深部高溫礦井采掘工作面智能通風(fēng)降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 義，岳 鑫

（1.山西焦煤集團(tuán)正利煤業(yè)有限公司，山西 呂梁033500；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州221116）

0 引言

煤炭作為我國(guó)基礎(chǔ)能源，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中起到重要作用，隨著以人為本的觀(guān)念深入人心，煤礦安全生產(chǎn)也越來(lái)越被人們重視，改善煤礦工人的工作環(huán)境保障工人生命健康安全越來(lái)越重要。我們國(guó)家煤炭淺部資源開(kāi)采殆盡，深部煤炭的開(kāi)采勢(shì)在必行。隨著開(kāi)采深度的不斷增加，礦井高溫?zé)岷?wèn)題日益凸顯，嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)和生產(chǎn)效率[1-3]。

本文采用文獻(xiàn)研究、資料查找等方法獲取趙樓煤礦基本情況，并通過(guò)信息研究總結(jié)歸納出熱害來(lái)源、情況以及危害，并基于以上分析進(jìn)行趙樓煤礦五采區(qū)智能通風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 工程概況

1.1 礦井基本情況

趙樓煤礦煤層屬正常地溫梯度下的高溫區(qū)域，初期采區(qū)大部分塊段原巖溫度為37℃～45℃，處于二級(jí)熱害區(qū)域[4]。熱害尤其體現(xiàn)在采掘工作面上，嚴(yán)重影響工人身體健康以及礦井安全生產(chǎn)。

1.2 熱源分析

導(dǎo)致深部礦井采掘工作面溫度較高的熱源有很多，地表大氣、流體的自壓縮、圍巖散熱、機(jī)電設(shè)備的放熱等都會(huì)產(chǎn)生熱量。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，主要的熱源是由于該礦采深較大，處于溫度較高的增溫帶，圍巖散熱所產(chǎn)生的較大熱量。同時(shí)在通風(fēng)過(guò)程中氣流由井上到井底自壓縮產(chǎn)生熱量限制了通風(fēng)降溫的能力。

2 智能通風(fēng)降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)需求分析

本系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中主要通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面空氣數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)主要通風(fēng)機(jī)、調(diào)節(jié)風(fēng)窗以及局部通風(fēng)機(jī)來(lái)解決礦井五采區(qū)工作面環(huán)境溫度較高的問(wèn)題。

1）工作面空氣數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。工作面空氣的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)是針對(duì)在生產(chǎn)過(guò)程中五采區(qū)采煤工作面以及掘進(jìn)工作面的溫度、風(fēng)壓、風(fēng)速、瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要對(duì)溫度指標(biāo)做出反饋。通過(guò)各類(lèi)傳感器來(lái)收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)上傳，分析反饋以及顯示預(yù)警。

2）智能數(shù)據(jù)分析。對(duì)傳感器獲取空氣參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，并得出調(diào)控方案。

3）通風(fēng)機(jī)功率調(diào)節(jié)。主要是通過(guò)控制輸出電壓來(lái)控制變頻器的運(yùn)行頻率從而達(dá)到改變通風(fēng)機(jī)電機(jī)的運(yùn)行功率。

4）通風(fēng)構(gòu)筑物調(diào)節(jié)。通過(guò)調(diào)控電動(dòng)窗板位置調(diào)節(jié)窗口大小，從而改變巷道通過(guò)的風(fēng)量。

5）人機(jī)操作界面。為了更方便地實(shí)時(shí)監(jiān)控五采區(qū)的空氣溫度等參數(shù)數(shù)據(jù)，有必要建立一個(gè)具有直觀(guān)性強(qiáng)的完整操作界面，并且可以在該操作界面的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)人工操作控制的通風(fēng)機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)和通風(fēng)構(gòu)筑物[5]。如果氣體指數(shù)超出規(guī)定，則會(huì)生成聲光警報(bào)以及警報(bào)畫(huà)面，操作系統(tǒng)還應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享和云監(jiān)視的功能。

2.2 系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

本系統(tǒng)主要是通過(guò)傳感器接受、輸出采區(qū)所監(jiān)控的空氣各類(lèi)參數(shù)信號(hào)，通過(guò)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)上傳至應(yīng)用服務(wù)器。服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、處理，并對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，并將結(jié)果的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，形成模擬電壓來(lái)控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率以及風(fēng)窗的開(kāi)口大小。同時(shí)通過(guò)信號(hào)輸出至客戶(hù)端顯示在監(jiān)控計(jì)算機(jī)或其他遠(yuǎn)程設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化以及數(shù)據(jù)交互，設(shè)立有實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像以及聲光報(bào)警功能?？蛻?hù)端能夠進(jìn)行人工干預(yù)調(diào)控以及人工預(yù)警。

