多个采煤工作面风量按需动态联动调控系统

杨旭， 张浪， 马强， 刘彦青， 张宏杰， 赵凯凯， 李伟， 段思恭， 耿锋

（1. 山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048000；2. 煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；3. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013）

0 引言

矿井通风安全、可靠、高效是保障矿井健康稳定运行的基础，采煤工作面是矿井最重要的用风地点。受采煤工作面温湿度、采空区自然发火状况、瓦斯涌出、通风路线长度等因素影响，采煤工作面需风量是动态变化的，采煤工作面风量调控是矿井通风管理的重要工作。目前大部分矿井同时开采多个采煤工作面，由于矿井通风系统风量具有整体性，其中任一巷道分支风量调控变化会引起其余巷道分支风量变化[1-4]，矿井内任一采煤工作面风量调控会影响该矿井其他采煤工作面风量发生改变。

近年来，各大煤矿大力推进智能化建设[5-8]，采煤工作面风量智能调控是矿井智能通风的重要建设内容[9-11]。通过查阅大量参考文献，发现目前对采煤工作面风量智能调控的研究主要基于矿井风量自动调控算法[12-13]或矿井风量调节设备[14]，缺乏对多个采煤工作面风量按需动态联动调控系统方面的研究。针对该问题，本文以百叶式远程自动调节风窗、井下隔爆兼本安型控制分站为硬件基础，基于风阻调节量联合解算方法、调节风窗过风面积与风阻之间定量关系开发上位机解算软件，构建了多个采煤工作面风量按需动态联动调控系统，以实现对矿井多个采煤工作面风量进行安全、准确、动态、快速、同步调控的目标。

1 调节风窗过风面积与风阻之间定量关系

百叶式远程自动调节风窗能够对风窗过风面积进行连续调控，同时能够获得表征风窗过风面积与风阻之间定量关系的连续函数，百叶式远程自动调节风窗结构如图1所示。

图1 百叶式远程自动调节风窗结构Fig. 1 Louvered remote automatic regulating air window structure

百叶式远程自动调节风窗过风面积为

式中：n为百叶窗百叶个数；l为单页百叶窗长度，m；b为单页百叶窗宽度，m；θ为风窗开启角度，（°）。

以山西天地王坡煤业有限公司3308采煤工作面回风联络巷百叶式远程自动调节风窗为研究对象，采用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）数值模拟方法，模拟百叶式远程自动调节风窗流场分布情况，进而研究不同过风面积下百叶式远程自动调节风窗风阻百叶式远程自动调节风窗数值模拟模型参数见表1。

表1 百叶式远程自动调节风窗数值模拟模型关键参数Table 1 Louvered remote automatic regulating air window numerical simulation model key parameters

百叶式远程自动调节风窗流场分布模拟结果如图2所示。可看出在百叶式远程自动调节风窗之前巷道内气压和风速分布均匀；在百叶式远程自动调节风窗位置处巷道内气压和风速骤然急剧变化，气压和风速分布复杂，风窗前后两侧巷道内出现明显的气压降低现象，降低值达100 Pa以上；在百叶式远程自动调节风窗之后巷道内气压和风速均逐渐恢复到巷道内均匀分布状态，气压要先于风速恢复到巷道内均匀分布状态。表明调节风窗对巷道风流具有明显的降压增阻效果。

图2 百叶式远程自动调节风窗流场分布Fig. 2 Louvered remote automatic regulating air window flow field distribution

百叶式远程自动调节风窗所在巷道的通风阻力包括巷道摩擦阻力和风窗阻力，数值模拟模型中设置巷道摩擦阻力为0，即百叶式远程自动调节风窗所在巷道通风阻力为风窗阻力。根据调节风窗所在巷道的通风阻力和巷道风量，对百叶式远程自动调节风窗在不同过风面积下的风窗风阻进行模拟计算，如图3所示。可看出百叶式远程自动调节风窗风阻随风窗过风面积增大而减小。

图3 百叶式远程自动调节风窗风阻随风窗过风面积变化的拟合曲线Fig. 3 Fitting curve of wind resistance with wind area of louvered remore automatic regulating air window

利用Origin软件对百叶式远程自动调节风窗过风面积与风窗风阻之间非线性关系进行拟合，可得拟合度为0.994。

式中：R为风窗风阻；S0为风窗最大过风面积，m2；B，C为常数系数，由风窗结构、尺寸和风窗所在巷道的巷道尺寸、断面形状决定，B=0.524 7 N·s2/m8，C=1.508。

实测在不同过风面积下百叶式远程自动调节风窗所在巷道通风阻力和巷道风量，得到百叶式远程自动调节风窗风阻，并与利用式（2）计算得到的风窗风阻进行对比，见表2。可看出现场实测得到的风窗风阻与利用式（2）计算得到的风窗风阻之间相对误差小于6%，说明采用CFD数值模拟方法模拟计算风窗风阻是可行的。

表2 百叶式远程自动调节风窗实测风阻与计算风阻对比Table 2 Comparison of measured and calculated wind resistance in louvered remote automatic regulating air window

