綜采工作面通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化應(yīng)用

宋曉棟

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦，山西 呂梁 033102）

1 工作面概述

店坪煤礦206 工作面傾斜長(zhǎng)為245 m，走向長(zhǎng)度為1 724 m，工作面開采煤層為9#層且位于太原組中部，總厚度為3.1 m，煤層傾角0°～10°，平均5°；煤層厚度穩(wěn)定，夾矸為泥巖。

206 工作面瓦斯涌出量預(yù)估：9-2061 及9-2062兩巷掘進(jìn)期間相對(duì)瓦斯涌出量均為0.12 m3/t，206回采面預(yù)計(jì)最大日產(chǎn)量7 000 t，計(jì)算得206 回采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量約0.58 m3/min。 煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類，性質(zhì)為自燃，煤塵具有爆炸性。

2 前期工作面瓦斯及粉塵治理方式及問題分析

2.1 前期工作面瓦斯及粉塵治理措施

（1）回風(fēng)隅角瓦斯治理：206 工作面采用兩進(jìn)一回通風(fēng)方式，2061 巷為進(jìn)風(fēng)巷，工作面設(shè)計(jì)配風(fēng)量為1 684 m3/min，工作面風(fēng)流速度為1.6 m/s，工作面回采過程中產(chǎn)生的粉塵及有害氣體主要利用自然風(fēng)壓作用進(jìn)行排除；在回風(fēng)隅角處安裝瓦斯傳感器，每班安排專人進(jìn)行回風(fēng)隅角有害氣體檢測(cè)。

（2）工作面粉塵治理：206 工作面在割煤過程中主要通過安裝在采煤機(jī)滾筒內(nèi)外噴霧進(jìn)行落煤點(diǎn)降塵，對(duì)機(jī)道、運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽每隔100 m安裝一道直管式高壓噴霧裝置，該裝置通過供水軟管與工作面靜壓水管連接，靜壓水通過高壓噴頭進(jìn)行霧化降塵。

（3）瓦斯及粉塵治理現(xiàn)狀：206 工作面推進(jìn)速度為8.0 m/d。 割煤量為7 500 t，工作面出煤量大，導(dǎo)致采煤機(jī)割煤時(shí)落煤點(diǎn)產(chǎn)生高濃度揚(yáng)塵，且瓦斯涌出量大，采用噴霧灑水裝置降塵效果差[1]，利用自然風(fēng)壓通風(fēng)無法有效排除工作面內(nèi)殘余瓦斯，導(dǎo)致206 工作面在前期回采過程中，平均粉塵濃度高達(dá)112 mg/m3，能見度不足15 m，回風(fēng)隅角瓦斯積聚濃度平均為1.3%。

2.2 問題分析

（1）瓦斯治理效果差：206 工作面采用U 型通風(fēng)方式，工作面回采期間端頭支架移架時(shí)，在工作面兩端頭之間產(chǎn)生風(fēng)壓差，機(jī)頭處為高壓區(qū)，機(jī)尾處為負(fù)壓區(qū)，造成采空區(qū)內(nèi)有害氣體向負(fù)壓區(qū)積聚，并涌入回風(fēng)隅角處；而工作面內(nèi)風(fēng)流流經(jīng)回風(fēng)隅角處時(shí)與采空區(qū)內(nèi)負(fù)壓風(fēng)流匯合產(chǎn)生渦旋現(xiàn)象[2]，造成回風(fēng)隅角瓦斯積聚，自燃風(fēng)流無法有效稀釋、排除回風(fēng)隅角積聚瓦斯。

（2）降塵效果差：噴霧灑水降塵主要是利用水霧顆粒與粉塵顆粒之間橋連作用實(shí)現(xiàn)降塵目的[3-4]；通過現(xiàn)場(chǎng)不同粒徑噴霧顆粒降塵試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水霧顆粒粒徑在20～40 μm 之間降塵效果最佳，而采煤機(jī)內(nèi)外噴霧灑水時(shí)，由于高壓噴頭孔徑不一致，噴霧孔堵塞等原因，噴霧粒徑普遍大于50 μm，造成水霧顆粒吸塵效果差。