系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、決策執(zhí)行等子系統(tǒng)分成若干各獨(dú)立的模塊來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。使用以太網(wǎng)來(lái)進(jìn)行各模塊間的數(shù)據(jù)交互，并且接入Internet可供其他用戶(hù)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。采用CA N總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)主要通風(fēng)機(jī)、通風(fēng)構(gòu)筑物以及局部通風(fēng)機(jī)的控制，如圖1所示。

圖1 五采區(qū)智能通風(fēng)降溫系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

2.3 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，具有設(shè)計(jì)周期短，系統(tǒng)構(gòu)建快捷的優(yōu)點(diǎn)，可節(jié)省大量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間。系統(tǒng)的功能模塊獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾。同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)連接出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，不影響其他模塊的運(yùn)行，安全可靠性高[6]。

根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，煤礦采區(qū)智能通風(fēng)降溫系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 煤礦采區(qū)智能通風(fēng)降溫系統(tǒng)模塊圖

2.4 傳感器布置與數(shù)據(jù)可視化

趙樓5301工作面通風(fēng)路線(xiàn)為：5301運(yùn)輸順槽聯(lián)絡(luò)巷→5301運(yùn)輸順槽→5301綜放工作面→5301軌道順槽→5301軌道順槽聯(lián)絡(luò)巷，為滿(mǎn)足風(fēng)流數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，在五采區(qū)通風(fēng)路線(xiàn)關(guān)鍵位置布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

回采工作面的傳感器布置如圖3所示。一共布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)。在5301運(yùn)順聯(lián)絡(luò)巷、運(yùn)輸順槽、工作面上端頭、工作面下端頭、軌道順槽、軌順聯(lián)絡(luò)巷等位置布置測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)都布置溫度傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、風(fēng)壓傳感器以及風(fēng)速傳感器對(duì)以上指標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖3 五采區(qū)5301回采工作面?zhèn)鞲衅鞑贾脠D

掘進(jìn)工作面的傳感器布置如圖4所示，一共布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)。風(fēng)流從風(fēng)筒出口到其轉(zhuǎn)向點(diǎn)的距離叫有效射程。在有效射程之外,射流達(dá)不到的地方,將會(huì)出現(xiàn)風(fēng)流的渦流停滯區(qū)。停滯區(qū)內(nèi)瓦斯不能在射流的作用下有效地?fù)胶捅粠ё?風(fēng)流從風(fēng)筒末端以自由狀態(tài)射向工作面,風(fēng)流的有效射程一般為5～7 m。風(fēng)筒到工作面的距離,最大不得超過(guò)5 m，5 m之內(nèi)的地方也是瓦斯可以和風(fēng)流充分混合的地方[7]。所以，甲烷傳感器應(yīng)該布置在距離工作面≤5 m的地方，即1號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、風(fēng)壓傳感器以及風(fēng)速傳感器，同時(shí)在工作面回風(fēng)側(cè)2號(hào)測(cè)點(diǎn)布置溫度、風(fēng)壓和風(fēng)速傳感器，以獲得全面掘進(jìn)工作面溫度數(shù)據(jù)。

圖4 五采區(qū)掘進(jìn)工作面?zhèn)鞲衅鞑贾脠D

硐室傳感器布置，對(duì)于重要硐室如臨時(shí)避難硐室布置溫度、瓦斯傳感器。其他需要監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵位置可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況按需增設(shè)傳感器并接入網(wǎng)絡(luò)。

傳感器監(jiān)測(cè)氣體參數(shù)通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)監(jiān)控窗口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，如圖5采區(qū)氣體參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)可視化窗口。對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行標(biāo)號(hào)，同時(shí)實(shí)時(shí)刷新各空氣參數(shù)數(shù)據(jù)，異常數(shù)據(jù)閃爍醒目標(biāo)記，同時(shí)顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置示意圖，產(chǎn)生數(shù)據(jù)異常的測(cè)點(diǎn)會(huì)閃爍醒目標(biāo)記，這樣一眼確定異常區(qū)域以及異常值。實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行狀態(tài)，分正常、調(diào)控、報(bào)警3個(gè)狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全部正常時(shí)顯示正常狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)異常但不影響生產(chǎn)安全并符合規(guī)定時(shí)進(jìn)行智能調(diào)控并顯示調(diào)控狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)異常超出規(guī)定時(shí)根據(jù)異常情況對(duì)區(qū)域進(jìn)行報(bào)警并在系統(tǒng)顯示報(bào)警狀態(tài)。以回采工作面為例，掘進(jìn)工作面監(jiān)控窗口類(lèi)似。

