煤礦智能通風中局部通風機控制方法及策略*

邢呈呈

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

煤礦智能化建設規劃中，以王國法院士[1-2]等人提出的智能化礦山建設標準體系框架與建設思路為基礎，中國煤炭學會批準的《智能化煤礦(井工)分類、分級技術條件與評價》、《智能化采煤工作面分類、分級技術條件與評價指標體系》團體標準[3-4]中，按照智能化工作面生產系統和智能化工作面輔助生產系統分11個子系統進行標準化，智能通風系統建設屬于重要的輔助系統之一。智能通風部分對通風系統參數感知、通風設備感知控制、智能通風軟件系統等三方面做出了提升要求。而煤礦通風發展現狀方面，現階段主要依靠人工和半人工的管理方式[5-6]，通風系統的自動化和智能化水平較低，與煤礦智能化建設要求差距較大。

掘進工作面通風利用局部通風機作動力，通過風筒導風的通風方法利用壓入、抽出式或者二者混合的方式實現局部通風，一般按照甲烷、粉塵等排出所需并考慮最小需風量綜合設計通風量。在巷道掘進過程中，對于沒有變頻控制的局部通風機，選定通風機后，一般不調整通風機動力或者人工更換通風機改變通風動力[7-9]。對于能夠變頻控制的局部通風機，現場有經驗的人員按照自身經驗不定期地對局部通風機通風動力進行調整。但是以上兩種調整方式的共同點都是依靠人工經驗來判斷掘進工作面需風量，人為改變局部通風動力的狀況，沒有與現場甲烷、風速等監測數據進行關聯分析。所以說局部通風調節缺乏對現場實際需風量分析，無法實現掘進工作面局部通風機的自動或者智能控制。本文將以掘進工作面通風為依托，就掘進工作面局部通風機控制方法及控制策略進行分析探討。

1 局部通風機控制方法

要實現掘進工作面通風機自動或者智能控制，需要從掘進面通風相關參數監測、通風機可調節性和控制器三方面進行保障。通風相關參數監測包括掘進巷道甲烷、一氧化碳、風速和掘進面工作人員數量等參數的監測，局部通風機調節一般通過變頻器來實現，應用變頻技術與微電子技術，通過改變通風機電動機工作電源頻率方式來控制通風機交流電動機[10-11]。

在控制器選擇方面，存在兩種控制方式，第一種是采用相對獨立的可編程邏輯控制器PLC來實現，采用可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程[12]。能夠通過監測分站實現通風相關參數的采集，按照控制策略分析后向變頻器發送控制信號，從而實現局部通風機實時控制。這種方法不要求局扇控制裝置接入煤礦安全監控系統平臺，可移植性好，適合現場監測、網絡傳輸等采用不同廠家產品的煤礦現場選用。已經部署通風系統平臺的煤礦現場，無需增加PLC控制柜，可通過系統調節的方式實現局部通風機控制。基礎數據采集由安全監控系統實現，通風系統地面決策模塊完成控制邏輯分析，通過系統分站下發控制指令給局部通風機配套的變頻器。其優點是局部通風機自動、智能控制實現方便簡單，但是要求煤礦現場有較完整的安全和通風監控系統平臺。兩種控制方案邏輯如圖1所示。

(a) 方案一

(b) 方案二

從圖中可知，根據不同的煤礦現場選用適用的局部通風機實時控制方案，其控制策略包含對甲烷涌出、粉塵濃度、掘進巷道風速和人員位置等數據的綜合分析，對風速的控制同時要滿足《煤礦安全規程》[13]等行業法規和標準對掘進工作面通風的要求。

2 局部通風機控制策略

局部通風機控制首先要滿足相關法規對掘進工作面通風的基本要求，在風速方面要求巖巷掘進風速不得小于0.15 m/s，煤巷或半巖巷掘進不得小于0.25 m/s，最大風速不得高于4.00 m/s；按照工作面工作人數要求,每人供給風量不得少于4 m3/mm；按照氣體濃度要求“掘進工作面風排甲烷濃度不得超過1.00%，一氧化碳濃度不得超過24×10-6。在此基礎和前提下，本文討論基于甲烷、風速、一氧化碳和人員供風需求的局部通風機調控策略。需要說明的是，文中提出的通風動力增加或者下調均按照每次10%的幅度進行調整。

