長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)智能聯(lián)動(dòng)調(diào)控研究

王磊， 王凱

（1. 同煤大唐塔山煤礦有限公司，山西 大同 037000；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

隨著礦井機(jī)械化和智能化的不斷發(fā)展[1-3]，長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面的供風(fēng)已成為日常通風(fēng)安全管理的重要環(huán)節(jié)，超長(zhǎng)距離的大斷面掘進(jìn)給局部通風(fēng)管理造成困難，對(duì)掘進(jìn)安全造成了嚴(yán)重的威脅[4-5]。人工采集通風(fēng)參數(shù)、現(xiàn)有通風(fēng)機(jī)“一風(fēng)吹”、主備通風(fēng)機(jī)手動(dòng)切換等[6-9]已不能滿(mǎn)足現(xiàn)代化、集約化礦井的安全生產(chǎn)需求。長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)智能調(diào)控技術(shù)的研究和優(yōu)化，對(duì)保證礦井安全高效生產(chǎn)和礦工生命安全具有較大的理論與現(xiàn)實(shí)意義[10-11]。

在長(zhǎng)距離掘進(jìn)通風(fēng)調(diào)控與評(píng)價(jià)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究[12]。文獻(xiàn)[13]通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整局部通風(fēng)機(jī)頻率和轉(zhuǎn)數(shù)，滿(mǎn)足了大斷面長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面對(duì)風(fēng)量的需求。文獻(xiàn)[14-15]通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回歸模型確定通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)器的位置，并利用模糊控制實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器對(duì)通風(fēng)機(jī)的智能變頻調(diào)風(fēng)。文獻(xiàn)[16]基于數(shù)字孿生技術(shù)設(shè)計(jì)了礦井風(fēng)流調(diào)控虛擬系統(tǒng)，能夠更加有效地降低粉塵和瓦斯?jié)舛?。文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)了局部通風(fēng)機(jī)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)通風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。文獻(xiàn)[18]提出了基于瓦斯涌出量監(jiān)測(cè)和通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)風(fēng)的智能調(diào)風(fēng)方案，實(shí)現(xiàn)了局部通風(fēng)智能化供需匹配。文獻(xiàn)[19]利用數(shù)值模擬巷道風(fēng)速情況，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。文獻(xiàn)[20]基于模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)健康度進(jìn)行評(píng)價(jià)?，F(xiàn)有技術(shù)多局限于局部通風(fēng)機(jī)本身進(jìn)行變頻調(diào)風(fēng)，少有基于長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面按需供風(fēng)導(dǎo)向的通風(fēng)安全保障技術(shù)研究。本文設(shè)計(jì)了局部通風(fēng)智能調(diào)控系統(tǒng)，建立了基于多特征供需匹配的非線(xiàn)性變頻調(diào)控模型，將局部通風(fēng)機(jī)智能變頻調(diào)控與瓦斯抽采結(jié)合，保障掘進(jìn)工作面用風(fēng)安全，并對(duì)局部通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行健康評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面的通風(fēng)安全保障。

1 局部通風(fēng)智能調(diào)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

局部通風(fēng)智能調(diào)控系統(tǒng)由井下監(jiān)控系統(tǒng)、通風(fēng)異常調(diào)控系統(tǒng)、地面工作站組成，如圖1所示。

圖1 局部通風(fēng)智能調(diào)控系統(tǒng)組成Fig. 1 Composition of intelligent regulation and control system of local ventilation

井下監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控井下通風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒和工作面，實(shí)現(xiàn)對(duì)局部通風(fēng)機(jī)工作異常狀態(tài)的研判預(yù)警、對(duì)風(fēng)筒內(nèi)部漏風(fēng)情況的動(dòng)態(tài)分析及對(duì)實(shí)際供需風(fēng)量的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。通風(fēng)異常調(diào)控系統(tǒng)通過(guò)識(shí)別井下通風(fēng)參數(shù)異常情況，制定不同參數(shù)不同等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)協(xié)同處置策略，實(shí)時(shí)顯示掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)分布的具體情況。地面工作站挖掘工作面風(fēng)流狀態(tài)與風(fēng)筒參數(shù)的潛在規(guī)律，形成風(fēng)流-風(fēng)筒調(diào)控模型，根據(jù)掘進(jìn)工作面風(fēng)流流動(dòng)分布狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)筒的實(shí)時(shí)調(diào)控；同時(shí)建立理論供風(fēng)量、實(shí)際供風(fēng)量、實(shí)際需風(fēng)量相匹配的變頻預(yù)測(cè)調(diào)風(fēng)模型，基于變頻調(diào)風(fēng)模型和實(shí)時(shí)通風(fēng)參數(shù)確定通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，通過(guò)通風(fēng)機(jī)智能變頻實(shí)現(xiàn)按需供風(fēng)，并在通風(fēng)異常情況下，基于瓦斯涌出量預(yù)測(cè)和風(fēng)排瓦斯極限能力輔以鉆孔瓦斯抽采控制工作面瓦斯?jié)舛?，?shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面的通風(fēng)安全保障。

