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礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

2020-05-06 12:48王陽
山西能源學(xué)院學(xué)報 2020年2期
關(guān)鍵詞:礦井通風(fēng)優(yōu)化

王陽

【摘 要】 本文針對礦井現(xiàn)階段采用的PLC及變頻器通風(fēng)控制系統(tǒng)存在響應(yīng)時間長、監(jiān)測數(shù)據(jù)處理能力不足、分析失準(zhǔn)等問題,提出采用現(xiàn)場總線技術(shù)的智能通風(fēng)控制系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)措施。在井下回采及掘進(jìn)工作面采用CO2釋放測試方法對采用的通風(fēng)系統(tǒng)智能化、實用性進(jìn)行驗證,結(jié)果表明,智能通風(fēng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)策略與人工方式一致,表明采用的通風(fēng)控制系統(tǒng)可以滿足應(yīng)對井下一般通風(fēng)故障需要。

【關(guān)鍵詞】 礦井通風(fēng);優(yōu)化;通風(fēng)構(gòu)筑物;響應(yīng)速度;通風(fēng)故障

【中圖分類號】 TD724 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102(2020)02-0028-03

強(qiáng)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)研究,實現(xiàn)通風(fēng)參數(shù)精準(zhǔn)測量與監(jiān)控、確保通風(fēng)系統(tǒng)平穩(wěn)可靠運(yùn)行,對保證礦井生產(chǎn)安全以及效益提升都有顯著促進(jìn)意義。

山西某礦開采面積94.38km2,可采資源儲量接近1.5億t,設(shè)計產(chǎn)能300萬t/a,主采3號煤層,埋藏平均680m,厚度在6.8m,采用綜放開采方式。礦井通風(fēng)采用中央并列式,回風(fēng)斜井及回風(fēng)立井采用風(fēng)機(jī)型號分別為FBCDZNo21/2×120、FBCDZNo32/2×400。

1通風(fēng)控制系統(tǒng)存在問題分析

礦井現(xiàn)階段采用的以PLC及變頻器為基礎(chǔ)的通風(fēng)控制系統(tǒng),存在結(jié)構(gòu)簡單、便于操控等優(yōu)點,在礦井生產(chǎn)初期,通風(fēng)系統(tǒng)簡單時可以有效對礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控,但是隨著礦井開拓系統(tǒng)不斷擴(kuò)展,井下通風(fēng)系統(tǒng)、地質(zhì)構(gòu)造更趨復(fù)雜,采用的通風(fēng)控制系統(tǒng)逐漸難以滿足礦井通風(fēng)可靠需要,具體表現(xiàn)為:

通風(fēng)控制系統(tǒng)受到自身結(jié)構(gòu)限制,對通風(fēng)參數(shù)監(jiān)控范圍有限,隨著礦井開拓延伸不斷擴(kuò)展,勢必會發(fā)生由于采集數(shù)據(jù)不足導(dǎo)致通風(fēng)控制系統(tǒng)分析結(jié)果偏差較大問題;

隨著通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜程度增加,傳感器采集數(shù)據(jù)、PLC控制系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)以及變頻器執(zhí)行控制指令耗時增加,會出現(xiàn)無法及時對通風(fēng)異常情況即刻響應(yīng)問題;

隨通風(fēng)系統(tǒng)延伸,通風(fēng)阻力變大,井下風(fēng)壓會有所降低,若PLC數(shù)據(jù)分析不及時,無法有效確保井下用風(fēng)需求。

總之,隨著礦井開采深度不斷增加,地質(zhì)構(gòu)造更趨復(fù)雜,礦井通風(fēng)系統(tǒng)距離變大、構(gòu)成復(fù)雜,現(xiàn)采用的通風(fēng)控制系統(tǒng)時常出現(xiàn)分析失準(zhǔn)、響應(yīng)耗時過長問題,不能快速調(diào)整風(fēng)流,達(dá)不到減災(zāi)防災(zāi)目標(biāo)。為了克服現(xiàn)階段礦井變頻器以及PLC構(gòu)建的通風(fēng)控制系統(tǒng)存在不足基礎(chǔ)上,基于礦井煤炭生產(chǎn)地質(zhì)條件,提出采用現(xiàn)場總線控制方式的智能通風(fēng)系統(tǒng),并采用CO2測試智能通風(fēng)系統(tǒng)可靠性。

2礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)

2.1運(yùn)行原理

針對礦井現(xiàn)階段通風(fēng)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀,提出基于現(xiàn)場總線技術(shù)的智能通風(fēng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及執(zhí)行、險情預(yù)警以及冗余設(shè)計等獨立功能模塊。具體工作原理為:

