礦山井下通風(fēng)自動(dòng)化改造應(yīng)用研究

楊益強(qiáng)

（八鋼礦山事業(yè)部巴州敦德礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 巴州和靜 841300）

近幾年來(lái)，礦山開(kāi)采深度增加，強(qiáng)度增加，井巷通風(fēng)不良，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)，一般會(huì)采取措施加大礦井通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)量，以保證安全生產(chǎn)。但是，增加礦井通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)量必然會(huì)增加通風(fēng)能耗，這樣就形成了安全與節(jié)能的必然矛盾。根據(jù)大量調(diào)查資料，礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)是最耗電的生產(chǎn)系統(tǒng)之一，對(duì)20%～45%的礦山總耗電量負(fù)責(zé)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)和技術(shù)的局限性，礦用排風(fēng)系統(tǒng)各種形式的風(fēng)機(jī)全天候地處于額定運(yùn)行狀態(tài)，很多時(shí)間都處于過(guò)度通風(fēng)狀態(tài)下，存在相當(dāng)大的電能浪費(fèi)。然而，在保證安全生產(chǎn)的前提下，礦井實(shí)際需求量與工作面、風(fēng)量有關(guān)，并隨著生產(chǎn)過(guò)程和工作時(shí)間的改變而改變，所以礦井通風(fēng)系統(tǒng)蘊(yùn)藏著巨大的節(jié)能空間[1]。

1 礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

根據(jù)礦井工作面實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量自動(dòng)調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的關(guān)鍵，利用相應(yīng)的傳感器來(lái)檢測(cè)氣體的濃度，并根據(jù)被檢測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)控制器的計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)所需要的風(fēng)量，控制各種通風(fēng)筒，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)筒的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。通過(guò)調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的預(yù)測(cè)調(diào)節(jié)，預(yù)測(cè)了風(fēng)機(jī)調(diào)速時(shí)根據(jù)巷道內(nèi)環(huán)境參數(shù)采用相應(yīng)的控制算法，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。通風(fēng)器自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

圖1 自控供電系統(tǒng)流程

自控系統(tǒng)包括局部自控和供電系統(tǒng)，本地控制系統(tǒng)根據(jù)采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)計(jì)算，然后把結(jié)果上傳到上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和監(jiān)控；電源系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)供電不間斷，并且使用 UPS為不間斷電源應(yīng)急電源，確保系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。電力系統(tǒng)為本地控制器提供電力的同時(shí)，將 UPS在主控制器中的工作狀態(tài)設(shè)置為對(duì)應(yīng)的檢測(cè)，確保供電系統(tǒng)可靠。

1.1 礦井通風(fēng)的重要性

礦井通風(fēng)是保證安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接決定了工作人員的生命安全。為保證井下每個(gè)位置都有充足的通風(fēng)量，達(dá)成安全高效的出產(chǎn)，必須對(duì)礦井通風(fēng)加以改良，利用通風(fēng)設(shè)施把地面空氣送到井中，如果地面空氣在礦井后出現(xiàn)了化學(xué)或是物理變化，將可能造成各種有害氣體，被人體吸入將十分危險(xiǎn)。因而必須排除有害氣體，將地面安全氣體送到井內(nèi)，這是保證工作的基本要求[2-4]。

1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

以 Labview為上位機(jī)軟件，可對(duì)圖形界面進(jìn)行編輯，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和仿真，本軟件包含多種應(yīng)用工具，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理。傳送與處理通氣筒的自動(dòng)控制系統(tǒng)，使用STM32設(shè)計(jì)了風(fēng)扇的速度調(diào)節(jié)控制和功率管理功能，利用 MATLAB軟件對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的預(yù)測(cè)和處理進(jìn)行了測(cè)算設(shè)計(jì)。上位計(jì)算機(jī)的顯示采用了二者混合編程的形式，使用 Labview調(diào)用 MATLAB計(jì)算程序。

為了實(shí)現(xiàn)兩者之間的混合編程形式，通信必須以 COM接口的方式在彼此之間進(jìn)行，STM32芯片采用RS232接口，與 MATLAB通訊方式，STM32內(nèi)部采用MAX3232作高低電平變換以獲得串口通信。使用 Labview為上位機(jī)圖形化顯示界面進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，通過(guò)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和電源管理系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控狀態(tài)進(jìn)行劃分，在圖2中顯示了其中通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控界面。在圖2所示的接口中，可查看系統(tǒng)內(nèi)所有通風(fēng)筒的工作狀況，每套通風(fēng)筒都有一個(gè)備用風(fēng)量，當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)可被查看，以及對(duì)風(fēng)力的預(yù)測(cè)。主備用風(fēng)機(jī)也可通過(guò)操作界面進(jìn)行切換和風(fēng)量調(diào)節(jié)。