2 局部通風(fēng)智能調(diào)控原理

2.1 局部通風(fēng)機(jī)智能化管控

局部通風(fēng)機(jī)智能化管控包括通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)、通風(fēng)機(jī)智能化變頻及通風(fēng)機(jī)故障診斷和預(yù)警等，如圖2所示。局部通風(fēng)機(jī)智能化管控主要實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)故障的快速識(shí)別響應(yīng)和工作狀態(tài)的改善、主備通風(fēng)機(jī)智能切換、按需供風(fēng)、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)控制等功能。

圖2 局部通風(fēng)機(jī)智能化管控Fig. 2 Intelligent control of local ventilator

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通風(fēng)機(jī)環(huán)境參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)（風(fēng)量、風(fēng)壓、溫度、振幅、電量），結(jié)合局部通風(fēng)機(jī)調(diào)控裝置（變頻器）失效和監(jiān)控系統(tǒng)誤操作的影響因子，提取通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)異常事件的前兆信息，快速識(shí)別事故誘因和隱患征兆；建立局部通風(fēng)可靠性評(píng)價(jià)模型，提高通風(fēng)機(jī)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)執(zhí)行的可靠性，結(jié)合多元監(jiān)測(cè)預(yù)警信息，形成局部通風(fēng)機(jī)模塊化安全保障技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)隱患的預(yù)測(cè)預(yù)警，以便采取措施進(jìn)行隱患處理。

通過(guò)自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)的調(diào)整及應(yīng)急聯(lián)動(dòng)控制。在通風(fēng)機(jī)通風(fēng)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通風(fēng)機(jī)的狀態(tài)，在通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)過(guò)載、過(guò)熱等情況時(shí)利用變頻器不斷降低通風(fēng)機(jī)頻率，但對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻降速時(shí)，風(fēng)筒對(duì)工作面的供風(fēng)量會(huì)直接減少，易導(dǎo)致工作面瓦斯超限等異常情況發(fā)生，因此在降低通風(fēng)機(jī)頻率的同時(shí)，利用備用通風(fēng)機(jī)對(duì)工作面進(jìn)行供風(fēng)，通過(guò)主備通風(fēng)機(jī)穩(wěn)態(tài)切換，在不影響工作面正常生產(chǎn)的情況下及時(shí)調(diào)整通風(fēng)機(jī)過(guò)載、過(guò)熱等現(xiàn)象，改善局部通風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)。在瓦斯?jié)舛瘸藁蛲L(fēng)機(jī)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)工作面斷電閉鎖，同時(shí)通風(fēng)機(jī)的控制設(shè)有人機(jī)交互面板，操作者可通過(guò)顯示屏觀察通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，如有突發(fā)情況，操作者也可采用手動(dòng)控制通風(fēng)機(jī)，滿(mǎn)足通風(fēng)安全需求。

在主備通風(fēng)機(jī)切換時(shí)對(duì)主備通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，避免在切換過(guò)程中因掘進(jìn)工作面風(fēng)量驟變?cè)斐赏咚狗e聚等異常情況發(fā)生。主通風(fēng)機(jī)向備用通風(fēng)機(jī)切換時(shí)，根據(jù)工作面的實(shí)際需風(fēng)量確定通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量，建立基于供需匹配的主備通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)控模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)主備通風(fēng)機(jī)頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)控。利用PLC對(duì)變頻器進(jìn)行增頻調(diào)節(jié)以增大備用通風(fēng)機(jī)風(fēng)量，同時(shí)進(jìn)行減頻調(diào)節(jié)以減小主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量（設(shè)置的備用通風(fēng)機(jī)增頻頻率大于主通風(fēng)機(jī)減頻頻率）。在工作面風(fēng)量富余時(shí)，逐漸減小備用通風(fēng)機(jī)的增頻頻率，同時(shí)增大主通風(fēng)機(jī)的減頻頻率，反之增大備用通風(fēng)機(jī)的增頻頻率，減小主通風(fēng)機(jī)的減頻頻率。如此不斷減頻增頻，直至完成主通風(fēng)機(jī)向備用通風(fēng)機(jī)切換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)面風(fēng)量的正常供應(yīng)。

