馬龍飛

(山西潞安化工集團(tuán) 王莊煤礦，山西 長治 046000)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)基本系統(tǒng)之一，通風(fēng)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行是確保井下安全生產(chǎn)及提高生產(chǎn)效率的基本條件，礦井通風(fēng)管理的提升直接關(guān)系到井下生產(chǎn)的有序組織和礦井經(jīng)濟(jì)效益的提升，但目前礦井通風(fēng)管理工作的自動(dòng)化、信息化程度相比于瓦斯管理等處于較低的狀態(tài)。瓦斯管理可運(yùn)用監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)有效地掌握井下各地點(diǎn)的瓦斯變化趨勢，而通風(fēng)管理目前只能實(shí)現(xiàn)對主通風(fēng)機(jī)工況進(jìn)行有效監(jiān)控，井下各重要地點(diǎn)的風(fēng)量得不到實(shí)時(shí)掌握。所以，立足于積極提升礦井通風(fēng)管理，尋求有效措施實(shí)現(xiàn)通風(fēng)管理信息化來遏制煤礦瓦斯事故具有極大地必要性。

通過智能調(diào)節(jié)通風(fēng)設(shè)施進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是煤礦安全生產(chǎn)和擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的重要保證。近年來，隨著礦井井下巷道延伸及采深延伸，礦井風(fēng)阻逐漸增大，在主通風(fēng)機(jī)頻率、葉片角度等狀態(tài)不變的情況下，主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)發(fā)生變化，礦井風(fēng)量逐漸減少，風(fēng)壓逐漸增大，為確保通風(fēng)系統(tǒng)可靠運(yùn)行，必須加大系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)整的頻率。所以，風(fēng)量調(diào)節(jié)技術(shù)水平的高低對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全因素和節(jié)約通風(fēng)能耗性能有著十分重要的影響。風(fēng)窗智能調(diào)節(jié)和通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速是實(shí)現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，節(jié)能增效的有效手段。礦井通風(fēng)技術(shù)管理的任務(wù)就是構(gòu)建可靠、穩(wěn)定、有效的礦井通風(fēng)系統(tǒng)，其首要任務(wù)就是提高井下不同采區(qū)、不同作業(yè)地點(diǎn)的風(fēng)量調(diào)節(jié)水平，即提高井下局部通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)水平。

1 傳統(tǒng)礦用調(diào)節(jié)風(fēng)窗分類及技術(shù)缺陷

礦井調(diào)節(jié)風(fēng)窗是最普遍的巷道風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置，風(fēng)窗的使用對系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性和可靠性起著決定性作用，是安全有效完成風(fēng)量調(diào)節(jié)的技術(shù)基礎(chǔ)。

目前，礦井主要采用的傳統(tǒng)型調(diào)節(jié)風(fēng)窗有礦用全景調(diào)節(jié)風(fēng)窗、礦用百葉調(diào)節(jié)風(fēng)窗、壓風(fēng)動(dòng)力調(diào)節(jié)風(fēng)窗、撥輪調(diào)節(jié)風(fēng)窗等，但傳統(tǒng)型的調(diào)節(jié)風(fēng)窗存在著諸多缺陷。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗開口面積不能精準(zhǔn)確定；風(fēng)窗的木質(zhì)材質(zhì)在井下惡劣工作環(huán)境下長期使用容易被腐蝕；風(fēng)量調(diào)節(jié)過程耗時(shí)長；風(fēng)量調(diào)節(jié)過程過于繁瑣等，上述缺陷均有待解決。

2 智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗應(yīng)用的意義

在國內(nèi)各煤礦生產(chǎn)中，一般選擇不同的風(fēng)窗位置來進(jìn)行風(fēng)量的調(diào)節(jié)，很少采用自動(dòng)化集中控制，甚至還有個(gè)別礦井是手動(dòng)啟閉的。一旦煤礦井下發(fā)生火災(zāi)等災(zāi)害時(shí)，井下工作人員很難對調(diào)節(jié)風(fēng)窗進(jìn)行啟閉，將會(huì)對人身安全和設(shè)備財(cái)產(chǎn)帶來極大的損害。目前，國內(nèi)外主要是對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全性、可靠性以及主要通風(fēng)設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行研究，沒有針對局部通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)及自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，國內(nèi)外對礦井通風(fēng)調(diào)控系統(tǒng)的研究尚屬空白。

智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗的成功應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)從單個(gè)采掘工作面的風(fēng)量自動(dòng)控制到一個(gè)采區(qū)局部通風(fēng)的風(fēng)量自動(dòng)控制，直至實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦井的風(fēng)量自動(dòng)控制，整個(gè)過程可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)上傳，技術(shù)人員在井上辦公室就能實(shí)現(xiàn)對整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量的調(diào)節(jié)控制[1]。

