礦用通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)研究

亢佳樂

（霍州煤電呂臨能化公司龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200）

引言

礦用通風(fēng)機(jī)被稱為“礦井之肺”，用于向井下持續(xù)供應(yīng)新鮮空氣，排出廢氣，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了井下綜采作業(yè)的安全性。礦井通風(fēng)系統(tǒng)在工作時(shí)，需要根據(jù)井下的風(fēng)速、風(fēng)壓情況及時(shí)調(diào)整通風(fēng)狀態(tài)，滿足靈活、安全的通風(fēng)需求。由于井下巷道走向復(fù)雜，在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)風(fēng)速、風(fēng)壓無法滿足井下通風(fēng)需求，導(dǎo)致瓦斯?jié)舛壬叩龋瑖?yán)重威脅了井下生產(chǎn)的安全性。目前井下的風(fēng)速、風(fēng)壓采集裝置反饋滯后性大，風(fēng)壓、風(fēng)速受井下氣流影響偏差大，難以滿足井下通風(fēng)安全性的需求。

結(jié)合井下通風(fēng)實(shí)際情況及智能化通風(fēng)控制需求，本文提出了一種新的礦井通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，采用了全新的風(fēng)速、風(fēng)壓測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)了不同工況下對(duì)風(fēng)速、風(fēng)壓的靈活測(cè)量。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)的測(cè)量效率比傳統(tǒng)測(cè)量方案提升了79.1%，將風(fēng)壓的監(jiān)測(cè)精度提升到97.5%，為提升礦井通風(fēng)可靠性和靈活性奠定了基礎(chǔ)。

1 礦井通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)的核心是保證井下空氣中有毒有害氣體含量在安全值之下，為井下綜采作業(yè)人員提供維持生命所必須的空氣。由于井下綜采作業(yè)過程中瓦斯含量、粉塵濃度、一氧化碳濃度等不斷變化，因此需要根據(jù)井下巷道內(nèi)的空氣狀態(tài)不斷調(diào)整通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況，保證井下的通風(fēng)安全。通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整的基礎(chǔ)在于對(duì)井下氣流和環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。本文所提出的礦井通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)截割，主要包括風(fēng)壓監(jiān)測(cè)裝置、PLC控制中心、變頻通風(fēng)機(jī)等，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[1-2]。

由圖1可知，該系統(tǒng)中首先由風(fēng)壓監(jiān)測(cè)裝置獲取井下巷道內(nèi)通風(fēng)參數(shù)，剪切傳輸給控制中心，控制中心通過對(duì)風(fēng)壓及井下氣體狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，判斷井下風(fēng)量、風(fēng)壓是否滿足井下通風(fēng)安全的需求，若需要調(diào)整則發(fā)出調(diào)整信號(hào)給變頻風(fēng)機(jī)，控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速和功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下礦井通風(fēng)狀態(tài)的智能判斷。

圖1 通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

為了提高通風(fēng)可靠性，系統(tǒng)采用了變頻風(fēng)機(jī)，能夠快速、靈活地調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速。變頻風(fēng)機(jī)采用了雙風(fēng)機(jī)布置結(jié)構(gòu)，一用一備，兩個(gè)風(fēng)機(jī)之間采用了共同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及控制系統(tǒng)[3]，能夠?qū)崿F(xiàn)無縫切換，提高了通風(fēng)系統(tǒng)的使用可靠性。所配備的連鎖開關(guān)的工作電流設(shè)置為200 A，用于連接控制中心及風(fēng)機(jī)，根據(jù)控制中心的指令來控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行、停止。PLC控制中心用于接收風(fēng)壓檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)信息，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)信息進(jìn)行分析后確定風(fēng)機(jī)的調(diào)整量，發(fā)出控制信號(hào)給變頻風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)整。

2 風(fēng)壓監(jiān)測(cè)裝置

風(fēng)壓監(jiān)測(cè)裝置是該系統(tǒng)的核心，其監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性直接決定了系統(tǒng)能否正常工作及對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的可靠性。結(jié)合井下實(shí)際地質(zhì)條件和通風(fēng)需求，本文提出了一種新的通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓監(jiān)測(cè)裝置，主要由壓力傳感器、風(fēng)速傳感器、彈簧組件、金屬套管等構(gòu)成，設(shè)置在距離出風(fēng)口約60 m的位置[4]，其整體結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示。