（3）靜壓水損失嚴(yán)重：工作面內(nèi)噴霧裝置與靜壓水管連接，由于工作面在回采時(shí)工作面內(nèi)需安裝4 道噴霧裝置，在兩條順槽內(nèi)需安裝12 道噴霧裝置，集中開啟時(shí)噴霧量大，降低了工作面內(nèi)靜壓水壓以及水量，而且噴霧后的積水無法二次回收利用，導(dǎo)致工作面、順槽底板積水量大。

（4）集中控制管理水平低：206 工作面回采前期回風(fēng)隅角瓦斯、工作面粉塵由專人進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每班配備3～5 名安檢員、瓦檢員以及防塵員，勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度大；而且采用人工監(jiān)測(cè)時(shí)，誤差率高、隨意性大[5]，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面瓦斯、粉塵實(shí)時(shí)監(jiān)控，集中控制管理自動(dòng)化水平低。

3 通風(fēng)集中控制系統(tǒng)應(yīng)用

為了提高工作面除塵、 瓦斯治理綜合自動(dòng)化水平，決定對(duì)206 工作面安裝一套以回風(fēng)隅角瓦斯治理、工作面粉塵治理為主的集中控制系統(tǒng)。

3.1 通風(fēng)集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

206 工作面安裝的通風(fēng)集中控制系統(tǒng)主要由回風(fēng)隅角排瓦斯系統(tǒng)、 綜合除塵系統(tǒng)、PLC 控制器、地面遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)千兆以太網(wǎng)等部分組成，如圖1 所示。

圖1 206 工作面通風(fēng)集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）回風(fēng)隅角排瓦斯系統(tǒng)：該裝置主要由風(fēng)流引射器、綜合保護(hù)器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯炔糠纸M成。風(fēng)流引射器功率為4.5 kW，吸風(fēng)量為11.2 m3/min，引射器安裝距回風(fēng)隅角10 m 處進(jìn)風(fēng)側(cè)支架頂梁下方；瓦斯?jié)舛葌鞲衅靼惭b在回風(fēng)隅角中部，瓦斯?jié)舛瘸迗?bào)警值為0.5%。

（2）綜合除塵系統(tǒng)：綜合防塵系統(tǒng)主要利用電控液壓開停實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)噴霧降塵的目的。 系統(tǒng)主要由電控液閥、粉塵濃度傳感器、隔爆型聯(lián)鎖開關(guān)、泡沫抑塵裝置等部分組成；其中泡沫抑塵裝置主要由泡沫生產(chǎn)器、 泡沫分配器以及泡沫噴頭等部分組成；粉塵濃度傳感器對(duì)粉塵濃度檢測(cè)報(bào)警值為30 mg/m3。

（3）PLC 控制器：PLC 控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵配置。 控制器主要對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中收集、處理、轉(zhuǎn)換以及指令發(fā)送等，控制器采用聯(lián)鎖信號(hào)線與各系統(tǒng)聯(lián)鎖開關(guān)以及傳感器控制連接，利用工業(yè)環(huán)網(wǎng)與數(shù)據(jù)交換站進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。

（4）地面操控系統(tǒng)：該系統(tǒng)安裝在地面調(diào)度室內(nèi)，系統(tǒng)主要包括上位機(jī)、顯示屏、打印機(jī)等，上位機(jī)內(nèi)安裝三維動(dòng)態(tài)組態(tài)軟件，井下數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)后通過三維動(dòng)態(tài)軟件將井下動(dòng)態(tài)畫面顯示在顯示器上，并可形成報(bào)表。