2.2 風(fēng)筒風(fēng)流監(jiān)測(cè)與漏風(fēng)分析

在山東能源兗礦鄂爾多斯公司轉(zhuǎn)龍灣煤礦長(zhǎng)度超過(guò)3 300 m的23303掘進(jìn)工作面風(fēng)筒進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置?？紤]監(jiān)測(cè)精度和施工成本問(wèn)題[1，18]，每隔300 m布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，風(fēng)壓、壓差和風(fēng)速傳感器通過(guò)皮托管接入風(fēng)筒內(nèi)部。將采集的通風(fēng)參數(shù)通過(guò)監(jiān)控分站傳輸?shù)降孛婀ぷ髡?，獲取風(fēng)筒漏風(fēng)及阻力的定量結(jié)果，并通過(guò)末端風(fēng)量監(jiān)控獲取風(fēng)筒漏風(fēng)后對(duì)工作面的實(shí)際供風(fēng)量。風(fēng)筒風(fēng)量、百米漏風(fēng)率、百米風(fēng)阻的計(jì)算步驟如下。

風(fēng)筒風(fēng)量計(jì)算：

式中：Vi為測(cè)點(diǎn)i處的風(fēng)速；hvi為測(cè)點(diǎn)i處的動(dòng)壓；ρ為風(fēng)流密度；V為斷面平均風(fēng)速；S為風(fēng)筒平均斷面積；n為監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量；Si為測(cè)點(diǎn)i處的風(fēng)筒斷面積：Q為風(fēng)筒風(fēng)量。

百米漏風(fēng)率計(jì)算：

式中：ΔQm為風(fēng)筒漏風(fēng)量；Qm1，Qm2分別為風(fēng)筒進(jìn)、出口風(fēng)量；K為風(fēng)筒漏風(fēng)率；K100為風(fēng)筒百米漏風(fēng)率；L為兩測(cè)點(diǎn)間的距離。

百米風(fēng)阻計(jì)算：

式中：R為風(fēng)阻；Pi為測(cè)點(diǎn)i處的靜壓；Pk為測(cè)點(diǎn)k處的靜壓；R100為百米風(fēng)阻。

通過(guò)系統(tǒng)服務(wù)器對(duì)風(fēng)筒風(fēng)量、百米風(fēng)阻、百米漏風(fēng)率等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并將風(fēng)筒各段風(fēng)量、百米風(fēng)阻、百米漏風(fēng)率以可視化圖表的形式在顯示終端呈現(xiàn)。該方式不僅能直觀反映風(fēng)筒內(nèi)部通風(fēng)參數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)筒百米風(fēng)阻和百米漏風(fēng)率的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，還能定位風(fēng)筒內(nèi)部通風(fēng)異常的測(cè)點(diǎn)段。

2.3 掘進(jìn)工作面通風(fēng)供需匹配分析

通過(guò)掘進(jìn)工作面風(fēng)量監(jiān)控和通風(fēng)機(jī)風(fēng)量監(jiān)控，建立基于實(shí)際供風(fēng)和通風(fēng)機(jī)供風(fēng)的T-S模糊控制模型，實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)分級(jí)啟動(dòng)與工作面風(fēng)量聯(lián)動(dòng)監(jiān)控，通過(guò)通風(fēng)機(jī)智能變頻實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面實(shí)際供風(fēng)量的精準(zhǔn)調(diào)控。

對(duì)掘進(jìn)工作面和進(jìn)回風(fēng)巷道風(fēng)速和瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)常態(tài)下風(fēng)量供需匹配和通風(fēng)異常狀態(tài)下調(diào)控排風(fēng)的前提。在局部通風(fēng)機(jī)上安設(shè)風(fēng)速傳感器V1是確定理論供風(fēng)量和主備通風(fēng)機(jī)不停風(fēng)切換的前提；在進(jìn)風(fēng)巷布設(shè)瓦斯?jié)舛葌鞲衅鰿1，以監(jiān)測(cè)進(jìn)風(fēng)流瓦斯?jié)舛惹闆r；在掘進(jìn)工作面安設(shè)風(fēng)速傳感器V2和瓦斯?jié)舛葌鞲衅鰿2，以實(shí)現(xiàn)常態(tài)下按需供風(fēng)和通風(fēng)異常情況下的應(yīng)急調(diào)控；在掘進(jìn)回風(fēng)巷布置瓦斯?jié)舛葌鞲衅鰿3，以監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛茸兓苊夤ぷ髅嫱咚钩?；在進(jìn)行風(fēng)排瓦斯時(shí)，采用回風(fēng)大巷瓦斯?jié)舛葌鞲衅鰿4進(jìn)行瓦斯監(jiān)測(cè)，以保證大巷回風(fēng)流中的瓦斯不超限。掘進(jìn)工作面及進(jìn)回風(fēng)巷瓦斯、風(fēng)速傳感器布置如圖3所示。

