，保證系統(tǒng)運行的安全性。

4）運行狀態(tài)監(jiān)測。系統(tǒng)能夠?qū)︼L機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和預警，當出現(xiàn)異常時能夠自動進行故障定位和預警，從而便于對故障的快速排除，提高風機系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。

結(jié)合以上分析，本文所提出的基于通風機智能調(diào)節(jié)的井下瓦斯防治技術(shù)配置功能如圖1 所示[2]。

2 通風控制系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合煤礦井下通風需求，本文所提出的礦井通風控制系統(tǒng)需要以井下瓦斯?jié)舛茸兓蜐舛茸兓蕿檎{(diào)整依據(jù)對風機的運行狀態(tài)進行調(diào)控。該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)包括PLC 智能控制中心及監(jiān)控模塊兩個部分，在智能控制中心中設(shè)置井下瓦斯?jié)舛劝踩秶?，用于對井下瓦斯變化情況進行及時預警。該通風控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如下頁圖2 所示[3]。

由圖2 可知，當系統(tǒng)運行時，各類監(jiān)測傳感器對通風機運行狀態(tài)及煤礦井下瓦斯?jié)舛群窟M行實時監(jiān)測，將瓦斯監(jiān)測結(jié)果從數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，傳輸?shù)絇LC 控制中心，由系統(tǒng)自動進行運算分析，確定最佳的風機運行參數(shù)，將控制信息傳遞給變頻器控制電路，控制變頻器的輸出，最終達到控制通風機靈活運行的目的。

該系統(tǒng)能夠通過傳感器對風機的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，當出現(xiàn)異常時自動進行報警和故障定位，便于能夠快速的判斷故障原因，提高風機的運行可靠性。為了滿足特殊工況下的運行可靠性需求，在系統(tǒng)中還設(shè)置了手動、自動變頻裝置，確保在特殊情況下系統(tǒng)運行的可靠性。

3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)選型

礦井通風系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)是對井下空氣中瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測的準確性，同時保證對風機運行狀態(tài)調(diào)節(jié)的可靠性，因此對變頻器、PLC 及傳感器電路、傳感器的選型要求在滿足精度的情況下盡可能保證可靠性，提高在煤礦井下惡劣環(huán)境下的使用壽命[4]。

為了提高數(shù)據(jù)調(diào)控的可靠性，需要保證數(shù)據(jù)信號輸出后未平滑的曲線，因此變頻器應具有可變電壓和可變交流電處理能力，經(jīng)過多次驗證后最終選擇了西門子公司的S9+300 系列PLC，其具有多個外部接口，能夠?qū)崿F(xiàn)多模塊的快速拓展。

該通風機運行控制系統(tǒng)中，不同輸出信號類型具有不同的接口電路，包括放大電路、濾波電路等，各種接口數(shù)據(jù)傳輸過程中會產(chǎn)生雜波信號干擾，因此需要設(shè)置專門的濾波控制程序[5]，進行濾波處理，同時對電路情況進行優(yōu)化。瓦斯?jié)舛葌鞲衅鬟x擇輸出為1～5 mA 的直流電路，變頻器的模擬輸入量則選擇0～20 mA 的直流電流驅(qū)動。

由于井下巷道結(jié)構(gòu)復雜，不同位置的風流量差異性比較大，因此設(shè)置傳感器時需要設(shè)置在正確的位置才能保證對井下巷道瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測的準確性。根據(jù)多次實際驗證，在布置傳感器時需要將其布置到綜采面的進風流、回風流的位置，能夠確保傳感器對瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測的準確性，井下瓦斯傳感器布置結(jié)構(gòu)如圖3所示[6]。

根據(jù)該通風控制系統(tǒng)的監(jiān)測精度需求，瓦斯?jié)舛葌鞲衅鬟x擇了KG9001 型[7]，該傳感器不僅具有聲光報警功能，而且能夠快速讀取瓦斯的泄漏濃度，具有一級間歇式報警功能，從而有效提升對井下瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測可靠性。

4 應用情況分析

目前該基于通風機智能調(diào)節(jié)的井下瓦斯防治技術(shù)已經(jīng)在多個煤礦井下投入應用，對應用后的瓦斯?jié)舛茸兓闆r進行監(jiān)測，結(jié)果如圖4 所示。

由實際監(jiān)測結(jié)果可知，優(yōu)化后瓦斯?jié)舛茸兓渴冀K在瓦斯報警線以下，表現(xiàn)出了極高的控制精確性，未再出現(xiàn)過瓦斯報警異常。同時通過對優(yōu)化前后的通風系統(tǒng)的運行能耗進行對比，新系統(tǒng)將通風系統(tǒng)的運行能耗降低18.5%，顯著提升了礦井通風系統(tǒng)的運行安全性和經(jīng)濟性。

5 結(jié)論

針對現(xiàn)有通風系統(tǒng)對井下瓦斯?jié)舛日{(diào)節(jié)性能差、能耗高、可靠性不足的情況，提出了一種新的基于通風機智能調(diào)節(jié)的井下瓦斯防治技術(shù)方案，對該方案整體結(jié)構(gòu)和應用情況進行了分析，結(jié)果表明：

1）通風機智能調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)需要具備風機通風狀態(tài)自動調(diào)整、本安控制功能、冗余控制、運行狀態(tài)監(jiān)測功能；

2）該控制系統(tǒng)包括PLC 智能控制中心及監(jiān)控模塊兩個部分，能夠滿足不同工況下的通風控制需求；

3）該基于通風機智能調(diào)節(jié)的井下瓦斯防治技術(shù)，能夠?qū)⒕聺舛瘸瑯寺式档偷?，同時將通風系統(tǒng)的運行能耗降低18.5%。