張夢(mèng)瑤

（晉能控股集團(tuán)有限公司挖金灣煤業(yè)公司，山西 大同 037001）

近些年來，淺部煤炭資源逐漸枯竭，中東部部分礦井已經(jīng)進(jìn)入到深部開采[1-2]。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)階段煤礦以平均每年8～12 m速度向下延伸，深部開采時(shí)煤炭賦存更趨復(fù)雜，開采過程中受地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯、粉塵以及異常地溫等影響更趨顯著[3-5]。受井下空間狹小、機(jī)電設(shè)備眾多以及地溫異常等多因素影響，部分深部開采礦井采掘作業(yè)面溫度甚至可達(dá)到35℃以上，高溫不僅威脅作業(yè)點(diǎn)工作人員身體健康而且制約煤炭開采效率。文中就在前人研究基礎(chǔ)上，對(duì)某礦采掘作業(yè)面采用的智能降溫系統(tǒng)進(jìn)行分析研討，以期為其他礦井地溫治理提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

某礦已連續(xù)生產(chǎn)超過60年，設(shè)計(jì)產(chǎn)能180萬t/a，現(xiàn)階段生產(chǎn)主要集中在深部采區(qū)，最大采掘深度達(dá)到850 m。其中北三以及西五采區(qū)開拓深度均超過800 m，采掘作業(yè)面原巖溫度達(dá)到37～45℃，為二級(jí)熱害區(qū)域。導(dǎo)致北三以及西五采區(qū)采掘作業(yè)點(diǎn)溫度較高熱源較多，如圍巖散熱、機(jī)電設(shè)備散熱、通風(fēng)溫度較高等。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件分析，發(fā)現(xiàn)北三以及西五采區(qū)采掘作業(yè)點(diǎn)溫度較高的主要原因是采掘區(qū)域處于增溫帶，圍巖釋放大量的熱，同時(shí)在機(jī)械通風(fēng)過程中氣流由地面向井下處于壓縮過程，期間也會(huì)產(chǎn)生熱量并限制通風(fēng)降溫能力。

當(dāng)圍巖溫度超過40℃時(shí)，僅采用常規(guī)的負(fù)壓通風(fēng)難以將采掘作業(yè)面溫度降低至28℃以內(nèi)，需要輔助采用機(jī)械式制冷措施降低作業(yè)點(diǎn)溫度。為此，文中提出智能降溫通風(fēng)系統(tǒng)降低井下采掘作業(yè)點(diǎn)溫度，具體通過溫度傳感器對(duì)采掘作業(yè)點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過PLC控制ZLF-600礦用制冷降溫系統(tǒng)運(yùn)行，從而確保采掘作業(yè)點(diǎn)始終處于28℃。

2 智能降溫通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用分析

2.1 智能降溫通風(fēng)系統(tǒng)需求分析

本系統(tǒng)在北三以及西五采區(qū)采掘點(diǎn)應(yīng)用主要通過監(jiān)測(cè)采掘作業(yè)點(diǎn)溫度，并依據(jù)溫度變化通過PLC調(diào)整ZLF-600礦用制冷降溫系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，從而解決作業(yè)點(diǎn)溫度過高問題，并實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)。系統(tǒng)主要功能為：

1）作業(yè)點(diǎn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)。對(duì)采區(qū)內(nèi)采掘作業(yè)點(diǎn)溫度、風(fēng)速、風(fēng)壓及瓦斯?jié)舛鹊冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)主要指標(biāo)作業(yè)點(diǎn)溫度進(jìn)行智能分析，調(diào)整降溫通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行；對(duì)各傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、反饋及預(yù)警。

2）運(yùn)行功率調(diào)節(jié)。通過PLC調(diào)整變頻器輸出頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)ZLF-600礦用制冷降溫系統(tǒng)運(yùn)行頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)制冷情況智能控制。

3）人機(jī)操作界面直觀顯示。為了便于實(shí)時(shí)掌握采掘作業(yè)點(diǎn)溫度等參數(shù)，構(gòu)建有直觀的人機(jī)交互界面，并在界面內(nèi)顯示各位置傳感器監(jiān)測(cè)得到的溫度、瓦斯等參數(shù)；若某項(xiàng)監(jiān)測(cè)參數(shù)超過設(shè)定值，則會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)、并在操作界面顯示報(bào)警畫面。

2.2 智能降溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)布置

2.2.1 礦用制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ZLF-600礦用制冷系統(tǒng)主要起到制冷功能，是智能降溫通風(fēng)系統(tǒng)核心組件之一。制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括有制冷機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)器及2趟Φ100 mm鋼管等，制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)采用的制冷機(jī)為R407C，具體制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZLF-600礦用制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.2 傳感器布置及監(jiān)測(cè)參數(shù)顯示

2.2.2.1 監(jiān)測(cè)傳感器布置

以北三采區(qū)5301采煤工作面以及西五采區(qū)5502回風(fēng)巷掘進(jìn)工作為工程實(shí)例，對(duì)采掘作業(yè)傳感器布置進(jìn)行分析。

