礦用局部通風機風壓檢測集控系統的設計與應用

周超

(潞安集團 司馬煤業有限公司, 山西 長治 047105)

0 引言

礦用局部通風機是煤礦井下的重要通風設施，它具有通風能力強、適用區域廣及實用性好等優點，已被廣泛用于井下采掘巷道、硐室等施工地點。常用的局部通風機主要由通風機主體、柔性風筒、通風機隔爆開關等部分組成。在工作時，利用通風機旋轉扇葉將空氣以一定壓力抽入，并沿風筒輸送至工作面，從而滿足工作面人員呼吸、有害氣體排除等需要[1]。但在實際煤礦生產過程中，因受通風距離、風阻及通風機功率等影響，局部通風機在通風時，風壓及風阻不能滿足實際生產需要，且傳統的通風機又不具備自動風壓、風速檢查的功能，從而導致通風系統紊亂現象，甚至會發生煤礦通風的事故，如瓦斯、煤塵爆炸等事故。本文以司馬煤礦為例，為進一步提高通風系統的穩定性，彌補傳統局部通風機的不足，設計了一套局部通風機風壓檢測集控系統。

潞安集團司馬煤業有限公司1216運巷位于井田二采區，巷道設計長度為700 m，巷道設計斷面規格為寬×高=4.5 m×3.5 m，巷道掘進煤層為二疊統山西組下部的3#煤層，平均厚度為6.01 m，煤層結構復雜且不穩定，煤塵揮發性大。

1216運巷采用機械化掘進施工工藝，截至目前巷道已掘進200 m，巷道掘進前期在施工巷道開口以北20 m新鮮風流處，安裝了兩臺55 kW的局部通風機對工作面供風。由于傳統局部通風機不具備風速、風壓的檢測功能，隨著巷道不斷開拓延伸，在巷道前100 m范圍內風速及風壓遠遠超過允許范圍，造成工作面揚塵大且通風機節能效率低。當巷道掘進300 m后風阻加大，出風風流風速及風壓達不到設計要求，造成工作面窩風現象嚴重，已出現兩次工作面瓦斯超限現象，嚴重威脅著施工巷道掘進安全。對此，司馬礦通風部通過技術研究，設計了一套風壓檢測集控系統。

1 局部通風機風壓檢測集控系統結構

1) 風壓檢測集控系統主要由變頻風機、聯鎖開關、通風機開關、遠程操控系統、PLC控制器及風壓檢測裝置等部分組成，如圖1所示。

圖1 局部通風機風壓檢測集控系統結構

2) 變頻通風機可實現風機風速、風壓自動調節控制，風機功率為55 kW，共計兩臺，變頻通風機通過與直徑為1 000 mm的柔性風筒連接，將風流引入至工作面。

3) 聯鎖開關的額定電流為200 A，分別與PLC控制器、風機開關連接，主要通過控制器控制作用實現通風機開關的啟停動作[2]。

4) PLC控制器分別與變頻通風機、聯鎖開關及風壓檢測裝置連接，主要對風壓檢測裝置收集的數據進行處理，并將處理后的指令發送至變頻風機主控器內，實現變頻通風機自動變頻控制。

5) 風壓檢測裝置主要由壓力傳感器、風速傳感器、數據處理器、定位柱、風力受壓板、彈簧件、固定架、金屬柱、金屬套管等部分組成，如圖2所示。該裝置主要安裝在距風機出風口50 m處，并與PLC控制器連接。

6) 遠程操控系統主要包括操控室、主機、顯示器、打印機等部分組成。遠程操控室安裝在地面，主機安裝服務器程序(Server 或Systry)，并通過顯示器顯示[3]。

1-金屬套管； 2-風速檢測儀； 3-固定架； 4-定位柱； 5-一號彈簧件；6-金屬固定環； 7-安裝架； 8-二號彈簧件； 9-壓力傳感器； 10-金屬柱；11-密封墊； 12-金屬圈; 13-橡膠密封圈。圖2 風壓檢測裝置結構

2 工作原理

1) 風速檢查工作原理。變頻通風機進行供風后，風壓檢測裝置中的風速檢測儀在風流帶動下出現轉動，數據處理器直接記錄單位時間內的風速，計算出風流速度，然后將風流速度數據以電信號方式通過信號電纜傳遞至PLC控制器。PLC控制器接收信號后進行信號處理[4]。當風流速度大于或小于最大風速時，PLC控制器及時控制局部通風變頻器，對通風機頻速進行調整，保證通風機供風風流速度穩定。

2) 風壓檢查工作原理。風筒內風流經過風壓檢查裝置后，在風壓作用下擠壓風力受壓板，并帶動彈簧件收縮。安裝在安裝架上的壓力傳感器在彈簧收縮下，檢測出風流壓力,然后經數據處理器轉換及時將信號上傳至PLC控制器。PLC控制器接受信號后進行轉換處理。當風壓大于或小于調定值時，控制器及時對通風機變頻器進行控制，實現通風機一級或二級開啟模式，并調整頻速，實現風機恒壓通風。

3) 遠程操控工作原理。局部通風機風壓檢測集控系統在運行過程中檢測的風速、風壓及風機頻速、開啟模式、各設備運行安全參數可直觀地在顯示器界面顯示，操控人員實時對系統進行監控。當系統出現故障后，具有報警功能，操控人員利用界面控制按鈕，對系統進行人工遠程控制，保證通風系統穩定運行。

3 系統優點

1) 結構簡單。該系統結構簡單，便于操作維護，故障率低，不僅可用于井下采掘工作面，還可用于隧道、建筑等領域中，適用性強，應用范圍廣[5]。

2) 自動化水平高。該系統利用風速、風壓檢查裝置對通風機供風流進行自動檢查，并利用PLC控制器對變頻通風機進行控制調節，達到供風風流風速、風壓穩定的目的，全程無需專人操作，實現了自動化控制，大大提高了通風系統的自動化水平。

3) 應用效果好。與傳統局部通風機相比，該系統可實時對供風風流風速、風壓進行調整，動作靈敏度高、誤差率低，保證了采掘工作面安全穩定通風，解決了巷道開拓延伸，風流、風壓變化大導致工作面通風紊亂等技術難題。

4 實際應用效果分析

1216運巷掘進至200 m處，對巷道原通風系統進行了優化，安裝了局部通風機風壓檢測集控系統。截至2018年7月1216運巷已掘進到位。通過8個月對該系統應用效果觀察分析發現，該系統運行穩定性強，隨著巷道開拓延伸能夠及時對風速、風壓進行調整，可保證工作面具有充足的風流及穩定風速、風壓。后期掘進期間采用該通風系統后，工作面粉塵濃度可控制在20 mg/m3以下，工作面未出現因通風不穩定，而造成瓦斯集聚現象。

5 結論

潞安集團司馬煤業有限公司通風部針對傳統礦用局部通風機存在的問題進行了分析，并對原通風系統進行了優化，設計了一套風壓檢測集控系統。通過在1216運巷應用效果來看，該系統彌補了傳統通風系統的不足，提高了采掘巷道通風系統穩定性，保證了工作面通風安全，取得了顯著的應用成效，具有一定的推廣意義。