煤礦井下智能通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)建研究

陳晉龍

(山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司,山西 保德 036600)

通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦井下安全生產(chǎn)的基礎(chǔ),煤礦要滿足“以風(fēng)定產(chǎn)”的要求,通過通風(fēng)解決煤礦井下粉塵、瓦斯積聚等問題,降低井下溫度[1-2]。煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)平穩(wěn)、可靠運(yùn)行是煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。現(xiàn)階段,煤礦通風(fēng)系統(tǒng)管理水平較低,使用的設(shè)備較為落后,在一定程度上制約了煤礦安全高效生產(chǎn)[3-6]。文章以山西某礦為工程實(shí)例,對(duì)該礦現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析并指出不足之處,并給出智能通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)建方案,以期在一定程度上提升井下通風(fēng)效率及可靠性。

1 工程概況

1.1 通風(fēng)設(shè)施

山西某礦設(shè)計(jì)產(chǎn)能為1.8×106t /a,主采煤層包括3號(hào)、7號(hào)、9號(hào)及11號(hào)煤層,煤層賦存條件好,回采區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育、水文地質(zhì)條件簡單。礦井采用中央并列式通風(fēng)方式。近些年來隨著切頂留巷技術(shù)的不斷應(yīng)用,井下采面通風(fēng)方式有U型、Y型兩種。煤礦地面主要通風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,而井下局部通風(fēng)機(jī)則普遍采用人工控制。

井下通風(fēng)構(gòu)筑物包括各種風(fēng)門、風(fēng)窗等,對(duì)現(xiàn)有通風(fēng)構(gòu)筑物進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析,并評(píng)價(jià)各通風(fēng)設(shè)施的智能化程度,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1.礦井大部分的通風(fēng)構(gòu)筑物自動(dòng)化程度較低,井下通風(fēng)風(fēng)門及風(fēng)窗等均未安裝監(jiān)控系統(tǒng),通過機(jī)械方式驅(qū)動(dòng),使用期間需由技術(shù)員手動(dòng)調(diào)試。部分智能化通風(fēng)構(gòu)筑物驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源于井下壓風(fēng)系統(tǒng),安裝調(diào)試簡單、動(dòng)力源來源方便。

表1 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)施及構(gòu)筑物智能化程度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

1.2 通風(fēng)控制系統(tǒng)

現(xiàn)階段礦井采用PLC對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行控制,見圖1.通風(fēng)監(jiān)測設(shè)備包括采集及A/D轉(zhuǎn)換、調(diào)控執(zhí)行、數(shù)據(jù)分析與處理等功能模塊。主控制器選用S7-300系列PLC. 采集及A/D轉(zhuǎn)換模塊主要是采集井下各巷道內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)壓、瓦斯含量等信息,通過風(fēng)壓、風(fēng)量及溫度傳感器等實(shí)現(xiàn)巷道環(huán)境信息采集,采用瓦斯傳感器實(shí)現(xiàn)各位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)采集,各傳感器獲取信息首先用EM235模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并傳輸至S7-300PLC,PLC再將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)處理;上位機(jī)通過RS485接口接收PLC信息,通過FameView上位機(jī)分析軟件分析數(shù)據(jù)并向下位機(jī)PLC發(fā)出操作指令;控制算法采用模糊PID控制算法,對(duì)巷道內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng),確保巷道內(nèi)有足夠的新鮮空氣,將瓦斯體積分?jǐn)?shù)控制在允許范圍內(nèi)?？刂茍?zhí)行模塊通過下位機(jī)PLC發(fā)出控制指令,并通過EM232模塊調(diào)整變頻器輸出電流頻率。礦井現(xiàn)階段采用的基于PLC的通風(fēng)控制系統(tǒng)控制方便、結(jié)構(gòu)簡單,但是也存在下述問題:

圖1 礦井原有通風(fēng)系統(tǒng)架構(gòu)