在通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)布置的各類傳感器對通風(fēng)設(shè)備、通風(fēng)構(gòu)筑物、風(fēng)流參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控采集,采集數(shù)據(jù)先通過采集卡形式發(fā)送至現(xiàn)場監(jiān)控PC,隨后通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至遠(yuǎn)程控制PC;

遠(yuǎn)程控制PC對通風(fēng)設(shè)備、構(gòu)筑物運(yùn)行參數(shù)以及通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行智能分析,并根據(jù)嵌入的算法做出合理控制決策,通過工業(yè)以太網(wǎng)將控制指令傳輸給現(xiàn)場監(jiān)控PC;

現(xiàn)場控制PC將收集到的指令傳輸給相應(yīng)的CAN節(jié)點,控制并監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

2.2系統(tǒng)優(yōu)勢

相對于礦井采用的傳統(tǒng)通風(fēng)控制系統(tǒng),選用的智能通風(fēng)控制系統(tǒng)具有下述主要優(yōu)勢:

系統(tǒng)內(nèi)的各功能模塊獨立運(yùn)行,任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障不會給其他環(huán)節(jié)造成不利影響,控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性顯著提升;

控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用工業(yè)以太網(wǎng)以及CAN總線兩種方式,工業(yè)以太網(wǎng)用以現(xiàn)場監(jiān)控PC與遠(yuǎn)程監(jiān)控PC間數(shù)據(jù)交互;CAN總線用以現(xiàn)場監(jiān)控PC對通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備控制。采用的信息交互方式確保了控制系統(tǒng)具有快速反應(yīng)能力;

煤礦生產(chǎn)過程中面臨諸多不利因素影響,為應(yīng)對可能突發(fā)的各類問題給通風(fēng)控制系統(tǒng)造成的影響,確保智能通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn),該智能通風(fēng)控制系統(tǒng)采用冗余設(shè)計配備有冗余系統(tǒng),冗余系統(tǒng)可以在通風(fēng)構(gòu)筑物、通風(fēng)設(shè)備發(fā)生意外情況時及時、快速響應(yīng),保證礦井通風(fēng)安全。

選用的智能通風(fēng)控制系統(tǒng)可以對礦井通風(fēng)設(shè)備、構(gòu)造物運(yùn)行參數(shù)及通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行時實在線監(jiān)測,具備大量監(jiān)控數(shù)據(jù)同時分析處理能力,依據(jù)智能算法作出更為合理的決策指令,遠(yuǎn)程對通風(fēng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制,掌握各個通風(fēng)節(jié)點變化情況,確保井下合理通風(fēng)。

3現(xiàn)場工業(yè)應(yīng)用測試分析

礦井于2018年2月開始使用智能通風(fēng)系統(tǒng),為對該系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性進(jìn)行測試,在井下13307回采工作面以及13301煤巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行CO2釋放測試分析,從而判斷通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)對井下異常情況的自動調(diào)節(jié)能力。

3.1測試方案

在13307回采工作面、13301煤巷掘進(jìn)工作面同時測試,具體的測試步驟為:

在測試地面所有的通風(fēng)構(gòu)造物(主要為1~4號風(fēng)門、E~H號風(fēng)窗)均處于關(guān)閉狀態(tài)(0表示關(guān)閉、1表示開啟),地面風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)工作頻率為30Hz;

在測試地點用穩(wěn)壓閥將CO2緩慢釋放至M點及N點,CO2濃度增加3000×10-6表示“慢速”災(zāi)害、濃度增加5000×10-6表示“快速”災(zāi)害;

在最短時間以及最小風(fēng)速下對有害氣體濃度進(jìn)行稀釋,并對通風(fēng)設(shè)備及通風(fēng)構(gòu)筑物運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整,具體遵循原則為優(yōu)先調(diào)節(jié)風(fēng)門,其次調(diào)節(jié)風(fēng)窗,最后才調(diào)整通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài),通過調(diào)整風(fēng)門、風(fēng)窗開度以及風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率,達(dá)到最佳通風(fēng)控制策略;

