掘進工作面通風智能控制系統應用研究

程立華

（同煤集團忻州窯礦，山西 大同 037000）

井下工作面掘進巷道的核心供風設備就是局部通風機，保證工作人員呼吸并帶走粉塵和瓦斯等有害物質，改善工作空間的作業條件[1-2]。局部通風機對礦井安全生產意義重大，但在很多礦井中局部通風機存在不能自動控制、穩定性差等問題，具有一定的安全隱患[3-4]。為解決這些問題，重點分析了局部通風機在應用過程中的常見問題，研究后采用了智能通風機控制系統，并在井下應用實踐中，取得了良好的效果。

1 生產概況

忻州窯8507 工作面處于井田14-3#煤層東三盤區，主采14-3#煤層，該煤層平均厚度為2.9 m，平均傾角為4°。8507 工作面皮帶巷開口位置位于東三盤區皮帶巷內，施工方位270°，沿煤層頂板施工，長度1160 m。巷道斷面寬、高分別為4.8 m 和3.0 m。巷道施工采用綜掘工藝，目前已施工500 m。

皮帶巷在掘進期間安裝并使用了2 臺FBD 型號局部通風機，功率為55 kW，安裝位置在巷道開口向北20 m 處。局部通風機配備200 A 開關和120 A聯鎖開關各一套（臺），并使用專用電源，由1#配電點的660 V 移動變壓器和3#高壓開關供電，2#配電點的660 V 移動變壓器和8#高壓開關做為備用電源，保證通風機供電可靠。風筒直徑1.0 m，單節長度10 m，正頭風筒出風口與工作面的距離小于10 m。皮帶巷掘進時，每50 m 安裝一組水霧噴淋降塵裝置，將凈水通過高壓噴頭進行霧化噴灑，對巷道進行降塵處理，降塵裝置灑水量保持在0.5 m3/min。

2 原通風及防塵系統存在的主要問題

（1）系統自動化控制水平較低。原有局部通風系統，局部通風機不能實現自動切換，需工作人員每班定時開展切換，且不能保證倒機不停風。通風機在工作狀態下，若出現故障，無法進行緊急報警；礦地面監控室無法對井下通風機的工作參數進行實時監測，不能有效預防風機故障。

（2）無法對風流溫度進行調節。原有的局部通風機對工作面供風是采用壓入式供風，沒有控溫供風能力。但由于該礦通風路線較長，礦井風流的平均溫度為18 ℃，皮帶巷前期掘進時巷道溫度并不高，隨著巷道的掘進深度增加溫度有明顯上升趨勢，風流溫度已經對正常生產產生影響。

（3）無法對風速進行調節。皮帶巷開口向里200 m 范圍內巷道風筒的漏風系數和風阻較小，工作面風流速度達2.2 m/s，工作面在掘進時，正頭的粉碎煤巖粉塵被高速風流吹起，從而導致工作環境較差。隨著巷道掘進延伸，風阻增加，掘進500 m 時，工作面風速降為0.8 m/s，緩解了揚塵情況，但是風速過低，導致掘進產生的煤塵和污風排除慢，影響正常生產施工。

（4）灑水降塵效果較差。皮帶巷掘進過程中回風流粉塵濃度最大達到135 mg/m3，原有的灑水降塵設施效果很差，粉塵濃度仍高達88 mg/m3，能見度低于15 m。另外傳統噴霧灑水量較大，容易造成巷道積水，影響質量標準化和人員通行，且不利于機電設備管理。

3 通風智能控制系統研究與應用

為了解決皮帶巷道通風系統存在的不足，決定對其進行優化，在工作面安裝一套通風智能控制系統。

3.1 通風智能控制系統結構

（1）通風智能控制系統主要由地面操控模塊、智能供風模塊、PLC 控制模塊、120A 聯鎖開關、溫度和風速控制模塊、噴霧降塵系統等組成，結構圖詳見圖1。

圖1 通風智能控制系統結構圖

（2）地面操控模塊主要由地面網絡交換站、工業以太網和上位機控制系統組成。地面網絡交換站通過以太網與井下交換站進行信息交互。上位機控制系統由PC 主機、顯示設備和打印機組成。PC主機安裝FameView 軟件，處理井下通風機運行狀態信息，并將通風系統的運行參數及狀態在顯示器中直觀地顯示出來。