1) 數(shù)據(jù)采集量較小,不能獲取足夠的通風(fēng)數(shù)據(jù),可能導(dǎo)致上位機(jī)分析結(jié)果不準(zhǔn)確;

2) 系統(tǒng)響應(yīng)速度緩慢,從傳感器監(jiān)測到有害氣體超限到通風(fēng)量增加,減少有害氣體含量,整個(gè)過程耗時(shí)較長;

3) 不能確保合理供風(fēng),會(huì)出現(xiàn)供風(fēng)量不足或者偏高等問題,難以實(shí)現(xiàn)按需供風(fēng)。

因此,需要構(gòu)建智能通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)煤礦井下高效、可靠供風(fēng),按需調(diào)節(jié)供風(fēng)量。

2 礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 智能通風(fēng)系統(tǒng)整體架構(gòu)

煤礦井下供風(fēng)系統(tǒng)較為復(fù)雜,文中提出一種基于現(xiàn)場總線的智能通風(fēng)系統(tǒng),該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),將數(shù)據(jù)采集、決策執(zhí)行、分析處理等系統(tǒng)劃分成若干功能模塊,各功能模塊間通過工業(yè)以太網(wǎng)通信,通過現(xiàn)場CAN總線方式實(shí)現(xiàn)控制功能,使智能通風(fēng)系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程控制、集成管理等功能[7-8]。智能通風(fēng)系統(tǒng)功能模塊包括數(shù)據(jù)采集、險(xiǎn)情報(bào)警、操作執(zhí)行以及冗余設(shè)計(jì)等,見圖2.

圖2 智能通風(fēng)系統(tǒng)功能模塊

智能通風(fēng)系統(tǒng)用嵌入式模塊化設(shè)計(jì),可縮短設(shè)計(jì)周期、便于系統(tǒng)快速搭建,系統(tǒng)運(yùn)行后各功能模塊獨(dú)立運(yùn)行,相互不干擾。智能通風(fēng)系統(tǒng)綜合CAN總線、工業(yè)以太網(wǎng)兩層控制網(wǎng)絡(luò),CAN總線實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制、工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸,上位機(jī)將控制指令通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至現(xiàn)場主控制器,并通過CAN總線控制通風(fēng)機(jī)、通風(fēng)構(gòu)筑物、冗余設(shè)備及報(bào)警裝置,確保通風(fēng)系統(tǒng)可快速響應(yīng)。具體構(gòu)建的智能通風(fēng)系統(tǒng)方案見圖3.

圖3 智能通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)建方案

井下各環(huán)境傳感器、設(shè)備檢測傳感器等將通過數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)傳輸至現(xiàn)場監(jiān)控計(jì)算機(jī),現(xiàn)場監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī);現(xiàn)場監(jiān)控計(jì)算機(jī)可依據(jù)各傳感器檢測數(shù)據(jù)智能分析井下通風(fēng)情況,然后通過本地網(wǎng)絡(luò)將遠(yuǎn)程控制指令傳輸至現(xiàn)場主控制器,主控制器解析主控制指令并控制設(shè)備運(yùn)行?，F(xiàn)場主控制器及CAN節(jié)點(diǎn)依據(jù)檢測數(shù)據(jù)變化,做出合理決策,確保通風(fēng)系統(tǒng)安全、可靠及智能化運(yùn)行。

遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)綜合使用模糊控制算法、智能分析軟件對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)建模,并依據(jù)傳感器檢測數(shù)據(jù)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)測。當(dāng)發(fā)現(xiàn)井下存在安全風(fēng)險(xiǎn)且現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)難以處理時(shí),井下報(bào)警系統(tǒng)開始工作并發(fā)出警告,提醒井下人員及時(shí)撤離。通過冗余系統(tǒng)可進(jìn)一步提高智能通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,確保通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)刻穩(wěn)定運(yùn)行。

