淺談煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化

＊李 健

（晉能控股集團(tuán)陽(yáng)城晉圣上孔煤業(yè)有限公司 山西 048006）

引言

在時(shí)代不斷進(jìn)步的背景下，各行各業(yè)均實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)足發(fā)展，煤礦企業(yè)也是如此。當(dāng)今社會(huì)，人們對(duì)于煤礦的安全生產(chǎn)愈發(fā)重視。想要實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，就應(yīng)該注重礦井下的通風(fēng)情況，科學(xué)的進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)，為作業(yè)人員提供安全的生產(chǎn)環(huán)境。新時(shí)期信息技術(shù)較為發(fā)達(dá)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該注重新技術(shù)的引入，在保證順暢通風(fēng)的同時(shí)，也能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能，不斷提高生產(chǎn)效率，提升煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1.煤礦井下通風(fēng)的重要性

與其他的生產(chǎn)作業(yè)不同，煤礦生產(chǎn)是在地下進(jìn)行的，這在一定程度上增加了作業(yè)的復(fù)雜性。井下空氣不足，需要引入地面上的空氣。但是空氣在流入的過(guò)程中，會(huì)經(jīng)過(guò)不同的作業(yè)場(chǎng)所，使得空氣中摻入各種有毒有害氣體、粉塵等，導(dǎo)致空氣成分改變。再加上井下運(yùn)行設(shè)備不斷散熱以及地?zé)岬?，?huì)使得井下的溫度不斷升高，使得空氣變得更加惡劣。在這樣的情況下，只有通過(guò)通風(fēng)的方式才能夠改善井下的空氣條件，保證工人安全作業(yè)。進(jìn)行煤礦通風(fēng)，主要有以下幾方面原因：其一，保證井下空氣暢通，讓作業(yè)人員能夠呼吸新鮮空氣。其二，利用新風(fēng)帶走和稀釋有害氣體、粉塵等，讓井下的環(huán)境能夠達(dá)到《煤礦安全規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)。其三，保證礦井下的溫濕度適宜，為作業(yè)人員提供舒適的作業(yè)環(huán)境。其四，實(shí)現(xiàn)快速救災(zāi)。如果井下發(fā)生安全事故，可以通過(guò)控制風(fēng)流為救災(zāi)提供便利。也就是說(shuō)，只有保證井下的通風(fēng)順暢，才能夠保證作業(yè)人員生命安全，降低安全生產(chǎn)事故發(fā)生的概率，推動(dòng)煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。

2.煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化原則和基本要求

（1）優(yōu)化原則。在設(shè)計(jì)井下通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該注意以下原則：①簡(jiǎn)單化原則，符合經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化要求；②計(jì)劃優(yōu)先性原則，保證煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)方案的設(shè)計(jì)現(xiàn)象，通過(guò)方案設(shè)計(jì)的合理性，保證井下通風(fēng)設(shè)計(jì)的可行性；③煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化還要體現(xiàn)出良好的可靠性，保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可調(diào)；④通風(fēng)系統(tǒng)的性能與井下生產(chǎn)能力相匹配，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要符合煤礦安全生產(chǎn)規(guī)范和實(shí)際要求。

（2）基本要求。在開展通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案中，要符合以下基本要求：①確保井下通風(fēng)系統(tǒng)能夠?qū)⒊渥愕男迈r空氣輸送到井下工作面，保障一線作業(yè)人員的生產(chǎn)環(huán)境，提高井下作業(yè)安全性；②煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)還要盡可能簡(jiǎn)化，提高風(fēng)流的平穩(wěn)性，有利于通風(fēng)系統(tǒng)管控，提高煤礦井下作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)抵抗能力；③如果在進(jìn)行煤礦生產(chǎn)的過(guò)程中，出現(xiàn)安全事故，應(yīng)該第一時(shí)間幫助工人撤出，通過(guò)有效的方式促進(jìn)風(fēng)流可控性得到提升；④降低運(yùn)行費(fèi)用，井下的通風(fēng)系統(tǒng)需要一直處于運(yùn)行的狀態(tài)，因此必須從節(jié)能等方面入手，引進(jìn)新的技術(shù)盡可能的減少運(yùn)行費(fèi)用，以此來(lái)促進(jìn)煤礦企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展。

3.煤礦井下通風(fēng)阻力影響因素

（1）煤礦生產(chǎn)布局。煤礦工程具有較多的類型。不同類型的工程，無(wú)論是在地質(zhì)條件上，還是在生產(chǎn)的規(guī)模上都有著很大的不同。在這樣的情況下，通風(fēng)系統(tǒng)也應(yīng)該根據(jù)不同類型的煤礦工程進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，要因地制宜，提高通風(fēng)系統(tǒng)的科學(xué)性。

