矿井智能通风系统优化研究

2020-05-06王阳

山西能源学院学报 2020年2期

王阳

【摘要】本文针对矿井现阶段采用的PLC及变频器通风控制系统存在响应时间长、监测数据处理能力不足、分析失准等问题，提出采用现场总线技术的智能通风控制系统优化技术措施。在井下回采及掘进工作面采用CO2释放测试方法对采用的通风系统智能化、实用性进行验证，结果表明，智能通风控制系统调节通风系统策略与人工方式一致，表明采用的通风控制系统可以满足应对井下一般通风故障需要。

【关键词】矿井通风;优化;通风构筑物;响应速度;通风故障

【中图分类号】 TD724 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）02-0028-03

强化矿井通风系统研究，实现通风参数精准测量与监控、确保通风系统平稳可靠运行，对保证矿井生产安全以及效益提升都有显著促进意义。

山西某矿开采面积94.38km2，可采资源储量接近1.5亿t，设计产能300万t/a，主采3号煤层，埋藏平均680m，厚度在6.8m，采用综放开采方式。矿井通风采用中央并列式，回风斜井及回风立井采用风机型号分别为FBCDZNo21/2×120、FBCDZNo32/2×400。

1通风控制系统存在问题分析

矿井现阶段采用的以PLC及变频器为基础的通风控制系统，存在结构简单、便于操控等优点，在矿井生产初期，通风系统简单时可以有效对矿井通风系统运行状况进行监控，但是随着矿井开拓系统不断扩展，井下通风系统、地质构造更趋复杂，采用的通风控制系统逐渐难以满足矿井通风可靠需要，具体表现为：

通风控制系统受到自身结构限制，对通风参数监控范围有限，随着矿井开拓延伸不断扩展，势必会发生由于采集数据不足导致通风控制系统分析结果偏差较大问题;

随着通风系统复杂程度增加，传感器采集数据、PLC控制系统处理数据以及变频器执行控制指令耗时增加，會出现无法及时对通风异常情况即刻响应问题;

随通风系统延伸，通风阻力变大，井下风压会有所降低，若PLC数据分析不及时，无法有效确保井下用风需求。

总之，随着矿井开采深度不断增加，地质构造更趋复杂，矿井通风系统距离变大、构成复杂，现采用的通风控制系统时常出现分析失准、响应耗时过长问题，不能快速调整风流，达不到减灾防灾目标。为了克服现阶段矿井变频器以及PLC构建的通风控制系统存在不足基础上，基于矿井煤炭生产地质条件，提出采用现场总线控制方式的智能通风系统，并采用CO2测试智能通风系统可靠性。

2矿井智能通风系统

2.1运行原理

针对矿井现阶段通风控制系统现状，提出基于现场总线技术的智能通风控制系统。该系统包含有数据采集、数据处理及执行、险情预警以及冗余设计等独立功能模块。具体工作原理为：

在通风系统内布置的各类传感器对通风设备、通风构筑物、风流参数进行监控采集，采集数据先通过采集卡形式发送至现场监控PC，随后通过工业以太网传输至远程控制PC;

远程控制PC对通风设备、构筑物运行参数以及通风参数进行智能分析，并根据嵌入的算法做出合理控制决策，通过工业以太网将控制指令传输给现场监控PC;

现场控制PC将收集到的指令传输给相应的CAN节点，控制并监控设备运行状态。

2.2系统优势

相对于矿井采用的传统通风控制系统，选用的智能通风控制系统具有下述主要优势：

系统内的各功能模块独立运行，任一环节出现故障不会给其他环节造成不利影响，控制系统的可靠性、稳定性显著提升;

控制系统数据传输采用工业以太网以及CAN总线两种方式，工业以太网用以现场监控PC与远程监控PC间数据交互;CAN总线用以现场监控PC对通风系统设备控制。采用的信息交互方式确保了控制系统具有快速反应能力;

煤矿生产过程中面临诸多不利因素影响，为应对可能突发的各类问题给通风控制系统造成的影响，确保智能通风系统运行平稳，该智能通风控制系统采用冗余设计配备有冗余系统，冗余系统可以在通风构筑物、通风设备发生意外情况时及时、快速响应，保证矿井通风安全。

选用的智能通风控制系统可以对矿井通风设备、构造物运行参数及通风参数进行时实在线监测，具备大量监控数据同时分析处理能力，依据智能算法作出更为合理的决策指令，远程对通风设备运行状态进行控制，掌握各个通风节点变化情况，确保井下合理通风。

