深部巷道通風機自動控制技術應用研究

霍志強

（山西焦煤西山煤電集團有限責任公司，山西 太原 030053）

引言

煤礦井下通風機運行過程中將新鮮風流送入井下巷道和綜采工作面，并將巷道和工作面內煤層釋放的瓦斯、硫化氫等有害氣體和井下生產時產生的剩余熱量經回風巷道排出地表。與淺部煤層相比，深部煤層開采過程中，采掘巷道和綜采工作面處溫度較高、瓦斯等有害氣體釋放速度快，需要地表通風機提供更大的風壓以滿足井下工作面和巷道的風量需求。復雜的通風環境要求礦井通風系統具有更高的耐久性和安全性，傳統的由人工控制通風機的方式難以根據井下條件實時調整通風機功率和通風系統參數，具有一定的滯后性[1]。利用PLC 智能監控技術，實時監測通風機運行工況和井下氣體、溫度等環境參數，經控制模塊中預先存入的邏輯語句的判斷，及時輸出控制信號，調整通風機系統參數。與傳統的控制方法相比，PLC 智能監控技術排除了人為因素的影響，具有明顯的智能化、自動化和及時性特點[2]。

1 深部礦井通風特點

1.1 地表通風機

通風系統所需風壓包括通風阻力和因為高度差產生的靜壓，計算公式如下：

式中：V0為地表通風機初始風壓，kPa；V1為新鮮空氣從井口流入井下，經井下巷道和工作面后流出地表過程中所受到的工作阻力，kPa；V2為井口與井下工作面高度差產生的大氣壓力，kPa；V3為風流從排風井口排出時的殘余壓力，kPa。

從式（1）中可以發現，隨著開采深度的增加，風流在垂直方向上線路延長，通風阻力V1相應增大，靜壓差V2增大，當排風口處殘余風壓V3不變時，地表通風機初始風壓V0隨通風阻力V1和靜壓差V2的增大而增大。深部煤層開采時，為了得到更大的地表通風機初始壓力V0，對通風機的線速度、葉輪直徑和通風機轉速提出更高的要求，以滿足井下工作面和巷道的風壓要求。在增大通風機的線速度、葉輪直徑和通風機轉速的同時，通風機運行時的振動幅度隨之增大。過大的振動幅度嚴重降低了通風機的耐久性和安全性，并產生噪聲危害因素。為了確保通風機安全高效運行，現場生產過程中，要求通風機的振動幅度不大于7 mm[3]。

1.2 深部煤層開采對工作環境的影響

煤礦開采時，井下溫度隨著開采深度的增加逐漸增大，統計數據表明，煤礦開采時深度每增加100 m，井下溫度增加約3 ℃，為了確保井下的安全生產環境，要求井下溫度不大于26 ℃。同時，井下溫度的增高降低了巷道圍巖的瓦斯吸附常數，實驗室條件下，巷道圍巖的最大吸附量與井下溫度的關系如圖1 所示。

圖1 巷道圍巖的最大吸附量與井下溫度的關系

如圖1 所示，在20 ℃條件下，瓦斯飽和吸附常數a 為37 m3/t；在40 ℃條件下，瓦斯飽和吸附常數a為30 m3/t；隨著溫度的增加，巖瓦斯飽和吸附常數a呈下降趨勢，下降的幅度逐漸增大，巷道圍巖內煤巖體的瓦斯吸附量減小，瓦斯釋放速度增加。為了防止瓦斯積聚產生瓦斯爆炸事故，規程要求總回風巷道中瓦斯濃度不大于0.7%。

2 自動控制技術結構

自動控制在整流技術和PLC 智能監控技術基礎上，實現對井下通風系統參數的實時監測，并控制通風機及時調整設備運行工況。與傳統的通風機控制技術相比，自動控制技術具有高度的智能化、自動化特點。其中，利用整流技術對通風機供電系統輸出頻率進行調整是自動控制技術的前提。在整流器的作用下，將供電網絡中頻率恒定的交流電經整流器作用轉換為頻率可控的交流電，根據井下通風系統環境和通風機運行工況，及時調整供電網絡輸出頻率。PLC 技術是以單片機技術為基礎的智能控制技術，它將監測到的電信號轉換為數字信號后，經控制器中預先輸入的邏輯語句的判斷，輸出相應的控制信號，經輸出模塊轉換為電信號控制設備設施作出相應的動作，從而實現設備設施的自動智能控制。PLC 模塊如圖2 所示。

圖2 PLC 控制系統主要組成模塊

如圖2 所示，PLC 控制系統主要由監測模塊、輸入模塊、控制模塊、輸出模塊組成。根據控制對象的不同特性，選取相應的單個或多個關鍵參數進行監測，將監測到的數據以電信號的形式傳輸給輸入模塊，輸入模塊中含有大量的I/O 接口，每一個I/O接口與預先確定的監測參數相對應，當監測設備監測到相應的預定參數值時，如一定的瓦斯濃度、環境溫度、風速等，相應的I/O接口結果為1，當相應的參數沒有達到預定值時，相應的I/O接口結果為0，通過輸入模塊的作用，將監測設備傳輸的電信號轉換為I/O數字信號傳輸給控制器；控制器模塊由一套可編程的存儲器組成，通過預先存入的邏輯判斷語句對輸入模塊傳輸的數字信號進行邏輯判斷，并將控制信號傳輸給輸出模塊，輸出模塊將控制信號轉換成可被識別的電信號控制相應的設備設施。

