礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)和智能通風(fēng)構(gòu)筑物的應(yīng)用

王鵬飛

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

在礦井通風(fēng)系統(tǒng)的日常管理中，由于人為測(cè)風(fēng)、瓦斯監(jiān)測(cè)、反風(fēng)等行為存在時(shí)間遲滯性，出現(xiàn)問(wèn)題不能第一時(shí)間處理，可能造成事故發(fā)生后險(xiǎn)情得不到有效控制，人工干預(yù)嚴(yán)重影響了最佳的救援時(shí)間，因此，利用在線傳感設(shè)備和通風(fēng)設(shè)施本身，建立完善的實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)，是確保礦井實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的重要保障。

1 工程概況

伯方煤礦隸屬于山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司，礦井3303 工作面主采3#煤層，位于三盤(pán)區(qū)北翼，對(duì)應(yīng)地表標(biāo)高為+940～+1085 m，井下采面標(biāo)高為+560～+690 m。3#煤層平均厚度5.52 m，賦存傾角8°～10°，中間含有1～2 層夾矸，為碳質(zhì)泥巖和泥巖。煤層頂板巖性為砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖和粉砂質(zhì)泥巖。伯方煤礦采用中央并列式通風(fēng)方式，兩臺(tái)獨(dú)立通風(fēng)機(jī)排風(fēng)量可達(dá)到16 861 m3/min 和16 763 m3/min。3303 綜采工作面在回采期間，經(jīng)過(guò)風(fēng)量計(jì)算，合理需風(fēng)量在2047 m3/min。

2 通風(fēng)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)與智能監(jiān)控

2.1 組織結(jié)構(gòu)

根據(jù)智能化的通風(fēng)系統(tǒng)不同功能需求，可以在組織結(jié)構(gòu)層級(jí)上按照三級(jí)劃分，即地面監(jiān)測(cè)監(jiān)控中心、井下分系統(tǒng)傳輸管網(wǎng)、智能化監(jiān)控設(shè)備等[1-2]。智能化通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)如圖1。

圖1 智能化通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)

將智能化監(jiān)控設(shè)備安裝到各主要采掘工作面的進(jìn)回風(fēng)流的通路中，嚴(yán)格遵照《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)要求，對(duì)標(biāo)不同工作面需要監(jiān)測(cè)的CH4、H2S、CO、CO2、氮氧化物以及氧氣、溫度等參數(shù)，將監(jiān)控設(shè)備按照吊掛要求標(biāo)準(zhǔn)施工。在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中，將采集到的樣本數(shù)據(jù)上傳至井下各地點(diǎn)的監(jiān)測(cè)分站，再由光纜將信息數(shù)據(jù)回傳至地面智能化監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井下空氣成分與氣體信息的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控[3]。此外，對(duì)主要巷道的風(fēng)門(mén)安裝監(jiān)控視頻以及開(kāi)閉狀態(tài)報(bào)警裝置，一旦風(fēng)門(mén)出現(xiàn)未關(guān)閉或者同時(shí)打開(kāi)造成風(fēng)流短路的現(xiàn)象時(shí)，會(huì)第一時(shí)間將故障上傳，地面監(jiān)控中心安排人員及時(shí)處理恢復(fù)，確保通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

2.2 智能通風(fēng)系統(tǒng)

地面監(jiān)測(cè)監(jiān)控中心作為智能化監(jiān)控系統(tǒng)的指揮中樞，對(duì)井下所有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中氣體濃度、風(fēng)門(mén)狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)，進(jìn)行巷道風(fēng)量、風(fēng)速、風(fēng)壓、風(fēng)阻等信息的在線觀測(cè)。井下各施工地點(diǎn)新建通風(fēng)構(gòu)筑物對(duì)所在巷道風(fēng)量信息的影響等，均可在監(jiān)控中心大屏幕上進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，人員根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，按照通風(fēng)管理和瓦斯治理等工作需要，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算，合理對(duì)各用風(fēng)地點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)量調(diào)配，對(duì)風(fēng)門(mén)的異常開(kāi)閉狀態(tài)進(jìn)行人工檢查，確保風(fēng)門(mén)正常使用，避免風(fēng)流短路等事故發(fā)生[4]。同時(shí)，對(duì)風(fēng)阻較高的地點(diǎn)，尤其是總回風(fēng)大巷和各工作面專(zhuān)用回風(fēng)巷等年久失修巷道，安排專(zhuān)人進(jìn)行隱患排查，對(duì)巷道變形和冒落區(qū)域進(jìn)行加固處理，減小總回的風(fēng)阻影響，確保通風(fēng)系統(tǒng)正常。

