深部巷道通风机自动控制技术应用研究

霍志强

（山西焦煤西山煤电集团有限责任公司，山西 太原 030053）

引言

煤矿井下通风机运行过程中将新鲜风流送入井下巷道和综采工作面，并将巷道和工作面内煤层释放的瓦斯、硫化氢等有害气体和井下生产时产生的剩余热量经回风巷道排出地表。与浅部煤层相比，深部煤层开采过程中，采掘巷道和综采工作面处温度较高、瓦斯等有害气体释放速度快，需要地表通风机提供更大的风压以满足井下工作面和巷道的风量需求。复杂的通风环境要求矿井通风系统具有更高的耐久性和安全性，传统的由人工控制通风机的方式难以根据井下条件实时调整通风机功率和通风系统参数，具有一定的滞后性[1]。利用PLC 智能监控技术，实时监测通风机运行工况和井下气体、温度等环境参数，经控制模块中预先存入的逻辑语句的判断，及时输出控制信号，调整通风机系统参数。与传统的控制方法相比，PLC 智能监控技术排除了人为因素的影响，具有明显的智能化、自动化和及时性特点[2]。

1 深部矿井通风特点

1.1 地表通风机

通风系统所需风压包括通风阻力和因为高度差产生的静压，计算公式如下：

式中：V0为地表通风机初始风压，kPa；V1为新鲜空气从井口流入井下，经井下巷道和工作面后流出地表过程中所受到的工作阻力，kPa；V2为井口与井下工作面高度差产生的大气压力，kPa；V3为风流从排风井口排出时的残余压力，kPa。

从式（1）中可以发现，随着开采深度的增加，风流在垂直方向上线路延长，通风阻力V1相应增大，静压差V2增大，当排风口处残余风压V3不变时，地表通风机初始风压V0随通风阻力V1和静压差V2的增大而增大。深部煤层开采时，为了得到更大的地表通风机初始压力V0，对通风机的线速度、叶轮直径和通风机转速提出更高的要求，以满足井下工作面和巷道的风压要求。在增大通风机的线速度、叶轮直径和通风机转速的同时，通风机运行时的振动幅度随之增大。过大的振动幅度严重降低了通风机的耐久性和安全性，并产生噪声危害因素。为了确保通风机安全高效运行，现场生产过程中，要求通风机的振动幅度不大于7 mm[3]。

1.2 深部煤层开采对工作环境的影响

煤矿开采时，井下温度随着开采深度的增加逐渐增大，统计数据表明，煤矿开采时深度每增加100 m，井下温度增加约3 ℃，为了确保井下的安全生产环境，要求井下温度不大于26 ℃。同时，井下温度的增高降低了巷道围岩的瓦斯吸附常数，实验室条件下，巷道围岩的最大吸附量与井下温度的关系如图1 所示。

图1 巷道围岩的最大吸附量与井下温度的关系

如图1 所示，在20 ℃条件下，瓦斯饱和吸附常数a 为37 m3/t；在40 ℃条件下，瓦斯饱和吸附常数a为30 m3/t；随着温度的增加，岩瓦斯饱和吸附常数a呈下降趋势，下降的幅度逐渐增大，巷道围岩内煤岩体的瓦斯吸附量减小，瓦斯释放速度增加。为了防止瓦斯积聚产生瓦斯爆炸事故，规程要求总回风巷道中瓦斯浓度不大于0.7%。

2 自动控制技术结构

自动控制在整流技术和PLC 智能监控技术基础上，实现对井下通风系统参数的实时监测，并控制通风机及时调整设备运行工况。与传统的通风机控制技术相比，自动控制技术具有高度的智能化、自动化特点。其中，利用整流技术对通风机供电系统输出频率进行调整是自动控制技术的前提。在整流器的作用下，将供电网络中频率恒定的交流电经整流器作用转换为频率可控的交流电，根据井下通风系统环境和通风机运行工况，及时调整供电网络输出频率。PLC 技术是以单片机技术为基础的智能控制技术，它将监测到的电信号转换为数字信号后，经控制器中预先输入的逻辑语句的判断，输出相应的控制信号，经输出模块转换为电信号控制设备设施作出相应的动作，从而实现设备设施的自动智能控制。PLC 模块如图2 所示。

图2 PLC 控制系统主要组成模块

如图2 所示，PLC 控制系统主要由监测模块、输入模块、控制模块、输出模块组成。根据控制对象的不同特性，选取相应的单个或多个关键参数进行监测，将监测到的数据以电信号的形式传输给输入模块，输入模块中含有大量的I/O 接口，每一个I/O接口与预先确定的监测参数相对应，当监测设备监测到相应的预定参数值时，如一定的瓦斯浓度、环境温度、风速等，相应的I/O接口结果为1，当相应的参数没有达到预定值时，相应的I/O接口结果为0，通过输入模块的作用，将监测设备传输的电信号转换为I/O数字信号传输给控制器；控制器模块由一套可编程的存储器组成，通过预先存入的逻辑判断语句对输入模块传输的数字信号进行逻辑判断，并将控制信号传输给输出模块，输出模块将控制信号转换成可被识别的电信号控制相应的设备设施。

