礦井局部通風(fēng)管控系統(tǒng)研究與應(yīng)用分析

吳小斌

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 官地煤礦，山西 太原 030024)

0 引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的重要組成部分和重要保障,負(fù)責(zé)排除井下有毒有害氣體的同時(shí)提供新鮮空氣,在滿足日常通風(fēng)管理和維護(hù)的基礎(chǔ)上,又能夠?qū)崿F(xiàn)災(zāi)變應(yīng)急控風(fēng),抑制災(zāi)情演化,達(dá)到保障礦井安全生產(chǎn)的目的[1-3]。山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司官地煤礦23513掘進(jìn)工作面通風(fēng)系統(tǒng)存在聯(lián)動調(diào)節(jié)能力弱、災(zāi)變判識技術(shù)不成熟、預(yù)防預(yù)警與應(yīng)急控制手段落后、通風(fēng)參數(shù)監(jiān)測精確度不高等問題。本文結(jié)合官地煤礦23513掘進(jìn)工作面通風(fēng)問題和需求,設(shè)計(jì)了一套礦井局部通風(fēng)管控系統(tǒng),達(dá)到了提升官地煤礦通風(fēng)系統(tǒng)智能化管理水平的目的。

1 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)官地煤礦23513掘進(jìn)工作面通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況,礦井局部通風(fēng)管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求為:①實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面主局部通風(fēng)機(jī)與備用局部通風(fēng)機(jī)間的自動切換,即由主局部通風(fēng)機(jī)運(yùn)行切換至備用通風(fēng)機(jī)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)斷電或故障時(shí)的應(yīng)急控制;②實(shí)現(xiàn)地面調(diào)度室人機(jī)界面直接控制局部通風(fēng)機(jī)運(yùn)行和倒機(jī)試驗(yàn),即實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制;③對掘進(jìn)工作面通風(fēng)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,超出閾值后觸發(fā)預(yù)警報(bào)警機(jī)制;④實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)系統(tǒng)的聯(lián)動調(diào)節(jié),即可自動調(diào)節(jié)風(fēng)門以及風(fēng)扇;⑤實(shí)現(xiàn)傳感器參數(shù)、報(bào)警信號的實(shí)時(shí)獲取,即在局部通風(fēng)機(jī)監(jiān)控分站、地面監(jiān)控系統(tǒng)中可實(shí)時(shí)顯示和讀取傳感器參數(shù)、報(bào)警信號;⑥實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的自動記錄,達(dá)到可回溯、可復(fù)現(xiàn)的目的。礦井局部通風(fēng)管控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示,布置于局部通風(fēng)機(jī)監(jiān)控分站內(nèi)的控制器控制主、備用局部通風(fēng)機(jī)切換和應(yīng)急控制;在地面調(diào)度室布置顯示終端,通過千兆工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送;布置的通風(fēng)設(shè)施有自動風(fēng)門、自動風(fēng)窗,監(jiān)測的通風(fēng)參數(shù)有風(fēng)速、風(fēng)壓;監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)有甲烷、粉塵、煙霧、CO、CO2和振動等。

圖1 礦井局部通風(fēng)管控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 變頻調(diào)速技術(shù)

在滿足掘進(jìn)工作面甲烷、CO、CO2、粉塵濃度的前提下,變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,達(dá)到降噪、改善巷道環(huán)境和節(jié)能的目的,變頻調(diào)速原理如圖2所示。根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)通風(fēng)變頻調(diào)速模糊控制規(guī)則并寫入控制器。根據(jù)掘進(jìn)工作面巷道甲烷、風(fēng)速的監(jiān)測值,選擇控制模式[4,5]。通過模糊推理決策、模糊判斷得到變頻器輸出頻率,完成對局部風(fēng)機(jī)的變頻控制。

圖2 礦井局部通風(fēng)管控系統(tǒng)變頻調(diào)速原理

2.2 參數(shù)監(jiān)測技術(shù)

優(yōu)化掘進(jìn)工作面巷道內(nèi)傳感器布局,用最少的傳感器實(shí)現(xiàn)巷道無盲區(qū)監(jiān)測。通過PLC周期性地采集風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度、CO、CO2、粉塵和振動等傳感器參數(shù),在PLC控制器內(nèi)部對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較。當(dāng)采集到的傳感器參數(shù)超出閾值時(shí)觸發(fā)預(yù)警報(bào)警機(jī)制,在局部通風(fēng)機(jī)監(jiān)控分站和地面監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行聲光語音報(bào)警提醒。當(dāng)采集到的傳感器參數(shù)在閾值預(yù)設(shè)范圍之內(nèi)時(shí),實(shí)時(shí)繪制數(shù)據(jù)曲線并保存歷史數(shù)據(jù)曲線,方便回溯和復(fù)現(xiàn)。礦井局部通風(fēng)管控系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測原理如圖3所示。