1) 基于風速的調風策略。基于風速監測的調風策略相對簡單，當風速小于0.15 m/s(巖巷)或者0.25 m/s(煤巷或半巖巷)時，增加通風動力;當風速大于4.0 m/s時減少通風動力。

2) 基于作業人員數量的調風策略。基于作業人員數量監測的調風策略只對調控下限進行控制，即當供風量小于每人4 m3/min時，增加通風動力，其調控表現在對風速的調整上，當前工作面工作人數為N時，最小風速vN計算方式如式(1)所示。

vN=N/(15×Sv)

(1)

式中:vN為依據人員數量可調節的最小風速，m/s;N為當前掘進面作業人數;Sv為當前風速傳感器位置對應的巷道斷面面積，m2。

3) 基于一氧化碳濃度的調風策略。基于一氧化碳濃度的調風策略只對調控下限進行控制，即當一氧化碳濃度超過24×10-6時，增加通風動力。一氧化碳濃度不作為局部通風機動力下調的參考依據，即不隨著一氧化碳濃度降低而下調通風動力。

4) 基于甲烷涌出的調風策略。甲烷作為煤礦安全最主要的監測參數之一，常常涉及到超限報警、風電閉鎖等。如果不能超前對超限和斷電濃度進行控制，不但會影響現場生產，還會造成極大的安全隱患，因此本文提出基于甲烷涌出分析的超前調風策略。這種超前調控從兩方面來體現，第一是對實時監測值得超前調控，對1.00%甲烷報警限流出提前量，無需等待甲烷濃度達到1.00%后再增加通風動力，提前到當甲烷濃度達到0.80%時(視現場管理要求可以調整設定濃度值)，即可啟動變頻控制，增加通風動力，防止甲烷濃度超限。當風量增加甲烷濃度下降到某一設定值后，變頻器將逐步下調通風動力，在甲烷濃度達到該定值后保持通風動力穩定，這個臨界門限濃度值一般需要現場設定，用CT來表示。

如上所述，在滿足各項要求后，甲烷濃度低于某一設定值即可下調通風動力，該門限值CT由現場按照經驗和預期來確定，比如按照0.20%或者0.30%來設定，當濃度小于設定值時,下調局部通風機通風動力，通風動力調整下限對應風速應按照式(2)計算:

vT=Q1/(60×Sv×CT)

(2)

式中:vT為設定的可調節最小風速，m/s，Q1為當前甲烷涌出量，m3/min;Sv為當前風速傳感器位置對應的巷道斷面面積，m2;CT代表設定的甲烷預期濃度值。

另一方面，通過對甲烷濃度時間序列分析，超前預測甲烷涌出峰值，確保甲烷涌出峰值不超限。掘進工作面甲烷涌出量的變化往往是伴隨生產工序交替變化的，當發生掘進作業時，甲烷涌出會出現峰值[12]。局部通風機在變頻調節中，當滿足風速、人員需風、一氧化碳排放等要求后，從經濟和實用考慮，可以按照甲烷濃度趨勢下調通風動力。為了防止掘進作業時甲烷集中涌出而產生超限問題，本文提出以最近3天的甲烷涌出量峰值來確定局部通風機通風動力下限的方法，要求最小通風動力能夠滿足按照最大甲烷涌出量甲烷濃度不超過1.0%的要求來確定掘進巷道等速控制下限，超前預控甲烷濃度超限。其控制方案需要結合風速傳感器和斷面面積來綜合計算，當前風速最小值計算公式如式(3)所示。

vmin=5Qmax/3Sv

(3)

式中:vmin為當前可接受的最小風速，m/s;Qmax為3天內甲烷涌出量最大值，m3/min;Sv代表當前風速傳感器位置對應的巷道斷面面積，m2。局部通風機調控預期風速下限應選擇Vmin與VT之間較大值為最小調控風速。這樣就能滿足掘進作業時甲烷集中涌出而產生超限問題，對局部通風機進行了超前調控。綜合風速、一氧化碳、人員和甲烷，局部通風機調節流程如圖2所示。

從圖2中可知，當無法通過風機調節滿足人員、規程或者氣體排放需求的時候，系統將會發出告警。PLC控制柜采用I/O口分配的方式來實現，其中甲烷、風速和一氧化碳等模擬量數據用1～5 mA或200～1 000 Hz頻率型輸出形式，經過本安信號隔離，全部轉換成4～20 mA信號，進入PLC的模擬量輸入模塊，用于檢測實時濃度。PLC輸出0～20 mA電流給變頻器機芯的主控板，實現0～50 Hz的輸出頻率調節。

