礦井通風系統的優化控制策略研究

康志國

（晉能控股煤業集團云崗礦管路區，山西 大同 037017）

引言

某礦12 號煤層410 盤區的可開采面積為94.38 km2，設計產能300 萬t/年，煤層平均厚度為2.30 m，煤層結構比較簡單，沒有特殊地質構造，煤塵不具有爆炸性，且瓦斯含量較低[1]。目前井下的通風系統是中央并列式，在回采初期，使用的是PLC+變頻器的通風系統，可以對井下的通風狀況進行監測，但井下開采范圍和深度的不斷增大，加上通風系統的規模要不斷增大，使整個通風系統的響應速度變慢，數據分析出現失誤，無法對風流進行準確調整，使防災效果變差。因此，為了確保通風系統的穩定安全，對現有的通風系統進行改進，根據測量的通風阻力，對通風系統進行及時調整，以此提升系統的安全性。

1 通風系統問題分析

目前某礦井下采用的是PLC+變頻器的通風控制系統[2]，這種系統的結構比較簡單，容易操作控制，在開采初期，這種簡單的通風系統可以準確監控其運行狀態，具體的結構原理圖如圖1 所示。

圖1 PLC 控制系統結構原理圖

隨著開采深度的不斷增加，井下煤層的地質結構及通風系統都越來越復雜，單純地采用通風系統很難滿足礦井的通風要求，受自身結構的限制，通過系統只能監測到一定范圍的通風參數，無法采集到足夠的數據而使分析結果出現很大的偏差。通風系統越復雜，采集和處理數據的時間也會增加，無法及時響應異常情況而出現安全隱患。通風系統越向深處延伸，通風的阻力越大，井下的風壓會降低，如果來不及對數據進行分析，就無法準確地達到通風要求。

2 通風系統控制策略

為了克服PLC+變頻器通風控制系統的不足，根據某礦的實際地質情況，采用現場總線[3]的方式智能調節通風系統，并通過CO2來監測。基于現場總線技術的系統包含數據采集、操作執行、險情預警和冗余設計模塊，具體構成如圖2 所示，通過以太網實現井上井下數據的傳輸，CAN 總線實現計算機與設備的網絡調控，確保四個模塊之間相互獨立，互不影響，增加冗余系統，在出現意外時，可立即調用備用設備，確保生產時的通風安全。

圖2 現場總線模塊構成圖

通過各類傳感器采集的井下設備運行、環境等信息，傳送給現場的監控計算機，現場計算機通過以太網將信息發送給遠程監控計算機，同時通過對現場數據的處理，判斷井下設備的工作狀態，通過Internet 將控制指令發送給控制器，控制器在通過協議解析后，通過處理數據，做出適當的決策，將每個命令對應發送給CAN 節點，控制各個設備的正常運行，保證系統的穩定性，提高系統的安全性。對井下系統的建模結合智能分析和模糊控制算法[4]，通過遠程監控計算機，根據現有的數據對整個系統進行預測和分析，如果井下現有的通風系統難以達到要求或存在安全隱患時，遠程監控計算機就會向主控制器發送警示命令，此時啟動報警系統，提醒井下作業人員盡快撤離。為了確保在通風機出現緊急突發事故時，井下作業可以正常繼續，搭建冗余系統，確保備用設備及時運行，不影響安全生產。

以現場總線技術為基礎的通風系統通過對井下的通風狀況進行實時監測，得到大量采集數據，通過分析匯總大量的監測數據，能夠找到最優的處理方案，做到按需要供風，主控制器通過模糊控制算法，不斷地學習，得到各節點的數據趨勢，做到對風量進行超前調節，從而對設備進行精準調控，確保合適的供風量。

3 通風系統的應用測試

對所建立的通風系統進行測試，確保測試點處的所有通風建筑物都處于關閉，主要是風門1 號、2號、3 號、4 號和風窗E 號、F 號、G 號、H 號，地面通風機的工作頻率是30 Hz，在測試點處，使用穩壓閥將CO2濃度慢慢釋放到M、N 點，其中，慢速CO2質量濃度稀釋到3 000×10-6g/m3，快速稀釋CO2質量濃度到5 000×10-6g/m3，在短時間內，使用最小風速來稀釋有害氣體，并不斷調整通風設備和通風建筑物，一般遵循以下的原則：先調節風門，再調節風窗，最后調節通風機的整體運行狀態，通過對風門、風窗和運行頻率的綜合調節，達到最優的通風控制策略。在井下通風時，一般將通風風速設置在0.7～2.7 m/s，CO2質量濃度在稀釋后控制在2 000×10-6g/m3以下，具體的測點位置、通風線路以及通風建筑物布置如圖3 所示。

圖3 測點位置、通風線路以及通風建筑物布置圖

回采工作面在M 點、N 點分別釋放CO2的測試結果如表1、2 所示，從表中可以看出，在監測點M處，在慢速CO2釋放時，風門和風窗的狀態是0110和0110，風機頻率是30 Hz，在120 s 可以將CO2的質量濃度稀釋到1 920×10-6g/m3，在快速CO2釋放時，風門和風窗的狀態是0110 和0111（其中，0 代表關閉，1 代表打開），風機頻率是60 Hz，在235 s 可以將CO2的質量濃度稀釋到1 950×10-6g/m3；在監測點N 處，在慢速CO2釋放時，風門和風窗的狀態是0111 和0101，風機頻率是30 Hz，在130 s 可以將CO2的質量濃度稀釋到1 955×10-6g/m3，在快速CO2釋放時，風門和風窗的狀態是0101 和0111，風機頻率是60 Hz，在242 s 可以將CO2的質量濃度稀釋到1 970×10-6g/m3。

表1 監測點M 處CO2 濃度測試表

表2 監測點N 處CO2 濃度測試表

因此，在通風機的初始狀態下，在慢速CO2釋放時，可以通過合理調整風門的狀態來降低CO2濃度，在快速CO2釋放時，需要適當調整風門和風窗的狀態，同時增加風機的頻率來降低CO2濃度。

4 結論

針對某礦目前通風系統響應速度慢、無法準確調整風量等問題，提出以現場總線技術為基礎的智能通風控制系統，得到如下結果：

1）依靠現場總線和以太網進行數據傳輸，采用模糊控制算法分析和提前預測數據，得到最優的調整方案，通過對監測點處釋放的CO2濃度進行測試，可以得出，通過合理調整風門的狀態來降低CO2濃度，在快速CO2釋放時，適當調整風門和風窗的狀態，同時增加風機的頻率來降低CO2濃度。

2）結果表明，優化后的通風系統能及時對井下通風狀況進行分析，通過遠程操控確保合適的供風量，提升通風系統的安全性。