3 新型通風(fēng)設(shè)施的構(gòu)筑設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)分站與監(jiān)控設(shè)備布置

3303 工作面采用“U”型通風(fēng)的方式，為了避免回采期間的瓦斯積聚，選用上行通風(fēng)的風(fēng)流路線，即從3303 工作面進(jìn)風(fēng)巷供風(fēng)，經(jīng)過(guò)切眼、回風(fēng)巷，風(fēng)流從專(zhuān)用回風(fēng)巷進(jìn)入三盤(pán)區(qū)回風(fēng)大巷，最終匯入礦井總回風(fēng)巷內(nèi)。

根據(jù)工作面風(fēng)流路線，分別在進(jìn)風(fēng)巷安裝風(fēng)量、風(fēng)壓傳感器，以及監(jiān)測(cè)CO、CO2等氣體的專(zhuān)用傳感器，在切眼上下隅角、回風(fēng)流以及專(zhuān)回口等地點(diǎn)安裝CH4、CO2、CO 等氣體傳感器。各傳感器通過(guò)專(zhuān)用光纖與井下各測(cè)點(diǎn)監(jiān)控分站相連，所有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)以太網(wǎng)回傳至地面監(jiān)控中心，形成完整的在線監(jiān)控系統(tǒng)。

3.2 智能化通風(fēng)設(shè)施

3.2.1 可控式百葉窗

在構(gòu)筑擋風(fēng)墻上方安裝百葉窗是為了能夠?qū)^(guò)巷風(fēng)量進(jìn)行有效微調(diào)，將百葉窗與傳感器相連接，可以根據(jù)傳感器采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，發(fā)布操作指令，利用軸承和滑動(dòng)杠桿控制百葉窗的旋轉(zhuǎn)角度，從而達(dá)到調(diào)控?fù)躏L(fēng)墻上方過(guò)風(fēng)量的目的。

由于擋風(fēng)墻多構(gòu)筑成直墻半圓拱形狀，巷道寬度為4.5 m，巷高3.8 m，巷道下半部直墻段左邊布置皮帶過(guò)風(fēng)門(mén)裝置，右邊安裝自閉式風(fēng)門(mén)。為加強(qiáng)上部半圓拱的支護(hù)強(qiáng)度，防止頂幫來(lái)壓造成風(fēng)門(mén)墻擠壓變形，一般采用“二四式”砌塊磚墻構(gòu)建，并在起拱處預(yù)埋設(shè)2～3 根工字鋼，起到承重防變形的作用。上方構(gòu)筑的可調(diào)節(jié)式百葉窗，扇葉可控角度為0°～90°，根據(jù)供風(fēng)量的需求，可調(diào)節(jié)扇葉偏轉(zhuǎn)角度，增大或減小過(guò)風(fēng)量，直至達(dá)到需要的計(jì)算風(fēng)量為止。為防止風(fēng)壓過(guò)大，造成扇葉偏轉(zhuǎn)后不能固定，影響風(fēng)量的穩(wěn)定性，當(dāng)百葉窗與傳感器連接后，在扇葉下方固定安裝有半圓形鋸齒狀限位裝置。當(dāng)扇葉偏轉(zhuǎn)到一定位置，達(dá)到調(diào)風(fēng)需求時(shí)，可通過(guò)限位裝置固定扇葉保持偏轉(zhuǎn)角度不變，以確保風(fēng)量穩(wěn)定。百葉窗構(gòu)筑方式如圖2。

圖2 百葉窗構(gòu)筑方式（mm）

3.2.2 遠(yuǎn)程自控式風(fēng)門(mén)

