多個采煤工作面風量按需動態聯動調控系統

楊旭， 張浪， 馬強， 劉彥青， 張宏杰， 趙凱凱， 李偉， 段思恭， 耿鋒

（1. 山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048000；2. 煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；3. 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013）

0 引言

礦井通風安全、可靠、高效是保障礦井健康穩定運行的基礎，采煤工作面是礦井最重要的用風地點。受采煤工作面溫濕度、采空區自然發火狀況、瓦斯涌出、通風路線長度等因素影響，采煤工作面需風量是動態變化的，采煤工作面風量調控是礦井通風管理的重要工作。目前大部分礦井同時開采多個采煤工作面，由于礦井通風系統風量具有整體性，其中任一巷道分支風量調控變化會引起其余巷道分支風量變化[1-4]，礦井內任一采煤工作面風量調控會影響該礦井其他采煤工作面風量發生改變。

近年來，各大煤礦大力推進智能化建設[5-8]，采煤工作面風量智能調控是礦井智能通風的重要建設內容[9-11]。通過查閱大量參考文獻，發現目前對采煤工作面風量智能調控的研究主要基于礦井風量自動調控算法[12-13]或礦井風量調節設備[14]，缺乏對多個采煤工作面風量按需動態聯動調控系統方面的研究。針對該問題，本文以百葉式遠程自動調節風窗、井下隔爆兼本安型控制分站為硬件基礎，基于風阻調節量聯合解算方法、調節風窗過風面積與風阻之間定量關系開發上位機解算軟件，構建了多個采煤工作面風量按需動態聯動調控系統，以實現對礦井多個采煤工作面風量進行安全、準確、動態、快速、同步調控的目標。

1 調節風窗過風面積與風阻之間定量關系

百葉式遠程自動調節風窗能夠對風窗過風面積進行連續調控，同時能夠獲得表征風窗過風面積與風阻之間定量關系的連續函數，百葉式遠程自動調節風窗結構如圖1所示。

圖1 百葉式遠程自動調節風窗結構Fig. 1 Louvered remote automatic regulating air window structure

百葉式遠程自動調節風窗過風面積為

式中：n為百葉窗百葉個數；l為單頁百葉窗長度，m；b為單頁百葉窗寬度，m；θ為風窗開啟角度，（°）。

以山西天地王坡煤業有限公司3308采煤工作面回風聯絡巷百葉式遠程自動調節風窗為研究對象，采用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）數值模擬方法，模擬百葉式遠程自動調節風窗流場分布情況，進而研究不同過風面積下百葉式遠程自動調節風窗風阻百葉式遠程自動調節風窗數值模擬模型參數見表1。

表1 百葉式遠程自動調節風窗數值模擬模型關鍵參數Table 1 Louvered remote automatic regulating air window numerical simulation model key parameters

百葉式遠程自動調節風窗流場分布模擬結果如圖2所示。可看出在百葉式遠程自動調節風窗之前巷道內氣壓和風速分布均勻；在百葉式遠程自動調節風窗位置處巷道內氣壓和風速驟然急劇變化，氣壓和風速分布復雜，風窗前后兩側巷道內出現明顯的氣壓降低現象，降低值達100 Pa以上；在百葉式遠程自動調節風窗之后巷道內氣壓和風速均逐漸恢復到巷道內均勻分布狀態，氣壓要先于風速恢復到巷道內均勻分布狀態。表明調節風窗對巷道風流具有明顯的降壓增阻效果。

圖2 百葉式遠程自動調節風窗流場分布Fig. 2 Louvered remote automatic regulating air window flow field distribution

百葉式遠程自動調節風窗所在巷道的通風阻力包括巷道摩擦阻力和風窗阻力，數值模擬模型中設置巷道摩擦阻力為0，即百葉式遠程自動調節風窗所在巷道通風阻力為風窗阻力。根據調節風窗所在巷道的通風阻力和巷道風量，對百葉式遠程自動調節風窗在不同過風面積下的風窗風阻進行模擬計算，如圖3所示。可看出百葉式遠程自動調節風窗風阻隨風窗過風面積增大而減小。

圖3 百葉式遠程自動調節風窗風阻隨風窗過風面積變化的擬合曲線Fig. 3 Fitting curve of wind resistance with wind area of louvered remore automatic regulating air window

利用Origin軟件對百葉式遠程自動調節風窗過風面積與風窗風阻之間非線性關系進行擬合，可得擬合度為0.994。

式中：R為風窗風阻；S0為風窗最大過風面積，m2；B，C為常數系數，由風窗結構、尺寸和風窗所在巷道的巷道尺寸、斷面形狀決定，B=0.524 7 N·s2/m8，C=1.508。

實測在不同過風面積下百葉式遠程自動調節風窗所在巷道通風阻力和巷道風量，得到百葉式遠程自動調節風窗風阻，并與利用式（2）計算得到的風窗風阻進行對比，見表2。可看出現場實測得到的風窗風阻與利用式（2）計算得到的風窗風阻之間相對誤差小于6%，說明采用CFD數值模擬方法模擬計算風窗風阻是可行的。

表2 百葉式遠程自動調節風窗實測風阻與計算風阻對比Table 2 Comparison of measured and calculated wind resistance in louvered remote automatic regulating air window

