煤礦井下局部通風機智能控制研究

南春偉

（山西汾西工程建設有限責任公司，山西 介休 032000）

0 引言

局部通風是煤礦井下通風系統重要組成，為巷道掘進提供新鮮風流并稀釋瓦斯富集區濃度[1-2]。現階段局部通風多采用恒定風速供風，雖然可滿足巷道迎頭供風需要，但是也存在風流偏大、風速過高等問題，增加局部通風電能消耗量[3-5]。若井下局部用風時綜合使用PLC、變頻器及傳感器，通過各位置瓦斯濃度變化實現局部通風機轉速調節，在滿足掘進巷道用風需要的同時降低局部通風能耗，從而實現局部通風智能控制[6]。本文就對山西某礦3602 運輸巷局部通風采用的智能控制系統進行分析，以期為其他礦井局部通風工作高效開展提供經驗參考。

1 工程概況

山西某礦現階段生產集中在6 號煤層，煤厚3.8 m、傾角5°～12°，賦存穩定，頂底板以粉砂巖及碳質泥巖為主，采用綜采開采工藝。現階段煤礦井下布置有3 個綜掘工作面及1 個綜采工作面，回采巷道沿6號煤層底板掘進。3602 運輸巷采用綜掘方式，斷面19 m2，供風用FBDNo11.2 型對旋軸流式局部通風機，配套采用功率2×75 kW 電機、供電電壓660 V，在局部通風時電機保持額定轉速高速運行。在巷道正常掘進時，受到落煤瓦斯涌出量影響，掘進迎頭供風風速控制在1.0 m/s 以上時可將瓦斯濃度控制在0.6%以內，由于掘進巷道落差時間占比較小，大部分時間均用以巷道支護、運輸等工作，若此階段仍保持1.0 m/s供風速度，巷道內瓦斯濃度控制在0.10%以內，雖然可滿足瓦斯排放需要但是會增大局部通風機能耗。為此，文中提出綜合使用PLC、變頻器及傳感器的策略，依據傳感器監測得到瓦斯濃度變化調節電機轉速，在滿足瓦斯排放基礎上減少局部通風機能耗，實現智能化控制。

2 局部通風機智能控制系統結構及功能

2.1 系統結構

智能控制系統結構包括局部通風機、PLC 控制器、變頻調速裝置、真空電磁啟動器、監測設備（包括瓦斯傳感器、風速傳感器等）、綜合分站等，具體結構組成如圖1 所示。智能控制系統依據巷道迎頭、回風流及回風巷混合處位置瓦斯濃度為控制參數，通過控制變頻器、變頻風機調節供風風量，實現局部通風智能控制[7-8]。

圖1 智能控制系統結構

智能通風控制系統中控制器為智能開關，實現閉鎖、切換等信號輸出，并通過Modbus 協議實現信息通信，對變頻器控制指令及運行參數等進行采集、分析。中央控制器為PLC，對輸入信號進行采集、計算及分析，并將結果顯示在觸摸屏上；PLC 配備有各項系統信號及數據接口，可將監測數據及設備狀態參數等通過以太網傳輸給地面控制中心。

2.2 智能通風控制策略

當通風系統采用PLC 控制器控制時，可依據傳感器監測得到瓦斯濃度，并自動調節供風量；當系統用普通開關時，則可依據變頻器手動調節供風量。采用的智能控制系統具備智能控制、手動控制等功能。

局部通風智能控制系統為閉環控制系統，依靠布置的傳感器、分站監測數據實現風量調節。系統可自動調整局部通風機轉速，在避免瓦斯超限前提下實現局部通風機高效、經濟運行。如圖2 所示，巷道內T1瓦斯傳感器布置在掘進迎頭、T2 瓦斯傳感器布置在回風流中，當監測到瓦斯濃度低于瓦斯濃度下限或者高于瓦斯濃度上限時，自動進入智能控制狀態；當T1及T2 瓦斯傳感器監測到瓦斯濃度均小于設定下限時，則可適當降低局部通風機轉速，減少供風量，同時設定局部通風機供風最低風速下限，避免巷道出現瓦斯超限問題；當T1 及T2 瓦斯傳感器監測到瓦斯濃度接近或者高于設定上限時，則可適當增加局部通風機轉速，增加供風量，以實現瓦斯排放。

3 現場應用效果分析

為實現局部通風機智能控制，根據現場條件選用KXJ-800PLC 控制柜、BPB-185/660F 變頻器，控制柜依據轉換協議從監控分站內獲取巷道內風速、瓦斯濃度等參數，根據獲取到的參數進行智能控制。將變頻控制下限及上限對應的瓦斯濃度值分別設為0.25%、0.65%，即瓦斯濃度介于0.25%～0.65%時局部通風機保持風速不變；當瓦斯濃度低于0.25%時，則適當降低供風量；當瓦斯濃度高于0.65%時，則增加供風。

對智能控制系統應用前3 個月內瓦斯濃度涌出情況進行分析，發現巷道供風風速保持在0.5 m/s 以上時，掘進巷道內瓦斯濃度基本不會超限，但是瓦斯濃度整體偏高，因此將局部通風機最低通風速度設定為0.5 m/s。具體巷道局部通風機在工頻控制（風速v分別為0.5 m/s、1.0 m/s）以及智能控制時瓦斯濃度監測結果如圖3 所示。

圖3 不同通風控制模式下瓦斯濃度變化曲線

從圖3 中看出，當供風風速在0.5 m/s 時，巷道內瓦斯濃度較高，存在有一定的瓦斯超限風險；當供風風速始終保持1.0 m/s 時，雖可滿足瓦斯排放及供風需要，但是局部通風能耗高且風速過大容易出現揚塵。局部通風采用智能控制時，掘進巷道內瓦斯濃度得以較好控制，瓦斯濃度值介于0.18%～0.65%，較風速為0.5 m/s 時瓦斯濃度控制效果較好，在智能通風控制模式下掘進巷道內瓦斯濃度始終在允許值內。

對智能控制模式下掘進巷道局部通風風速變化情況進行統計，具體結果如圖4 所示。采用智能控制時巷道供風風速在0.5～0.8 m/s 間，可實現巷道瓦斯濃度有效控制，同時較1.0 m/s 風速時明顯降低電能消耗。

圖4 智能控制通風風速變化情況

4 結語

從煤礦井下局部通風出發，指出現階段井下局部通風多依靠工作人員經驗進行人工調節，未能與現場環境參數結合分析，同時局部通風普遍存在能耗高問題。為此，本文提出將局部通風與現場瓦斯、風速等參數進行關聯，依據現場環境參數變化調節供風，以便瓦斯濃度、風速在允許范圍基礎上實現局部通風機智能控制，降低電能消耗。

根據3602 運輸巷現場情況，對巷道局部通風機智能控制系統結構、控制策略等進行分析。3602 運輸巷局部通風機采用智能控制系統后，局部通風機可依據巷道內瓦斯濃度情況進行智能調節，掘進迎頭風速控制在0.5～0.8 m/s，不僅可滿足掘進巷道通風需要，而且可降低局部通風機能耗、提升局部通風智能化控制水平。