圖3 風(fēng)速、瓦斯傳感器布置Fig. 3 Arrangement of wind speed and gas sensors

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定掘進(jìn)工作面CH4體積分?jǐn)?shù)不能大于1.0%。為實(shí)現(xiàn)超前調(diào)風(fēng)；同時(shí)考慮節(jié)能[18,21]，設(shè)定掘進(jìn)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)的上下限值分別為0.8%與0.5%，掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛葌鞲衅鰿2和C3能夠?qū)崟r(shí)采集瓦斯?jié)舛刃盘?hào)，在瓦斯體積分?jǐn)?shù)高于0.8%時(shí)，變頻器增大對(duì)局部通風(fēng)機(jī)的輸出頻率，避免瓦斯體積分?jǐn)?shù)超過(guò)1.0%；在瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于0.5%時(shí)，變頻器減小對(duì)局部通風(fēng)機(jī)的輸出頻率，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

一般規(guī)定停風(fēng)地點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)超過(guò)1.0%時(shí)要進(jìn)行風(fēng)排瓦斯，同時(shí)在風(fēng)流混合處的瓦斯體積分?jǐn)?shù)不能超過(guò)1.5%，因此設(shè)定C4處瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)的上下限值分別為1.5%和1.0%。在進(jìn)行風(fēng)排瓦斯時(shí)，回風(fēng)大巷的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鰿4檢測(cè)到瓦斯體積分?jǐn)?shù)小于1.0%時(shí)，就需加快污風(fēng)排放量，使掘進(jìn)巷道內(nèi)的瓦斯快速排出；瓦斯體積分?jǐn)?shù)超過(guò)1.5%時(shí)，說(shuō)明回風(fēng)區(qū)段回風(fēng)大巷的瓦斯?jié)舛纫殉?，?yīng)適當(dāng)降低通風(fēng)機(jī)的頻率，從而減小大巷瓦斯?jié)舛取?/p>

根據(jù)在掘進(jìn)工作面監(jiān)測(cè)到的巷道參數(shù)（采掘方法、瓦斯等級(jí)、作業(yè)交接班次）、設(shè)備參數(shù)（設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備IP地址、設(shè)備所屬工作面）和通風(fēng)參數(shù)（實(shí)時(shí)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)、歷史瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)、溫度、粉塵濃度、風(fēng)速、CO2濃度）實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)工作面需風(fēng)量的準(zhǔn)確計(jì)算。根據(jù)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量、工作面風(fēng)量、工作面的最佳需風(fēng)量，建立局部通風(fēng)系統(tǒng)Q（風(fēng)量）-f（頻率）特性匹配的變頻調(diào)風(fēng)模型，運(yùn)用通風(fēng)模型和監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)控與安全性檢驗(yàn)，并根據(jù)井下安設(shè)的傳感器采集參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算需風(fēng)量，從而通過(guò)調(diào)整通風(fēng)機(jī)頻率實(shí)現(xiàn)供需風(fēng)量的智能匹配。

3 風(fēng)流分布狀態(tài)模擬

選取轉(zhuǎn)龍灣煤礦23303掘進(jìn)工作面矩形巷道（長(zhǎng)度為100 m）進(jìn)行模擬，研究掘進(jìn)工作面矩形巷道斷面風(fēng)速分布規(guī)律，確定工作面風(fēng)流分布狀態(tài)，為平均風(fēng)速的準(zhǔn)確測(cè)定提供依據(jù)。

3.1 模型建立

根據(jù)轉(zhuǎn)龍灣煤礦長(zhǎng)距離掘進(jìn)巷道的實(shí)際情況，結(jié)合Fluent軟件模擬方法，利用ANSYS建立三維模型（圖4）。巷道寬度為6.2 m，高度為3.6 m，巷道進(jìn)出口風(fēng)速為5 m/s。模型所需參數(shù)和邊界條件：巷道內(nèi)沒(méi)有熱源，也不會(huì)對(duì)風(fēng)流產(chǎn)生熱輻射；不考慮風(fēng)流的重力和浮力；風(fēng)流假設(shè)為不可壓縮流體；巷道四面設(shè)定為具有一定粗糙度的平面；空氣為穩(wěn)定的紊流狀態(tài)。

