王 斌 ，王永寶 ，郝繼寶 ，孔 超 ，相 飛

（1.山東東山王樓煤礦有限公司，山東 濟寧272000；2.山東鼎安檢測技術(shù)有限公司，山東 濟南250000；3.山東智拓?fù)滠浖邢薰?山東 泰安271000）

礦井通風(fēng)系統(tǒng)在礦井生產(chǎn)系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位，它不但要為井下作業(yè)場地提供新鮮空氣，還可有效解決瓦斯積聚、粉塵積聚、高溫?zé)岷Φ染聻?zāi)害[1-3]。特別近年來，隨著許多煤礦逐步進入深部開采階段，礦山井下開拓作業(yè)不斷發(fā)展，礦井通風(fēng)系統(tǒng)趨于復(fù)雜化，礦井通風(fēng)阻力大、風(fēng)流分配不合理、風(fēng)流短路、污風(fēng)循環(huán)等問題層出不窮，對井下工人人身安全造成嚴(yán)重威脅[4-7]。因此，對于深部開拓礦井，加強對井下通風(fēng)系統(tǒng)的實時精確監(jiān)控和測量，保障通風(fēng)系統(tǒng)的正常運行，對于改善工人作業(yè)環(huán)境、提高礦井經(jīng)濟效益、保證礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

王樓煤礦位于濟寧市中區(qū)境內(nèi)，井田面積93.77 km2，可采儲量10 098萬t，采用中央式并列式通風(fēng)系統(tǒng)。以往該礦采用PLC與變頻器組成通風(fēng)控制系統(tǒng)，可對井下通風(fēng)情況實施有效監(jiān)測，但隨著礦井進一步延伸，煤層地質(zhì)條件趨于復(fù)雜，礦井通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜、規(guī)模龐大，時常發(fā)生通風(fēng)控制系統(tǒng)響應(yīng)緩慢、分析失準(zhǔn)等現(xiàn)象，不能快速產(chǎn)生聯(lián)動、調(diào)整風(fēng)流，達不到防災(zāi)減災(zāi)的目的[8-10]。為改變以往通風(fēng)系統(tǒng)存在的弊端，基于王樓煤礦具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，分析以往PLC通風(fēng)系統(tǒng)的不足之處，提出一種基于現(xiàn)場總線技術(shù)的智能通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案，并通過CO2測試實驗，檢驗智能通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性。

1 礦井通風(fēng)概況與PLC通風(fēng)控制系統(tǒng)

王樓煤礦主采3#煤層，平均埋深650 m，厚度6.2 m，傾角2°～18°。礦井采用單一水平開拓方式，機械化放頂煤開采工藝采煤。采用中央并列式通風(fēng)方式，回風(fēng)立井和斜井分別采用FBCDZ-№32C型號和FBCDZNo.21型號通風(fēng)機，采用PLC控制系統(tǒng)和變頻器組成控制系統(tǒng)。

PLC系統(tǒng)是當(dāng)前煤礦最為常用的監(jiān)測系統(tǒng)，其可實現(xiàn)通風(fēng)機一鍵切換、井下風(fēng)量調(diào)節(jié)、通風(fēng)設(shè)施聯(lián)鎖控制等功能。它主要由數(shù)據(jù)采集/AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析與處理、調(diào)控執(zhí)行3大模塊組成，傳統(tǒng)PLC監(jiān)控系統(tǒng)工作原理如圖1。其主要工作原理如下[3]：①通過傳感器收集巷道中風(fēng)壓、風(fēng)速、瓦斯?jié)舛?、風(fēng)機狀態(tài)等基本數(shù)據(jù)，經(jīng)過EM235模塊編輯、AD系統(tǒng)數(shù)值轉(zhuǎn)換、PLC存儲過程后，最終輸送至上位機處理器；②數(shù)據(jù)信息通過RS485接口傳送到上位機內(nèi)置Fameview軟件，通過控制計算對井巷狀態(tài)進行動態(tài)響應(yīng)，將響應(yīng)結(jié)果發(fā)送到下位機處理器；③調(diào)控執(zhí)行模塊根據(jù)動態(tài)響應(yīng)結(jié)果，通過PLC發(fā)出命令，對礦井通風(fēng)機、通風(fēng)構(gòu)筑物等運行調(diào)節(jié)，保障正常通風(fēng)。

