瓦斯隧道智能通风应用研究

喻兴洪，杨智成，黄才明，陈治宏，宋 飞

（贵州省公路工程集团有限公司，贵州 贵阳 550008）

1 隧道施工通风的研究背景

隧道施工通风作为隧道工程建设的“生命线”，直接关系到整个隧道工程建设期的施工安全。对于长大瓦斯隧道而言，通风费用所占施工成本比例日渐提高，其经济运行对隧道工程建设具有重要的经济效益。此外，通风设计是按照最困难时期（一般按最长送风距离）要求选择风机和通风设备，而在不同施工进度时所需风量不同。随着施工技术及设备制造工艺水平的进步，越来越多瓦斯隧道施工通风选用带有变频器的先进风机以及相应环境监测传感器（如瓦斯传感器、风速传感器以及二氧化碳传感器等）。基于隧道施工需要以及现有设备，实现风机通风的智能控制，及时掌握风机的运行参数和运行状态，反馈隧道掌子面供风需求并进行实时控制，从而有力保障风机的经济、可靠和安全运行，实现按需供风，为安全施工、节能减排提供技术保障，也为通风管理提供可靠的科学依据。

在隧道施工通风自动化与智能化研究与实践方面，众多学者开展了富有成效的工作。刘石磊等[1]提出了一种隧道施工通风监控系统结构框架，并采用神经网络模型实现环境参数与风机频率的非线性映射；郝俊锁[2]考虑隧道瓦斯施工特点和需求，系统建立了瓦斯隧道安全监控系统构架，以实现“多网合一”，其中子系统包含有通风在线监控；周建明等[3]对红豆山1#斜井多种高浓度有害气体建立了通风管理系统，并控制风机的运行，实现了动态控制和管理；刘钢立等[4]提出了长距离盾构区间施工智能变频通风技术方案。

在现有研究中，对隧道施工通风监测及控制取得了丰硕的成果，然而对于长大瓦斯隧道施工通风还需深入研究，以便管理者随时了解隧道内环境和风机运行状况。本文以桐梓隧道为工程背景，以工控机和可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）为核心远程监测和控制，综合运用了现代风机通风监测理论，以国家标准和行业标准为依据，应用工业计算机数据采集与控制技术，对隧道内风机的运行参数进行远程实时监控。

2 工程概况

桐梓隧道位于贵州省遵义市桐梓县大河镇，其中第七合同段右洞全长6.016 km，左洞全长6.002 km，分为进口工区和斜井工区，隧道穿过高瓦斯煤系地层段，为高瓦斯工区，隧道开挖过程中极易产生瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害。进口工区在施工过程中，先后遭遇可燃气体并发生持续燃烧情况，经鉴定可燃气体为瓦斯，目前最高体积分数为0.12%，随着掌子面往前推进，地勘资料标明前方底层瓦斯体积分数将升高，最后剩余炭质泥岩段为瓦斯突出段[5-6]。目前，进口工区通风方式采用巷道式通风。第135页图1为通风方式示意图。

图1 通风方式示意图

3 通风智能控制系统

通风智能控制系统综合利用现代传感器技术、计算机技术、网络通信技术、无线通讯技术，实现对参数的实时监测及远程控制。

通风智能控制系统主要由PLC监控系统、上位机组态软件系统、现场数据采集传感器系统三大部分组成。

通风智能控制系统配以计算机等各种外围设备，在软件的配合下，完成数据的采集、分析等工作，以图表等多种形式显示在显示器上。系统总体架构与工作流程见图2。

图2 系统总体架构与工作流程

通风智能控制系统具备远程测控功能，实时监测风机工况参数，远程控制风机启动、停止等操作；实现当主风机出现故障或停电时，自动切换至备用风机的功能；当瓦斯体积分数超标时，自动停掉掘进机等生产设备的电源；能够在地面监控室通过计算机控制风机的运行，即在计算机上点击切换测试按钮，自动完成切换测试；能够监测风机的运行参数，如电流、振动等，当所测运行参数超标时，给出预警信号；每台风机控制柜配置100 Mb/s以太网接口，使PLC控制柜能直接通过光纤实现数据通信；地面监控软件能够记录风机控制系统操作运行的历史资料，包括风机切换的时间、远程切换还是就地手动切换、设备送电时间和停电时间等。

3.1 硬件系统

通风智能控制系统的硬件系统主要由掌子面环境传感器、自然环境传感器、PLC控制器、变频器、无线分站、上位机等设备组成。其中掌子面环境传感器包括瓦斯、一氧化碳、粉尘、风速等传感器，用以确定工作面的需风量。环境传感器布置见第136页图3。掌子面环境传感器将收集到的环境参数通过无线分站传至PLC控制器，PLC控制器经分析后控制变频器从而改变风机供风量，风机动作和信息同时传送至上位机，上位机实现整个通风系统的实时信息和状态的采集，并实现远程控制。

图3 环境传感器布置图

3.2 软件系统

通风智能控制系统的软件系统主要包括上位机组态软件系统及下位机PLC控制程序。上位机组态软件系统主要用于实时显示各风机运行数据情况以及环境传感器数据，对异常值进行预警和提示，并与PLC进行通信，显示并检查网络情况，此外，对风机实现远程控制，即通过鼠标和键盘在地面监控室实现对风机进行控制。下位机PLC控制程序主要用于实现风机的自动启动、停止，基于环境传感器自动改变风机频率，调节风量，考虑隧道施工现场情况，实现现场手动控制。

3.3 数据传输系统

上位工控机与监控分站之间采用以太网通信方式，各环境传感器通过无线分站将信号传至PLC控制器，PLC控制器通过工业以太网实现与上位机进行通信，PLC与变频器采用RS485通信接口实现集中控制，从而读取变频器工作状态和故障参数信息，并改变变频器工作状态，实现对风机进行自动控制。

4 结论

本文开发了一套公路长大瓦斯隧道施工通风智能控制系统，该系统由PLC监控系统、上位机组态软件系统、现场数据采集传感器系统三大部分组成。该系统实现了施工隧道内环境参数实时感知，通过无线传输以及网络通信技术传输，PLC进行调控变频器控制风机，上位机接收显示信息并实现远程控制。该系统的建立在桐梓隧道进口工区实现了施工通风的智能控制和科学管理，取得了良好的经济效益、社会效益和环境效益，对隧道施工通风提供了参考。