3 智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗的應(yīng)用

完善礦井局部通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)以確保全礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，首先最主要的就是完善井下通風(fēng)系統(tǒng)分支巷道的風(fēng)量調(diào)節(jié)技術(shù)。到目前為止，風(fēng)量調(diào)節(jié)方法的應(yīng)用仍然主要為增阻調(diào)風(fēng)法、降阻調(diào)風(fēng)法及增壓調(diào)風(fēng)法[2]。調(diào)節(jié)風(fēng)窗的使用是巷道調(diào)節(jié)風(fēng)量的一種方式，并且是最為普遍的使用方式，調(diào)節(jié)風(fēng)窗的靈活性、耐久性及牢靠性能直接影響井下通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，性能出眾的調(diào)節(jié)風(fēng)窗對于風(fēng)量調(diào)節(jié)可大大縮短風(fēng)量調(diào)節(jié)的時(shí)間，抑制瓦斯超限，確保生產(chǎn)安全。因此，對調(diào)節(jié)風(fēng)窗進(jìn)行巷道風(fēng)量調(diào)節(jié)的合理設(shè)計(jì)和運(yùn)用，就必須對調(diào)節(jié)風(fēng)窗的性能及可靠程度進(jìn)行分析研究。

目前，調(diào)節(jié)風(fēng)窗作為井下通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)最為普遍的裝置，其對井下通風(fēng)系統(tǒng)的重要性不言而喻。保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，首先必須對作為技術(shù)基礎(chǔ)的調(diào)節(jié)風(fēng)窗性能進(jìn)行研究，才能安全有效地完成風(fēng)量調(diào)節(jié)任務(wù)。

3.1 智能礦用調(diào)節(jié)風(fēng)窗

井下風(fēng)窗風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的研究相對于礦用百葉調(diào)節(jié)風(fēng)窗、壓風(fēng)動(dòng)力調(diào)節(jié)風(fēng)窗、撥輪調(diào)節(jié)風(fēng)窗等傳統(tǒng)調(diào)節(jié)裝置，其在局部通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中具有風(fēng)量調(diào)節(jié)穩(wěn)定性高、調(diào)節(jié)精度高、調(diào)節(jié)風(fēng)量過程震蕩小、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，并且極大地減少了人力成本，該裝置的使用縮短了風(fēng)量調(diào)節(jié)的時(shí)間，最大程度上消除了局部通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中存在的安全隱患。

3.2 裝置的組成

井下風(fēng)窗風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)控制裝置主要有由風(fēng)量傳感器、風(fēng)速傳感器、限位開關(guān)、位移傳感器等構(gòu)成的信號采集系統(tǒng)，由PLC電控柜、卷簾風(fēng)窗窗體部分和聲光報(bào)警器等構(gòu)成電氣控制系統(tǒng)以及由液壓缸和小型動(dòng)力站等構(gòu)成的液壓系統(tǒng)四個(gè)關(guān)鍵部分。裝置巷道布置示意如圖1所示。

圖1 裝置巷道布置示意

3.3 裝置的工作原理

智能礦用調(diào)節(jié)風(fēng)窗可取代通風(fēng)技術(shù)人員定期對巷道內(nèi)的風(fēng)量及風(fēng)速的手動(dòng)檢測，巷道上方懸掛的風(fēng)量傳感器和風(fēng)速傳感器可對巷道內(nèi)的風(fēng)量和風(fēng)速實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測并顯示在傳感器的顯示屏上，并能及時(shí)將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O(shè)定有巷道風(fēng)量安全值的PLC控制模塊，隨后由該模塊對接收的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到該地點(diǎn)巷道的實(shí)時(shí)風(fēng)量平均值，并根據(jù)已設(shè)定該地點(diǎn)的風(fēng)量安全閾值對該風(fēng)量均值進(jìn)行偏差判斷，若風(fēng)量均值超過風(fēng)量閾值，將觸發(fā)已預(yù)先設(shè)定的程序，立即啟動(dòng)聲光報(bào)警器報(bào)警并通過控制智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗電機(jī)的正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞桿的伸縮，帶動(dòng)卷簾風(fēng)窗進(jìn)行上下移動(dòng)進(jìn)行風(fēng)窗開口面積調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)該地點(diǎn)巷道風(fēng)量均值的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程中風(fēng)量均值重回閾值范圍內(nèi)時(shí)，風(fēng)量偏差消除，停止聲光報(bào)警，風(fēng)量調(diào)節(jié)結(jié)束。風(fēng)量調(diào)節(jié)過程中，由于液壓缸活塞桿與位移拉桿同步伸縮，PLC控制模塊只需根據(jù)位移傳感器的反饋數(shù)據(jù)就可以監(jiān)測風(fēng)窗的實(shí)時(shí)開口面積。