圖3 礦井局部通風(fēng)管控系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測原理

2.3 風(fēng)門/風(fēng)窗聯(lián)動技術(shù)

局部通風(fēng)機(jī)監(jiān)測分站中的控制器可通過分線裝置實(shí)時(shí)獲取風(fēng)門系統(tǒng)的防夾傳感器、漏風(fēng)傳感器、關(guān)到位傳感器數(shù)據(jù)以及攝像儀視頻流,經(jīng)控制器分析決策后下發(fā)控制指令至分線裝置,實(shí)現(xiàn)風(fēng)門就地啟動/關(guān)閉或遠(yuǎn)程啟動/關(guān)閉、觸發(fā)聲光語音報(bào)警以及閉鎖聯(lián)動功能[6,7]。風(fēng)門聯(lián)動原理如圖4所示,風(fēng)窗聯(lián)動技術(shù)與風(fēng)門聯(lián)動技術(shù)類似。

圖4 礦井局部通風(fēng)管控系統(tǒng)風(fēng)門聯(lián)動原理

2.4 預(yù)警應(yīng)急技術(shù)

設(shè)計(jì)局部通風(fēng)管控系統(tǒng)異常診斷程序,在單控制器運(yùn)行周期內(nèi)完成傳感器數(shù)據(jù)異常、變頻器故障的診斷、定位、預(yù)警以及原因分析。根據(jù)掘進(jìn)工作面巷道內(nèi)風(fēng)、煙流運(yùn)移特征數(shù)據(jù)對災(zāi)情態(tài)勢進(jìn)行預(yù)判,實(shí)現(xiàn)礦井火災(zāi)、瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等災(zāi)變的判斷并建立災(zāi)情演化-人員逃生控制預(yù)案庫,同時(shí)以聲音、短信、圖形等方式實(shí)現(xiàn)災(zāi)變預(yù)警,做到能夠即時(shí)響應(yīng)、即時(shí)判斷和即時(shí)預(yù)報(bào)。

3 應(yīng)用分析

自2021年6月至今,在智能通風(fēng)管控系統(tǒng)的管理下,23513掘進(jìn)工作面實(shí)現(xiàn)了安全、穩(wěn)定、高效生產(chǎn),未發(fā)生瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度以及有毒有害氣體超限的情況。智能通風(fēng)管控系統(tǒng)在官地煤礦23513掘進(jìn)工作面的實(shí)際應(yīng)用效果主要表現(xiàn)在以下4方面:

(1) 減人少人效果。以一套局部智能通風(fēng)管控系統(tǒng)為例,改造前局部通風(fēng)管控系統(tǒng)需5人進(jìn)行人工測風(fēng)、調(diào)風(fēng)以及控風(fēng)操作;改造后的局部智能通風(fēng)系統(tǒng)只需2人巡檢,達(dá)到了減人增效的目的。

(2) 節(jié)能降耗效果。改造前局部通風(fēng)機(jī)采用工頻長時(shí)間運(yùn)行模式,存在嚴(yán)重的“一風(fēng)吹”問題;改造后的局部智能通風(fēng)系統(tǒng)可根據(jù)巷道實(shí)時(shí)瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度以及有毒有害氣體濃度對局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行自適應(yīng)變頻調(diào)速。經(jīng)6個(gè)月對1個(gè)掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)機(jī)耗電量統(tǒng)計(jì),可節(jié)約電能約14 570 kW·h。

(3) 維護(hù)管理效果。改造前局部通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、參數(shù)信息報(bào)表為人工填寫,存在數(shù)據(jù)混亂及錯(cuò)誤的現(xiàn)象,且無法展示歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)。改造后的局部智能通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行數(shù)據(jù)和參數(shù)信息的動態(tài)、實(shí)時(shí)展示以及自動存儲,可一鍵生成報(bào)表,可對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史查詢。

(4) 預(yù)警應(yīng)急效果。改造后的局部智能通風(fēng)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測掘進(jìn)工作面巷道通風(fēng)狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并觸發(fā)預(yù)警。

4 結(jié)論

針對官地礦23513掘進(jìn)工作面智能化通風(fēng)設(shè)計(jì)問題,設(shè)計(jì)了一套礦井局部通風(fēng)管控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了巷道環(huán)境參數(shù)、風(fēng)速和風(fēng)壓的實(shí)時(shí)精確監(jiān)測,風(fēng)機(jī)變頻控制,風(fēng)門/風(fēng)窗聯(lián)動控制以及預(yù)警應(yīng)急方案,提升了礦井智能化水平,實(shí)現(xiàn)了礦井安全生產(chǎn)。