煤矿井下局部通风机智能控制研究

南春伟

（山西汾西工程建设有限责任公司，山西 介休 032000）

0 引言

局部通风是煤矿井下通风系统重要组成，为巷道掘进提供新鲜风流并稀释瓦斯富集区浓度[1-2]。现阶段局部通风多采用恒定风速供风，虽然可满足巷道迎头供风需要，但是也存在风流偏大、风速过高等问题，增加局部通风电能消耗量[3-5]。若井下局部用风时综合使用PLC、变频器及传感器，通过各位置瓦斯浓度变化实现局部通风机转速调节，在满足掘进巷道用风需要的同时降低局部通风能耗，从而实现局部通风智能控制[6]。本文就对山西某矿3602 运输巷局部通风采用的智能控制系统进行分析，以期为其他矿井局部通风工作高效开展提供经验参考。

1 工程概况

山西某矿现阶段生产集中在6 号煤层，煤厚3.8 m、倾角5°～12°，赋存稳定，顶底板以粉砂岩及碳质泥岩为主，采用综采开采工艺。现阶段煤矿井下布置有3 个综掘工作面及1 个综采工作面，回采巷道沿6号煤层底板掘进。3602 运输巷采用综掘方式，断面19 m2，供风用FBDNo11.2 型对旋轴流式局部通风机，配套采用功率2×75 kW 电机、供电电压660 V，在局部通风时电机保持额定转速高速运行。在巷道正常掘进时，受到落煤瓦斯涌出量影响，掘进迎头供风风速控制在1.0 m/s 以上时可将瓦斯浓度控制在0.6%以内，由于掘进巷道落差时间占比较小，大部分时间均用以巷道支护、运输等工作，若此阶段仍保持1.0 m/s供风速度，巷道内瓦斯浓度控制在0.10%以内，虽然可满足瓦斯排放需要但是会增大局部通风机能耗。为此，文中提出综合使用PLC、变频器及传感器的策略，依据传感器监测得到瓦斯浓度变化调节电机转速，在满足瓦斯排放基础上减少局部通风机能耗，实现智能化控制。

2 局部通风机智能控制系统结构及功能

2.1 系统结构

智能控制系统结构包括局部通风机、PLC 控制器、变频调速装置、真空电磁启动器、监测设备（包括瓦斯传感器、风速传感器等）、综合分站等，具体结构组成如图1 所示。智能控制系统依据巷道迎头、回风流及回风巷混合处位置瓦斯浓度为控制参数，通过控制变频器、变频风机调节供风风量，实现局部通风智能控制[7-8]。

图1 智能控制系统结构

智能通风控制系统中控制器为智能开关，实现闭锁、切换等信号输出，并通过Modbus 协议实现信息通信，对变频器控制指令及运行参数等进行采集、分析。中央控制器为PLC，对输入信号进行采集、计算及分析，并将结果显示在触摸屏上；PLC 配备有各项系统信号及数据接口，可将监测数据及设备状态参数等通过以太网传输给地面控制中心。

2.2 智能通风控制策略

当通风系统采用PLC 控制器控制时，可依据传感器监测得到瓦斯浓度，并自动调节供风量；当系统用普通开关时，则可依据变频器手动调节供风量。采用的智能控制系统具备智能控制、手动控制等功能。

局部通风智能控制系统为闭环控制系统，依靠布置的传感器、分站监测数据实现风量调节。系统可自动调整局部通风机转速，在避免瓦斯超限前提下实现局部通风机高效、经济运行。如图2 所示，巷道内T1瓦斯传感器布置在掘进迎头、T2 瓦斯传感器布置在回风流中，当监测到瓦斯浓度低于瓦斯浓度下限或者高于瓦斯浓度上限时，自动进入智能控制状态；当T1及T2 瓦斯传感器监测到瓦斯浓度均小于设定下限时，则可适当降低局部通风机转速，减少供风量，同时设定局部通风机供风最低风速下限，避免巷道出现瓦斯超限问题；当T1 及T2 瓦斯传感器监测到瓦斯浓度接近或者高于设定上限时，则可适当增加局部通风机转速，增加供风量，以实现瓦斯排放。

3 现场应用效果分析

为实现局部通风机智能控制，根据现场条件选用KXJ-800PLC 控制柜、BPB-185/660F 变频器，控制柜依据转换协议从监控分站内获取巷道内风速、瓦斯浓度等参数，根据获取到的参数进行智能控制。将变频控制下限及上限对应的瓦斯浓度值分别设为0.25%、0.65%，即瓦斯浓度介于0.25%～0.65%时局部通风机保持风速不变；当瓦斯浓度低于0.25%时，则适当降低供风量；当瓦斯浓度高于0.65%时，则增加供风。

对智能控制系统应用前3 个月内瓦斯浓度涌出情况进行分析，发现巷道供风风速保持在0.5 m/s 以上时，掘进巷道内瓦斯浓度基本不会超限，但是瓦斯浓度整体偏高，因此将局部通风机最低通风速度设定为0.5 m/s。具体巷道局部通风机在工频控制（风速v分别为0.5 m/s、1.0 m/s）以及智能控制时瓦斯浓度监测结果如图3 所示。

图3 不同通风控制模式下瓦斯浓度变化曲线

从图3 中看出，当供风风速在0.5 m/s 时，巷道内瓦斯浓度较高，存在有一定的瓦斯超限风险；当供风风速始终保持1.0 m/s 时，虽可满足瓦斯排放及供风需要，但是局部通风能耗高且风速过大容易出现扬尘。局部通风采用智能控制时，掘进巷道内瓦斯浓度得以较好控制，瓦斯浓度值介于0.18%～0.65%，较风速为0.5 m/s 时瓦斯浓度控制效果较好，在智能通风控制模式下掘进巷道内瓦斯浓度始终在允许值内。

对智能控制模式下掘进巷道局部通风风速变化情况进行统计，具体结果如图4 所示。采用智能控制时巷道供风风速在0.5～0.8 m/s 间，可实现巷道瓦斯浓度有效控制，同时较1.0 m/s 风速时明显降低电能消耗。

图4 智能控制通风风速变化情况

4 结语

从煤矿井下局部通风出发，指出现阶段井下局部通风多依靠工作人员经验进行人工调节，未能与现场环境参数结合分析，同时局部通风普遍存在能耗高问题。为此，本文提出将局部通风与现场瓦斯、风速等参数进行关联，依据现场环境参数变化调节供风，以便瓦斯浓度、风速在允许范围基础上实现局部通风机智能控制，降低电能消耗。

根据3602 运输巷现场情况，对巷道局部通风机智能控制系统结构、控制策略等进行分析。3602 运输巷局部通风机采用智能控制系统后，局部通风机可依据巷道内瓦斯浓度情况进行智能调节，掘进迎头风速控制在0.5～0.8 m/s，不仅可满足掘进巷道通风需要，而且可降低局部通风机能耗、提升局部通风智能化控制水平。