長距離掘進工作面的局部智能通風系統研究

李 剛，程榮濤，王 凱

1同煤大唐塔山煤礦有限公司 山西大同 037000

2中國礦業大學安全工程學院 江蘇徐州 221116

隨 著現代化進程加快，煤炭能源需求逐漸增加，礦井生產機械化程度不斷提高，掘進巷道的距離逐漸增加，長距離掘進時局部供風越來越重要，而掘進巷道的加長也對掘進工作面長距離通風技術有了更高的要求。隨著現代科學技術的迅速發展，礦井生產逐步實現機械化、自動化，新型高效智能設備的研發，促使局部通風方法的進步，現急需將煤礦監測監控系統與計算機技術、PLC 控制技術、通風機變頻調節等多個領域進行有機結合。針對礦井掘進工作面不同條件下需風量的變化，分析局部通風機智能調節方法，形成現場局部通風自動化管理，實現局部通風的按需供風與按需控風[1-3]，保證通風系統的穩定性和可靠性，保障生產過程中風量調節的迅速、準確、有效，從而實現長距離掘進工作面風量智能調控和聯動控制的安全穩定。

1 掘進工作面局部通風風流流場數值模擬

1.1 掘進巷道內部風流狀態分析

掘進巷道的局部通風一般采用壓入式的通風方法。通過局部通風機連接風筒，將新鮮風流經風筒送入掘進工作面，新鮮風流經風筒射出后，氣流會流出風筒，形成末端封閉的有限貼壁射流，當氣流到達迎頭端面時，開始回流，所以，掘進巷道里的壓入式局部通風在本質上就是有限空間里的射流通風問題[4-6]。

對于非圓形斷面井巷雷諾數

式中：u為井巷斷面上的平均風速，m/s；S為井巷斷面的面積，m2；v為空氣的運動黏性系數，v＝1.5×10-5m2/s；U為井巷斷面的周長，m。

在實際工程計算中，通常以Re＝2 300 當作管道流體運動形態的判斷標準。Re≤2 300，流體的運動形態為層流；Re≥2 300，流體的運動形態為紊流?！睹旱V安全規程》中規定：掘進巷道井巷允許的最低風速為 0.15 m/s，而大多數井巷斷面都大于 2.5 m2，因此多數礦井巷道的風流不會出現層流，掘進巷道中的風流流動狀態基本為紊流[7-10]。

1.2 風流流場數值模擬

為了獲取長距離掘進巷道中的風流流場分布規律，確定迎頭作業空間和機械設備安裝位置，分析不同流場區域的風量供需匹配，提高局部通風效果，進而指導局部智能通風系統設計，開展了掘進巷道壓入式局部通風數值模擬研究。

1.2.1 幾何模型的建立

數值模擬是分析礦井通風的有力工具，為對掘進巷道內通風進行風流場分析，以轉龍灣煤 23201 掘進工作面為研究對象，構建幾何模型，采用單一壓入式通風方式[11]。掘進巷道模型如圖1 所示。模擬建立了一個寬為 6 m，高為 4 m 的矩形掘進巷道，巷道長度為 100 m，風筒出口距離掘進巷道迎頭 15 m，風筒直徑為 1 m，長度為 85 m，風筒距離巷道壁面和頂板距離各 0.1 m，風筒布置于掘進巷道斷面的左上方，風筒出口的平均風速為 1 m/s。

圖1 掘進巷道模型Fig.1 Model of tunneling roadway

1.2.2 設定邊界條件

對掘進巷道模型進行非結構化網格劃分，選擇的模型尺寸為 0.2 m，生成的模型單元為 1 176 283 個，網格節點為 231 648 個，經過網格無關性驗證，網格大小滿足計算精度的要求。

將掘進巷道模型設定一個進風入口和一個出口邊界，其余區域設定為壁面。掘進巷道中的風流為不可壓縮流體，設定風筒出口為入口邊界，風筒出口氣流流速設定為 1 m/s；掘進巷道的出口是出口邊界，設定為自由出流的壓力出口；除了風筒出風口，巷道出口斷面，其余壁面均設定為壁面邊界。