由式（1）、式（2）推導得到風窗開啟角度與百葉式遠程自動調節風窗風阻之間的關系函數。

2 多個采煤工作面風阻調節量聯合解算方法

2022版《煤礦安全規程》中規定：采煤工作面應當實行獨立通風，嚴禁2個采煤工作面之間串聯通風。滿足該規定的礦井通風網絡內所有采煤工作面均可作為通風網絡余支，進行通風網絡回路圈劃。對于有M個基本回路、D個分支的通風網絡，假設采煤工作面基本回路數量為W，且包含E個采煤工作面分支，則剩余M-W個基本回路中不包含采煤工作面；已知W個包含采煤工作面的基本回路風量，采用牛頓法迭代求解M-W個不包含采煤工作面的基本回路風量；根據M個基本回路風量求得通風網絡所有巷道分支風量，通風網絡風量達到平衡，但W個包含采煤工作面的基本回路的風壓不平衡；建立W個包含采煤工作面的基本回路的風壓平衡方程（式（4）），計算得到E個采煤工作面巷道分支風阻，按照計算結果對E個采煤工作面巷道分支風阻進行調節，使通風網絡達到風壓平衡，實現通風網絡風壓、風量平衡。

式中：cij為第j（j=1,2，…，E，…，D）個分支在第i（i=1，2，…，W…，M）個基本回路中的系數，如果第i個基本回路中包含第j個分支，則cij=1，如果第i個基本回路中不包含第j個分支，則cij=0；Qj為第j個分支風量，m3/s；ΔRj為第j個分支風阻增量，N·s2/m8；Pj為第j個分支通風動力，Pa；為第j個分支風阻初始值，N·s2/m8。

3 多個采煤工作面風量按需動態聯動調控系統

根據調節風窗過風面積與風阻之間定量關系函數、多個采煤工作面風阻調節量聯合解算方法開發了上位機解算軟件，基于上位機解算軟件、井下隔爆兼本安型控制分站、百葉式遠程自動調節風窗構建了多個采煤工作面風量按需動態聯動調控系統，具體實現流程如圖4所示。在上位機解算軟件內預設各個采煤工作面風量調節目標值，上位機解算軟件調用多個采煤工作面風阻調節量聯合解算程序，獲得各個采煤工作面調節風窗風阻調節量；上位機解算軟件繼續調用調節風窗過風面積與風阻之間定量關系函數程序，根據各個采煤工作面調節風窗風阻調節量計算得到各個采煤工作面調節風窗過風面積和開啟角度目標值；上位機解算軟件將各個采煤工作面調節風窗開啟角度目標值下發給井下隔爆兼本安型控制分站；井下隔爆兼本安型控制分站控制開啟壓風氣源電磁閥，獲得調節風窗壓風動力，開始調節風窗開啟角度；井下隔爆兼本安型控制分站通過調節風窗編碼器實時獲取調節風窗開啟角度，調節風窗開啟角度達到調節風窗開啟角度目標值，井下隔爆兼本安型控制分站控制壓風氣源電磁閥，關閉壓風氣源電磁閥，停止調節風窗開啟角度，完成調控過程。

圖4 多個采煤工作面風量動態聯動調控實現流程Fig. 4 Realization process of dynamic linkage control for air volume of multiple coal working faces

4 現場應用

在王坡煤業3308采煤工作面和3203采煤工作面的回風聯絡巷分別部署了相同規格的百葉式遠程自動調節風窗，井下隔爆兼本安型控制分站采用PLC自動化控制技術，實現了地面遠程自動控制百葉式遠程自動調節風窗。為了不影響采煤工作面正常生產，選擇檢修期間開展多個采煤工作面風量按需動態聯動調控系統現場試驗，通過對比采煤工作面風量調節目標值與調節后實際風量，驗證系統的現場應用效果。井下安裝的百葉式遠程自動調節風窗實物如圖5所示。

圖5 百葉式遠程自動調節風窗實物Fig. 5 Physical object of louvered remote automatic regulating air window

具體試驗步驟如下：

（1） 通過上位機解算軟件分別設置3308采煤工作面和3203采煤工作面的風量調節目標值。

（2） 上位機解算軟件自動進行3308采煤工作面和3203采煤工作面風量按需動態聯動調控決策，解算獲得2個采煤工作面回風聯絡巷調節風窗風阻，進一步計算獲得2個采煤工作面的回風聯絡巷調節風窗開啟角度。

（3） 上位機解算軟件向井下隔爆兼本安型控制分站發送“百葉開啟角度”指令，井下隔爆兼本安型控制分站遠程自動控制調節風窗進行執行，快速自動調節百葉式遠程自動調節風窗開啟角度，一次性調節到位。

安排2名測風人員利用葉輪式機械風表分別測試2個采煤工作面回風聯絡巷風量，獲得2個采煤工作面完成風量調節后的實際風量，現場試驗結果見表3。可看出3308采煤工作面和3203采煤工作面風量調節目標值與調節后實際風量之間相對誤差均在7%以內，表明多個采煤工作面風量按需動態聯動調控系統具有良好的使用效果。

表3 3308采煤工作面和3203采煤工作面風量按需動態聯動調控系統現場試驗結果Table 3 Field test results of air volume on demand dynamic linkage control system in No.3308 working face and No.3203 working face

5 結論

（1） 基于多個采煤工作面風阻調節量聯合解算方法、調節風窗過風面積與風阻之間定量關系函數、井下隔爆兼本安型控制分站、百葉式遠程自動調節風窗，構建了多個采煤工作面風量按需動態聯動調控系統。

（2） 采用CFD數值模擬方法模擬百葉式遠程自動調節風窗流場分布情況，研究了不同過風面積下百葉式遠程自動調節風窗風阻，風窗風阻實測值與計算值之間相對誤差小于6%，說明采用CFD數值模擬方法模擬計算風窗風阻是可行的。

（3） 以王坡煤業3308采煤工作面和3203采煤工作面風量為調控對象，進行多個采煤工作面風量按需動態聯動調控系統現場應用，風量調節目標值與調節后實際風量之間相對誤差均在7%以內，驗證了該系統具有良好的使用效果。