北三采區(qū)5301采煤工作面正常生產(chǎn)情況下通風(fēng)路線為：運(yùn)輸順槽聯(lián)絡(luò)巷→采面運(yùn)輸順槽→采面→采面軌道順槽→軌道順槽聯(lián)絡(luò)巷。為滿足5301采煤工作面數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)需要，在通風(fēng)路線關(guān)鍵位置均布置測(cè)點(diǎn)對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體測(cè)點(diǎn)布置見圖2所示。在5301采煤工作面上下端頭、運(yùn)輸順槽及聯(lián)絡(luò)巷、軌道順槽及聯(lián)絡(luò)巷等位置共計(jì)布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均安裝有溫度、瓦斯、風(fēng)速、風(fēng)壓等傳感器，傳感器監(jiān)測(cè)參數(shù)會(huì)實(shí)時(shí)傳輸給PLC。

圖2 采面測(cè)點(diǎn)布置示意圖

西五采區(qū)5502回風(fēng)巷掘進(jìn)工作傳感器布置見圖3所示，現(xiàn)場(chǎng)共計(jì)布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)。其中1號(hào)測(cè)點(diǎn)布置在距離掘進(jìn)迎頭5 m范圍內(nèi)，傳感器用以對(duì)溫度、瓦斯、風(fēng)速及風(fēng)壓等參數(shù)監(jiān)測(cè)；2號(hào)測(cè)點(diǎn)布置在掘進(jìn)工作面回風(fēng)側(cè)，用以監(jiān)測(cè)回風(fēng)流中溫度、風(fēng)速及風(fēng)壓。通過1號(hào)、2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相互配合，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)巷道全斷面溫度監(jiān)測(cè)。

圖3 掘進(jìn)巷道測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.2.2.2 監(jiān)測(cè)參數(shù)顯示

采掘作業(yè)面布置的傳感器監(jiān)測(cè)參數(shù)可通過人機(jī)交互界面直觀顯示，具體如圖4所示。對(duì)采掘作業(yè)面各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)并實(shí)時(shí)刷新、顯示監(jiān)測(cè)參數(shù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有異常數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)閃爍標(biāo)記并顯示異常數(shù)據(jù)位置。

圖4 人機(jī)交互界面

2.3 智能降溫控制

智能降溫通風(fēng)基于PLC實(shí)現(xiàn)，通過內(nèi)置的控制程序?qū)Σ删蜃鳂I(yè)面各位置溫度等參數(shù)進(jìn)行分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度在設(shè)定值以內(nèi)時(shí)，則確保ZLF-600礦用制冷系統(tǒng)保持原有工作狀態(tài)不變；當(dāng)發(fā)現(xiàn)局部位置溫度增高時(shí)，則PLC向變頻器發(fā)出指令從而增加ZLF-600礦用制冷系統(tǒng)工作頻率，降低采掘作業(yè)點(diǎn)溫度。整個(gè)智能降溫通風(fēng)控制方式簡(jiǎn)單，可靠性較強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)ZLF-600礦用制冷系統(tǒng)智能化運(yùn)行。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

以西五采區(qū)5502回風(fēng)巷掘進(jìn)工作為例，對(duì)智能降溫通風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果進(jìn)行分析。智能降溫通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，5502回風(fēng)巷掘進(jìn)迎頭位置1號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度由使用前的34℃降至26～28℃，巷道外口2號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度則較應(yīng)用前減低4～5℃；掘進(jìn)巷道內(nèi)相對(duì)濕度降低了10～15%，同時(shí)智能降溫通風(fēng)系統(tǒng)可依據(jù)掘進(jìn)巷道現(xiàn)場(chǎng)條件智能調(diào)整降溫通風(fēng)量。智能降溫通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，有效改善了西五采區(qū)掘進(jìn)巷道高溫、高濕情況，杜絕現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員出現(xiàn)高溫引起的暈倒、中暑等不良情況，夏季時(shí)作業(yè)人員出勤率由以往的40%提升至85%。

通過智能降溫通風(fēng)系統(tǒng)成功應(yīng)用，打破了以往僅通過增加風(fēng)量供應(yīng)、噴淋等降溫方式，為礦井井下高溫治理積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)借鑒。

4 結(jié)論

1）北三以及西五采區(qū)采掘作業(yè)面溫度過高主要是由于圍巖散熱以及通風(fēng)風(fēng)流無法及時(shí)將熱量帶走等原因?qū)е?，同時(shí)機(jī)電設(shè)備散熱也會(huì)進(jìn)一步增加作業(yè)點(diǎn)溫度。而傳統(tǒng)的增加供風(fēng)量以及噴淋等傳統(tǒng)降溫方式難以滿足作業(yè)點(diǎn)高溫治理需要。

2）提出將智能降溫通風(fēng)系統(tǒng)降低采掘作業(yè)面高溫治理中，并詳細(xì)對(duì)智能降溫通風(fēng)系統(tǒng)功能、傳感器布置以及智能控制等進(jìn)行分析?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，以西五采區(qū)5502回風(fēng)巷掘進(jìn)迎頭溫度由34℃降至26～28℃，降溫效果明顯；同時(shí)智能降溫通風(fēng)系統(tǒng)可根據(jù)傳感器獲取到的溫度變化情況智能調(diào)節(jié)ZLF-600礦用制冷系統(tǒng)運(yùn)行，不僅可滿足作業(yè)面降溫需要而且可降低設(shè)備運(yùn)行能耗。