圖4 巷道三維幾何模型Fig. 4 Three-dimensional geometric model of roadway

3.2 網(wǎng)格劃分

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)排列規(guī)則、相鄰點(diǎn)間的關(guān)系比較清晰，網(wǎng)格數(shù)容易控制，可減少數(shù)值模擬的計(jì)算量，因此，利用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)建立的三維幾何模型進(jìn)行離散化。為保證網(wǎng)格大小滿(mǎn)足計(jì)算精度要求，選取0.2 m×0.2 m×0.2 m的網(wǎng)格尺度，將計(jì)算區(qū)域劃分為279 000個(gè)網(wǎng)格，如圖5所示。

圖5 三維模型網(wǎng)格劃分Fig. 5 Grid segmentation of the 3D model

3.3 風(fēng)流流場(chǎng)數(shù)值模擬

根據(jù)轉(zhuǎn)龍灣煤礦巷道的實(shí)際情況，設(shè)置風(fēng)流流場(chǎng)模擬的邊界條件和參數(shù)，通過(guò)對(duì)建立的物理模型進(jìn)行數(shù)值模擬，確定掘進(jìn)工作面風(fēng)流流場(chǎng)分布情況，并進(jìn)行水平和垂直方向的切片處理，得到2個(gè)方向的風(fēng)速分布云圖，為風(fēng)速傳感器的布置提供依據(jù)。選取的Y-Z水平截面風(fēng)速云圖如圖6所示。

圖6 井巷Y-Z水平截面風(fēng)速云圖Fig. 6 Air speed cloud diagram of Y-Z horizontal section in shaft

由圖6（a）可看出，風(fēng)流經(jīng)左側(cè)入口流入，由于壁面摩擦阻力的限制，靠近壁面的地方風(fēng)速較小，而在巷道中心風(fēng)速較大。隨著坐標(biāo)Y不斷變大，中心軸線(xiàn)上的風(fēng)速逐漸減小，且中心軸線(xiàn)上的風(fēng)速度最大，距離軸線(xiàn)最遠(yuǎn)的位置風(fēng)速最小。由圖6（b）可看出，風(fēng)速在中心軸線(xiàn)上衰減非常快，在靠近壁面的地方，風(fēng)速衰減較慢。

為了便于分析，選取50 m處的模擬結(jié)果，對(duì)建立的模型沿Z方向進(jìn)行切片，再利用ANSYS對(duì)切片進(jìn)行處理，此處的風(fēng)速分布如圖7所示，中心軸線(xiàn)上的風(fēng)速達(dá)7 m/s，而距離中心軸線(xiàn)最遠(yuǎn)的位置只有2 m/s。

圖7 矩形斷面風(fēng)速分布Fig. 7 Air speed distribution of a rectangular section

通過(guò)模擬巷道模型風(fēng)速能夠確定巷道風(fēng)流分布情況，對(duì)切面風(fēng)速求平均值，得到斷面平均風(fēng)速為5 m/s。在斷面風(fēng)速云圖繪制平均速度的等值線(xiàn)，能夠直觀反映平均風(fēng)速的分布，為掘進(jìn)工作面風(fēng)速傳感器布置調(diào)整提供依據(jù)，同時(shí)能準(zhǔn)確獲取巷道的風(fēng)速數(shù)據(jù)，便于實(shí)時(shí)掌握掘進(jìn)工作面的風(fēng)量變化。

4 局部通風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)調(diào)控

在工作面安設(shè)風(fēng)速傳感器和瓦斯傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控掘進(jìn)工作面的瓦斯和風(fēng)量情況，根據(jù)供需風(fēng)量的變化智能調(diào)整通風(fēng)機(jī)頻率，從而控制巷道風(fēng)量。巷道風(fēng)量改變會(huì)引起巷道瓦斯?jié)舛茸兓?，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)又會(huì)反饋給局部通風(fēng)機(jī)。整個(gè)過(guò)程通過(guò)局部通風(fēng)機(jī)的智能變頻動(dòng)態(tài)調(diào)整工作面的供風(fēng)量，并在超過(guò)風(fēng)排瓦斯極限能力時(shí)輔以鉆孔瓦斯抽采，以降低工作面瓦斯?jié)舛取?/p>