（2）巷道斷面的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，巷道的斷面是必須要考慮的因素，其對(duì)系統(tǒng)的性能等具有重要影響。巷道是煤礦工程的重要組成，其斷面的大小直接決定著通風(fēng)系統(tǒng)的工作效率。如果巷道的斷面較小，那么在巷道存在破損的情況下就會(huì)增加通風(fēng)阻力，進(jìn)而使得通風(fēng)不暢。并且阻力的增加會(huì)在一定程度上增加能源的損耗。

（3）采空區(qū)或者地表漏風(fēng)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該有效控制地表漏風(fēng)，可以通過(guò)空氣隔幕加以控制，同時(shí)也可以促進(jìn)通風(fēng)效率的提高。在選擇空氣隔幕時(shí)，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際選擇大口徑的隔幕，以此來(lái)減弱通風(fēng)阻力。

（4）礦井空巷問(wèn)題。一般而言，通風(fēng)裝置和動(dòng)力裝置是控制風(fēng)力與風(fēng)向的關(guān)鍵，讓它們發(fā)揮作用，促使煤礦井下實(shí)現(xiàn)順暢通風(fēng)。煤礦生產(chǎn)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，在不斷開發(fā)的過(guò)程中，地下會(huì)形成很多空巷。大部分空巷都沒(méi)有封閉處理，這就造成了通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)新風(fēng)外流的情況，給系統(tǒng)帶來(lái)了不良影響。

4.煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化策略

（1）合理分配通風(fēng)系統(tǒng)。在進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)的安裝時(shí)，應(yīng)該重視對(duì)通風(fēng)量的科學(xué)安排。在安裝之前，應(yīng)該深入礦井中進(jìn)行勘察。值得注意的是，在相關(guān)位置的通風(fēng)量發(fā)生變化后，如擴(kuò)大開采面等，必須要根據(jù)實(shí)際變化，進(jìn)行設(shè)備的更換，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)順暢通風(fēng)，防止意外的發(fā)生，促使作業(yè)人員能夠安全作業(yè)。同時(shí)，還應(yīng)該注重通風(fēng)阻力的降低，不斷提高通風(fēng)的效率。影響通風(fēng)效率的因素有很多，如通風(fēng)井的長(zhǎng)度、風(fēng)量的大小等?；诖耍诎惭b通風(fēng)系統(tǒng)的過(guò)程中，必須要綜合分析各種因素，考慮它們對(duì)通風(fēng)阻力的影響，提高設(shè)計(jì)和安裝的科學(xué)性。

（2）優(yōu)化礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。在井下，各個(gè)巷道之間需要進(jìn)行連接，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)的通路，這就需要在巷道中的恰當(dāng)位置安裝相關(guān)設(shè)備，進(jìn)行風(fēng)向和風(fēng)量的調(diào)節(jié)，促使新風(fēng)能夠在巷道中暢通，實(shí)現(xiàn)與地面空氣的轉(zhuǎn)換，讓井下充滿新鮮的空氣。關(guān)于巷道的連接，主要有兩種方式：一是并聯(lián)，這種方式可以顯著地提高風(fēng)的利用率，可以根據(jù)實(shí)際作業(yè)需要進(jìn)行通風(fēng)調(diào)節(jié)。在并聯(lián)的巷道中，風(fēng)的污染性會(huì)大大降低。二是串聯(lián)，這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于風(fēng)速與流量上，但是其會(huì)在一定程度上帶來(lái)污染，同時(shí)無(wú)法進(jìn)行風(fēng)量的調(diào)節(jié)。

（3）合理設(shè)置礦井通風(fēng)設(shè)施。井下的通風(fēng)設(shè)備也會(huì)影響到通風(fēng)效果，并且這種影響是直接性的，因此應(yīng)該注重通風(fēng)設(shè)備的科學(xué)設(shè)置。在通風(fēng)系統(tǒng)中，涉及的設(shè)備有風(fēng)窗、風(fēng)橋以及風(fēng)門等等，應(yīng)該進(jìn)行科學(xué)配置、合理安排，減少設(shè)備數(shù)量。此外，應(yīng)該重視對(duì)設(shè)備的檢修和維護(hù)，保證設(shè)備可以正常運(yùn)行，促進(jìn)井下通風(fēng)。

（4）監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分析。伴隨著煤礦企業(yè)的進(jìn)步發(fā)展，礦井規(guī)模不斷擴(kuò)大，這在一定程度上增加了通風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時(shí)也加重了作業(yè)人員的工作量。針對(duì)這種情況，應(yīng)該進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。相關(guān)工作人員在智能終端可以得到通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，了解系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，一旦發(fā)現(xiàn)不正常的現(xiàn)象，可以進(jìn)行及時(shí)檢查調(diào)整。想要實(shí)現(xiàn)科學(xué)監(jiān)測(cè)，就應(yīng)該合理的設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，不斷提高監(jiān)測(cè)的效果。

