煤礦井下局部通風(fēng)機(jī)智能控制研究

南春偉

（山西汾西工程建設(shè)有限責(zé)任公司，山西 介休 032000）

0 引言

局部通風(fēng)是煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)重要組成，為巷道掘進(jìn)提供新鮮風(fēng)流并稀釋瓦斯富集區(qū)濃度[1-2]。現(xiàn)階段局部通風(fēng)多采用恒定風(fēng)速供風(fēng)，雖然可滿足巷道迎頭供風(fēng)需要，但是也存在風(fēng)流偏大、風(fēng)速過高等問題，增加局部通風(fēng)電能消耗量[3-5]。若井下局部用風(fēng)時(shí)綜合使用PLC、變頻器及傳感器，通過各位置瓦斯?jié)舛茸兓瘜?shí)現(xiàn)局部通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，在滿足掘進(jìn)巷道用風(fēng)需要的同時(shí)降低局部通風(fēng)能耗，從而實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)智能控制[6]。本文就對山西某礦3602 運(yùn)輸巷局部通風(fēng)采用的智能控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，以期為其他礦井局部通風(fēng)工作高效開展提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程概況

山西某礦現(xiàn)階段生產(chǎn)集中在6 號煤層，煤厚3.8 m、傾角5°～12°，賦存穩(wěn)定，頂?shù)装逡苑凵皫r及碳質(zhì)泥巖為主，采用綜采開采工藝。現(xiàn)階段煤礦井下布置有3 個(gè)綜掘工作面及1 個(gè)綜采工作面，回采巷道沿6號煤層底板掘進(jìn)。3602 運(yùn)輸巷采用綜掘方式，斷面19 m2，供風(fēng)用FBDNo11.2 型對旋軸流式局部通風(fēng)機(jī)，配套采用功率2×75 kW 電機(jī)、供電電壓660 V，在局部通風(fēng)時(shí)電機(jī)保持額定轉(zhuǎn)速高速運(yùn)行。在巷道正常掘進(jìn)時(shí)，受到落煤瓦斯涌出量影響，掘進(jìn)迎頭供風(fēng)風(fēng)速控制在1.0 m/s 以上時(shí)可將瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.6%以內(nèi)，由于掘進(jìn)巷道落差時(shí)間占比較小，大部分時(shí)間均用以巷道支護(hù)、運(yùn)輸?shù)裙ぷ鳎舸穗A段仍保持1.0 m/s供風(fēng)速度，巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.10%以內(nèi)，雖然可滿足瓦斯排放需要但是會增大局部通風(fēng)機(jī)能耗。為此，文中提出綜合使用PLC、變頻器及傳感器的策略，依據(jù)傳感器監(jiān)測得到瓦斯?jié)舛茸兓{(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，在滿足瓦斯排放基礎(chǔ)上減少局部通風(fēng)機(jī)能耗，實(shí)現(xiàn)智能化控制。

2 局部通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括局部通風(fēng)機(jī)、PLC 控制器、變頻調(diào)速裝置、真空電磁啟動(dòng)器、監(jiān)測設(shè)備（包括瓦斯傳感器、風(fēng)速傳感器等）、綜合分站等，具體結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。智能控制系統(tǒng)依據(jù)巷道迎頭、回風(fēng)流及回風(fēng)巷混合處位置瓦斯?jié)舛葹榭刂茀?shù)，通過控制變頻器、變頻風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)供風(fēng)風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)智能控制[7-8]。

圖1 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能通風(fēng)控制系統(tǒng)中控制器為智能開關(guān)，實(shí)現(xiàn)閉鎖、切換等信號輸出，并通過Modbus 協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息通信，對變頻器控制指令及運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行采集、分析。中央控制器為PLC，對輸入信號進(jìn)行采集、計(jì)算及分析，并將結(jié)果顯示在觸摸屏上；PLC 配備有各項(xiàng)系統(tǒng)信號及數(shù)據(jù)接口，可將監(jiān)測數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)參數(shù)等通過以太網(wǎng)傳輸給地面控制中心。

2.2 智能通風(fēng)控制策略

當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)采用PLC 控制器控制時(shí)，可依據(jù)傳感器監(jiān)測得到瓦斯?jié)舛龋⒆詣?dòng)調(diào)節(jié)供風(fēng)量；當(dāng)系統(tǒng)用普通開關(guān)時(shí)，則可依據(jù)變頻器手動(dòng)調(diào)節(jié)供風(fēng)量。采用的智能控制系統(tǒng)具備智能控制、手動(dòng)控制等功能。

