礦用遠程定量調節風窗研制與應用

許恬

礦井通風設施是礦井通風系統的重要組成部分，是礦井通風系統穩定、合理的重要保障[1-3]。調節風窗是煤礦通風系統中調節控制通風流量的設施，通過調節風窗通風面積實現對井下通風系統的風量調節是最基本的技術手段[4-5]。目前對風窗通風面積的調節基本是人工操作。手動調節過程存在風量調節精度不高，費時費力的缺陷，尤其多個設施的同步調節，效率低且可靠性和穩定性都很差。研發煤礦井下遠程定量控制調節風窗，可有效提升礦井通風設施的管控能力。

1 總體結構

百葉式風窗通過窗葉旋轉調節過風面積，便于遠程控制，具有結構緊湊，地形適應能力強的優點。根據煤礦井下的環境要求，選擇百葉式風窗作為礦用風量定量調節風窗研發設計方案。定量控制百葉式調節風窗主要包括：風窗框架和窗葉、動力傳動裝置、運動機構和小門。風窗的窗體由若干個百葉構成，在氣馬達旋轉力量帶動下實現窗體百葉的旋轉，從而改變窗體的過風面積。在右側設計一個小門，方便人員通行。風窗的調節由上位機軟件遠程發布命令通過氣動馬達控制，電控系統通過TCP/IP協議接入井下環網與上位機軟件通信，采用礦用防爆電磁閥控制壓縮空氣的接通與關閉，實現調節風窗的遠程定量控制。風窗同時具備手動輪鏈條系統，可就地手動控制調節。根據巷道用途、尺寸、最大過風量、風壓等條件，經過計算確定百頁式調節風窗有5個活動扇葉。

1.1 風窗框架

風窗的支撐框架主要由窗扇框和小門門框兩部分組成，各部分由螺栓連接成為一個整體結構，為動力傳動裝置、運動機構、小門等器件提供固定安裝載體。窗扇框架由立擋板、上下擋板通過螺栓拼接固定而成。在框架內部等間距布置了四道隔板，形成了五個風流通道，并在通道內安裝5個風窗窗葉，通過窗葉角度的變化，改變風流通道的過風面積(如圖1)。

圖1 風窗整體結構

1.2 動力系統

每個調節風窗配備兩套動力系統：氣動馬達和手動動力系統。正常工作條件下，以壓縮空氣為動力，使用氣動馬達進行過風斷面調節；在井下停電、壓縮空氣中斷等異常條件下，使用手動搖把系統應急調節風窗過風面積。氣動馬達是將壓縮空氣的壓力能轉換為旋轉的機械能的裝置，其工作介質是空氣，氣動馬達過載時能自動停轉，而與供給壓力保持平衡狀態。手動輪鏈條系統正常情況下搖把處于脫離狀態，當需要應急人工調節時，插入搖把，搖動搖把實現風窗面積的增大或減小，完成手動調節面積后，再將搖把拔出。

1.3 風窗運動機構

風窗運動機構安裝于支撐結構上，主要由窗扇、連桿和小門三部分組成。風窗調節過程中，在動力及傳動裝置的作用下，運動機構發生水平直線運動或者旋轉運動，使得風窗過風面積發生變化。

運動機構運動過程：百葉式調節風窗每個窗扇的軸與短連桿固定連接，短連桿與長連桿同步鉸接，長連桿在氣馬達作用下帶動短連桿轉動，驅動窗扇調節面積。左圖窗扇處于豎直位置，此時風窗處于完全關閉狀態，過風面積為0；中圖窗扇旋轉到45°位置，此時過風面積為最大調節面積的50%；右圖窗扇處于水平位置，風窗處于完全打開狀態，過風面積最大（圖2）。