（5）構(gòu)建高效煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)。為了達(dá)到煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化效果，企業(yè)應(yīng)積極構(gòu)建全新的井下高效通風(fēng)模式，提高通風(fēng)系統(tǒng)的整體運(yùn)行性能[1]。在實(shí)際優(yōu)化中，煤礦企業(yè)應(yīng)組織專人做好煤礦通風(fēng)系統(tǒng)組件的巡查和性能監(jiān)控，確保煤礦井下通風(fēng)技術(shù)優(yōu)化順利實(shí)施。在高效通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用中，井下管理人員需要合理的選擇通風(fēng)設(shè)備，充分考慮通風(fēng)設(shè)備的維修便捷性與廠商信譽(yù)度，并且確保設(shè)備具有較高性能。在進(jìn)行煤礦井下通風(fēng)設(shè)備的檢修與評(píng)估環(huán)節(jié)中，應(yīng)積極構(gòu)建科學(xué)的管理體系，定期對(duì)煤礦井下通風(fēng)設(shè)備易損件和系統(tǒng)內(nèi)老化環(huán)節(jié)進(jìn)行更換，尤其應(yīng)重視煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)的保養(yǎng)修復(fù)管控，避免影響煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行效果，提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。

5.煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的實(shí)施案例

（1）工程概況。某煤礦工程地處該礦區(qū)的東北邊緣位置，該煤礦井下相對(duì)瓦斯涌出量為29.65m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到了102.72m3/t，屬于高瓦斯類型的礦井。煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)選用分區(qū)對(duì)角混合抽出方式，在煤礦井下的南北回風(fēng)立井和斜井中都設(shè)置獨(dú)立地對(duì)旋風(fēng)機(jī)，底部回風(fēng)立井設(shè)置2套軸流式風(fēng)機(jī)。由于每個(gè)區(qū)域相距較遠(yuǎn)，因此該礦井下的通風(fēng)系統(tǒng)較為分散，很難實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制效果，長(zhǎng)期運(yùn)行中都是憑借人為操作來(lái)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)控和巡查，降低了風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，同時(shí)在通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行中也很難結(jié)合具體情況對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而無(wú)法有效監(jiān)測(cè)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行情況，容易出現(xiàn)風(fēng)機(jī)耗能較高或故障等問(wèn)題。

通過(guò)新的煤礦井下通風(fēng)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以解決該煤礦工程的通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題，對(duì)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行全面優(yōu)化，引入集中化管理模式，提高通風(fēng)小了的基礎(chǔ)上，保證高瓦斯涌出量得到有效排放，保障煤礦井下作業(yè)安全。在本次煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化中，引入了柔性調(diào)節(jié)模式、以及集中控制系統(tǒng)，同時(shí)在通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)加入自動(dòng)化故障診斷功能，保障該煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)的靈活控制，最大限度保障煤礦井下作業(yè)安全。

（2）煤礦井下通風(fēng)控制系統(tǒng)優(yōu)化。結(jié)合該煤礦工程的井下通風(fēng)系統(tǒng)當(dāng)前情況分析，在系統(tǒng)優(yōu)化改造時(shí)充分考慮可行性、改造收效和改造成本等方向的因素，確定改造完成的煤礦井下通風(fēng)結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。

從上述井下通風(fēng)系統(tǒng)改造可以看出，其中主要可以分成人機(jī)界面、信號(hào)轉(zhuǎn)換、監(jiān)控對(duì)象和信號(hào)采集等幾個(gè)模塊。其中，監(jiān)控對(duì)象主要指的是通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)、電子控制柜、風(fēng)門以及變頻器等設(shè)備，在實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中，重點(diǎn)做好設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控要求。數(shù)據(jù)信息采集模塊一般是通過(guò)設(shè)置監(jiān)測(cè)目標(biāo)，通過(guò)井下各類傳感器和監(jiān)控目標(biāo)的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)目監(jiān)測(cè)。蔥桶提供通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)控的科學(xué)支撐[2]。信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊是將各類傳感器監(jiān)測(cè)獲取的常亮信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，為系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供參考。人機(jī)界面一般包含以太網(wǎng)、監(jiān)控終端設(shè)備以及計(jì)算機(jī)管理中心，以此來(lái)顯示煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)各模塊的運(yùn)行情況，及時(shí)反饋故障信息，并具備遠(yuǎn)程操控的功能，滿足煤礦井下特殊情況的遠(yuǎn)程調(diào)控需求。