1.3 數值模擬結果分析

根據建立的巷道模型，以及對邊界條件的設定，使用 Fluent 軟件對獨頭巷道壓入式局部通風流場進行數值模擬計算。掘進巷道的風筒中心截面速度流場矢量如圖2 所示。

圖2 風筒中心掘進巷道速度矢量Fig.2 Velocity vector of central tunneling roadway for ventilation duct

風筒中心截面速度矢量場充分說明了掘進巷道有限空間貼壁射流的流場運動特征。巷道模型的數值模擬結果顯示掘進巷道采用壓入式通風時，巷道中存在明顯的四大流場區域：附壁射流區、沖擊射流區、渦流區及回流區。由于風筒布置在巷道斷面的斜上方，射流經風筒射向掘進工作面的過程中，受到巷道壁面的限制，射流到達掘進巷道迎頭端面，形成沖擊貼附射流。在射流形成貼壁之前，射流中心位于風筒出口中心，經過起始段之后，由于受到有限空間限制及回流的影響，射流未能充分發展，射流體中心轉向掘進巷道壁面，形成附壁射流。在回流的過程中，掘進工作面附近會出現渦流，在渦流區的射流風速較小，換氣效率較差，渦流的存在會影響掘進巷道內流場流動的穩定性。隨著與掘進工作面距離的增大，由于渦流的影響，風速會先減小，后增大，達到最大風速后，隨著與風筒出口距離的增加，風速會再次減小，之后風速趨于穩定，風流場呈穩定狀態。風流在排風向后運移過程中，沒有障礙影響風流場，風流場會充滿整個巷道斷面，在巷道斷面內，風流速度變化較小。

2 局部通風機的變頻調控技術研究

2.1 風機變頻調控原理

礦井局部通風機變頻調風的原理是利用變頻技術，將變頻調速器附加在局部通風機上，通過改變電動機的定子供電頻率來改變局部通風機的轉速，從而調節向掘進工作面的供風量。由局部通風機比例定律得知，風機風量與轉速成正比，風壓與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比[12]，由此可通過控制局部通風機葉片的轉速，實現對局部通風機的風量、風壓和功率的控制。

2.2 風機變頻調控過程分析

根據掘進工作面的局部通風需求，礦井局部智能通風的變頻調速系統主要由多傳感器組成監控系統、PLC 控制系統、變頻調速裝置和局部通風機等模塊組成，同時整個模塊形成“監測—計算—調節—反饋”的閉環控制。局部通風機的變頻調節系統如圖3 所示。

圖3 局部通風機變頻調節系統Fig.3 Variable frequency regulation system of local fan

從圖3 可以看出，局部通風機變頻調節工作流程為：采掘工作面傳感器監測各類參數→監測參數信息傳遞給傳感系統→由監測參數計算局部通風機實際吸風量→質量濃度值傳遞給 PLC 控制中心→變頻調速裝置調節電源頻率→改變局部通風機轉速→調節掘進工作面風量→調節信息反饋給 PLC 控制中心→由傳感參數修正下一步供風量→變頻控制系統再次調節供電頻率。

3 局部智能通風技術

3.1 23201 掘進工作面通風供需匹配分析

轉龍灣煤礦 23201 回風順槽為 232 采區必須掘進的一條獨頭巷道，23201 掘進巷道長度達 4 000 m，巷道截面尺寸為 5.6 m×3.6 m，巷道斷面積Sb＝20.16 m2，礦井是低瓦斯礦井，甲烷含量為 0～0.5 m3/t，平均含量為 0.012～0.160 m3/t，23201 掘進工作面絕對瓦斯涌出量qb＝0.203 m3/s。工作面需風量計算如下。

(1) 按瓦斯涌出量計算工作面需風量[13]

