礦井智能通風(fēng)與實(shí)時(shí)監(jiān)測控制系統(tǒng)

欒王鵬

（山西焦煤西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

目前煤礦通風(fēng)參數(shù)、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中配風(fēng)量、風(fēng)速和監(jiān)測主要是依據(jù)礦井實(shí)際情況人工操作完成的。人工進(jìn)行調(diào)節(jié)和監(jiān)測會(huì)造成風(fēng)量分配不均且穩(wěn)定性差，不僅耗費(fèi)了大量的人力物力，而且效率低下。特別是當(dāng)?shù)V井發(fā)生火災(zāi)時(shí)，無法遠(yuǎn)程控制風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，無法及時(shí)地應(yīng)對(duì)災(zāi)害，易造成更大的危險(xiǎn)[1-4]。而礦井智能通風(fēng)與實(shí)時(shí)監(jiān)測控制系統(tǒng)對(duì)全礦井的通風(fēng)實(shí)現(xiàn)智能管理，即礦井各個(gè)用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量分配按需實(shí)現(xiàn)智能化、信息化控制。根據(jù)現(xiàn)場情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測及合理、可靠調(diào)整，也是響應(yīng)國家“智慧礦山”建設(shè)，實(shí)現(xiàn)礦井減人提效的號(hào)召。

1 工作面概況

馬蘭礦18506工作面兩巷均開口于南五下組煤輔助運(yùn)輸下山，輔運(yùn)巷西北側(cè)為18504皮帶巷，東南側(cè)分別為18504底抽巷、18506高抽巷，工作面切眼東北側(cè)為南八南九膠帶機(jī)運(yùn)輸大巷。工作面所采煤層為石炭系太原組8號(hào)煤層，屬穩(wěn)定可采厚煤層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層厚度3.80～4.80m，平均4.43m。礦配備兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，一臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)一臺(tái)備用，東臺(tái)1#風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，排風(fēng)量16860m3/min；西臺(tái)2#風(fēng)機(jī)備用，排風(fēng)量16756m3/min。核算18506工作面需風(fēng)量為2340m3/min，礦井總需風(fēng)量15482m3/min。

2 系統(tǒng)簡介

2.1 系統(tǒng)組成

礦井智能通風(fēng)與實(shí)時(shí)監(jiān)測控制系統(tǒng)主要由礦井通風(fēng)軟件、基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井通風(fēng)參數(shù)測定系統(tǒng)、百葉式自動(dòng)風(fēng)窗及其控制系統(tǒng)、抗火災(zāi)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制風(fēng)門組成。實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，在地面上實(shí)時(shí)顯示井下巷道的風(fēng)流狀態(tài)，遠(yuǎn)程控制井下的通風(fēng)設(shè)施，準(zhǔn)確進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠。礦井智能通風(fēng)與實(shí)時(shí)監(jiān)測控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 礦井智能通風(fēng)與實(shí)時(shí)監(jiān)測控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

礦井通風(fēng)軟件安裝在地面監(jiān)控機(jī)房，實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制井下百葉式自動(dòng)風(fēng)窗、抗火災(zāi)自動(dòng)風(fēng)門運(yùn)行狀態(tài)。物聯(lián)網(wǎng)的礦井通風(fēng)參數(shù)測定系統(tǒng)采用風(fēng)速傳感器、風(fēng)壓傳感器、溫度傳感器、一氧化碳傳感器、甲烷傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測每個(gè)測點(diǎn)位置的風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度大小和一氧化碳、甲烷濃度。自動(dòng)風(fēng)門、風(fēng)窗等風(fēng)量調(diào)控設(shè)施作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在井下主要風(fēng)量調(diào)節(jié)地點(diǎn)，用于實(shí)現(xiàn)風(fēng)量精確調(diào)控。電控系統(tǒng)通過井下環(huán)網(wǎng)和氣路向上位機(jī)軟件上傳傳感器和風(fēng)門風(fēng)窗的運(yùn)行狀態(tài)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時(shí)又向自動(dòng)風(fēng)門風(fēng)窗傳輸上位機(jī)軟件的決策命令，進(jìn)行風(fēng)量的遠(yuǎn)程精確調(diào)控。

2.2 井上監(jiān)控系統(tǒng)