（3）通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化。為了實(shí)現(xiàn)煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)的集中控制與溶性調(diào)整要求，通過(guò)結(jié)合該礦井的實(shí)際情況分析，對(duì)原本的通風(fēng)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，引入全新的閉環(huán)反饋調(diào)控系統(tǒng)，圖2為全新的閉環(huán)控制流程。

從圖2可以看出，優(yōu)化后的通風(fēng)控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)節(jié)可以對(duì)煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量、井下瓦斯?jié)舛?、?fù)壓情況以及粉塵濃度進(jìn)行全時(shí)段監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)量無(wú)法滿足井下瓦斯等有害氣體排放的需求時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)會(huì)結(jié)合具體的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出偏差量進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)反饋調(diào)節(jié)信號(hào)的傳輸，通過(guò)濾波調(diào)整和PID系統(tǒng)調(diào)控后，轉(zhuǎn)換成輸出頻率信號(hào)，實(shí)現(xiàn)變頻器輸出控制，為通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行柔性調(diào)節(jié)。為了有效實(shí)現(xiàn)控制穩(wěn)定性要求，在通風(fēng)系統(tǒng)中還要利用實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，完成雙重邏輯的對(duì)比和調(diào)節(jié)，確保通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

該煤礦的井下通風(fēng)系統(tǒng)工作時(shí)間較長(zhǎng)，為保證在不同模式下井下通風(fēng)控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，在進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)定環(huán)節(jié)中，假如風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換模式發(fā)生了故障，就可以轉(zhuǎn)換到正常的風(fēng)機(jī)工作模式，但倘若在一般狀況下進(jìn)行風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換，就必須合理地選用總風(fēng)量進(jìn)行替換，對(duì)主風(fēng)機(jī)和備用風(fēng)機(jī)實(shí)行控制聯(lián)合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)流損失狀態(tài)下完成風(fēng)機(jī)的靈活切換。

（4）風(fēng)機(jī)故障診斷和預(yù)警系統(tǒng)。煤炭開發(fā)工程可以進(jìn)行大量風(fēng)機(jī)事故數(shù)據(jù)分析，通過(guò)采用問(wèn)題樹方法，建立風(fēng)機(jī)事故的自動(dòng)巡查診斷系統(tǒng)，這個(gè)體系主要是結(jié)合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)收集的風(fēng)機(jī)運(yùn)行信息為依據(jù)，對(duì)其中出現(xiàn)的異常信息進(jìn)行逐層分解，判斷風(fēng)機(jī)運(yùn)行的事故性質(zhì)，從而采取相應(yīng)的事故排除措施。在對(duì)煤礦井下通風(fēng)設(shè)備的風(fēng)機(jī)進(jìn)行故障診斷工作時(shí)，當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)機(jī)械故障狀態(tài)時(shí)，就能夠通過(guò)對(duì)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)分析得到各種事故狀態(tài)下風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行的診斷信號(hào)，同時(shí)將轉(zhuǎn)換成特點(diǎn)故障信號(hào)波形，將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，在整個(gè)風(fēng)機(jī)工作流程中，就能夠很有效地完成風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)檢測(cè)，而倘若出現(xiàn)了信號(hào)異常情況，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)和數(shù)據(jù)庫(kù)中的故障頻譜進(jìn)行匹配，準(zhǔn)確的確定風(fēng)機(jī)故障類型，圖3為煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)故障頻率曲線。

（5）煤礦井下優(yōu)化后通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用情況。通過(guò)對(duì)該礦井工程中的通風(fēng)系統(tǒng)改造后，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1年時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行，結(jié)合具體的運(yùn)行狀態(tài)分析，該礦井取締了以往5個(gè)井下人為通風(fēng)巡查崗位，在實(shí)際運(yùn)行中井下并未發(fā)生由于粉塵或瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)帶來(lái)的安全事故。通過(guò)系統(tǒng)的柔性調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造，有效降低了14.6%的通風(fēng)系統(tǒng)耗電量，運(yùn)行故障率降低了82.2%。該煤礦工程已經(jīng)通過(guò)優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)為集團(tuán)主要項(xiàng)目，積極推廣更多礦井工程中應(yīng)用，都取得了理想的應(yīng)用效果。

6.結(jié)束語(yǔ)

通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵，當(dāng)今社會(huì)煤礦開采力度加大，井下問(wèn)題也不斷增加，如巖溫的增加、阻力的增大等，這些都會(huì)在很大程度上影響井下通風(fēng)，危害到作業(yè)人員生命安全。因此必須進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此來(lái)保證井下的安全生產(chǎn)。