2.5 基于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)控程序?qū)崿F(xiàn)

智能調(diào)控采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)編程的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器的控制算法，同時(shí)采用計(jì)算機(jī)控制，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)控制量的監(jiān)視，把通風(fēng)降溫過(guò)程中涉及的主要通風(fēng)機(jī)、通風(fēng)構(gòu)筑物、局部通風(fēng)機(jī)、制冷機(jī)以及報(bào)警多個(gè)對(duì)象都管控起來(lái)，組成一個(gè)統(tǒng)一的控制系統(tǒng)。能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)算法進(jìn)行及時(shí)判斷、選擇最佳的方案進(jìn)行控制，在發(fā)生特殊情況時(shí)可以通過(guò)人工交互實(shí)現(xiàn)人工接管控制系統(tǒng)。控制程序存儲(chǔ)與井上服務(wù)器中，不會(huì)受井下復(fù)雜因素的干擾，同時(shí)具有很強(qiáng)的可維護(hù)性?？刂葡到y(tǒng)如圖6所示。

圖6 通風(fēng)降溫計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

當(dāng)溫度、瓦斯、風(fēng)速以及風(fēng)壓數(shù)據(jù)超出規(guī)定范圍時(shí)，經(jīng)傳感器測(cè)得轉(zhuǎn)換為數(shù)字型號(hào)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)上傳至服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析并生成調(diào)控策略，返回給控制計(jì)算機(jī)一個(gè)控制信號(hào)的數(shù)字量，再經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器將該數(shù)字量控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量；控制信號(hào)的模擬量作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)變頻器，改變電機(jī)的輸入頻率來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的定量調(diào)節(jié)。

對(duì)主要通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)的同時(shí)進(jìn)行狀態(tài)采集，風(fēng)機(jī)狀態(tài)信息包括電壓、電流、溫度等狀態(tài)信息[8],主要用于風(fēng)機(jī)的健康監(jiān)測(cè)以及響應(yīng)情況反饋，并且當(dāng)主要通風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)啟用備用風(fēng)機(jī)。

同樣通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)控制局部通風(fēng)機(jī)、通風(fēng)構(gòu)筑物、制冷劑以及報(bào)警裝置，從而實(shí)現(xiàn)煤礦智能通風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)五對(duì)采區(qū)現(xiàn)場(chǎng)的控制。

3 主要設(shè)備布置

智能通風(fēng)系統(tǒng)的主要設(shè)備布置主要分布在井上工業(yè)廣場(chǎng)，井下采區(qū)巷道及工作面。如圖7所示，井上布置機(jī)房、通訊房、調(diào)度室以及風(fēng)機(jī)房，其中調(diào)度室和風(fēng)機(jī)房為煤礦原有，設(shè)置5G基站用于遠(yuǎn)程設(shè)備通訊。機(jī)房布置有數(shù)據(jù)處理用服務(wù)器、局域網(wǎng)交換機(jī)以及路由器。通訊房布置CA N總線(xiàn)設(shè)備用于設(shè)備控制信號(hào)通訊，以及現(xiàn)場(chǎng)控制器實(shí)現(xiàn)控制命令數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。在調(diào)度室增設(shè)采區(qū)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)以及視頻監(jiān)控大屏幕，在風(fēng)機(jī)房增設(shè)調(diào)頻設(shè)備用來(lái)調(diào)控主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

圖7 主要設(shè)備布置情況

4 結(jié)論與展望

1）分析得出引起該礦熱害的主要熱源是圍巖散熱以及流體自壓縮，前者向井下散發(fā)大量熱量，后者限制了風(fēng)流帶走熱量的能力。機(jī)電設(shè)備放熱主要對(duì)工作面影響較大。

2）完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)主要功能模塊。對(duì)五采區(qū)工作面?zhèn)鞲衅鬟M(jìn)行布置，采用可視化的監(jiān)控窗口。對(duì)主要設(shè)備布置進(jìn)行初步設(shè)計(jì)規(guī)劃。

3）對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且預(yù)估實(shí)際實(shí)施的難點(diǎn)?？梢钥闯霰鞠到y(tǒng)雖然在建立過(guò)程中存在成本高等問(wèn)題，但系統(tǒng)能夠有效針對(duì)煤礦采區(qū)熱害問(wèn)題進(jìn)行通風(fēng)調(diào)節(jié)，同時(shí)相比于其他方法具有響應(yīng)速度快、綜合性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)系統(tǒng)具有極大拓展空間，能夠作為未來(lái)智能采礦的一部分得以應(yīng)用。