3.2 通風(fēng)集中控制系統(tǒng)工作原理

（1）回風(fēng)隅角排瓦斯系統(tǒng)工作原理

工作面回采過程中CH4監(jiān)測(cè)器安裝在回風(fēng)隅角處，當(dāng)回風(fēng)隅角出現(xiàn)瓦斯積聚現(xiàn)象且瓦斯?jié)舛冗_(dá)0.5%時(shí)，CH4監(jiān)測(cè)器將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)上傳至PLC控制柜內(nèi)，控制柜接收數(shù)據(jù)信號(hào)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，并轉(zhuǎn)為電信號(hào)傳遞至聯(lián)鎖開關(guān)，聯(lián)鎖開關(guān)接收信號(hào)后對(duì)風(fēng)流引射器供電并對(duì)回風(fēng)隅角進(jìn)行吹風(fēng)，排除回風(fēng)隅角瓦斯；當(dāng)回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛鹊陀?.5%時(shí)，監(jiān)測(cè)器再次將數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞至PLC 控制柜內(nèi)，通過控制作用切斷風(fēng)流引射器電源。

（2）綜合除塵系統(tǒng)工作原理

206 工作面回采期間粉塵濃度傳感器分別安裝在工作面機(jī)頭、機(jī)尾以及中部；泡沫抑塵裝置安裝在機(jī)頭卸載點(diǎn)、工作面中部以及回風(fēng)順槽距工作面10 m 處；傳感器監(jiān)測(cè)粉塵濃度報(bào)警值為30 mg/m3；當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)粉塵濃度達(dá)30 mg/m3時(shí)，傳感器報(bào)警并將數(shù)據(jù)上傳PLC 控制器內(nèi)，經(jīng)控制器分析處理通過控制聯(lián)鎖開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)電控液閥供電，電控液閥供電后在水壓、 風(fēng)壓作用下泡沫生產(chǎn)器產(chǎn)生高濃度泡沫，并進(jìn)行降塵；當(dāng)工作面粉塵濃度低于20 mg/m3時(shí)再次通過聯(lián)鎖控制作用，關(guān)閉電控液閥電源，停止降塵。

（3）地面遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)工作原理

地面遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要對(duì)井下集控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中PLC 控制柜對(duì)各類傳感器接受數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行收集、儲(chǔ)存，并聯(lián)接到井下網(wǎng)絡(luò)交換站，網(wǎng)絡(luò)交換站通過工業(yè)以太網(wǎng)上傳至地面網(wǎng)絡(luò)交換站以及上位機(jī)內(nèi)，上位機(jī)內(nèi)安裝專用組態(tài)軟件對(duì)收集數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理，并直觀地顯示在顯示器上，操作人員通過顯示器可對(duì)井下系統(tǒng)運(yùn)行情況、故障情況進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)可利用軟件對(duì)井下系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

4 結(jié)論

206 工作面安裝通風(fēng)集中控制系統(tǒng)后，通過5個(gè)月實(shí)際應(yīng)用來看，取得了顯著應(yīng)用成效：

1）通風(fēng)集中控制系統(tǒng)自動(dòng)化水平高，實(shí)現(xiàn)了工作面回風(fēng)隅角瓦斯治理、 工作面粉塵防治等遠(yuǎn)程集中控制的目的，降低了工作面瓦斯治理、防塵勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度。

2）通風(fēng)集中控制系統(tǒng)根據(jù)回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛取⒐ぷ髅娣蹓m濃度變化情況，系統(tǒng)自動(dòng)開啟進(jìn)行瓦斯排除和防塵，系統(tǒng)靈敏度高，解決了傳統(tǒng)噴霧降塵、自然風(fēng)壓排瓦斯時(shí)，效果差、難度大等技術(shù)難題。

3）206 工作面安裝該系統(tǒng)后，在后期回采中實(shí)測(cè)回風(fēng)隅角瓦斯平均濃度為0.4%，最高為0.7%，控制在瓦斯斷電值范圍內(nèi)；該系統(tǒng)安裝后滿足工作面高效回采時(shí)瓦斯治理、粉塵防治需求。