圖2 通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控界面

2 礦山井下通風(fēng)存在的主要問(wèn)題

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)不完善

國(guó)內(nèi)大部分礦山均存在通風(fēng)系統(tǒng)的不完善，風(fēng)量利用率不高等問(wèn)題，特別是采掘工作面和工作面的通風(fēng)，如果空氣質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，或相應(yīng)的通風(fēng)設(shè)備選擇有誤，將會(huì)引起嚴(yán)重的問(wèn)題，此外，一旦采掘工作面的實(shí)際地質(zhì)條件與作業(yè)規(guī)程內(nèi)容有較大的出入，原通風(fēng)設(shè)備選型及通氣參數(shù)都不能滿足實(shí)際需要，或因施工要求過(guò)高造成浪費(fèi)。

2.2 施工危險(xiǎn)性大

在井口通風(fēng)系統(tǒng)中，井下中段位置的設(shè)置也是漏風(fēng)的主要原因?？諝庵械臐穸群蜏囟仍诘V井生產(chǎn)環(huán)境中都比較大，而且礦井內(nèi)空氣流通量較少，通風(fēng)風(fēng)壓較低，因此，礦井通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)效率較低，對(duì)施工作業(yè)工人的安全是非常不利的，可能還會(huì)發(fā)生事故。

2.3 回風(fēng)風(fēng)路不通暢的問(wèn)題

礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)的東西向階段回風(fēng)包括聯(lián)絡(luò)平巷和豎井兩個(gè)部分，分設(shè)在采礦活動(dòng)區(qū)內(nèi)。由于局部回風(fēng)井極易引起東西翼回風(fēng)通道堵塞，因此，必須重視這個(gè)問(wèn)題。

2.4 井下空區(qū)較多，漏風(fēng)問(wèn)題嚴(yán)重

在3912 m的中段以上，自建礦井后即開(kāi)始開(kāi)采，采空區(qū)已形成較大規(guī)模，3850～3912m范圍內(nèi)，還存在著豎井，且為上、下貫通，使上風(fēng)向風(fēng)道內(nèi)的新鮮風(fēng)能夠漏風(fēng)，且下生產(chǎn)運(yùn)行區(qū)回風(fēng)量小，使開(kāi)采工作面的環(huán)境十分惡劣。

2.5 通風(fēng)風(fēng)路相對(duì)較長(zhǎng)，且風(fēng)阻大、斷面小

因?yàn)橥L(fēng)系統(tǒng)在礦井的風(fēng)路上是連接風(fēng)井的，因此引起的風(fēng)阻較大。風(fēng)井中的通風(fēng)系統(tǒng)斷面較小，而井下需求較多，因此風(fēng)速超過(guò)安全限值8 m/s。按照有關(guān)規(guī)定，根據(jù)目前的進(jìn)風(fēng)狀況，3850m中段供氣能力明顯偏低。

3 風(fēng)級(jí)變頻節(jié)能通分改造

應(yīng)用風(fēng)機(jī)變頻技術(shù)的關(guān)鍵在于井下用氣是否有較大波動(dòng)，而且井下氣需求量與生產(chǎn)計(jì)劃密切相關(guān)，所以，首先要分析生產(chǎn)計(jì)劃中各項(xiàng)生產(chǎn)作業(yè)的需求。

爆破作業(yè)污染風(fēng)害大，要求高風(fēng)速、強(qiáng)風(fēng)能，迅速排出巷道內(nèi)的炮煙灰風(fēng)，有利于提高工作效率和安全性。鑿巖、出礦作業(yè)只需滿足職業(yè)衛(wèi)生排塵和各種車(chē)輛排出尾氣風(fēng)速的要求。從施工時(shí)在操作時(shí)間上，爆破作業(yè)時(shí)間較短，也就是強(qiáng)風(fēng)的時(shí)間要短一些。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換裝置的安裝，提高風(fēng)機(jī)功率，在爆破作業(yè)時(shí)迅速排出炮煙灰，降低風(fēng)機(jī)功率，滿足出礦作業(yè)時(shí)的職業(yè)衛(wèi)生和生產(chǎn)安全要求。