3现场工业应用测试分析

矿井于2018年2月开始使用智能通风系统，为对该系统可靠性、稳定性进行测试，在井下13307回采工作面以及13301煤巷掘进工作面进行CO2释放测试分析，从而判断通风系统应对井下异常情况的自动调节能力。

3.1测试方案

在13307回采工作面、13301煤巷掘进工作面同时测试，具体的测试步骤为：

在测试地面所有的通风构造物（主要为1～4号风门、E～H号风窗）均处于关闭状态（0表示关闭、1表示开启），地面风井主要通风机工作频率为30Hz;

在测试地点用稳压阀将CO2缓慢释放至M点及N点，CO2浓度增加3000×10-6表示“慢速”灾害、浓度增加5000×10-6表示“快速”灾害;

在最短时间以及最小风速下对有害气体浓度进行稀释，并对通风设备及通风构筑物运行进行调整，具体遵循原则为优先调节风门，其次调节风窗，最后才调整通风机运行状态，通过调整风门、风窗开度以及风机运行频率，达到最佳通风控制策略;

井下用通风风速控制在0.7～2.7m/s，稀释后的CO2浓度控制在2000×10-6以下。

具体在各测试点的位置、通风线路及通风构筑物布置情况见图1。

3.2测试结果分析

3.2.1 13307回采工作N点释放CO2测试结果分析

具体在13307回采工作N点释放CO2测试结果见表1。从表1可以得出，当CO2释放类型为慢速时，风门、风窗状态分别为0111、0110，通风机工作频率为30Hz，通风系统可以在124s将释放点的CO2浓度降低至1924×10-6，整个耗时时间为124s;当CO2释放类型为快速时，若仅仅通过改变风门、风窗状态无法实现降低CO2浓度目的，需要将通风机工作频率由30Hz调整至60Hz，风门、风窗状态分别为0110、0111通风系统可以在236s将释放点的CO2浓度降低至1930×10-6。

在具体人工调节时也是将2、3号风门、F、G号风窗开启，通过调整4号风门、H号风窗以及主要通风机工作频率，来达到既可以满足通风风速需求，又可以降低CO2释放点浓度目的。

3.2.2 13301轨道巷M点释放CO2测试结果分析

具体在13301轨道巷M点释放CO2测试结果见表2。从表2可以得出，当CO2释放类型为慢速时，保持通风量及降低CO2浓度最佳的通风系统调整策略为：风门、风窗状态为0110、0101，主要通风机工作频率为30Hz，可以在131s时间内将CO2浓度从3000×10-6降低至1955×10-6;当CO2释放类型为快速时，需要将主要通风机工作频率调整至60Hz，风门、风窗状态为0100、0111，此时通风系统通过243s可以将CO2浓度从5000×10-6降低至1968×10-6。

正常情况下2号风门、F号风窗均为开啟状态，4号风门为关闭状态、H号风窗为开启状态。当掘进面出现通风事故时，仅仅通过调整主要通风机运行频率以及3号风门、G号风窗进行调节即可对掘进面风速进行调节，同时满足13307回采工作面最低通风速度要求。

3.2.3 M点、N点同时释放CO2测测试结果分析

在M点、N点同时释放CO2浓度为5000×10-6，通风调节风门、风窗以及主要通风机运行状态达到最优通风策略，具体调节结果见表3。

从表3可以看出，智能通风控制系统将风门、风窗状态调整为0110、0110，主要通风机工作频率提升至60Hz，回采工作面以及轨道巷掘进工作面分别用时190s、192s将CO2浓度降低至运行范围内。

在实际人工调节时，也是将2及3号风门、F及G风窗全部开启，1及4号风门、E及H风窗全部关闭，增加主要通风机运行频率，来提升掘进以及回采工作面风量，从而达到迅速稀释有害气体浓度目的。

3.3测试结果分析

从上述测试可以看出，矿井采用的智能通风控制系统可以对通风系统内的大量监测数据进行分析，并根据分析结果对通风构筑物、主要通风机运行进行远程智能调节，保障井下用风点风量以及用风安全。

4总结

针对矿井现阶段采用的通风控制系统存在响应速度慢、控制不及时、数据处理能力不足等问题，提出采用现场总线技术的智能通风控制系统，并对智能通风系统构成、优点进行具体阐述。

在矿井13307回采工作面以及13301轨巷掘进工作面采用CO2释放测试方法对智能通风控制系统进行验证，结果表明，智能通风控制系统调节通风系统策略与人工方式一致，表现出智能通风控制系统较强的实用性。

【参考文献】

[1]顼利芳.井下智能通风系统研究[J].能源与节能，2020（1）：52-53.