3 應用案例

以山西某高瓦斯礦井掘進工作面局部通風控制為例，對局部通風機控制方法和策略進行說明。現場采用FBD No11.2型號礦用隔爆壓入式對旋軸流局部通風機，額定功率2×75 kW，供電電壓660 V。該掘進工作面煤層甲烷含量較高，煤壁甲烷涌出較少，落煤甲烷涌出量大，風速控制在0.30 m/s時，非生產階段甲烷濃度大約在0.20%附近。如果不增加風機供風量，掘進作業落煤時甲烷濃度會迅速上升，常常達到0.90%以上，有時候甚至會達到報警線。作為高瓦斯礦井為了加強瓦斯災害管理，將甲烷濃度超過0.80%就當作隱患來管理，所以低風速帶來的高濃度甲烷排放給現場管理帶來了一定的困擾。在沒有安裝局扇控制裝置之前現場通過人工調高通風機供風量，當風速達到1.00 m/s左右時候，落煤時甲烷濃度能夠控制在0.60%以下，但是在大多數非落煤作業時間段，造成了大量的通風動力浪費。現場期望能夠通過變頻控制實現掘進落煤時間段甲烷不超限，非落煤時間段通風動力不浪費的問題。

圖2 局部通風機調控策略流程

為了實現局部通風機變頻控制，結合現場采選了本文第1節提出的第一種控制方案，配套選用BPB-185/660F風機用隔爆型變頻器和KXJ-800PLC控制柜，為了減少現場傳感器布置數量，通過協議轉換從安全監控綜合分站獲取風速、甲烷、一氧化碳和區域人員數量等數據，組成了局部通風機控制裝置。考慮現場人員需風、一氧化碳排放和甲烷排放等因素，協商后確定當甲烷濃度大于0.64%時就啟動變頻控制上調通風動力，當甲烷濃度小于0.25%時下調通風動力。對3 d的最大甲烷涌出量進行統計，實時計算最小風速值為0.50 m/s,即當風速不小于0.50 m/s過去3 d的甲烷涌出情況不會導致甲烷濃度超限，通過現場測量和計算方式對某0點班8 h掘進甲烷涌出情況進行對比，分別對0.30 m/s、1.00 m/s和變頻控制后變風速條件下甲烷涌出濃度進行統計，如圖3所示。

由圖3可知，當采用變頻風機控制裝置時，甲烷涌出濃度得到了很好的控制，最大值0.65%，最小值0.18%，比原先0.30 m/s通風時甲烷濃度控制效果更好，不會使得甲烷濃度突破0.80%的現場關注門限值。為了更好地說明變頻控制的效果，對480 min內掘進工作面風速值進行統計，如圖4所示。

圖3 不同條件風速甲烷涌出濃度曲線

圖4 變頻控制下掘進巷道風速曲線

如圖4所示，采用變頻風機控制裝置時，掘進工作面風速最小值為0.50 m/s，最大值為0.80 m/s，在控制甲烷濃度的情況下比原先采用1.00 m/s風速時節約了通風動力。

4 結論

本文從礦井掘進工作面通風管理現狀入手，指出現有掘進面局部通風機調節是依靠人工經驗來判斷，人為改變局部通風動力，沒有與現場實時監測數據進行關聯分析。針對這些問題,提出了局部通風機控制應該與現場甲烷、一氧化碳、風速和區域作業人員進行關聯分析控制的問題。根據煤礦現場的具體情況，提出了依靠PLC控制柜和通風系統控制兩種實時控制方案，分析了兩種方案各自的優缺點和適用場景。

提出了基于規程規定、人員需風、一氧化碳排放和甲烷排放的掘進工作面實時控制策略，梳理了完整的控制流程。以山西某高瓦斯礦井掘進工作面通風控制為例，說明了基于該策略控制下的掘進工作面相比較原有人工調風的優勢。采用變頻風機控制裝置時，掘進工作面風速最小值為0.50 m/s，最大值為0.80 m/s，相比原有0.30 m/s風速時大大降低了甲烷超限風險，甲烷濃度最大值不超過0.80%。在控制甲烷濃度不超過0.80%的情況下比原先采用1.00 m/s風速時節約了通風動力,既保障了甲烷安全排放，又節約了局部通風機通風動力。