3 自动控制系统设计

由上述分析可知，煤矿井下通风系统的正常运行与通风机的振动幅度、深部巷道内瓦斯浓度、井下环境温度、风量有关，通风机的振动幅度临界值为7mm，深部巷道内瓦斯浓度临界值为0.7%，深部巷道环境温度不大于26°。井下所需风量：

式中：Q 为监测点处风量，m3/min；V 为监测点处风速，m/min；S 为监测点处断面面积，m2；N 为井下作业人数；K 为矿井通风系数，取值为1.2～1.25；

式（2）中，当监测点处工作人员数量一定时，监测点处所需风量Q 是常数，相应监测点处的最小风速V 也是一定的。

设计在井下巷道入口串联布置一台或数台通风机备用通风机，选定监测点处风量正常时风速的90%、80%作为井下局部通风机的预警值和安全限值，选定瓦斯浓度监测值1%、2%作为瓦斯浓度参数的预警值和安全限值，选定监测点处温度临界值的90%、100%作为温度参数的预警值和安全限值。当PLC 监测装置监测到深部巷道内瓦斯浓度达到预警值时，PLC 监控系统输出控制信号打开风门；当PLC监测装置监测到巷道内瓦斯浓度达到安全限值时，PLC 监控系统输出控制信号打开备用通风机，当PLC 监测装置监测到深部巷道内瓦斯浓度达到爆炸极限时，PLC 监控系统控制报警系统发出声光报警信号，提醒井下工作人员及时撤离工作面，由专业人员消除安全隐患后恢复作业。当PLC 监测装置监测到深部巷道内环境温度达到预警值时，PLC 监控系统输出控制信号打开风门；当PLC 监测装置监测到巷道内环境温度达到安全限值时，PLC 监控系统输出控制信号打开备用通风机，增大风量将工作面生产作业产生的热量带出井下。由于井下通风机的启动通常用于紧急情况，为了确保井下工作面生产安全，放弃对井下通风机振动幅度的监控，而集中监控地表通风机房内的通风机，当PLC 监测设备监测到地表通风机房内通风机振动幅度超过限值时，PLC监控系统自动控制系统控制故障通风机降低功率并发出声光警报提醒工作人员排除设备故障，同时启用地表通风机房内的备用通风机，确保井下巷道和工作面所需风量。

4 自动控制系统应用效果分析

利用自动控制技术对某矿综采工作面进风巷道的通风系统进行设计，工作面情况如下：额定工作人员70 人，进风巷道截面积10.5 m2，回采工作面的瓦斯涌出量峰值为1.1 m3/s。采用KG94A2 型瓦斯传感器测量工作面的瓦斯浓度，监测点布置在采煤工作面上部，KG94A2 型瓦斯传感器采用热催化原理监测瓦斯浓度，在瓦斯浓度较低时传感器的催化元件工作稳定、精度高，工作面瓦斯突出低谷值仅有0.2m3/s，瓦斯涌出量较小，因此选用在低瓦斯浓度下仍有很高精度的KG94A2 型瓦斯传感器；采用KG3044 型矿用温度传感器测量工作面的环境温度，监测点均匀布置在采煤工作面上部或中部，KG3044 型矿用温度传感器利用PN 结测温原理，在0～100 ℃范围内，设备的精度可以达到1 ℃；采用测量范围较广，在风速较低时，传感器的灵敏度较高的KG3088 型矿用风速传感器测量该综采工作面进风巷道的风速，监测点布置在采煤工作面中部。

为保证煤矿开采时的通风安全，矿井通风系数取最大值1.25，由式（2）计算可得，1507 综采工作面设计风量350 m3/min，由式（3）计算可得，进风巷道初始风速0.56 m/s。PLC 智能监控系统在该综采工作面应用过程中的监测参数如表1 所示。

表1 综采工作面监测参数

PLC 智能监控系统在应用过程中，各监测参数之间是逻辑关系，以保证综采工作面通风安全。如表1 所示，当监测设备监测到进风巷道风速为0.532 m/s或瓦斯浓度为1%或环境温度为23.4 ℃时，监测信号经PLC 控制器判断，输出控制风门全开的控制信号；当监测设备监测到进风巷道风速为0.476 m/s 或瓦斯浓度为2%或环境温度为28.6 ℃时，监测信号经PLC 控制器判断，输出控制局部通风机运转的控制信号。当地表通风机房内的通风机振动幅度超过7 mm 时，正在运行的通风机降低输出功率，备用通风机启用，确保井下综采工作面风量。

经现场试验表明，在利用自动控制技术对进风巷道进行监测控制的过程中，自动控制系统可以实时地监测到监测点的风速、风量、瓦斯浓度、环境温度和地表通风机房内通风机的振动幅度等通风参数，经预先输入控制器的逻辑语句的判断，能及时输出控制风门开启、井下局部通风机开启或地表通风机房内备用通风机的开启，实现了对巷道内通风系统实时控制，提高了通风系统可靠性。