基于通風機智能調節的井下瓦斯防治技術研究

汪 洋

（國家能源集團國源電力有限公司沙吉海煤礦， 新疆 塔城 834411）

引言

煤炭在開采過程中會釋放出一定的瓦斯氣體，當瓦斯含量超標時不僅會使井下作業人員產生瓦斯中毒，還會導致瓦斯爆炸，是威脅煤礦井下綜采作業安全的核心因素，因此確保井下瓦斯含量不超過警戒值是確保井下作業安全的關鍵。隨著綜采作業技術水平的不斷提升，單位時間內的瓦斯涌出量不斷加大，礦井通風系統采用定轉速通風的模式無法根據井下瓦斯濃度的變化靈活調整，不僅能耗高，而且調節靈活性不足，無法滿足井下高效綜采的作業需求。

本文提出了一種新型基于通風機智能調節的井下瓦斯防治技術，通過對井下瓦斯濃度的監測自動匹配最佳的通風參數，控制通風機的運行，實現了風量- 瓦斯濃度的智能匹配，根據在煤礦井下的實際應用表明，該基于通風機智能調節的井下瓦斯防治技術，能夠將井下濃度超標率降低到0，同時將通風系統的運行能耗降低18.5%，對提升礦井通風安全和經濟性具有十分重要的意義。

1 通風控制系統需求分析

根據煤礦井下瓦斯變化特征及通風系統的運行模式，結合對礦井通風系統智能化、自動化的控制需求，本文所提出了通風機智能調節控制系統需要具備以下功能[1]：

1）風機通風狀態自動調整。能夠根據井下空氣中的瓦斯濃度變化情況，自動調節礦井通風系統的運行狀態，保證井下瓦斯濃度的平衡性。

2）本安控制功能。使模擬量轉換為數字量，將瓦斯濃度參數實時傳遞到控制中心內，使井下瓦斯濃度保持在安全范圍內，當出現異常時能夠快速切斷非本安電氣設備，保證井下作業安全性。

3）冗余控制。系統采用雙向、雙路控制系統，系統內設置主機和備用機，兩機采用了同系統控制，同數據共享，能夠在出現故障時進行無縫切換，保證系統運行的安全性。

4）運行狀態監測。系統能夠對風機的運行狀態進行實時監測和預警，當出現異常時能夠自動進行故障定位和預警，從而便于對故障的快速排除，提高風機系統的運行穩定性。

結合以上分析，本文所提出的基于通風機智能調節的井下瓦斯防治技術配置功能如圖1 所示[2]。

2 通風控制系統設計

結合煤礦井下通風需求，本文所提出的礦井通風控制系統需要以井下瓦斯濃度變化和濃度變化率為調整依據對風機的運行狀態進行調控。該系統整體結構包括PLC 智能控制中心及監控模塊兩個部分，在智能控制中心中設置井下瓦斯濃度安全范圍，用于對井下瓦斯變化情況進行及時預警。該通風控制系統整體結構如下頁圖2 所示[3]。

由圖2 可知，當系統運行時，各類監測傳感器對通風機運行狀態及煤礦井下瓦斯濃度含量進行實時監測，將瓦斯監測結果從數字信號轉換為模擬信號，傳輸到PLC 控制中心，由系統自動進行運算分析，確定最佳的風機運行參數，將控制信息傳遞給變頻器控制電路，控制變頻器的輸出，最終達到控制通風機靈活運行的目的。

該系統能夠通過傳感器對風機的運行狀態進行監測，當出現異常時自動進行報警和故障定位，便于能夠快速的判斷故障原因，提高風機的運行可靠性。為了滿足特殊工況下的運行可靠性需求，在系統中還設置了手動、自動變頻裝置，確保在特殊情況下系統運行的可靠性。

3 控制系統硬件結構選型

礦井通風系統進行調節的基礎是對井下空氣中瓦斯濃度監測的準確性，同時保證對風機運行狀態調節的可靠性，因此對變頻器、PLC 及傳感器電路、傳感器的選型要求在滿足精度的情況下盡可能保證可靠性，提高在煤礦井下惡劣環境下的使用壽命[4]。

為了提高數據調控的可靠性，需要保證數據信號輸出后未平滑的曲線，因此變頻器應具有可變電壓和可變交流電處理能力，經過多次驗證后最終選擇了西門子公司的S9+300 系列PLC，其具有多個外部接口，能夠實現多模塊的快速拓展。

該通風機運行控制系統中，不同輸出信號類型具有不同的接口電路，包括放大電路、濾波電路等，各種接口數據傳輸過程中會產生雜波信號干擾，因此需要設置專門的濾波控制程序[5]，進行濾波處理，同時對電路情況進行優化。瓦斯濃度傳感器選擇輸出為1～5 mA 的直流電路，變頻器的模擬輸入量則選擇0～20 mA 的直流電流驅動。

由于井下巷道結構復雜，不同位置的風流量差異性比較大，因此設置傳感器時需要設置在正確的位置才能保證對井下巷道瓦斯濃度監測的準確性。根據多次實際驗證，在布置傳感器時需要將其布置到綜采面的進風流、回風流的位置，能夠確保傳感器對瓦斯濃度監測的準確性，井下瓦斯傳感器布置結構如圖3所示[6]。

根據該通風控制系統的監測精度需求，瓦斯濃度傳感器選擇了KG9001 型[7]，該傳感器不僅具有聲光報警功能，而且能夠快速讀取瓦斯的泄漏濃度，具有一級間歇式報警功能，從而有效提升對井下瓦斯濃度的監測可靠性。

4 應用情況分析

目前該基于通風機智能調節的井下瓦斯防治技術已經在多個煤礦井下投入應用，對應用后的瓦斯濃度變化情況進行監測，結果如圖4 所示。

由實際監測結果可知，優化后瓦斯濃度變化量始終在瓦斯報警線以下，表現出了極高的控制精確性，未再出現過瓦斯報警異常。同時通過對優化前后的通風系統的運行能耗進行對比，新系統將通風系統的運行能耗降低18.5%，顯著提升了礦井通風系統的運行安全性和經濟性。

5 結論

針對現有通風系統對井下瓦斯濃度調節性能差、能耗高、可靠性不足的情況，提出了一種新的基于通風機智能調節的井下瓦斯防治技術方案，對該方案整體結構和應用情況進行了分析，結果表明：

1）通風機智能調節控制系統需要具備風機通風狀態自動調整、本安控制功能、冗余控制、運行狀態監測功能；

2）該控制系統包括PLC 智能控制中心及監控模塊兩個部分，能夠滿足不同工況下的通風控制需求；

3）該基于通風機智能調節的井下瓦斯防治技術，能夠將井下濃度超標率降低到0，同時將通風系統的運行能耗降低18.5%。