基于瓦斯浓度智能调节的矿井通风安全系统研究

2022-01-23崔猛

山西冶金 2021年6期

崔猛

（霍州煤电集团李雅庄煤矿，山西霍州 031400）

矿井通风机是煤矿井下通风安全的核心保障，其运行的稳定性和可靠性直接决定了井下作业人员的人身安全，随着综采作业深度和效率的不断增加，在作业过程中发生瓦斯超限的概率迅速增加，由于目前矿井通风系统在运行过程中未实现瓦斯浓度—风机转速的闭环控制，导致通风系统对井下瓦斯浓度变化的反应速度较慢，通常是在井下发出超限报警时，控制人员才去调节通风机的通风状态，加大通风量，这样不仅效率低而且调整的精确性差，难以满足井下通风安全性的需求。

为了提升井下通风安全性，本文在对现有通风机通风缺陷进行分析的基础上，提出了一种新的基于瓦斯浓度智能调节的矿井通风安全系统，以井下瓦斯浓度为输入量信息，实现对通风机运行状态的闭环反馈调节，同时针对风机在倒机时容易出现井下瓦斯集聚的风险，对倒机方案进行改进，将倒机时间缩短了82%，根据实际应用表明，新的控制系统能够实现通风特性根据井下瓦斯浓度智能调节，自应用以来瓦斯浓度超标报警率下降了97.4%，极大地提升了煤矿井下的通风安全性和可靠性。

1 通风控制系统需求

矿井通风系统的核心是确保井下的空气质量，由于在综采作业过程中井下空气质量会随着地质条件和综采作业速度的变化而变化，因此要求矿井通风控制系统具有以下功能[1]：

1）变频控制，能够根据井下的瓦斯浓度变化情况实现对风机运行的变频控制，提升孔精度和经济性；

2）闭环反馈控制，系统集环境监测和风机调节为一体，能够根据井下环境监测结果自动实现对风机运行情况的调整；

3）系统冗余设计及故障监测，系统能够对风机运行状态进行自动监测和预警，同时需要具备主、副机同时工作和互为备用，确保当一个设备发生故障后仍能够实现不间断控制。

矿井通风机智能控制系统要求如图1所示。

图1 矿井智能通风控制系统控制需求

2 通风控制系统整体方案

根据煤矿井下通风安全性需求及矿井通风系统控制需求，本文所提出的基于瓦斯浓度智能调节的矿井通风安全系统采用了模块化设计，系统分为监测模块、中央处理模块及风机调节模块三个部分。该通风控制系统的整体结构如图2所示[2]。

图2 通风控制系统结构示意图

监测模块主要指布置在巷道内的瓦斯传感器，用于对井下区域内的瓦斯含量进行实时监测。

中心处理模块主要指PLC控制单元，主要用于接收传感器模块的监测信息，根据井下瓦斯浓度自动计算所匹配的风量、风压情况，然后输出变频控制信号，对变频器的控制信号进行调节，实现对风机运行情况的灵活调整。同时，中心处理模块还能够根据井下瓦斯浓度情况实现浓度报警、风机运行状态监测、报警等，是整个通风安全控制系统的核心。

风机调节模块主要指变频器及风机，变频器接收到中心处理模块的控制信息后，输出调整过的变频控制信号，对风机运行时的转速进行控制，确保风量、风压满足对井下瓦斯浓度变化情况调整的需求。

3 硬件系统选型及设计

由于矿井通风系统应用环境较为恶劣，因此矿井通风智能控制系统的硬件选型需要在满足性能要求的基础上尽可能的提高可靠性和使用寿命。通过对不同硬件的应用情况进行对比，可选择西门子公司的MA516型变频器，其具备变频信号处理和可变电压，可以确保在使用过程中变频信号输出的稳定性和过渡平滑性，提高对风机运行控制的可靠性。

PLC可以选择西门子公司的PLC-314型，其具有多个外接接口，能够实现多模块扩展功能，便于实现控制系统的拓展，同时为了确保该控制中心工作的稳定性，在供电方面采用了UPS不间断电源，提高了系统在紧急情况下的工作可靠性，该控制系统的硬件结构如图3所示[3]。

图3 控制系统硬件结构示意图

4 间断通风方案优化

在矿井传统通风系统中，风机倒机的时间约为8 min，在这个过程中极易出现井下断风，进而引起井下瓦斯含量超标，因此针对风机倒机的特殊情况，对矿井通风系统进行了优化，优化后的系统结构如图4所示[4]。

由图4可知，优化后的通风系统主要包括风门、蝶阀等，用驱动电机对蝶阀的运行进行控制，能够保证调节的精确性，降低在调节过程中的风阻。工作时首先启动风机A及对应的阻尼器，此时风量从阻尼器流入巷道，然后按照设定的调整程序逐渐关闭风机A及对应的阻尼器，并同步按照一定的速率打开风机B及对应的阻尼器，以实现在倒机过程中的连续不间断供风。