圖1 傳統(tǒng)PLC監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

總體而言，PLC監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、便于操作，王樓煤礦以往通過PLC系統(tǒng)可以有效監(jiān)控礦井通風(fēng)系統(tǒng)工況，但隨著礦井生產(chǎn)的延伸和通風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜化，PLC系統(tǒng)的不足開始顯現(xiàn)，主要體現(xiàn)在3個方面：①由于PLC監(jiān)控系統(tǒng)自身條件所限，井下通風(fēng)數(shù)據(jù)收集有限，隨著王樓煤礦通風(fēng)系統(tǒng)向深部延伸，通風(fēng)數(shù)據(jù)采集不足必將導(dǎo)致分析結(jié)果的失準(zhǔn)，影響通風(fēng)系統(tǒng)有效、快速調(diào)節(jié)；②隨著通風(fēng)線路的延長、規(guī)模擴大，傳感器采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、變頻器調(diào)控執(zhí)行所需時間均大幅增加，對于井下通風(fēng)系統(tǒng)異況無法立即做出響應(yīng)；③隨著通風(fēng)線路的延長，井下風(fēng)壓逐漸減小，加之PLC系統(tǒng)分析處理功能的延時，從而無法保證井下合理供風(fēng)，無法實現(xiàn)按需供風(fēng)。

2 基于現(xiàn)場總線技術(shù)的智能通風(fēng)系統(tǒng)

根據(jù)上述王樓煤礦井下復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)現(xiàn)狀，提出一套基于總線技術(shù)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案，該系統(tǒng)設(shè)計了數(shù)據(jù)采集、操作執(zhí)行、險情報警、冗余設(shè)計4個獨立模塊，獨立模塊采用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸、CAN總線執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)控。其主要工作原理如下[11-12]：①各傳感器收集井下設(shè)備運轉(zhuǎn)、作業(yè)環(huán)境相關(guān)的數(shù)據(jù)，并通過采集卡發(fā)送至現(xiàn)場監(jiān)控計算機，進而通過以太網(wǎng)傳遞到遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機；②遠(yuǎn)程監(jiān)控計算器通過智能分析井下設(shè)備、環(huán)境狀況，做出合理決策，通過以太網(wǎng)將決策命令傳遞至現(xiàn)場監(jiān)控機器；③現(xiàn)場計算機將決策發(fā)送至下位各CAN節(jié)點，各CAN節(jié)點分析處理決策命令，做出合理決策以控制設(shè)備運行狀況，并監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)。

相對比傳統(tǒng)PLC通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)，其具有以下優(yōu)勢[13]：①系統(tǒng)4大模塊獨立工作，系統(tǒng)中單一環(huán)節(jié)功能障礙不會對其他環(huán)節(jié)造成影響，系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性大幅提高；②該系統(tǒng)通過以太網(wǎng)和CAN總線2層網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，以太網(wǎng)實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控計算機與遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機的數(shù)據(jù)交換，CAN總線實現(xiàn)現(xiàn)場計算機對井下設(shè)備的運行控制，從而保證了系統(tǒng)的快速反應(yīng)；③考慮到通風(fēng)線路延長可能導(dǎo)致的各類突發(fā)問題，該智能系統(tǒng)配備有冗余系統(tǒng)，其可在井下通風(fēng)設(shè)備、構(gòu)筑物發(fā)生意外時，可及時有效調(diào)節(jié)備用系統(tǒng)投入使用，保證井下通風(fēng)安全。

總體而言，該系統(tǒng)可對井下巷道通風(fēng)狀態(tài)實時監(jiān)測，通過對大量監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理，做出最佳決策命令，遠(yuǎn)程控制井下通風(fēng)設(shè)施，實時掌握各節(jié)點數(shù)據(jù)變化趨勢，做到風(fēng)量提前調(diào)節(jié)，確保合理供風(fēng)。

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

上述控制系統(tǒng)于2017年7月在王樓煤礦投入使用，為監(jiān)測該通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性，在13307工作面與13301掘進工作面進行CO2釋放測試試驗，監(jiān)測通風(fēng)系統(tǒng)自動調(diào)控能力。

3.1 試驗方案

試驗分為3組，第1組在13307工作面測試，第2組在13301掘進工作面測試，第3組對2個工作面同時進行。試驗步驟如下：①每組試驗設(shè)有相同的初始條件:即 1#、2#、3#、4#風(fēng)門及 E#、F#、G#、H#風(fēng)窗分別處于0狀態(tài)，(1為全開；0為全閉)，礦井主要通風(fēng)機處于30 Hz的工作頻率；②通過穩(wěn)壓閥將CO2氣體緩慢釋放到監(jiān)測區(qū)域（（M點和N點），直至CO2氣體穩(wěn)定在固定值3 000×10-6和5 000×10-6，分別代表快速、慢速2類災(zāi)害；③為在最短時間和最小風(fēng)量條件下稀釋有害氣體，對井下通風(fēng)設(shè)備與構(gòu)筑物進行調(diào)整，調(diào)整原則如下“先調(diào)整風(fēng)門、再調(diào)整風(fēng)窗、最后調(diào)整風(fēng)機”，通過調(diào)節(jié)風(fēng)門、風(fēng)窗的開度和風(fēng)機頻率得到最佳控制策略；④井下通風(fēng)系統(tǒng)安全指標(biāo)如下：風(fēng)速不低于 0.7 m/s和不大于 2.7 m/s；測試氣體濃度不高于2 000×10-6。

