礦井局部通風(fēng)機(jī)智能通風(fēng)控制方法及策略研究

洪繼坤

（山東能源棗礦集團(tuán)蔣莊煤礦，山東 棗莊 277519）

1 控制局部通風(fēng)機(jī)的方法

若想使掘進(jìn)工作面的通風(fēng)機(jī)的智能化或自動(dòng)化控制得以實(shí)現(xiàn)，就要保障對(duì)掘進(jìn)工作面通風(fēng)中的3個(gè)方面，即控制器、通風(fēng)機(jī)可調(diào)節(jié)性及通風(fēng)有關(guān)的參數(shù)監(jiān)測(cè)。掘進(jìn)工作面進(jìn)行工作的人員數(shù)量、風(fēng)速、一氧化碳、甲烷等參數(shù)監(jiān)測(cè)就是通風(fēng)有關(guān)的參數(shù)監(jiān)測(cè)，通過調(diào)節(jié)變頻器就能使局部通風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)得以實(shí)現(xiàn)，微電子技術(shù)與變頻技術(shù)的使用可以經(jīng)過把通風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)的電源頻率進(jìn)行改變來對(duì)其交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制[1]。

當(dāng)選擇控制器時(shí)，控制方式有兩種，一種為控制器PLC的使用，且控制器PLC是可編程的邏輯控制器，其還具有獨(dú)立性，使用存儲(chǔ)器且為可編程，該存儲(chǔ)器主要用到里面存儲(chǔ)的程序中，主要用在用戶方面的指令，如算數(shù)操作、計(jì)算、定時(shí)、順序控制、邏輯運(yùn)算的執(zhí)行等，所有的生產(chǎn)過程與所有種類的控制可以由模擬式的輸出輸出或數(shù)字來實(shí)現(xiàn)。所采集的通風(fēng)有關(guān)參數(shù)可以由監(jiān)測(cè)分站來實(shí)現(xiàn)，依據(jù)所分析的控制策略來讓變頻器對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行發(fā)送，進(jìn)而可以實(shí)時(shí)控制局部通風(fēng)機(jī)。此方法對(duì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的平臺(tái)與局扇控制裝置二者的接入是沒有要求的，所具有較好的移植性，可以適用于網(wǎng)絡(luò)傳輸、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等煤礦對(duì)不一樣廠家的產(chǎn)品進(jìn)行選擇。在煤礦現(xiàn)場(chǎng)中，在完成了通風(fēng)系統(tǒng)平臺(tái)的部署，PLC控制柜的數(shù)量就不用增加了，局部通風(fēng)機(jī)可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。安全監(jiān)控系統(tǒng)可以使最根本的數(shù)據(jù)采集得以實(shí)現(xiàn)，其決策模塊可以使控制邏輯分析得以實(shí)現(xiàn)。所具有的優(yōu)點(diǎn)是極易使其智能化、自動(dòng)化控制得以實(shí)現(xiàn)，可是，通風(fēng)與安全監(jiān)控系統(tǒng)2個(gè)平臺(tái)就一定要在煤礦的現(xiàn)場(chǎng)中，且完整性比較高。圖1為兩種控制方案的示意圖。

從圖1能夠發(fā)現(xiàn)，局部通風(fēng)機(jī)控制方案在被煤礦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行選擇時(shí)，適用性一定要考慮進(jìn)來，在控制策略中會(huì)全面分析很多數(shù)據(jù)，包括人員具體位置、巷道掘進(jìn)的風(fēng)速、粉塵的濃度、甲烷的涌出等，在控制風(fēng)速時(shí)，需要滿足有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)。

圖1 局部通風(fēng)機(jī)控制方案示意圖

2 控制局部通風(fēng)機(jī)策略

在控制局部通風(fēng)機(jī)時(shí)，第一個(gè)要滿足的就是有關(guān)法規(guī)要滿足掘進(jìn)工作面的通風(fēng)方面的要求，當(dāng)巖巷掘進(jìn)關(guān)于風(fēng)速的要求要在0.15 m/s以上，半巖巷或煤巷掘進(jìn)的風(fēng)速要在0.25 m/s以上，風(fēng)速最大不得比4.00 m/s高；依據(jù)在工作面進(jìn)行工作的人數(shù)方面的要求，1個(gè)人所供給的風(fēng)量要在4 m3/mm以上；依據(jù)氣體濃度方面的要求，一氧化碳與甲烷濃度分別在24×10-6、1.00%以下。以此為基礎(chǔ)，在本文中，對(duì)人員供風(fēng)的需求、一氧化碳、風(fēng)速、甲烷等調(diào)整局部通風(fēng)機(jī)策略進(jìn)行了討論。值得注意的是，在本文中，在調(diào)整通風(fēng)動(dòng)力時(shí)，不管是下調(diào)或增加，調(diào)整幅度一次只有10%。