智能通風(fēng)系統(tǒng)可大量采集井下數(shù)據(jù)并進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析,確定最佳處理方案,并按需供風(fēng);同時(shí)現(xiàn)場主控制器內(nèi)置的智能算法分析各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì),可超前調(diào)節(jié)風(fēng)量。

2.2 智能通風(fēng)設(shè)備

煤礦井下通風(fēng)智能調(diào)控采用“用風(fēng)點(diǎn)-盤區(qū)-礦井”三級(jí)方式,其中掘進(jìn)巷道用風(fēng)量通過調(diào)整局部通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn),采面需風(fēng)量通過控制回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷或者并聯(lián)風(fēng)道內(nèi)的調(diào)節(jié)風(fēng)窗實(shí)現(xiàn),盤區(qū)風(fēng)量則通過風(fēng)機(jī)或者盤區(qū)總回風(fēng)巷內(nèi)的調(diào)節(jié)風(fēng)窗實(shí)現(xiàn)。

1) 精準(zhǔn)測風(fēng)傳感器。采用基于超聲波的高精度傳感器對(duì)巷道內(nèi)風(fēng)速進(jìn)行測量。根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖以及風(fēng)量分配計(jì)算方法,合理確定通風(fēng)系統(tǒng)中合理的測風(fēng)點(diǎn)。將測風(fēng)傳感器布置在風(fēng)流穩(wěn)定點(diǎn),選用YFC15煤礦用風(fēng)速儀,技術(shù)參數(shù)見表2.

表2 YFC15型煤礦用風(fēng)速儀技術(shù)參數(shù)

2) 遠(yuǎn)程控制風(fēng)門。遠(yuǎn)程控制風(fēng)門在傳統(tǒng)風(fēng)門的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造,使風(fēng)門具備遠(yuǎn)程自動(dòng)、就地控制以及全自動(dòng)控制等功能模式,各功能模式間可切換,同時(shí)各組風(fēng)門可設(shè)置自己的工作模式,互不干擾。通過上位機(jī)可實(shí)時(shí)查看各風(fēng)門的工作狀態(tài)。當(dāng)傳感器等出現(xiàn)通信中斷或者故障時(shí),上位機(jī)會(huì)發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

3) 遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)風(fēng)窗。遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)風(fēng)窗結(jié)構(gòu)見圖4,設(shè)置有行人門并為帶式輸送機(jī)通過留有通道。調(diào)節(jié)風(fēng)窗用過框體及若干組扇頁等組成百葉風(fēng)窗,通過連桿機(jī)構(gòu)、執(zhí)行器等調(diào)節(jié)扇頁角度,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。風(fēng)窗控制有就地手動(dòng)、全自動(dòng)以及遠(yuǎn)程自動(dòng)等模式,同時(shí)具備自動(dòng)修正、斷電自鎖等保護(hù)功能。在風(fēng)窗附近布置攝像頭,地面上位機(jī)可實(shí)時(shí)掌握風(fēng)窗運(yùn)行狀態(tài)。

圖4 風(fēng)窗結(jié)構(gòu)示意(單位:mm)

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

2022年5月,礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)建完成并試運(yùn)行,對(duì)試運(yùn)行期間存在的問題進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。智能通風(fēng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)識(shí)別、聯(lián)動(dòng)控制以及精準(zhǔn)預(yù)警等功能,在井下遠(yuǎn)程控制風(fēng)門、風(fēng)窗等位置均布置攝像頭,便于精準(zhǔn)掌握通風(fēng)設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行后,通風(fēng)管理水平得以明顯提升,有效減少了工作人員數(shù)量、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,預(yù)計(jì)每年可節(jié)省人工費(fèi)用約2%;礦井井下通風(fēng)系統(tǒng)抗風(fēng)險(xiǎn)能力以及安全系數(shù)等均得以提升,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)按需供風(fēng)、及時(shí)調(diào)風(fēng),年可直接降低通風(fēng)系統(tǒng)電能消耗10%～15%.