礦山井下通風自動化改造應用研究

楊益強

（八鋼礦山事業部巴州敦德礦業有限責任公司，新疆 巴州和靜 841300）

近幾年來，礦山開采深度增加，強度增加，井巷通風不良，嚴重影響安全生產，一般會采取措施加大礦井通風系統的通風量，以保證安全生產。但是，增加礦井通風系統的通風量必然會增加通風能耗，這樣就形成了安全與節能的必然矛盾。根據大量調查資料，礦山井下通風系統是最耗電的生產系統之一，對20%～45%的礦山總耗電量負責。因為設計和技術的局限性，礦用排風系統各種形式的風機全天候地處于額定運行狀態，很多時間都處于過度通風狀態下，存在相當大的電能浪費。然而，在保證安全生產的前提下，礦井實際需求量與工作面、風量有關，并隨著生產過程和工作時間的改變而改變，所以礦井通風系統蘊藏著巨大的節能空間[1]。

1 礦井通風機自動控制系統方案的設計

根據礦井工作面實時空氣質量自動調節通風機風量是實現自動控制的關鍵，利用相應的傳感器來檢測氣體的濃度，并根據被檢測的數據通過控制器的計算來預測所需要的風量，控制各種通風筒，實現通風筒的動態調節。通過調節通風機轉速，實現通風機風量的預測調節，預測了風機調速時根據巷道內環境參數采用相應的控制算法，實現了風機參數的實時調節。通風器自動控制系統的結構圖見圖1。

圖1 自控供電系統流程

自控系統包括局部自控和供電系統，本地控制系統根據采集到的信號數據計算，然后把結果上傳到上位機，進行數據顯示和監控；電源系統采用冗余設計，保證了系統供電不間斷，并且使用 UPS為不間斷電源應急電源，確保系統持續運轉。電力系統為本地控制器提供電力的同時，將 UPS在主控制器中的工作狀態設置為對應的檢測，確保供電系統可靠。

1.1 礦井通風的重要性

礦井通風是保證安全生產的關鍵環節，直接決定了工作人員的生命安全。為保證井下每個位置都有充足的通風量，達成安全高效的出產，必須對礦井通風加以改良，利用通風設施把地面空氣送到井中，如果地面空氣在礦井后出現了化學或是物理變化，將可能造成各種有害氣體，被人體吸入將十分危險。因而必須排除有害氣體，將地面安全氣體送到井內，這是保證工作的基本要求[2-4]。

1.2 自動控制系統上位機監控系統的設計

以 Labview為上位機軟件，可對圖形界面進行編輯，進行數據顯示和仿真，本軟件包含多種應用工具，可實現數據采集、處理。傳送與處理通氣筒的自動控制系統，使用STM32設計了風扇的速度調節控制和功率管理功能，利用 MATLAB軟件對通風機風量的預測和處理進行了測算設計。上位計算機的顯示采用了二者混合編程的形式，使用 Labview調用 MATLAB計算程序。

為了實現兩者之間的混合編程形式，通信必須以 COM接口的方式在彼此之間進行，STM32芯片采用RS232接口，與 MATLAB通訊方式，STM32內部采用MAX3232作高低電平變換以獲得串口通信。使用 Labview為上位機圖形化顯示界面進行編程設計，通過風機運行狀態監測和電源管理系統的監測，對系統的監控狀態進行劃分，在圖2中顯示了其中通風機的運行狀態監控界面。在圖2所示的接口中，可查看系統內所有通風筒的工作狀況，每套通風筒都有一個備用風量，當前運行狀態可被查看，以及對風力的預測。主備用風機也可通過操作界面進行切換和風量調節。

圖2 通風機運行狀態監控界面

2 礦山井下通風存在的主要問題

2.1 通風系統不完善

國內大部分礦山均存在通風系統的不完善，風量利用率不高等問題，特別是采掘工作面和工作面的通風，如果空氣質量不達標，或相應的通風設備選擇有誤，將會引起嚴重的問題，此外，一旦采掘工作面的實際地質條件與作業規程內容有較大的出入，原通風設備選型及通氣參數都不能滿足實際需要，或因施工要求過高造成浪費。

2.2 施工危險性大

在井口通風系統中，井下中段位置的設置也是漏風的主要原因?？諝庵械臐穸群蜏囟仍诘V井生產環境中都比較大，而且礦井內空氣流通量較少，通風風壓較低，因此，礦井通風系統的通風效率較低，對施工作業工人的安全是非常不利的，可能還會發生事故。