(2) 按掘進工作面的工作人數N計算需風量

(3) 按巷道最低風速進行驗算需風量

考慮到局部通風機供風過程中的漏風情況，巷道風筒的百米漏風率取值為K100＝1%，風筒風量效率

局部通風機的實際吸風量

但是在 4 000 m 超長巷道的掘進過程中，可能因為管理不善，導致風筒的局部漏風量增加，因此需增加一個局部漏風系數α=1.35，所以最終風機的供風量

風機風壓的計算公式

式中：Ht為局部通風機全風壓，Pa；Rf為壓入式風筒的總風阻，N·S2/m；Qa為風機工作風量，m3/min；Qh為工作面所需風量，m3/min；hv0為風筒出口動壓損失，Pa。計算可得風機全風壓Ht＝4 139.7 Pa。

通過長距離掘進巷道局部通風技術的比較，結合轉龍灣 23201 掘進巷道的通風距離、地質條件、經濟效益等情況，對比篩選出 FBDNo8.0/2 礦用隔爆壓入式對旋軸流局部通風機，并選擇可以通過變頻調速裝置調節風機轉速的單巷單風機壓入式局部通風技術[14-15]。該型號的局部通風機額定功率為 2×75 kW，風量為 1 000～6 000 m3/min，全風壓為 1 280～8 000 Pa，局部通風機各項參數能滿足 23201 巷道的掘進通風，對應的風筒直徑選用 1 000 mm，節長為10 m。

3.2 長距離掘進工作面局部通風參數測定

為了精確得到轉龍灣煤礦 23201 掘進工作面局部通風過程中的風筒漏風率以及百米風阻，對轉龍灣煤礦掘進工作面的風筒風量進行了現場測試。23201掘進巷道的風筒供風距離為 3 600 m，風筒節長 10 m，測試過程中選擇 200 m 間隔測定一次，其中 2 472～2 772 m 處安裝的有拉鏈式快速連接風筒。測定儀器選擇 JFY-4 通風多參數檢測儀，通過檢測儀測定并計算各檢測點的多項通風參數。23201 掘進巷道的通風參數測試數據如表1 所列。

表1 掘進工作面的通風參數測試數據Tab.1 Test data of tunneling working face

根據風筒風量計算值可算出風筒的百米漏風率，取其算術平均值，可得 23201 掘進巷道的平均百米漏風率K均＝0.011 590。同理，根據巷道風阻計算公式可得，23201 掘進巷道的平均百米風阻R100＝1.901 383 614。

從測量數據表中可以看出，掘進巷道風筒風量隨著送風距離的增加逐漸減小，在風筒初始的前 800 m，風量減小速度較小，到 800 m 以后，風量減小得比較快，整個掘進巷道的百米漏風率達到了 1.2%。但在 2 472～2 772 m 處，由于使用了拉鏈式快速連接風筒，風筒漏風量明顯減小。因此加強風筒的日常管理，采用新型密封材料風筒，接口處使用拉鏈快速連接，能夠有效地減少風筒漏風量，降低送風過程中的風量損失。

3.3 礦井局部智能通風系統

3.3.1 局部智能通風系統組成

轉龍灣煤礦智能局部通風系統由 FBD 系列礦用隔爆型壓入式軸流局部通風機、智能控制開關、機械自動分風器、井下動態顯示與觸摸屏控制等單元組成。系統采用基于 PLC 變頻控制的智能開關，實現局部通風機遠程調節。系統組成如圖4 所示。

圖4 礦井局部智能通風系統Fig.4 Local intelligent ventilation system for mine

轉龍灣煤礦的局部智能通風是根據《煤礦安全規程》的相關規定，通過井下傳感系統監測與采集相關參數，通過控制臺的人機界面顯示面板實時監控局部通風機的工作風量、風壓、供電頻率和電動機溫度，通過工業以太網通信系統傳輸給地面監控中心，實現井下所有掘進工作面通風狀態的遠程實時監測與預警分析，并以瓦斯濃度作為主要風速調節參數，變頻調節局部通風機的轉速，實現對掘進工作面需風量的自動調節，安全高效地排出巷道瓦斯，智能局部通風系統與監控系統兼容，系統安全可靠[16-18]。礦井局部通風機遠程智能調控系統界面如圖5 所示。