圖2 風窗完全關閉、打開一半和完全打開三種狀態示意

小門：為了方便行人，在百葉式調節風窗右側設置了行人小門。小門采用方鋼管焊接構成門體框架，外敷1 mm的蒙皮組成。行人小門寬640 mm，高16 000 mm，行人稍稍低頭即可順利通過，在小門上方設置了330 mm×330 mm鋼化玻璃觀察窗，用于觀察對面風窗行人情況。行人小門上方設置風門狀態傳感器，用于檢測小門是否關到位，防止漏風。當小門開啟或者小門未關到位，語音報警裝置不斷發出提示：“小門未關到位，請重新關小門”，直到小門完全關閉為止。

2 設計與控制原理

2.1 過風面積控制原理

百葉式調節風窗窗扇處于豎直位置時風窗處于完全關閉狀態，過風面積為0，隨著活動窗扇的轉動，活動窗扇面積與其在豎直面上的投影面積之差就是單個活動窗扇的過風面積。活動窗扇的旋轉角度可以由旋轉編碼器測得，通過讀取旋轉角度可算出單個窗扇的過風面積，最終換算為風窗的過風面積。

2.2 控制系統設計原理

控制系統包括地面主機、控制用電控主機和外圍傳感器三部分組成。地面主機作為電控系統服務器同時接入井下環網與地面辦公網絡，地面主機安裝上位機軟件，作為井下調節風窗控制管理平臺，實現對風窗的遠程調節。井下電控主機采用礦用隔爆兼本安型電控裝置主機，采用PLC可編程控制器作為核心設備，其邏輯控制方式可通過軟件編程來實現，使復雜的控制邏輯變得簡單。系統通過本安型輸入輸出隔離元件，讀取外部設備開關及傳感器信號，并輸出相應的控制指令，通過信息交換系統與上位機系統進行通信。電控系統外圍傳感器主要有旋轉編碼器、開關量傳感器（行程開關和接近開關）、小門狀態傳感器、氣源壓力傳感器和風速傳感器，分別用于檢測風窗活動窗扇旋轉角度、防止運動機構沖出極限位置的風窗運動機構的極限位置檢測、小門的開關狀態監測、壓縮空氣的壓力值和調節風窗前方巷道風速。

3 工作原理

上位機軟件安裝在地面監控機房，實時監測和控制井下調節風窗的運行狀態，調節風窗的調控設施作為執行機構安裝在井下風量調節地點，用于實現風量調控。電控系統通過井下環網和氣路與上位機軟件和調節風窗通信聯通，既向上位機軟件上傳各傳感器和風窗的運行狀態和監測數據，又向調節風窗傳輸上位機軟件的決策命令，進行風窗和風量的遠程調控。風量的監測是通過監測巷道的平均風速和斷面積計算所得。由于一個風速傳感器只能監測一個點的風速，而巷道斷面上各個點的風速分布不均，為了監測整個巷道斷面平均風速，需要給定風速補償系數進行修正計算平均風速，修正系數是將傳感器監測值與人工測得的平均風速加以比較確定[6]。

表1 百葉式調節風窗技術參數表

4 應用效果

遠程定量控制調節風窗在白洞煤礦8112工作面開展了現場應用，風窗安裝在8112工作面回風巷回風繞道內，用于測量和調控8112工作面的回風量。在8112工作面為備用工作面時安裝調節風窗，并進行了調節風窗過風面積遠程調節實驗，根據配風需求設定過風面積1.008 m2，利用上位機軟件直接設定面積值1.008 m2，調節完成后實測面積值1.005 m2，相對誤差0.298%，如圖3。8112工作面由備用轉入回采時，需風量增大，應用上位機軟件進行了百葉式調節風窗過風量調整，設定風量為1 450 m3/min，調控完成后，實測8112回風繞道風量1 490.5 m3/min，相對誤差為2.72%。調節風窗調控動作時間均小于10 s。

圖3 調節風窗監測控制對話框

5 結論

（1）百葉式風窗通過氣動馬達帶動窗葉旋轉，由旋轉編碼器測得轉數后計算得出風窗過風面積，實現了對巷道過風面積的準確定量調節。

（2）風窗調節命令由地面上位機軟件發布，通過井下電控系統調控，以壓縮空氣為動力，實現了調節風窗的遠程、快速控制，提高了礦井通風管理的信息化和自動化技術水平。