2.3 回風風路不通暢的問題

礦山井下通風系統的東西向階段回風包括聯絡平巷和豎井兩個部分，分設在采礦活動區內。由于局部回風井極易引起東西翼回風通道堵塞，因此，必須重視這個問題。

2.4 井下空區較多，漏風問題嚴重

在3912 m的中段以上，自建礦井后即開始開采，采空區已形成較大規模，3850～3912m范圍內，還存在著豎井，且為上、下貫通，使上風向風道內的新鮮風能夠漏風，且下生產運行區回風量小，使開采工作面的環境十分惡劣。

2.5 通風風路相對較長，且風阻大、斷面小

因為通風系統在礦井的風路上是連接風井的，因此引起的風阻較大。風井中的通風系統斷面較小，而井下需求較多，因此風速超過安全限值8 m/s。按照有關規定，根據目前的進風狀況，3850m中段供氣能力明顯偏低。

3 風級變頻節能通分改造

應用風機變頻技術的關鍵在于井下用氣是否有較大波動，而且井下氣需求量與生產計劃密切相關，所以，首先要分析生產計劃中各項生產作業的需求。

爆破作業污染風害大，要求高風速、強風能，迅速排出巷道內的炮煙灰風，有利于提高工作效率和安全性。鑿巖、出礦作業只需滿足職業衛生排塵和各種車輛排出尾氣風速的要求。從施工時在操作時間上，爆破作業時間較短，也就是強風的時間要短一些。風機轉換裝置的安裝，提高風機功率，在爆破作業時迅速排出炮煙灰，降低風機功率，滿足出礦作業時的職業衛生和生產安全要求。

4 礦井通風自動化改造應用

4.1 通風系統自動化實現

第一，使原自動化控制設備與變頻設備形成并聯運行；采用變頻調速裝置控制通風機的有關系統參數，通過這種方式完成了原始控制裝置在工頻和變頻之間的自動轉換，在這些自動程序系統中，控制器需要直接由變頻器自動系統設備來操作。自動化改造中的通風系統，應根據掘進工作面的實際掘進長度，適時調整通風量。

由于巷道內風量檢測等監測網絡探頭，第二，應提供實時準確的數據給自動化系統進行相應的自動化判斷，即通風系統監控設備的遠程控制和探測功能要求針對掘進工作面的實際情況進行調整。第三，還需要實現局域網，保證在任何一處礦井內都能觀察到井下通風系統的情況，監視和控制。第四，在自動化通風系統中應設置自動控制運行方式和手動控制運行方式，方便有關人員通過手動和自動兩種方式均可實現自動化控制通風系統，舉例來說，通過在變頻自動化系統中調整變頻設備的電源輸出頻率，就可以實現與風機有關的通風參數的調整，亦可通過手動直接調節通風機風量，人工調整風量方式一般適用于為了達到調節風量的目的，必須以最快的速度進行，以避免意外事件的發生。第五，系統報警裝置的功能改進，除對氣體超限、超壓、超流等安全報警基本功能外，也應實現自動保護功能、顯示頻率、運行狀態指示及電源顯示等功能，保證我們能及時掌握通風自動化系統的運行狀況。對設備故障進行報警，冗余系統應用于自動化改造設計，這是為了防止危險或錯誤發生。

4.2 通風系統自動化效果檢驗

通風系統實現了自動化后，需要對效果加以檢驗。局部通風系統的自動化改造主要包括兩個方面的內容：第一種是變頻設備的安裝，使通風筒能在正常工作頻率和變頻器之間互相轉換，保證系統運行連續性，在變頻設備中及時發現故障，通風器能在正常工作頻率下運轉。

通風系統的自動化改造，實現了節能降耗，利用自動裝配程序，可以計算出通風系統在某些情況下所需的最小風量轉速等風機參數，另外，自動調節變頻自動化系統，使通風筒在較低的工作頻率下能較好地完成相應的工作，達到了節能、高效、環保的目的。

5 結語

地下開采的安全與井下通風系統密切相關，優化井下通風系統的系統，對確保井下作業安全具有十分重要的意義。但現在有些礦井的通風系統，出現了這種情況，例如，較小的通風量和較大的漏風量都會嚴重威脅礦井的安全，應對其進行優化，提高通風系統的性能，要保證井下有足夠的空氣流量。闡述了某礦井下通風系統的現狀。以井下通風系統為目標存在的問題，針對具體情況提出了優化設計方案，經實踐證明，效果很好，能給井下作業提供足夠多新鮮空氣。