（3）智能化供風模塊主要由可變頻通風機、控溫器和開關構成，50 kW 功率風機。可變頻通風機連接在PLC 控制器上，實現風機對頻速自動調節，達到風速自動控制目的。

（4）溫度和風速控制模塊主要由溫度傳感器和風速傳感器以及基站等組成。風速和溫度傳感器設置在巷道掘進正頭，基站連接在PLC 控制器上，溫度和風速傳感器的保護值可通過PLC 控制器進行設置。

（5）噴霧降塵系統由粉塵濃度傳感器和集控器以及泡沫抑塵設施等組成。其中泡沫抑塵設施由電控液閥和泡沫產生器和旋轉高壓噴頭組成。將泡沫抑塵設施及粉塵濃度傳感器分別和集控器及PLC控制器連接。

3.2 通風智能控制原理

3.2.1 溫度和風速控制原理

（1）利用PLC 控制器對溫度傳感器和風速傳感器的保護值予以設定。其中風速傳感器的保護值設為1.5 m/s，溫度傳感器的保護值設為22 ℃。

（2）在工作面的溫度小于22 ℃情況下，溫度傳感器將啟動溫度數據采集功能，并將數據上傳至基站；基站將接收到的溫度數據轉換為數字信號傳送至PLC 控制器；收到信號后，PLC 控制器對聯鎖開關發送加熱命令，隨即對溫控器的防爆電熱阻絲通電加熱空氣，提高溫度，使掘進巷道的溫度保持在22 ℃左右。

（3）在工作面溫度超過22 ℃情況下，PLC 控制器發送制冷指令到聯鎖開關，隨即對溫控器的半導體制冷機供電，溫控器將空氣制冷，確保掘進巷道溫度保持在22 ℃。

（4）工作面的風速大于或小于1.5 m/s 情況下，風速傳感器將采集的風流速度數據信息發送至基站，經處理發送至PLC 控制器，再由控制器對信號進行識別，然后調節可變頻通風機的頻速，確保工作面出風口的風速保持在1.5 m/s 左右。

3.2.2 噴霧降塵系統原理

（1）通過PLC 控制器將粉塵濃度感應器的啟動閾值設置為15 mg/m3至50 mg/m3之間。巷道內以200 m 為間隔安裝噴霧降塵裝置，其中高壓旋轉噴頭設置在頂板以下0.8 m 處。

（2）當風流從巷道回流時，粉塵濃度感應器將對回風流內粉塵濃度進行檢測。檢測到粉塵濃度高于50 mg/m3，集中控制器會將粉塵濃度數據發送至PLC 控制器并開啟聯鎖開關打開泡沫抑塵裝置電源，該裝置開始高壓噴沫。

（3）檢測到粉塵濃度低于20 mg/m3時，控制器發送關閉指令到聯鎖開關，隨即切斷泡沫抑塵裝置電源，關閉抑塵裝置。

3.2.3 智能控制系統遠程操控原理

（1）通過PLC 控制器了解風機運行情況和工作面相關參數，利用信號線實時傳送到井底網路交換站中。交換站通過網絡和井筒內的信號基站將數據發送至井口的網路交換站中，再通過網絡線路將信號數據發送至地面監控室內的控制主機上。

（2）通過地面監控室控制主機上安裝的FameView 軟件，可通過顯示器將通風智能控制系統的各部件運行情況直觀顯示。操控人員通過顯示界面可對操控系統進行遠程控制，并允許修改系統中的關鍵參數。

4 應用效果分析

通過對通風系統存在問題的分析，安裝通風智能控制系統，在現場實踐中取得了良好的效果。

（1）加強通風系統的自動化。智能通風控制系統運行后，可節省井下值守的人工，解放勞動力的同時也保證了系統的可靠運行。

（2）實現風速和溫度的自動調節。通過對工作面溫度和風速的檢測，通過PLC 控制器將巷道風速控制在1.5 m/s 左右，溫度控制在22 ℃左右，使現場施工環境更加適合人機工作。

（3）提高降塵效果。通過傳感器和PLC 控制器及執行機構的有機結合，實現泡沫降塵設施的自動啟停，提高降塵效果，大幅降低了巷道內粉塵濃度，改善了巷道環境的同時節約水源，并解決噴水過多導致巷道積水的問題。