礦井局部通風機變頻控制方法的探討

摘 要 文章分析了礦井掘進巷道瓦斯涌出的來源和掘進過程中傳統局部通風機由于不能方便的調整風壓所帶來的局部通風問題，提出了基于瓦斯濃度序列值的礦井局部通風機變頻控制的方法。提出了一種利用瓦斯濃度巡檢序列差值變化來判斷生產工序是否發生變化的方法，并針對不同的生產工序分別提出了相應的局部通風機變頻控制的方法。針對非掘進工序，提出了利用瓦斯濃度巡檢絕對值來控制風機變頻等級的方法；針對掘進工序，提出了利用瓦斯巡檢濃度值變化來控制風機變頻等級的方法，結合現場瓦斯濃度數據進行驗證，認為該方法有一定的實用性。

關鍵詞 瓦斯濃度；局部通風機；變頻；生產工序；掘進巷道

中圖分類號：TD724 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）14-0049-02

礦井通風是為了保障煤礦安全生產而對由巷道和工作面等構成的復雜網絡系統提供新鮮風流所采取的全部措施的總稱，而在整個通風系統中，通風機的地位又是舉足輕重的[1]。在一般生產礦井，通風機按照服務范圍又可以分為三種，分別是主要通風機，輔助通風機和局部通風機。局部通風機主要服務于獨頭掘進井巷等局部地區[2]。獨頭掘進井巷隨著掘進的延伸，風阻也會變的越來越大，根據通風阻力的特征方程，所需局部通風機的風壓也會越來越大[3]。傳統的局部通風機控制只有開停兩種狀態，在掘進較長巷道的過程中風機的選取往往比較繁瑣。選擇風壓較大的風機，在剛開始掘進時阻力較小，風速太大，往往造成過大的粉塵甚至形成了超過規程規定的最大風速值，而且也會有比較大的電能浪費。選擇風壓較小的局部通風機，期初較短巷道的掘進過程中各方面都滿足，但是隨著掘進的延伸，風量往往就不夠用，容易造成瓦斯超限、溫度過高等問題，就不得不更換風機，給正常的掘進生產帶來了比較大的麻煩。為了解決這一問題，風機變頻控制就成為非常重要的問題。為了能對風機工作狀態進行較好的控制，本文提出了一種風機變頻控制的方法。

1 基于瓦斯濃度值的控制方法

局部通風機的主要目的就是將巷道掘進過程中所釋放的瓦斯隨著風流安全的排出。為了保證安全生產，《煤礦安全規程》詳細規定了井下各巷道中風流速度需符合的要求[4]，規程規定對于采煤工作面、掘進中的煤巷和半煤巖巷允許風速為0.25 m/s-4.0 m/s，對于掘進中的巖巷允許風速0.15 m/s-4.0 m/s，規定了瓦斯濃度值不能超過1.0%。根據掘進巷道瓦斯涌出量的大小就可以很容易和準確調節風機的運行頻率。在調節過程中，當掘進巷道風速不小于規定的最低風速時，從控制粉塵和節能兩方面考慮，就需要給定合適的風量值。建立以瓦斯濃度為主的控制方法如下，假設變頻風機控制油5個等級，1級代表頻率最低風壓最小，5級代表頻率最大，風壓最大，其他等級從1到5遞增。C代表瓦斯濃度，調節方法如下：1）當C（k）<0.2%時，變頻控制等級1級；2）當0.2%

在控制過程中需要特別指出的是，巷道的實時風速值不得小于最小規定風速值，否則控制等級加一級。

2 基于瓦斯濃度值變化的控制方法

通過瓦斯濃度值來控制風機的變頻等級能夠在一定程度上對掘進巷道的通風狀況進行調整和控制，但是這種控制方法會有一定的滯后性，對瓦斯涌出狀況卻收預判。所以要克服這種控制的滯后性，就需要對掘進巷道的瓦斯涌出進行預判和分析。掘進巷道的瓦斯涌出主要由四部分組成[5]，分別是：1）暴露的巷道四周煤避的瓦斯涌出；2）掘進過程新暴露巷道煤壁的瓦斯涌出；3）掘進過程落煤的瓦斯涌出；4）掘進新暴露掘進頭的瓦斯涌出。四部分瓦斯涌出主要分為兩種類型，一種類型是突變型瓦斯涌出，主要是掘進落煤的瓦斯涌出；另一種類型是緩變型瓦斯涌出，瓦斯涌出量變化緩慢且連續，主要包括煤壁的瓦斯涌出以及掘進頭的瓦斯涌出[6]。

對于緩變量類型的瓦斯涌出的排放通過瓦斯濃度值來調節變頻風機等級是適用的，但對于突變量瓦斯涌出，由于瓦斯突然大量涌出，當檢測到瓦斯濃度變大時在進行變頻等級調節往往已經來不及了，甚至很快就會瓦斯超限。所以對突變量瓦斯涌出的排放，變頻風機的調節就需要提早預判。突變往往是由于生產工序的變化，可以通過快速分析瓦斯濃度的波動，關鍵是在極早期準確區分由于生產工序或者其他原因造成瓦斯突然的大量涌出，從而提前對風機變頻等級進行調節。