4.1 常態(tài)下變頻調(diào)風(fēng)

對(duì)掘進(jìn)工作面通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，計(jì)算需風(fēng)量Q1，監(jiān)測(cè)風(fēng)筒內(nèi)靜壓、動(dòng)壓、風(fēng)速等參數(shù)，計(jì)算風(fēng)筒全段的漏風(fēng)系數(shù)φ和局部通風(fēng)裝置的漏風(fēng)量Q2，則掘進(jìn)工作面的總需風(fēng)量Qz=(Q1+Q2)φ?；诠ぷ髅婵傂栾L(fēng)量和最優(yōu)風(fēng)量供需匹配分析確定通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量，進(jìn)而確定通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，通過(guò)智能變頻調(diào)控裝置對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)控。

當(dāng)掘進(jìn)工作面需風(fēng)量的變化引起通風(fēng)參數(shù)改變時(shí)，需重新確定實(shí)際供需風(fēng)量，則變頻調(diào)控后的頻率，f為局部通風(fēng)機(jī)調(diào)控前的頻率，Q為局部aa通風(fēng)機(jī)調(diào)控前的供風(fēng)量，Qb為局部通風(fēng)機(jī)調(diào)控后的供風(fēng)量。根據(jù)重新確定好的供需風(fēng)量進(jìn)行變頻調(diào)風(fēng)，實(shí)現(xiàn)常態(tài)下局部通風(fēng)的智能聯(lián)動(dòng)變頻調(diào)控，達(dá)到掘進(jìn)工作面供需風(fēng)量的動(dòng)態(tài)平衡，如圖8所示。

圖8 智能聯(lián)動(dòng)變頻調(diào)風(fēng)過(guò)程Fig. 8 The regulation of air volume by intelligent linkage and frequency conversion

變頻器對(duì)局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)控時(shí)，為減少變頻系統(tǒng)的調(diào)節(jié)頻次，并將工作面的通風(fēng)參數(shù)維持在正常范圍內(nèi)，采用閾值反饋方式調(diào)節(jié)變頻器的頻率，提高局部通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。調(diào)節(jié)規(guī)則：設(shè)置通風(fēng)參數(shù)的異常判斷值，在CH4體積分?jǐn)?shù)＞0.8%、CO體積分?jǐn)?shù)＞20×10-6、溫度＞25 ℃、粉塵濃度＞4 mg/m3時(shí)，進(jìn)行增頻調(diào)節(jié)（增頻頻次為2 Hz/次)，當(dāng)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率達(dá)到48 Hz后，進(jìn)行預(yù)警，增頻調(diào)節(jié)屬于應(yīng)急調(diào)節(jié)范疇，在進(jìn)行調(diào)節(jié)研判時(shí)，以CH4濃度和CO濃度作為第1優(yōu)先級(jí)判斷，粉塵濃度和溫度作為第2優(yōu)先級(jí)判斷，按照各參數(shù)的異常值綜合研判，調(diào)節(jié)完成后跟蹤分析各參數(shù)情況；在CH4體積分?jǐn)?shù)＜0.5%、溫度＜18 ℃時(shí)采用降頻調(diào)節(jié)（降頻頻次為1 Hz/次，但要保證掘進(jìn)工作面風(fēng)速不低于0.25 m/s），降頻調(diào)節(jié)屬于節(jié)能型調(diào)節(jié)，需綜合研判井下各通風(fēng)參數(shù)，通過(guò)多次調(diào)節(jié)達(dá)到理想供風(fēng)頻率。

通過(guò)在轉(zhuǎn)龍灣煤礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)局部通風(fēng)機(jī)的智能變頻調(diào)控，通風(fēng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)界面如圖9所示，對(duì)參數(shù)跟蹤分析后的調(diào)節(jié)記錄如圖10所示。

圖9 通風(fēng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)界面Fig. 9 The interface of fan frequency adjustment

圖10 參數(shù)調(diào)節(jié)記錄Fig. 10 The record of parameter adjustment

當(dāng)掘進(jìn)工作面需風(fēng)量超過(guò)通風(fēng)機(jī)最大供風(fēng)量，即在超過(guò)瓦斯調(diào)控能力范圍發(fā)生瓦斯超限時(shí)，瓦斯電閉鎖實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電閉鎖。

4.2 通風(fēng)異常情況下調(diào)控排風(fēng)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并采集井下各個(gè)掘進(jìn)工作面中瓦斯?jié)舛?、溫度、風(fēng)速、CO2濃度、粉塵濃度、工作面參數(shù)、設(shè)備參數(shù)等數(shù)據(jù)，并發(fā)送至地面工作站，識(shí)別井下通風(fēng)參數(shù)異常情況。