3 自動控制系統設計

由上述分析可知，煤礦井下通風系統的正常運行與通風機的振動幅度、深部巷道內瓦斯濃度、井下環境溫度、風量有關，通風機的振動幅度臨界值為7mm，深部巷道內瓦斯濃度臨界值為0.7%，深部巷道環境溫度不大于26°。井下所需風量：

式中：Q 為監測點處風量，m3/min；V 為監測點處風速，m/min；S 為監測點處斷面面積，m2；N 為井下作業人數；K 為礦井通風系數，取值為1.2～1.25；

式（2）中，當監測點處工作人員數量一定時，監測點處所需風量Q 是常數，相應監測點處的最小風速V 也是一定的。

設計在井下巷道入口串聯布置一臺或數臺通風機備用通風機，選定監測點處風量正常時風速的90%、80%作為井下局部通風機的預警值和安全限值，選定瓦斯濃度監測值1%、2%作為瓦斯濃度參數的預警值和安全限值，選定監測點處溫度臨界值的90%、100%作為溫度參數的預警值和安全限值。當PLC 監測裝置監測到深部巷道內瓦斯濃度達到預警值時，PLC 監控系統輸出控制信號打開風門；當PLC監測裝置監測到巷道內瓦斯濃度達到安全限值時，PLC 監控系統輸出控制信號打開備用通風機，當PLC 監測裝置監測到深部巷道內瓦斯濃度達到爆炸極限時，PLC 監控系統控制報警系統發出聲光報警信號，提醒井下工作人員及時撤離工作面，由專業人員消除安全隱患后恢復作業。當PLC 監測裝置監測到深部巷道內環境溫度達到預警值時，PLC 監控系統輸出控制信號打開風門；當PLC 監測裝置監測到巷道內環境溫度達到安全限值時，PLC 監控系統輸出控制信號打開備用通風機，增大風量將工作面生產作業產生的熱量帶出井下。由于井下通風機的啟動通常用于緊急情況，為了確保井下工作面生產安全，放棄對井下通風機振動幅度的監控，而集中監控地表通風機房內的通風機，當PLC 監測設備監測到地表通風機房內通風機振動幅度超過限值時，PLC監控系統自動控制系統控制故障通風機降低功率并發出聲光警報提醒工作人員排除設備故障，同時啟用地表通風機房內的備用通風機，確保井下巷道和工作面所需風量。

4 自動控制系統應用效果分析

利用自動控制技術對某礦綜采工作面進風巷道的通風系統進行設計，工作面情況如下：額定工作人員70 人，進風巷道截面積10.5 m2，回采工作面的瓦斯涌出量峰值為1.1 m3/s。采用KG94A2 型瓦斯傳感器測量工作面的瓦斯濃度，監測點布置在采煤工作面上部，KG94A2 型瓦斯傳感器采用熱催化原理監測瓦斯濃度，在瓦斯濃度較低時傳感器的催化元件工作穩定、精度高，工作面瓦斯突出低谷值僅有0.2m3/s，瓦斯涌出量較小，因此選用在低瓦斯濃度下仍有很高精度的KG94A2 型瓦斯傳感器；采用KG3044 型礦用溫度傳感器測量工作面的環境溫度，監測點均勻布置在采煤工作面上部或中部，KG3044 型礦用溫度傳感器利用PN 結測溫原理，在0～100 ℃范圍內，設備的精度可以達到1 ℃；采用測量范圍較廣，在風速較低時，傳感器的靈敏度較高的KG3088 型礦用風速傳感器測量該綜采工作面進風巷道的風速，監測點布置在采煤工作面中部。

為保證煤礦開采時的通風安全，礦井通風系數取最大值1.25，由式（2）計算可得，1507 綜采工作面設計風量350 m3/min，由式（3）計算可得，進風巷道初始風速0.56 m/s。PLC 智能監控系統在該綜采工作面應用過程中的監測參數如表1 所示。

表1 綜采工作面監測參數

PLC 智能監控系統在應用過程中，各監測參數之間是邏輯關系，以保證綜采工作面通風安全。如表1 所示，當監測設備監測到進風巷道風速為0.532 m/s或瓦斯濃度為1%或環境溫度為23.4 ℃時，監測信號經PLC 控制器判斷，輸出控制風門全開的控制信號；當監測設備監測到進風巷道風速為0.476 m/s 或瓦斯濃度為2%或環境溫度為28.6 ℃時，監測信號經PLC 控制器判斷，輸出控制局部通風機運轉的控制信號。當地表通風機房內的通風機振動幅度超過7 mm 時，正在運行的通風機降低輸出功率，備用通風機啟用，確保井下綜采工作面風量。

經現場試驗表明，在利用自動控制技術對進風巷道進行監測控制的過程中，自動控制系統可以實時地監測到監測點的風速、風量、瓦斯濃度、環境溫度和地表通風機房內通風機的振動幅度等通風參數，經預先輸入控制器的邏輯語句的判斷，能及時輸出控制風門開啟、井下局部通風機開啟或地表通風機房內備用通風機的開啟，實現了對巷道內通風系統實時控制，提高了通風系統可靠性。