王樓煤礦13307工作面與13301掘進工作面通風(fēng)路線與測點布置如圖2。

圖2 王樓礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)與測站布置示意圖

3.2 試驗結(jié)果

1）13307工作面CO2釋放測試結(jié)果。13307工作面CO2氣體試驗結(jié)果見表1。由表1可知，慢速條件下，風(fēng)門狀態(tài)0111，風(fēng)窗狀態(tài)0110，風(fēng)機頻率30 Hz，系統(tǒng)可以在124 s內(nèi)將CO2氣體濃度降低到1 924×10-6；快速條件下，僅通過調(diào)節(jié)風(fēng)門或風(fēng)窗已無法達到稀釋氣體目的，需將風(fēng)機頻率提升為60 Hz，風(fēng)門狀態(tài)0110，風(fēng)窗狀態(tài)0111，系統(tǒng)可在236 s內(nèi)將氣體濃度降低到1 963×10-6。實際工程中2#、3#風(fēng)門與F#、G#風(fēng)窗保持開啟狀態(tài)，只需改變4#風(fēng)門、H#風(fēng)窗及風(fēng)機的狀態(tài)，同時保證巷道最低風(fēng)速要求，即可達到目的。

表1 采煤工作面CO2氣體測試結(jié)果

2）13301掘進工作面CO2釋放測試結(jié)果。13301工作面CO2氣體試驗結(jié)果見表2。由表2可知，慢速條件下，最佳策略：風(fēng)門狀態(tài)0111，風(fēng)窗狀態(tài)0101，風(fēng)機頻率30 Hz，系統(tǒng)可在131 s內(nèi)將CO2氣體濃度降低到1 956×10-6；快速條件下，需將主要通風(fēng)機頻率提高至60 Hz，風(fēng)門狀態(tài)0101，風(fēng)窗狀態(tài)0111，系統(tǒng)可在243 s之內(nèi)將氣體濃度降低到1 971×10-6。對于掘進工作面發(fā)生的通風(fēng)事故，正常情況下2#、4#風(fēng)門及F#、H#風(fēng)窗處于開啟狀態(tài)，只需要改變3#風(fēng)門、G#風(fēng)窗狀態(tài)。在快速條件下，只需改變3#風(fēng)門、G#風(fēng)窗及風(fēng)機的狀態(tài)，同時保證工作面最低風(fēng)速要求，增大巷道風(fēng)速即可達到目的。

表2 掘進工作面CO2氣體測試結(jié)果

3）雙工作面CO2釋放測試結(jié)果。將工作面、掘進頭CO2氣體濃度穩(wěn)定在5 000×10-6，通過調(diào)節(jié)風(fēng)門、風(fēng)窗、風(fēng)機得到最佳調(diào)整策略，工作面系統(tǒng)控制試驗結(jié)果見表3。由表3可知，風(fēng)門狀態(tài)0111，風(fēng)窗狀態(tài)0111，風(fēng)機頻率60 Hz，系統(tǒng)總計耗時190 s將危險氣體濃度降低到安全狀態(tài)。實際工程中，雙工作面發(fā)生危險時，2#、3#、4#風(fēng)門及 F#、G#、H#風(fēng)窗均保持開啟狀態(tài)，才能保證雙工作面的足夠供風(fēng)量，達到快速稀釋目的。

表3 工作面系統(tǒng)控制試驗結(jié)果

由測試結(jié)果可知，該控制系統(tǒng)可實時監(jiān)測井下環(huán)境信息并對其進行分析處理，進而對風(fēng)機和通風(fēng)構(gòu)筑物進行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，保證井下合理通風(fēng)量，保證井下通風(fēng)安全。

4 結(jié)語

基于王樓煤礦通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)有PLC控制系統(tǒng)工作原理與不足提出一種基于總線技術(shù)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包含數(shù)據(jù)采集、操作執(zhí)行、險情報警、冗余設(shè)計4個獨立模塊，該系統(tǒng)具有可靠性高、快速反應(yīng)、實時監(jiān)測的特點。通過王樓煤礦13307采煤工作面及13301掘進工作面的CO2釋放測試試驗，驗證了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的實用性和可行性。