根據(jù)通風(fēng)機(jī)頻率、供風(fēng)距離、供風(fēng)量、回風(fēng)允許瓦斯?jié)舛却_定風(fēng)排瓦斯的極限能力，當(dāng)不超過(guò)風(fēng)排瓦斯極限能力時(shí)，利用風(fēng)排瓦斯降低掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛?；?dāng)超過(guò)風(fēng)排瓦斯極限能力時(shí)，極限風(fēng)量的限制導(dǎo)致掘進(jìn)工作面瓦斯無(wú)法稀釋到安全濃度，需輔以鉆孔瓦斯抽采來(lái)控制工作面瓦斯?jié)舛取ｃ@孔瓦斯抽采評(píng)估模塊根據(jù)礦井瓦斯?jié)舛?、風(fēng)排瓦斯極限能力、掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛确植记闆r、采動(dòng)覆巖裂隙分布特征、瓦斯運(yùn)移聚集規(guī)律確定鉆孔抽采瓦斯量，流量傳感器用以確定抽采瓦斯量，電磁閥門(mén)控制抽采啟停，抽采控制子模塊接收評(píng)估子模塊的命令，根據(jù)抽采瓦斯量控制電磁閥門(mén)。在抽采達(dá)標(biāo)后，利用風(fēng)排瓦斯降低掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛取?/p>

通風(fēng)異常情況下利用鉆孔瓦斯抽采降低瓦斯涌出量（單位時(shí)間內(nèi)從煤層等涌入礦井風(fēng)中的瓦斯量），再利用通風(fēng)機(jī)變頻模塊進(jìn)行調(diào)控。設(shè)定工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)上下限閾值分別為0.5%和0.8%，定義通風(fēng)機(jī)風(fēng)量為Q'，瓦斯涌出量最大值為qg，當(dāng)前瓦斯涌出量為qN，當(dāng)前通風(fēng)機(jī)頻率為fN，定義Q'與qg的差值為可調(diào)節(jié)量Qt，調(diào)控排風(fēng)規(guī)則為：當(dāng)瓦斯涌出量增大值(qN-qg)＞Qt，通風(fēng)機(jī)排風(fēng)后掘進(jìn)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)大于0.8%時(shí)，根據(jù)礦井瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)排瓦斯極限能力，確定鉆孔抽采瓦斯量，通過(guò)鉆孔瓦斯抽采實(shí)現(xiàn)瓦斯涌出量增大值(qN-qg)＜Qt；當(dāng)瓦斯涌出量增大值(qN-qg)＜Qt，掘進(jìn)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)大于0.8%時(shí)，則通風(fēng)機(jī)頻率必須上調(diào)為，利用通風(fēng)機(jī)調(diào)控使得掘進(jìn)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)小于0.8%；當(dāng)瓦斯涌出量降低值(qg-qN)＜Qt，掘進(jìn)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)小于0.8%時(shí)，調(diào)整通風(fēng)機(jī)頻率，轉(zhuǎn)換為常態(tài)下智能變頻調(diào)風(fēng)，根據(jù)供需匹配調(diào)整通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；當(dāng)瓦斯涌出量降低值(qg-qN)＞Qt，掘進(jìn)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)小于0.5%時(shí)，將通風(fēng)機(jī)頻率下調(diào)為，達(dá)到節(jié)能效果。

5 局部通風(fēng)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)井下掘進(jìn)工作面通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行異常指標(biāo)評(píng)判，深度挖掘通風(fēng)異常參數(shù)與通風(fēng)動(dòng)力之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，綜合考慮通風(fēng)系統(tǒng)的功能和物理組成，找出導(dǎo)致礦井通風(fēng)系統(tǒng)異常的失效類(lèi)型和影響局部通風(fēng)系統(tǒng)的健康指數(shù)，構(gòu)建局部通風(fēng)系統(tǒng)健康指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，利用健康指標(biāo)對(duì)整個(gè)局部通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行健康綜合評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)健康“體檢”及隱患征兆的預(yù)測(cè)識(shí)別。

5.1 局部通風(fēng)系統(tǒng)健康指數(shù)要素分析

通過(guò)對(duì)通風(fēng)機(jī)狀態(tài)、風(fēng)筒狀態(tài)及掘進(jìn)工作面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，尋找影響局部通風(fēng)系統(tǒng)健康指數(shù)的影響要素（表1），根據(jù)人、機(jī)、環(huán)、管因素的變化進(jìn)行相應(yīng)修改調(diào)整。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)健康指數(shù)要素時(shí)考慮指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化，將影響要素應(yīng)用到局部通風(fēng)系統(tǒng)健康指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)體系。