圖2 風(fēng)壓監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該風(fēng)壓監(jiān)測(cè)裝置同時(shí)具有風(fēng)速監(jiān)測(cè)、風(fēng)壓監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制三部分功能[5]。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀在巷道內(nèi)的氣流的作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)據(jù)處理器根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速，然后將風(fēng)速數(shù)據(jù)以電流信號(hào)的方式通過通信系統(tǒng)傳遞給PLC控制中心，控制中心將系統(tǒng)風(fēng)速和通風(fēng)需求情況進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)大于或者小于通風(fēng)需求時(shí)，自動(dòng)對(duì)變頻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整，保證井下的通風(fēng)安全性。

當(dāng)井下氣流流過風(fēng)壓監(jiān)測(cè)裝置時(shí)，對(duì)彈簧組件形成一個(gè)壓力，使彈簧組件受壓收縮，使風(fēng)壓傳感器上形成一個(gè)受壓面，根據(jù)受壓面所受壓力的大小即可測(cè)算出風(fēng)流的壓力[6]，然后經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換以電流信號(hào)的形式傳遞給PLC控制中心。當(dāng)風(fēng)壓和設(shè)定值之間出現(xiàn)變化時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的恒壓通風(fēng)。

由于不同情況下的礦井通風(fēng)需要不一致，因此要求該風(fēng)壓檢測(cè)裝置能夠靈活調(diào)整風(fēng)速和風(fēng)壓的閾值，滿足數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸和分析的需求，因此該風(fēng)壓檢測(cè)裝置上設(shè)置了遠(yuǎn)程控制和故障監(jiān)測(cè)模塊[7-8]，能夠?qū)︼L(fēng)壓檢測(cè)裝置的工作過程及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

該風(fēng)壓監(jiān)測(cè)裝置的優(yōu)點(diǎn)在于將風(fēng)速和風(fēng)壓監(jiān)測(cè)集于一體，能夠通過物理監(jiān)測(cè)的方案實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速、風(fēng)壓的快速檢測(cè)和信息傳遞，同時(shí)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的集成和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了全程無人工干預(yù)監(jiān)測(cè)，動(dòng)作靈敏性高，使用可靠性高。

3 井下應(yīng)用情況

針對(duì)原通風(fēng)系統(tǒng)的不足，目前多個(gè)煤礦已經(jīng)對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化前后的應(yīng)用情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 風(fēng)壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

由實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，在運(yùn)行過程中井下巷道內(nèi)的風(fēng)壓設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值為4 MPa，在運(yùn)行過程中受各類因素影響風(fēng)壓呈不斷波動(dòng)的趨勢(shì)，在該風(fēng)機(jī)風(fēng)壓監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)壓的動(dòng)態(tài)調(diào)整。當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)壓波動(dòng)后的調(diào)節(jié)時(shí)間約為1.4 min，比優(yōu)化前的6.7 min降低了79.1%。在調(diào)整過程中風(fēng)壓的平均穩(wěn)定值為3.9 MPa，和設(shè)定值的偏差量約為0.1 MPa，為設(shè)定值的97.5%，顯著提升了煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的精度和可靠性，目前該系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)煤礦投入使用，取得了極好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)論

為了解決目前礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)速、風(fēng)壓監(jiān)測(cè)效率低、偏差大的不足，提出了一種新的礦井通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，其采用了全新的風(fēng)速、風(fēng)壓監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)速、風(fēng)壓的智能監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析、調(diào)整，保證了井下通風(fēng)的安全性和可靠性，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)截割，主要包括風(fēng)壓監(jiān)測(cè)裝置、PLC控制中心、變頻通風(fēng)機(jī)等；

2）通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓監(jiān)測(cè)裝置主要由壓力傳感器、風(fēng)速傳感器、彈簧組件、金屬套管等構(gòu)成，同時(shí)具備風(fēng)速檢測(cè)、風(fēng)壓檢測(cè)及遠(yuǎn)程控制三部分功能；

3）系統(tǒng)的測(cè)量效率比傳統(tǒng)測(cè)量方案提升了79.1%，將風(fēng)壓的監(jiān)測(cè)精度提升到97.5%，顯著提升了井下礦井通風(fēng)安全及效率。