井下用通風(fēng)風(fēng)速控制在0.7~2.7m/s,稀釋后的CO2濃度控制在2000×10-6以下。

具體在各測試點的位置、通風(fēng)線路及通風(fēng)構(gòu)筑物布置情況見圖1。

3.2測試結(jié)果分析

3.2.1 13307回采工作N點釋放CO2測試結(jié)果分析

具體在13307回采工作N點釋放CO2測試結(jié)果見表1。從表1可以得出,當(dāng)CO2釋放類型為慢速時,風(fēng)門、風(fēng)窗狀態(tài)分別為0111、0110,通風(fēng)機(jī)工作頻率為30Hz,通風(fēng)系統(tǒng)可以在124s將釋放點的CO2濃度降低至1924×10-6,整個耗時時間為124s;當(dāng)CO2釋放類型為快速時,若僅僅通過改變風(fēng)門、風(fēng)窗狀態(tài)無法實現(xiàn)降低CO2濃度目的,需要將通風(fēng)機(jī)工作頻率由30Hz調(diào)整至60Hz,風(fēng)門、風(fēng)窗狀態(tài)分別為0110、0111通風(fēng)系統(tǒng)可以在236s將釋放點的CO2濃度降低至1930×10-6。

在具體人工調(diào)節(jié)時也是將2、3號風(fēng)門、F、G號風(fēng)窗開啟,通過調(diào)整4號風(fēng)門、H號風(fēng)窗以及主要通風(fēng)機(jī)工作頻率,來達(dá)到既可以滿足通風(fēng)風(fēng)速需求,又可以降低CO2釋放點濃度目的。

3.2.2 13301軌道巷M點釋放CO2測試結(jié)果分析

具體在13301軌道巷M點釋放CO2測試結(jié)果見表2。從表2可以得出,當(dāng)CO2釋放類型為慢速時,保持通風(fēng)量及降低CO2濃度最佳的通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整策略為:風(fēng)門、風(fēng)窗狀態(tài)為0110、0101,主要通風(fēng)機(jī)工作頻率為30Hz,可以在131s時間內(nèi)將CO2濃度從3000×10-6降低至1955×10-6;當(dāng)CO2釋放類型為快速時,需要將主要通風(fēng)機(jī)工作頻率調(diào)整至60Hz,風(fēng)門、風(fēng)窗狀態(tài)為0100、0111,此時通風(fēng)系統(tǒng)通過243s可以將CO2濃度從5000×10-6降低至1968×10-6。

正常情況下2號風(fēng)門、F號風(fēng)窗均為開啟狀態(tài),4號風(fēng)門為關(guān)閉狀態(tài)、H號風(fēng)窗為開啟狀態(tài)。當(dāng)掘進(jìn)面出現(xiàn)通風(fēng)事故時,僅僅通過調(diào)整主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率以及3號風(fēng)門、G號風(fēng)窗進(jìn)行調(diào)節(jié)即可對掘進(jìn)面風(fēng)速進(jìn)行調(diào)節(jié),同時滿足13307回采工作面最低通風(fēng)速度要求。

3.2.3 M點、N點同時釋放CO2測測試結(jié)果分析

在M點、N點同時釋放CO2濃度為5000×10-6,通風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)門、風(fēng)窗以及主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到最優(yōu)通風(fēng)策略,具體調(diào)節(jié)結(jié)果見表3。

從表3可以看出,智能通風(fēng)控制系統(tǒng)將風(fēng)門、風(fēng)窗狀態(tài)調(diào)整為0110、0110,主要通風(fēng)機(jī)工作頻率提升至60Hz,回采工作面以及軌道巷掘進(jìn)工作面分別用時190s、192s將CO2濃度降低至運(yùn)行范圍內(nèi)。

在實際人工調(diào)節(jié)時,也是將2及3號風(fēng)門、F及G風(fēng)窗全部開啟,1及4號風(fēng)門、E及H風(fēng)窗全部關(guān)閉,增加主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率,來提升掘進(jìn)以及回采工作面風(fēng)量,從而達(dá)到迅速稀釋有害氣體濃度目的。

3.3測試結(jié)果分析

從上述測試可以看出,礦井采用的智能通風(fēng)控制系統(tǒng)可以對通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并根據(jù)分析結(jié)果對通風(fēng)構(gòu)筑物、主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行遠(yuǎn)程智能調(diào)節(jié),保障井下用風(fēng)點風(fēng)量以及用風(fēng)安全。

4總結(jié)

針對礦井現(xiàn)階段采用的通風(fēng)控制系統(tǒng)存在響應(yīng)速度慢、控制不及時、數(shù)據(jù)處理能力不足等問題,提出采用現(xiàn)場總線技術(shù)的智能通風(fēng)控制系統(tǒng),并對智能通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成、優(yōu)點進(jìn)行具體闡述。

在礦井13307回采工作面以及13301軌巷掘進(jìn)工作面采用CO2釋放測試方法對智能通風(fēng)控制系統(tǒng)進(jìn)行驗證,結(jié)果表明,智能通風(fēng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)策略與人工方式一致,表現(xiàn)出智能通風(fēng)控制系統(tǒng)較強(qiáng)的實用性。

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