礦井通風(fēng)井上監(jiān)控系統(tǒng)具有礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)永久存儲(chǔ)管理、通風(fēng)設(shè)施遠(yuǎn)程精確控制等功能,以及誤差分析、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理等輔助功能，為礦井通風(fēng)系統(tǒng)科學(xué)管理提供有效的技術(shù)手段[5-7]。其主要實(shí)現(xiàn)通過現(xiàn)場通風(fēng)阻力測定，計(jì)算出控制區(qū)域通風(fēng)風(fēng)阻，結(jié)合KJ90NB內(nèi)監(jiān)控到的礦井風(fēng)阻相關(guān)參數(shù)，計(jì)算控制區(qū)域分風(fēng)風(fēng)量；基于風(fēng)阻定律、壓能平衡理論，建立基于通風(fēng)大系統(tǒng)影響下的控制區(qū)域壓能平衡方程，并利用該平衡方程找出通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)平衡關(guān)系，開發(fā)相關(guān)控制軟件；依據(jù)相關(guān)規(guī)程和規(guī)定，對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)判，并建立穩(wěn)定性判別式和閾值，合理確定動(dòng)態(tài)通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍。實(shí)現(xiàn)礦井控制區(qū)域通風(fēng)模型的三維立體顯示。

3 井下實(shí)施方案

3.1 測點(diǎn)布置

以馬蘭礦18506采煤工作面為例，通過構(gòu)筑智能化通風(fēng)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)設(shè)施的智能化控制。目前正在施工18506兩順槽，工作面生產(chǎn)期間采用下行通風(fēng)，工作面新鮮風(fēng)流通過采區(qū)軌道下山—車場—18506上順槽聯(lián)絡(luò)巷—18506上順槽—18506作面—18506下順槽—聯(lián)絡(luò)巷—18504回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷。

按照礦井采掘布置和要求，決定在采區(qū)總進(jìn)風(fēng)、18506采煤工作面進(jìn)風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷、18506采煤工作面上順槽、18506采煤工作面上端頭、18506下端頭、18506煤倉聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)門前、18506煤倉聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)門后、采區(qū)回風(fēng)巷風(fēng)門前、采區(qū)回風(fēng)巷風(fēng)門后、總進(jìn)總回聯(lián)絡(luò)巷等位置布置測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)都布置風(fēng)速傳感器、風(fēng)壓傳感器、溫度傳感器、一氧化碳傳感器、甲烷傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測每個(gè)測點(diǎn)位置的風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度大小和一氧化碳、甲烷濃度。

3.2 百葉風(fēng)窗控制系統(tǒng)

百葉風(fēng)窗控制系統(tǒng)的目的主要是對(duì)18506工作面的風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)工作面的需風(fēng)量通過井上軟件控制風(fēng)窗對(duì)風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。百葉風(fēng)窗控制柜內(nèi)包含風(fēng)窗控制系統(tǒng)，用于接收軟件發(fā)出的調(diào)節(jié)指令，并根據(jù)指令采用合適的算法調(diào)節(jié)百葉風(fēng)窗調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的。同時(shí)百葉風(fēng)窗也配有顯示系統(tǒng)，用于顯示控制區(qū)域壓力、風(fēng)速及相關(guān)的通風(fēng)參數(shù)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)向上位機(jī)監(jiān)控軟件報(bào)告控制系統(tǒng)狀態(tài)。

百葉風(fēng)窗安設(shè)位置位于18506煤倉聯(lián)絡(luò)巷，距離18506回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷三岔門13.5m處構(gòu)筑第一道風(fēng)門，該地點(diǎn)有構(gòu)筑通風(fēng)設(shè)施空間；在回風(fēng)側(cè)安設(shè)調(diào)節(jié)通風(fēng)設(shè)施，通風(fēng)系統(tǒng)易于調(diào)節(jié)；頂幫較完整。

第一道風(fēng)門構(gòu)筑處巷道形狀為半圓拱，高×寬為3600×4100mm，一側(cè)為皮帶運(yùn)輸，皮帶架構(gòu)高×寬為1500×1300mm。考慮到18506采煤工作面生產(chǎn)必須滿足需風(fēng)量，在風(fēng)門上方留設(shè)長寬為2600×800mm的智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗，該風(fēng)窗采用百葉窗式，百葉窗葉片可上下90°翻轉(zhuǎn)，可根據(jù)工作面風(fēng)量大小實(shí)現(xiàn)智能控制百葉窗葉片翻轉(zhuǎn)角度。風(fēng)門上方架50mm工字鋼梁以提高該風(fēng)門的抗壓性。選擇寬×高為1400×1800mm雙扇平衡風(fēng)門，只用于行人，一道風(fēng)門留有300×300mm可視窗。第一道風(fēng)門安裝示意圖如圖2所示。