1）調(diào)風(fēng)策略是以風(fēng)速為基礎(chǔ)。該調(diào)風(fēng)策略是以風(fēng)速監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)的，相對(duì)來說是比較簡單的，在風(fēng)速在0.15 m/s或0.25 m/s以下時(shí)，就要把通風(fēng)的動(dòng)力增大；在風(fēng)速在4.0 m/s以上時(shí)，就有把通風(fēng)動(dòng)力減小。

2）調(diào)風(fēng)策略是以作業(yè)人員的數(shù)量為基礎(chǔ)。該調(diào)風(fēng)策略是以監(jiān)測(cè)作業(yè)人員的數(shù)量為基礎(chǔ)，控制的只是調(diào)控的下限，就是1個(gè)人的供風(fēng)量在4 m3/min以下時(shí)，就要把通風(fēng)動(dòng)力增加，調(diào)整風(fēng)速就代表對(duì)其的調(diào)整，在現(xiàn)在工作面的人數(shù)是N個(gè)時(shí)，風(fēng)速最小就是vN，其計(jì)算公式為式（1）。

式中：vN為按照人員的數(shù)量能夠調(diào)節(jié)風(fēng)速的最小值，m/s；N為現(xiàn)在掘進(jìn)工作面正在掘進(jìn)的人數(shù)；Sv為對(duì)應(yīng)現(xiàn)在風(fēng)速傳感器處的斷面面積，m2。

3）調(diào)風(fēng)策略以一氧化碳的濃度為基礎(chǔ)。該調(diào)風(fēng)策略是以一氧化碳的濃度為基礎(chǔ)，控制的只是調(diào)控的下限，就是在一氧化碳的濃度在24×10-6以上時(shí)，就要把通風(fēng)動(dòng)力增加。在下調(diào)其動(dòng)力時(shí)，一氧化碳的濃度不能當(dāng)做依據(jù)，就是通風(fēng)動(dòng)力不會(huì)由于一氧化碳濃度的下降而下降。

4）調(diào)風(fēng)策略以甲烷涌出為基礎(chǔ)。安全就煤礦而言是十分重要的，其中的一個(gè)監(jiān)測(cè)參數(shù)就是甲烷，風(fēng)電的閉鎖、超限報(bào)警等是一般會(huì)涉及的。若無法提前控制斷電濃度與超限，這樣就會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的所有生產(chǎn)產(chǎn)生影響，就會(huì)有安全隱患，所以，在本文中，把超前的調(diào)風(fēng)策略提出來了，且是以分析甲烷涌出為基礎(chǔ)的。超前調(diào)控主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一方面是超前調(diào)控監(jiān)測(cè)值，且監(jiān)測(cè)值是實(shí)時(shí)的，提前在甲烷濃度是1.00%時(shí)報(bào)警限流，就是甲烷濃度在0.80%左右時(shí)，就能把變頻控制打開，把通風(fēng)動(dòng)力增大，避免甲烷濃度大于限制。增加風(fēng)量時(shí)，甲烷的濃度降低，并降低至某個(gè)特定值時(shí)，通風(fēng)機(jī)的動(dòng)力就會(huì)被變頻器下調(diào)，當(dāng)甲烷濃度下降至特定值時(shí)，通風(fēng)動(dòng)力比較穩(wěn)定，通常要在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定門限的濃度值，且是臨界性的，CT就代表門限值。

當(dāng)所有要求都被滿足之后，甲烷濃度在某特定值時(shí)，就能對(duì)通風(fēng)動(dòng)力進(jìn)行下調(diào)，以預(yù)期與現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)來確定此門限值CT，例如，設(shè)定時(shí)根據(jù)0.30%或0.20%，若濃度在設(shè)定值之下時(shí)，對(duì)其通風(fēng)動(dòng)力進(jìn)行下調(diào)，公式（2）就是其調(diào)整下限所相對(duì)應(yīng)的風(fēng)速：