由式（1）、式（2）推导得到风窗开启角度与百叶式远程自动调节风窗风阻之间的关系函数。

2 多个采煤工作面风阻调节量联合解算方法

2022版《煤矿安全规程》中规定：采煤工作面应当实行独立通风，严禁2个采煤工作面之间串联通风。满足该规定的矿井通风网络内所有采煤工作面均可作为通风网络余支，进行通风网络回路圈划。对于有M个基本回路、D个分支的通风网络，假设采煤工作面基本回路数量为W，且包含E个采煤工作面分支，则剩余M-W个基本回路中不包含采煤工作面；已知W个包含采煤工作面的基本回路风量，采用牛顿法迭代求解M-W个不包含采煤工作面的基本回路风量；根据M个基本回路风量求得通风网络所有巷道分支风量，通风网络风量达到平衡，但W个包含采煤工作面的基本回路的风压不平衡；建立W个包含采煤工作面的基本回路的风压平衡方程（式（4）），计算得到E个采煤工作面巷道分支风阻，按照计算结果对E个采煤工作面巷道分支风阻进行调节，使通风网络达到风压平衡，实现通风网络风压、风量平衡。

式中：cij为第j（j=1,2，…，E，…，D）个分支在第i（i=1，2，…，W…，M）个基本回路中的系数，如果第i个基本回路中包含第j个分支，则cij=1，如果第i个基本回路中不包含第j个分支，则cij=0；Qj为第j个分支风量，m3/s；ΔRj为第j个分支风阻增量，N·s2/m8；Pj为第j个分支通风动力，Pa；为第j个分支风阻初始值，N·s2/m8。

3 多个采煤工作面风量按需动态联动调控系统

根据调节风窗过风面积与风阻之间定量关系函数、多个采煤工作面风阻调节量联合解算方法开发了上位机解算软件，基于上位机解算软件、井下隔爆兼本安型控制分站、百叶式远程自动调节风窗构建了多个采煤工作面风量按需动态联动调控系统，具体实现流程如图4所示。在上位机解算软件内预设各个采煤工作面风量调节目标值，上位机解算软件调用多个采煤工作面风阻调节量联合解算程序，获得各个采煤工作面调节风窗风阻调节量；上位机解算软件继续调用调节风窗过风面积与风阻之间定量关系函数程序，根据各个采煤工作面调节风窗风阻调节量计算得到各个采煤工作面调节风窗过风面积和开启角度目标值；上位机解算软件将各个采煤工作面调节风窗开启角度目标值下发给井下隔爆兼本安型控制分站；井下隔爆兼本安型控制分站控制开启压风气源电磁阀，获得调节风窗压风动力，开始调节风窗开启角度；井下隔爆兼本安型控制分站通过调节风窗编码器实时获取调节风窗开启角度，调节风窗开启角度达到调节风窗开启角度目标值，井下隔爆兼本安型控制分站控制压风气源电磁阀，关闭压风气源电磁阀，停止调节风窗开启角度，完成调控过程。

图4 多个采煤工作面风量动态联动调控实现流程Fig. 4 Realization process of dynamic linkage control for air volume of multiple coal working faces

4 现场应用

在王坡煤业3308采煤工作面和3203采煤工作面的回风联络巷分别部署了相同规格的百叶式远程自动调节风窗，井下隔爆兼本安型控制分站采用PLC自动化控制技术，实现了地面远程自动控制百叶式远程自动调节风窗。为了不影响采煤工作面正常生产，选择检修期间开展多个采煤工作面风量按需动态联动调控系统现场试验，通过对比采煤工作面风量调节目标值与调节后实际风量，验证系统的现场应用效果。井下安装的百叶式远程自动调节风窗实物如图5所示。

图5 百叶式远程自动调节风窗实物Fig. 5 Physical object of louvered remote automatic regulating air window

具体试验步骤如下：

（1） 通过上位机解算软件分别设置3308采煤工作面和3203采煤工作面的风量调节目标值。

（2） 上位机解算软件自动进行3308采煤工作面和3203采煤工作面风量按需动态联动调控决策，解算获得2个采煤工作面回风联络巷调节风窗风阻，进一步计算获得2个采煤工作面的回风联络巷调节风窗开启角度。

（3） 上位机解算软件向井下隔爆兼本安型控制分站发送“百叶开启角度”指令，井下隔爆兼本安型控制分站远程自动控制调节风窗进行执行，快速自动调节百叶式远程自动调节风窗开启角度，一次性调节到位。

安排2名测风人员利用叶轮式机械风表分别测试2个采煤工作面回风联络巷风量，获得2个采煤工作面完成风量调节后的实际风量，现场试验结果见表3。可看出3308采煤工作面和3203采煤工作面风量调节目标值与调节后实际风量之间相对误差均在7%以内，表明多个采煤工作面风量按需动态联动调控系统具有良好的使用效果。

表3 3308采煤工作面和3203采煤工作面风量按需动态联动调控系统现场试验结果Table 3 Field test results of air volume on demand dynamic linkage control system in No.3308 working face and No.3203 working face

5 结论

（1） 基于多个采煤工作面风阻调节量联合解算方法、调节风窗过风面积与风阻之间定量关系函数、井下隔爆兼本安型控制分站、百叶式远程自动调节风窗，构建了多个采煤工作面风量按需动态联动调控系统。

（2） 采用CFD数值模拟方法模拟百叶式远程自动调节风窗流场分布情况，研究了不同过风面积下百叶式远程自动调节风窗风阻，风窗风阻实测值与计算值之间相对误差小于6%，说明采用CFD数值模拟方法模拟计算风窗风阻是可行的。

（3） 以王坡煤业3308采煤工作面和3203采煤工作面风量为调控对象，进行多个采煤工作面风量按需动态联动调控系统现场应用，风量调节目标值与调节后实际风量之间相对误差均在7%以内，验证了该系统具有良好的使用效果。