當(dāng)井下發(fā)生瓦斯或者火災(zāi)等災(zāi)變事故時(shí)，需要及時(shí)采取措施，調(diào)整不同地點(diǎn)的風(fēng)門(mén)開(kāi)閉狀態(tài)，促使井下通風(fēng)系統(tǒng)形成反風(fēng)狀態(tài)，或者改變?cè)瓉?lái)風(fēng)流方向，形成局部的風(fēng)壓等，以此減小災(zāi)害事故的影響范圍。因此，在礦井井底車(chē)場(chǎng)與總回風(fēng)巷聯(lián)絡(luò)巷處安裝可遠(yuǎn)程自控式風(fēng)門(mén)裝置極為必要。兩道風(fēng)門(mén)分別連接有開(kāi)閉狀態(tài)語(yǔ)音報(bào)警裝置，同時(shí)連接風(fēng)壓、風(fēng)量和風(fēng)速傳感器等，一旦其他地點(diǎn)出現(xiàn)異常，需要采取調(diào)風(fēng)措施，可通過(guò)傳感器傳達(dá)指令，遠(yuǎn)程遙控安裝在風(fēng)門(mén)合頁(yè)上的可伸縮式千斤頂柱塞裝置，自動(dòng)收回千斤頂，實(shí)現(xiàn)風(fēng)門(mén)的自動(dòng)開(kāi)啟，當(dāng)兩道風(fēng)門(mén)同時(shí)打開(kāi)后，便形成總回風(fēng)巷的反風(fēng)狀態(tài)；當(dāng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)消除后，地面控制中心發(fā)出指令，風(fēng)門(mén)后的千斤頂伸出，將風(fēng)門(mén)頂回原來(lái)的關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)兩扇風(fēng)門(mén)徹底關(guān)閉后，啟閉報(bào)警裝置警報(bào)解除，恢復(fù)正常監(jiān)控狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)風(fēng)門(mén)的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。車(chē)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)門(mén)構(gòu)筑如圖3。

圖3 車(chē)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)門(mén)構(gòu)筑（mm）

4 應(yīng)用效果分析

1）在智能化通風(fēng)構(gòu)筑物投入之前，采用人工方式進(jìn)行調(diào)風(fēng)，需要至少2～3 人分工作業(yè)，其中兩人調(diào)控風(fēng)葉角度，一人隨時(shí)進(jìn)行測(cè)風(fēng)計(jì)算，當(dāng)滿(mǎn)足風(fēng)量要求后再對(duì)風(fēng)葉進(jìn)行固定。每次耗時(shí)至少30～40 min，每人出勤工資為270 元/班，需投入人工成本510 元/次。經(jīng)過(guò)智能化改造后，全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化調(diào)風(fēng)，通過(guò)設(shè)定好所需風(fēng)量，每次調(diào)整只需5～10 min 即可完成，極大提高了調(diào)風(fēng)效率。

2）每月因人為監(jiān)控不到位，造成監(jiān)測(cè)探頭誤報(bào)警最多達(dá)到四次。采用智能化調(diào)風(fēng)裝置后，未出現(xiàn)過(guò)誤報(bào)警，提高了通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)各類(lèi)傳感器的引進(jìn)使用，利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)井下各主要采掘地點(diǎn)風(fēng)門(mén)狀態(tài)和氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并經(jīng)過(guò)光纖上傳至地面控制中心，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控的三級(jí)聯(lián)動(dòng)。

2）通過(guò)自動(dòng)化傳感器采集各種數(shù)據(jù)信息，便于管理人員及時(shí)作出調(diào)控，準(zhǔn)確控風(fēng)，降低人工采集風(fēng)量、風(fēng)速等信息的誤差，提高調(diào)風(fēng)效率和質(zhì)量。

3）通過(guò)可控式百葉窗和遠(yuǎn)程自控式風(fēng)門(mén)等通風(fēng)設(shè)施，降低人工操作的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了應(yīng)對(duì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)的調(diào)風(fēng)效率，確保了礦井通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的高效性和穩(wěn)定性。