式中：vT為設(shè)定能夠調(diào)節(jié)的風(fēng)速的最小值，m/s；Q1為現(xiàn)在的甲烷涌出量，m3/min；Sv為對(duì)應(yīng)現(xiàn)在風(fēng)速傳感器處的斷面面積，m2；CT為預(yù)期甲烷濃度的設(shè)定值。

第二方面，經(jīng)過分析甲烷濃度在時(shí)間上的變化，甲烷涌出的最高值的超前預(yù)測(cè)，保證甲烷涌出的最高值在規(guī)定限值內(nèi)。由于不斷改變的生產(chǎn)工序，這導(dǎo)致甲烷涌出量在不斷改變，在進(jìn)行掘進(jìn)操作過程中，就會(huì)有甲烷涌出最高值出現(xiàn)。當(dāng)變頻調(diào)節(jié)局部通風(fēng)機(jī)時(shí)，在對(duì)排放一氧化碳、人員需風(fēng)、風(fēng)速等這些要求符合之后，可以在實(shí)用與經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行考慮，依據(jù)甲烷濃度的走向力對(duì)通風(fēng)動(dòng)力進(jìn)行下調(diào)。由于要避免在掘進(jìn)操作過程中，有甲烷大量涌出來，而有超限產(chǎn)生，在本文中，提出把甲烷涌出最高量且是近期3天來對(duì)其通風(fēng)動(dòng)力的下限進(jìn)行確定，這就要求在通風(fēng)動(dòng)力最小時(shí)可以符合依據(jù)甲烷最大涌出量時(shí)甲烷濃度在1.0%以下這一要求來對(duì)掘進(jìn)巷道在相同速度對(duì)下限的控制進(jìn)行確定，對(duì)甲烷濃度在限額以上的要超前預(yù)控。計(jì)算該控制方案要把斷面的面積與風(fēng)速傳感器結(jié)合起來，公式（3）為對(duì)最小風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算的公式：

式中：vmin為現(xiàn)在能夠接受的風(fēng)速的最小值，m/s；Qmax為甲烷3天內(nèi)涌出的最大量，m3/min；Sv為對(duì)應(yīng)現(xiàn)在風(fēng)速傳感器處的斷面面積，m2。vT和vmin中值比較大的那個(gè)是調(diào)控的最小風(fēng)速。此時(shí)就可以符合掘進(jìn)操作工程中，由于甲烷大量涌出，進(jìn)而導(dǎo)致超限產(chǎn)生，把超前調(diào)控使用到了局部通風(fēng)機(jī)中。經(jīng)過對(duì)甲烷、人員、一氧化碳與風(fēng)速進(jìn)行總結(jié)。

在調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)不能對(duì)氣體排放或規(guī)程與人員的有關(guān)需求滿足時(shí)，就會(huì)有告警被系統(tǒng)給發(fā)出來。分配I/O口可以使PLC控制柜得以實(shí)現(xiàn)，在對(duì)模擬量的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出時(shí)，所使用的頻率是200～1000 Hz或1～5 mA，模擬量包括一氧化碳、風(fēng)速、甲烷等，在由本安信號(hào)進(jìn)行隔離，均把信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA，在進(jìn)到有輸入模擬量的模塊的PLC中，對(duì)濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。且PLC把0～20 mA的電流輸出到主控板中，且主控板存在于變頻器的機(jī)芯中，使輸出頻率的調(diào)節(jié)為0～50 Hz。

3 結(jié)語

文章指出現(xiàn)在礦井掘進(jìn)工作面在管理通風(fēng)的狀況，判斷局部通風(fēng)調(diào)節(jié)憑借人工所總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，缺乏和現(xiàn)場(chǎng)所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)施關(guān)聯(lián)分析的問題，提出控制局部通風(fēng)機(jī)需要和人員、風(fēng)速、一氧化碳與甲烷來對(duì)控制關(guān)聯(lián)。按照煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況，分析出系統(tǒng)與局部兩種實(shí)時(shí)控制方案，并對(duì)各個(gè)方案所具有的優(yōu)點(diǎn)與所適用的情況進(jìn)行了分析。

提出以排放甲烷、排放一氧化碳、人員的需風(fēng)、規(guī)程規(guī)定為基礎(chǔ)的掘進(jìn)工作面的控制策略，并對(duì)整個(gè)控制過程進(jìn)行了梳理。使用上述策略不但使排放甲烷的安全性得以提高，還使其通風(fēng)動(dòng)力得到了節(jié)約。