圖5 礦井局部通風機遠程智能調控系統界面Fig.5 Remote intelligent control system interface for local fan in mine

3.3.2 局部通風系統工作狀態

(1) 正常通風狀態 在 23201 掘進巷道迎頭和回風流中瓦斯濃度不超過規定值時，礦井局部通風系統進入正常的自動通風狀態。由掘進巷道中有害氣體濃度、粉塵質量濃度、溫度等參數綜合調控局部通風機轉速，并以瓦斯濃度信號作為監測預警值。

為了減少局部通風機變頻系統的調節頻次，提高局部通風系統的穩定性，轉龍灣煤礦采用閾值反饋調節。轉龍灣煤礦 23201 掘進工作面局部智能通風，各項監測參數的控制邏輯、參數調節閾值、變頻調節方式如表2 所列。

表2 掘進工作面智能通風控制邏輯分析Tab.2 Logic analysis of intelligent ventilation control for tunneling working face

當掘進巷道瓦斯濃度異常時，如監測到的瓦斯濃度超限，局部通風系統開始警報預警，掘進巷道開始稀釋瓦斯。當掘進巷道的瓦斯濃度超過 1.5% 時，掘進巷道內非本質安全電源自動斷電，局部智能通風系統進入排瓦斯狀態。

(2) 排瓦斯狀態 當掘進巷道內的瓦斯濃度超過設定閾值時，礦井局部通風系統的通風任務由提供掘進工作面的需風量轉化為高效地排出巷道瓦斯氣體。排瓦斯狀態主要由回風巷的瓦斯濃度傳感器監測瓦斯濃度并對局部通風機進行變頻調節。

4 結論

通過研究長距離掘進工作面的局部智能通風系統，為長距離掘進巷道的局部通風提供了參考。通過礦井局部智能通風系統的自動化控制，對掘進巷道的瓦斯濃度、溫度、風速、粉塵質量濃度等參數實時監測。根據通風需求，智能控制局部通風系統的工作狀態，實現對掘進工作面通風按需供風、自動調節、監測預警。

(1) 綜合射流通風和計算流體力學等理論知識研究了掘進巷道中的壓入式局部通風問題，通過使用Fluent 軟件對射流通風進行了數值模擬計算。模擬結果說明了壓入式通風方式下掘進巷道流場可分為附壁射流區、沖擊射流區、渦流區和回流區。風流從風筒射流進入掘進巷道，在風筒出口處形成貼壁射流，射流到達掘進巷道迎頭端面后沖擊掘進工作面并產生回流，而在回流的過程中受到高速氣流的卷吸形成渦流區，而渦流區的換氣效率較低，通風效果較差，需要加強對渦流區通風除塵。

(2) 基于變頻調節原理，通過變頻調節裝置改變局部通風機的供電頻率，實現對掘進工作的按需供風。礦井局部智能通風的變頻調速系統由傳感系統、PLC 控制系統、變頻調速裝置、局部通風機等模塊組成，傳感系統監測參數，PLC 控制系統計算風量，通過變頻調速裝置調節通風機的供電頻率，改變局部通風機的轉速，整個系統形成“監測—計算—調節—反饋”的閉環控制，能夠根據監測參數信息實現對風量的動態調控。

(3) 結合轉龍灣煤礦 23201 掘進工作面的局部智能通風技術，建立局部通風機與迎頭風量的聯動控制，根據傳感參數確定迎頭需風量，計算風機供風量，從而控制中心變頻調節局部通風機頻率改變局部通風機轉速，同時建立掘進巷道風量-頻率的對應關系，實現根據需風量快速準確調節局部通風機的運行頻率，保障掘進工作的安全與通風系統的穩定。