智能通風系統(tǒng)技術應用

1 工程概況

某礦核定生產能力為 150 萬 t/a，屬于高瓦斯礦井。水文地質條件中等，井田范圍內呈單一向斜構造，延伸方向為北向西，煤層整體為近水平，賦存傾角為 3°～4°，屬多煤層開采方式。自上而下可采煤層為 1-2 上煤組、1-2 煤組、2-2 煤組、2-3 煤組、3-1 煤組和 4-2 煤組。其中 3-1 煤組和 4-2 煤組為全井田范圍可采煤層，賦存穩(wěn)定，煤層厚度為 3.7～6.8 m，平均煤厚 5.2 m；1-2 上煤組、1-2 煤組、2-2 煤組、2-3 煤組僅一采區(qū)和三采區(qū)可采，煤層賦存不穩(wěn)定，平均煤厚 2.9 m。礦井采用一采一備布置方式，共 5 條掘進巷道。工作面煤層自下而上逐層開采煤層群，形成下保護層工作面。通風方式為中央并列抽出式，其中主副斜井為供風巷道，回風斜井為主要回風巷道。地面風機廣場安裝有 FBCDZ-8No30/2×630型對旋軸流通風機 2 臺，可提供 140～286 m3/s 的額定風量，一用一備，接入雙回路雙電源供電。目前，經過通風阻力測定和實際風量核定，礦井擁有 8 321 m3/min 的總進風量和 8 413 m3/min 的總回風量，風機負壓為 1 830 Pa。

2 升級需求

為打造智能化礦山和高產高效礦井，需對現有通風系統(tǒng)和監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進行升級改造。結合礦井現有條件，需要解決如下問題：①依靠人工監(jiān)測方式效率低下，實測數據精度低，無法實現通風參數動態(tài)變化條件下的連續(xù)觀測，反饋信息不及時，統(tǒng)計分析周期較長，不能滿足數據參數的可視化工作要求；②無法有效掌握全流程、全網絡各地點路線的通風系統(tǒng)情況，存在監(jiān)控盲區(qū)和漏檢區(qū)域，尤其是安裝有局部通風機的地區(qū)，可能存在串聯(lián)通風和局部渦流循環(huán)風等現象，具有較高安全隱患；③通防部門技術管理人員無法準確掌握全部井下通風網絡的準確數據，在制定調風優(yōu)化方案時考慮不全面，存在計劃失真，通風線路不合理，盲巷和通風阻力較大，影響系統(tǒng)優(yōu)化調整，甚至有些巷道不能按照生產需求進行合理調配風量，造成瓦斯積聚和風量不足現象；④ 在供配電硐室和車場配電點等安裝有多組機電設備的區(qū)域，需要安排專職瓦檢員或者以定點巡查方式進行瓦斯監(jiān)測，既浪費人力，也無法確保在發(fā)生機電設備過載、短路引起火災等災變時，瓦檢人員能夠快速調度抵達現場；⑤ 當需要對配風地點進行調風時，仍需人工調整調節(jié)風窗和過風斷面，無法實現自動調節(jié)。

3 設計方案優(yōu)化

結合礦井現有通風條件和系統(tǒng)優(yōu)化需求，制定改進方案。

3.3.1 采煤工作面優(yōu)化方案

以213107 工作面為例，分別在 213106 輔運巷安裝 2 道風門，213107 膠帶巷安裝 1 道風門，在 213107輔運巷及專回各安裝 1 道風門。采煤工作面風流優(yōu)化系統(tǒng)如圖4 所示。其中編號 1、3、4 為自吸風門；編號 2、5 為自調節(jié)風門。正常通風時，打開 2、3、4 等風門，形成 U 形全負壓通風，關閉 1、5 風門形成閉合回路；發(fā)生災變需要反風時，則打開關閉的 1、5風門，形成風向逆流，由 1 號風門進風，5 號風門回風，其余 2、3、4 號風門關閉，可實現反風效果。

2 開拓大巷災變條件下優(yōu)化方案

當開拓大巷某一地點發(fā)生火災等事故時，由于明火存在火風壓，在自然通風條件下，明火與有毒有害氣體會隨風流向下游區(qū)域蔓延。為準確監(jiān)測災變后的氣體特征，需要安裝煙霧和 CO 報警傳感器。當監(jiān)測氣樣指標超限時，系統(tǒng)自動打開膠回聯(lián)巷處的 2 道風門，實現局部巷道的風流短路，改變供風方向，切斷向下游蔓延的氣體擴散通道，從而達到保護下風側作業(yè)人員生命安全的效果。風流短路調控路線如圖5所示。

3 掘進工作面優(yōu)化方案

在掘進工作面新鮮風流進風側安裝有 2 臺變頻軸流式局部通風機，在巷道風門里正頭、?；乜诎惭b有甲烷傳感器。對風筒安裝風壓傳感器，結合掘進期間實際瓦斯涌出量和濃度指標，系統(tǒng)自行計算供風量是否滿足風排瓦斯需求，通過變頻實現風量調節(jié)。

4 構建智能通風系統(tǒng)

經過分析礦井通風能力與現狀，針對現有通風條件與優(yōu)化升級要求，構建智能化通風系統(tǒng)平臺。

(1) 經過對礦井各巷道坐標參數進行采集，建立數字化礦井模型，更加直觀展現通風網絡的多維動態(tài)系統(tǒng)；經過對巷道主要測站安裝傳感器，實時監(jiān)測采集通風數據，將鼠標點擊在巷道模型任一點上進行多角度旋轉觀測，屏幕上會自動出現對應地點傳感器的所有回傳信息，如傳感器編號、運行狀態(tài)、是否報警、安裝位置名稱、監(jiān)測風速指標、最大預警指標和甲烷、一氧化碳等氣體濃度，可供管理技術人員進行綜合分析評價，實現礦井通風的可視化、數字化管理。

(2) 通風設施風門自動調控。通過在配電點安裝視頻攝像裝置監(jiān)控風門開閉狀態(tài)，聯(lián)網并入多元遠程控制系統(tǒng)，在屏幕上可顯示風門狀態(tài)、安裝位置、局部通風機變頻功率、風速、風量以及風門異常開啟持續(xù)時長等參數。當通風網絡異常，需要立即作出調控時，可通過風門調節(jié)遠程自控系統(tǒng)改變風門的開閉狀態(tài)；同時實時監(jiān)測過風門風量變化參數，滿足調控要求后自動停止風門移動。

(3) 為提升防災抗災應急能力，系統(tǒng)開發(fā)了火災氣體異常監(jiān)測報警系統(tǒng)，作為子系統(tǒng)可并入多元數控平臺，與智能通風模塊、監(jiān)測監(jiān)控模塊、束管監(jiān)測模塊和風機檢測模塊等功能模塊一起使用。其主要監(jiān)測內容包括主通風機供風量、壓差，各采掘地點的供、回風量數據，束管監(jiān)測到的 CO、CO2 指標、傳感器監(jiān)測的 CH4 指標，各地點異常高溫的火災響應預警級別等。通過對相關信息進行系統(tǒng)性綜合分析，得出科學災害評估結論，利用實時反饋信息，制定合理應急救援方案。