4 智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗應(yīng)用合理性

4.1 理論合理

調(diào)節(jié)風(fēng)窗能夠?qū)崿F(xiàn)最基本的三大理論：

1) 節(jié)點(diǎn)風(fēng)量平衡定律[3]:流入與流出某節(jié)點(diǎn)的各分支的質(zhì)量(或體積)流量的代數(shù)和等于零，即：

∑Mi=0
∑Qi=0

(1)

2) 能量平衡定律：在任一閉合回路中，各分支的通風(fēng)阻力代數(shù)和等于該回路中自然風(fēng)壓與通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的代數(shù)和。即：

Hf±HN=∑hRi

(2)

3) 阻力定律：

hR=RQ2

(3)

通過這三大基本理論，運(yùn)用計(jì)算機(jī)微機(jī)技術(shù)、電動(dòng)控制技術(shù)來完成智能化調(diào)節(jié)風(fēng)窗的軟硬件制作，即通過調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積改變局部風(fēng)量和執(zhí)行前者的系統(tǒng)構(gòu)建。應(yīng)用到具體的理論，具體進(jìn)行公式選用和計(jì)算，減少因理論帶來的較大的誤差。

4.2 技術(shù)合理

對于智能化調(diào)節(jié)風(fēng)窗的可行性，它是依托于理論，利用現(xiàn)代最新科學(xué)技術(shù)成果對礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)控來實(shí)現(xiàn)的。

縱觀國內(nèi)外對于智能化礦井的研究，國外其實(shí)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)機(jī)、風(fēng)門等的風(fēng)量自動(dòng)控制，也對智能化風(fēng)窗程序進(jìn)行了有建設(shè)性意見的提出和開發(fā)，具有一定的實(shí)踐性，對我國礦井實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化有切實(shí)的幫助，因此，智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗完全可以實(shí)現(xiàn)，多個(gè)專業(yè)學(xué)科的綜合應(yīng)用。所以，智能化調(diào)節(jié)風(fēng)窗系統(tǒng)不但是可行的，也是未來智能化通風(fēng)的發(fā)展趨勢。

4.3 經(jīng)濟(jì)合理

目前，我國大部分礦井依舊依靠人員井下測風(fēng)速風(fēng)量進(jìn)行巷道瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)的統(tǒng)計(jì)工作。這一工作不但繁瑣，還浪費(fèi)大量人力，并且由于井下巷道復(fù)雜或者人員原因等，不能做到及時(shí)了解和掌握礦井通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)，致使信息有滯后性。礦井智能化調(diào)節(jié)風(fēng)窗的運(yùn)用，在經(jīng)濟(jì)技術(shù)上是完全可行的，不但能做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，還能在可控范圍內(nèi)對局部風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)在調(diào)節(jié)風(fēng)窗或者其他通風(fēng)構(gòu)筑物的設(shè)置方面使其變得有規(guī)劃性和合理性，減少礦井投入成本，為礦井高產(chǎn)高效安全生產(chǎn)提供便利。

5 結(jié) 語

智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗的應(yīng)用，成功實(shí)現(xiàn)了全礦智能安全通風(fēng)，可以從單個(gè)采掘工作面到一個(gè)采區(qū)局部通風(fēng)的風(fēng)量自動(dòng)控制，直至整個(gè)礦井的風(fēng)量自動(dòng)控制。研究得到的主要結(jié)論如下：

1) 實(shí)現(xiàn)了井下通風(fēng)智能控制和自動(dòng)配置風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)井下風(fēng)量、風(fēng)速的按需配置，達(dá)到瓦斯自動(dòng)控制功能，保證通風(fēng)系統(tǒng)合理性，避免出現(xiàn)瓦斯積聚或漏風(fēng)造成煤炭自燃等相關(guān)災(zāi)害。

2) 具備井下風(fēng)窗控制功能，在調(diào)節(jié)風(fēng)窗的使用與維護(hù)上產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益與可靠的安全效益。通過風(fēng)量和風(fēng)速傳感器對進(jìn)風(fēng)信息檢測，并實(shí)時(shí)反饋給PLC，保證了井下通風(fēng)安全可靠。

通過了井下現(xiàn)場的試驗(yàn)，得到的大量數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗在礦井局部風(fēng)量調(diào)節(jié)的應(yīng)用上具有一定的可行性，為煤礦井下智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗的進(jìn)一步推廣使用提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。