局部通風(fēng)智能控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，依靠布置的傳感器、分站監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)。系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)整局部通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在避免瓦斯超限前提下實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)機(jī)高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。如圖2 所示，巷道內(nèi)T1瓦斯傳感器布置在掘進(jìn)迎頭、T2 瓦斯傳感器布置在回風(fēng)流中，當(dāng)監(jiān)測到瓦斯?jié)舛鹊陀谕咚節(jié)舛认孪藁蛘吒哂谕咚節(jié)舛壬舷迺r(shí)，自動(dòng)進(jìn)入智能控制狀態(tài)；當(dāng)T1及T2 瓦斯傳感器監(jiān)測到瓦斯?jié)舛染∮谠O(shè)定下限時(shí)，則可適當(dāng)降低局部通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，減少供風(fēng)量，同時(shí)設(shè)定局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)最低風(fēng)速下限，避免巷道出現(xiàn)瓦斯超限問題；當(dāng)T1 及T2 瓦斯傳感器監(jiān)測到瓦斯?jié)舛冉咏蛘吒哂谠O(shè)定上限時(shí)，則可適當(dāng)增加局部通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，增加供風(fēng)量，以實(shí)現(xiàn)瓦斯排放。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

為實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)機(jī)智能控制，根據(jù)現(xiàn)場條件選用KXJ-800PLC 控制柜、BPB-185/660F 變頻器，控制柜依據(jù)轉(zhuǎn)換協(xié)議從監(jiān)控分站內(nèi)獲取巷道內(nèi)風(fēng)速、瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)，根據(jù)獲取到的參數(shù)進(jìn)行智能控制。將變頻控制下限及上限對應(yīng)的瓦斯?jié)舛戎捣謩e設(shè)為0.25%、0.65%，即瓦斯?jié)舛冉橛?.25%～0.65%時(shí)局部通風(fēng)機(jī)保持風(fēng)速不變；當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀?.25%時(shí)，則適當(dāng)降低供風(fēng)量；當(dāng)瓦斯?jié)舛雀哂?.65%時(shí)，則增加供風(fēng)。

對智能控制系統(tǒng)應(yīng)用前3 個(gè)月內(nèi)瓦斯?jié)舛扔砍銮闆r進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)巷道供風(fēng)風(fēng)速保持在0.5 m/s 以上時(shí)，掘進(jìn)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛然静粫蓿峭咚節(jié)舛日w偏高，因此將局部通風(fēng)機(jī)最低通風(fēng)速度設(shè)定為0.5 m/s。具體巷道局部通風(fēng)機(jī)在工頻控制（風(fēng)速v分別為0.5 m/s、1.0 m/s）以及智能控制時(shí)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同通風(fēng)控制模式下瓦斯?jié)舛茸兓€

從圖3 中看出，當(dāng)供風(fēng)風(fēng)速在0.5 m/s 時(shí)，巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛容^高，存在有一定的瓦斯超限風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)供風(fēng)風(fēng)速始終保持1.0 m/s 時(shí)，雖可滿足瓦斯排放及供風(fēng)需要，但是局部通風(fēng)能耗高且風(fēng)速過大容易出現(xiàn)揚(yáng)塵。局部通風(fēng)采用智能控制時(shí)，掘進(jìn)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊靡暂^好控制，瓦斯?jié)舛戎到橛?.18%～0.65%，較風(fēng)速為0.5 m/s 時(shí)瓦斯?jié)舛瓤刂菩Ч^好，在智能通風(fēng)控制模式下掘進(jìn)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛仁冀K在允許值內(nèi)。

對智能控制模式下掘進(jìn)巷道局部通風(fēng)風(fēng)速變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體結(jié)果如圖4 所示。采用智能控制時(shí)巷道供風(fēng)風(fēng)速在0.5～0.8 m/s 間，可實(shí)現(xiàn)巷道瓦斯?jié)舛扔行Э刂疲瑫r(shí)較1.0 m/s 風(fēng)速時(shí)明顯降低電能消耗。

圖4 智能控制通風(fēng)風(fēng)速變化情況

4 結(jié)語

從煤礦井下局部通風(fēng)出發(fā)，指出現(xiàn)階段井下局部通風(fēng)多依靠工作人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，未能與現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)結(jié)合分析，同時(shí)局部通風(fēng)普遍存在能耗高問題。為此，本文提出將局部通風(fēng)與現(xiàn)場瓦斯、風(fēng)速等參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，依據(jù)現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)變化調(diào)節(jié)供風(fēng)，以便瓦斯?jié)舛取L(fēng)速在允許范圍基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)機(jī)智能控制，降低電能消耗。

根據(jù)3602 運(yùn)輸巷現(xiàn)場情況，對巷道局部通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制策略等進(jìn)行分析。3602 運(yùn)輸巷局部通風(fēng)機(jī)采用智能控制系統(tǒng)后，局部通風(fēng)機(jī)可依據(jù)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛惹闆r進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，掘進(jìn)迎頭風(fēng)速控制在0.5～0.8 m/s，不僅可滿足掘進(jìn)巷道通風(fēng)需要，而且可降低局部通風(fēng)機(jī)能耗、提升局部通風(fēng)智能化控制水平。