4 礦井通風(fēng)自動(dòng)化改造應(yīng)用

4.1 通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)

第一，使原自動(dòng)化控制設(shè)備與變頻設(shè)備形成并聯(lián)運(yùn)行；采用變頻調(diào)速裝置控制通風(fēng)機(jī)的有關(guān)系統(tǒng)參數(shù)，通過(guò)這種方式完成了原始控制裝置在工頻和變頻之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，在這些自動(dòng)程序系統(tǒng)中，控制器需要直接由變頻器自動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備來(lái)操作。自動(dòng)化改造中的通風(fēng)系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)掘進(jìn)工作面的實(shí)際掘進(jìn)長(zhǎng)度，適時(shí)調(diào)整通風(fēng)量。

由于巷道內(nèi)風(fēng)量檢測(cè)等監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)探頭，第二，應(yīng)提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)給自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的自動(dòng)化判斷，即通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和探測(cè)功能要求針對(duì)掘進(jìn)工作面的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。第三，還需要實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)，保證在任何一處礦井內(nèi)都能觀察到井下通風(fēng)系統(tǒng)的情況，監(jiān)視和控制。第四，在自動(dòng)化通風(fēng)系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置自動(dòng)控制運(yùn)行方式和手動(dòng)控制運(yùn)行方式，方便有關(guān)人員通過(guò)手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制通風(fēng)系統(tǒng)，舉例來(lái)說(shuō)，通過(guò)在變頻自動(dòng)化系統(tǒng)中調(diào)整變頻設(shè)備的電源輸出頻率，就可以實(shí)現(xiàn)與風(fēng)機(jī)有關(guān)的通風(fēng)參數(shù)的調(diào)整，亦可通過(guò)手動(dòng)直接調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量，人工調(diào)整風(fēng)量方式一般適用于為了達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的，必須以最快的速度進(jìn)行，以避免意外事件的發(fā)生。第五，系統(tǒng)報(bào)警裝置的功能改進(jìn)，除對(duì)氣體超限、超壓、超流等安全報(bào)警基本功能外，也應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)功能、顯示頻率、運(yùn)行狀態(tài)指示及電源顯示等功能，保證我們能及時(shí)掌握通風(fēng)自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行報(bào)警，冗余系統(tǒng)應(yīng)用于自動(dòng)化改造設(shè)計(jì)，這是為了防止危險(xiǎn)或錯(cuò)誤發(fā)生。

4.2 通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)化效果檢驗(yàn)

通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化后，需要對(duì)效果加以檢驗(yàn)。局部通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)化改造主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：第一種是變頻設(shè)備的安裝，使通風(fēng)筒能在正常工作頻率和變頻器之間互相轉(zhuǎn)換，保證系統(tǒng)運(yùn)行連續(xù)性，在變頻設(shè)備中及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，通風(fēng)器能在正常工作頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)。

通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，利用自動(dòng)裝配程序，可以計(jì)算出通風(fēng)系統(tǒng)在某些情況下所需的最小風(fēng)量轉(zhuǎn)速等風(fēng)機(jī)參數(shù)，另外，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻自動(dòng)化系統(tǒng)，使通風(fēng)筒在較低的工作頻率下能較好地完成相應(yīng)的工作，達(dá)到了節(jié)能、高效、環(huán)保的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

地下開(kāi)采的安全與井下通風(fēng)系統(tǒng)密切相關(guān)，優(yōu)化井下通風(fēng)系統(tǒng)的系統(tǒng)，對(duì)確保井下作業(yè)安全具有十分重要的意義。但現(xiàn)在有些礦井的通風(fēng)系統(tǒng)，出現(xiàn)了這種情況，例如，較小的通風(fēng)量和較大的漏風(fēng)量都會(huì)嚴(yán)重威脅礦井的安全，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，提高通風(fēng)系統(tǒng)的性能，要保證井下有足夠的空氣流量。闡述了某礦井下通風(fēng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀。以井下通風(fēng)系統(tǒng)為目標(biāo)存在的問(wèn)題，針對(duì)具體情況提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，經(jīng)實(shí)踐證明，效果很好，能給井下作業(yè)提供足夠多新鮮空氣。