為了更好地對掘進工作面瓦斯濃度變化及瓦斯涌出進行分析，選取某掘進工作面瓦斯濃度序列如圖1所示。

由圖可以看出，在區間1+區間2+區間3為瓦斯涌出量突然變化的時間段，其他序列時間段為瓦斯涌出緩變量區段。如果整個序列按照瓦斯濃度值調節局部通風機必然會導致濃度的突然增大，甚至瓦斯超限。所以當生產工序發生變化的時候，造成瓦斯突然大量涌出，局部通風機的調節就不能夠再通過監測到的瓦斯濃度值進行調節。

當生產工序處在非掘進工序的時候，按照上一節提出的基于瓦斯濃度值控制的方法進行控制。當監測到當前進入掘進工序的時候，為了將突然的瓦斯涌出迅速排出，應該盡可能加大局部通風機的風壓，同時又要保障掘進巷道風速不得超過《煤礦安全規程》規定的最大風速4.0 m/s。具體調節步驟如下：1）根據掘進巷道風速確定當前的變頻等級H，H在1-5級之間，H級應該滿足在巷道風速不超過最大允許風速的情況下盡可能大；2）根據當前瓦斯濃度，判定是否降低變頻等級，當0.6%

需要特別注意的是，在調節過程中任何時刻的巷道風速不得小于規程規定的掘進巷道最小允許風速。

3 局部通風機變頻控制方法的驗證

對圖1所示的某掘進工作面瓦斯濃度序列進行分析，非掘進工序包括巡檢周期1-260、320-460、500-600以及645-800四段區間，瓦斯濃度值都在0.2%-0.4%之間，按照瓦斯濃度值大小來控制，變頻風機應該處于2級。

對于掘進工序，包括巡檢260-320、460-500以及600-645三段區間，按照瓦斯濃度值變化的控制方法分別控制如下：區間1第260次巡檢到320次巡檢之間，第262次巡檢時監測到進入掘進工序，迅速提高風機變頻等級，同時為了控制風速不大于4.0 m/s，變頻等級迅速調整為4級。由于變頻等級較高，風量變大，瓦斯濃度并沒有隨著瓦斯涌出量的增加迅速增大，濃度值上升并不明顯。監測瓦斯濃度小于0.6%，變頻等級降低到三級，由于瓦斯濃度值處在0.4%以上，所以必須保持3級變頻持續運行。第322次巡檢發現進入非掘進工序，瓦斯濃度降低到0.4以后，變頻等級調制2級，持續運行。圖1所示瓦斯濃度序列是在連續掘進中取得的，所以區間2460-500次巡檢以及區間3600-645次巡檢的控制和調節過程基本是一致的。

4 結束語

本文從掘進巷道在掘進過程中對局部通風機需求入手，提出了變頻風機控制模型和方法，并結合現場數據驗證了礦井局部通風機變頻控制在不同生產工序下進行了驗證。

通過對礦井掘進巷道瓦斯涌來源分析和安全監控系統瓦斯監測方式的分析，針對不同的生產工序分別提出了相應的局部通風機變頻控制的方法。針對非掘進工序，提出了利用瓦斯濃度巡檢絕對值來控制風機變頻等級的方法；針對掘進工序，提出了利用瓦斯巡檢濃度值變化來控制風機變頻等級的方法。

文章給了出一種利用瓦斯濃度巡檢序列差值變化來判斷生產工序是否發生變化的方法，提出通過對歷史掘進工序瓦斯濃度變化的分析給定當前工序是否發生變化的經驗值。通過對生產工序變化的合理識別，使得變頻控制方法在實際應用起來更加可靠有效，并結合現場瓦斯濃度數據進行驗證，認為該方法有一定的實用性。

參考文獻

[1]屈世甲.礦井通風基礎數據獲取及網絡圖優化方法的研究[D].西安科技大學，2010.

[2]張國樞.通風安全學[M].中國礦業大學出版社，2004.

[3]屈世甲.多風機并聯通風系統分析及通風難易程度探討[J].煤礦安全，2009（11）.

[4] 國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局.煤礦安全規程[M].煤炭工業出版社，2010.

[5]鄒哲強，屈世甲.基于關聯性模型的煤礦監控系統報警方法[J].工礦自動化，2011（9）.

[6]張純如，汪勇，丁梅生，等.礦井瓦斯濃度異常變化危險性預警的研究[J].安徽理工大學學報（自然科學版），2011（3）.

作者簡介

王勇（1979-），男，江蘇常州人，工程師，2002年畢業于揚州大學電子與信息科學系自動化專業，現主要從事橫向科研推廣工作。endprint