表1 局部通風(fēng)系統(tǒng)健康指數(shù)影響要素Table 1 Factors influencing health index of local ventilation system

5.2 局部通風(fēng)系統(tǒng)健康指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)體系

將24個(gè)局部通風(fēng)系統(tǒng)指標(biāo)劃分為通風(fēng)動(dòng)力、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、通風(fēng)質(zhì)量、通風(fēng)設(shè)施、通風(fēng)監(jiān)測(cè)、通風(fēng)管理6個(gè)評(píng)價(jià)類(lèi)別，建立了局部通風(fēng)系統(tǒng)健康指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)體系，如圖11所示。

圖11 局部通風(fēng)系統(tǒng)健康指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)體系Fig. 11 Comprehensive evaluation system of health indicators of local ventilation system

設(shè)定健康指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)體系各指標(biāo)（I1-I24）的權(quán)重比例，根據(jù)健康指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)體系構(gòu)建健康指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)模型，通過(guò)對(duì)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)向量與通風(fēng)系統(tǒng)健康程度向量進(jìn)行綜合運(yùn)算，得到綜合健康指數(shù)。根據(jù)綜合健康指數(shù)確定系統(tǒng)健康風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，利用百分制的方式對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行打分，最終在可視化界面展現(xiàn)出來(lái)，如圖12所示。從定性、定量2個(gè)方面實(shí)現(xiàn)對(duì)局部通風(fēng)系統(tǒng)的健康“體檢”，從而確定整個(gè)局部通風(fēng)系統(tǒng)的弱項(xiàng)所在，以便采取措施提高通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性。

圖12 健康“體檢”展示界面Fig. 12 The display interface of health "physical examination"

6 結(jié)論

1） 為長(zhǎng)距離掘進(jìn)通風(fēng)智能調(diào)控設(shè)計(jì)了局部通風(fēng)智能調(diào)控系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)通風(fēng)機(jī)的智能化管控，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷預(yù)警、主備通風(fēng)機(jī)切換時(shí)的風(fēng)量穩(wěn)定輸出，保障了通風(fēng)機(jī)穩(wěn)定高效運(yùn)行；通過(guò)監(jiān)測(cè)風(fēng)筒通風(fēng)參數(shù)，對(duì)風(fēng)筒漏風(fēng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，為減小風(fēng)筒漏風(fēng)提供數(shù)據(jù)支持；監(jiān)測(cè)工作面和風(fēng)筒通風(fēng)參數(shù)，以確定實(shí)際供需風(fēng)量，通過(guò)局部通風(fēng)機(jī)與工作面風(fēng)量聯(lián)動(dòng)監(jiān)控建立，基于通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量、實(shí)際供風(fēng)量、實(shí)際需風(fēng)量相匹配的變頻預(yù)測(cè)調(diào)風(fēng)模型，實(shí)現(xiàn)工作面按需通風(fēng)。

2） 以轉(zhuǎn)龍灣煤礦掘進(jìn)工作面為例對(duì)風(fēng)流進(jìn)行數(shù)值模擬，研究工作面風(fēng)流分布狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)巷道精準(zhǔn)測(cè)風(fēng)，并準(zhǔn)確掌握掘進(jìn)工作面的風(fēng)量變化情況，為掘進(jìn)工作面按需供風(fēng)提供依據(jù)。

3） 提出2種不同的通風(fēng)聯(lián)動(dòng)調(diào)控方式，在常態(tài)和通風(fēng)異常條件下都能滿(mǎn)足長(zhǎng)距離掘進(jìn)巷道供風(fēng)需求。在常態(tài)下通過(guò)供需匹配分析確定通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)智能變頻調(diào)風(fēng)；在通風(fēng)異常情況下提出4種調(diào)控排風(fēng)規(guī)則，保障了長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面通風(fēng)安全，同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的效果。

4） 通過(guò)局部通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)確定局部通風(fēng)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)體系的健康指數(shù)，構(gòu)建局部通風(fēng)系統(tǒng)健康指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)體系，通過(guò)綜合評(píng)價(jià)模型和健康指數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)局部通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)健康“體檢”，并定量顯示不同指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，確保局部通風(fēng)系統(tǒng)處于健康狀態(tài)。