第二道風(fēng)門構(gòu)筑處，位于第一道風(fēng)門的下風(fēng)側(cè)，與第一道風(fēng)門相距6m，巷道形狀為半圓拱型，巷道高×寬為2500×4500mm。對(duì)該段巷道進(jìn)行起底整修，擴(kuò)修完高×寬為3600 ×4500mm，在風(fēng)門上方留設(shè)長寬為2600×800mm的智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗。選擇寬×高為1400×1800mm雙扇平衡風(fēng)門，只用于行人，每道風(fēng)門留有300×300mm可視窗。第二道風(fēng)門安裝示意圖如圖3所示。18506采煤工作面回采前，根據(jù)現(xiàn)場情況對(duì)該通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，一是拆除車場風(fēng)門，二是在18504軌膠聯(lián)絡(luò)巷構(gòu)筑兩組風(fēng)門，確保18506工作面風(fēng)門滿足要求。

圖2 第一道風(fēng)門安裝示意圖（單位：mm）

圖3 第二道風(fēng)門安裝示意圖（單位：mm）

紅外傳感器用以檢測有無人員經(jīng)過。當(dāng)有人員經(jīng)過風(fēng)窗附近時(shí)，百葉風(fēng)窗門自動(dòng)開啟，讓行人通過，如果風(fēng)窗門在30s內(nèi)無法開啟，系統(tǒng)將啟用燈光報(bào)警裝置報(bào)警，提醒通過人員需要手推門后通過。人員通過以后，百葉風(fēng)窗門將自動(dòng)關(guān)閉，位置傳感器將主要用于監(jiān)控風(fēng)門的開閉狀態(tài)。

3.3 抗火災(zāi)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制風(fēng)門

抗火災(zāi)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)主要起到安全防護(hù)的作用，安設(shè)位置在主副井井底總進(jìn)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷中。礦井現(xiàn)有3道手動(dòng)控制平衡風(fēng)門，在原有基礎(chǔ)上，中間設(shè)置一道手動(dòng)風(fēng)門，剩余2道更換新電動(dòng)控制平衡門，尺寸按照原風(fēng)門大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，尺寸為1600×1800mm。抗火災(zāi)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制風(fēng)門示意圖如圖4所示。

圖4 抗火災(zāi)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制風(fēng)門示意圖（單位：mm）

4 效果檢驗(yàn)

馬蘭礦18506工作面采用智能通風(fēng)與實(shí)時(shí)監(jiān)測控制系統(tǒng)后，井上控制室能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和控制工作面的進(jìn)回風(fēng)量，依據(jù)工作面的實(shí)際需風(fēng)量使用軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，方便快捷，減少了人力，提高了通風(fēng)效率。實(shí)時(shí)監(jiān)測瓦斯、一氧化碳濃度也避免了礦井通風(fēng)事故造成的災(zāi)害。

5 結(jié)論

（1）介紹了礦井智能通風(fēng)與實(shí)時(shí)監(jiān)測控制系統(tǒng)主要由礦井通風(fēng)軟件、基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井通風(fēng)參數(shù)測定系統(tǒng)、百葉式自動(dòng)風(fēng)窗及其控制系統(tǒng)、抗火災(zāi)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制風(fēng)門組成，能夠?qū)崿F(xiàn)井上井下實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制工作面的風(fēng)量。

（2）分析了礦井智能通風(fēng)與實(shí)時(shí)監(jiān)測控制系統(tǒng)井上監(jiān)測控制軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測、遠(yuǎn)程精確控制、數(shù)據(jù)分析的功能。

（3）在馬蘭礦18506工作面采用該系統(tǒng)，布置了監(jiān)控測點(diǎn)位置、百葉風(fēng)窗、風(fēng)門的安設(shè)位置以及大小、抗火災(zāi)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制風(fēng)門位置及大小，實(shí)現(xiàn)了礦井的智能通風(fēng)。