矿井局部通风机变频控制方法的探讨

摘 要 文章分析了矿井掘进巷道瓦斯涌出的来源和掘进过程中传统局部通风机由于不能方便的调整风压所带来的局部通风问题，提出了基于瓦斯浓度序列值的矿井局部通风机变频控制的方法。提出了一种利用瓦斯浓度巡检序列差值变化来判断生产工序是否发生变化的方法，并针对不同的生产工序分别提出了相应的局部通风机变频控制的方法。针对非掘进工序，提出了利用瓦斯浓度巡检绝对值来控制风机变频等级的方法；针对掘进工序，提出了利用瓦斯巡检浓度值变化来控制风机变频等级的方法，结合现场瓦斯浓度数据进行验证，认为该方法有一定的实用性。

关键词 瓦斯浓度；局部通风机；变频；生产工序；掘进巷道

中图分类号：TD724 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0049-02

矿井通风是为了保障煤矿安全生产而对由巷道和工作面等构成的复杂网络系统提供新鲜风流所采取的全部措施的总称，而在整个通风系统中，通风机的地位又是举足轻重的[1]。在一般生产矿井，通风机按照服务范围又可以分为三种，分别是主要通风机，辅助通风机和局部通风机。局部通风机主要服务于独头掘进井巷等局部地区[2]。独头掘进井巷随着掘进的延伸，风阻也会变的越来越大，根据通风阻力的特征方程，所需局部通风机的风压也会越来越大[3]。传统的局部通风机控制只有开停两种状态，在掘进较长巷道的过程中风机的选取往往比较繁琐。选择风压较大的风机，在刚开始掘进时阻力较小，风速太大，往往造成过大的粉尘甚至形成了超过规程规定的最大风速值，而且也会有比较大的电能浪费。选择风压较小的局部通风机，期初较短巷道的掘进过程中各方面都满足，但是随着掘进的延伸，风量往往就不够用，容易造成瓦斯超限、温度过高等问题，就不得不更换风机，给正常的掘进生产带来了比较大的麻烦。为了解决这一问题，风机变频控制就成为非常重要的问题。为了能对风机工作状态进行较好的控制，本文提出了一种风机变频控制的方法。

1 基于瓦斯浓度值的控制方法

局部通风机的主要目的就是将巷道掘进过程中所释放的瓦斯随着风流安全的排出。为了保证安全生产，《煤矿安全规程》详细规定了井下各巷道中风流速度需符合的要求[4]，规程规定对于采煤工作面、掘进中的煤巷和半煤岩巷允许风速为0.25 m/s-4.0 m/s，对于掘进中的岩巷允许风速0.15 m/s-4.0 m/s，规定了瓦斯浓度值不能超过1.0%。根据掘进巷道瓦斯涌出量的大小就可以很容易和准确调节风机的运行频率。在调节过程中，当掘进巷道风速不小于规定的最低风速时，从控制粉尘和节能两方面考虑，就需要给定合适的风量值。建立以瓦斯浓度为主的控制方法如下，假设变频风机控制油5个等级，1级代表频率最低风压最小，5级代表频率最大，风压最大，其他等级从1到5递增。C代表瓦斯浓度，调节方法如下：1）当C（k）<0.2%时，变频控制等级1级；2）当0.2%

在控制过程中需要特别指出的是，巷道的实时风速值不得小于最小规定风速值，否则控制等级加一级。

2 基于瓦斯浓度值变化的控制方法

通过瓦斯浓度值来控制风机的变频等级能够在一定程度上对掘进巷道的通风状况进行调整和控制，但是这种控制方法会有一定的滞后性，对瓦斯涌出状况却收预判。所以要克服这种控制的滞后性，就需要对掘进巷道的瓦斯涌出进行预判和分析。掘进巷道的瓦斯涌出主要由四部分组成[5]，分别是：1）暴露的巷道四周煤避的瓦斯涌出；2）掘进过程新暴露巷道煤壁的瓦斯涌出；3）掘进过程落煤的瓦斯涌出；4）掘进新暴露掘进头的瓦斯涌出。四部分瓦斯涌出主要分为两种类型，一种类型是突变型瓦斯涌出，主要是掘进落煤的瓦斯涌出；另一种类型是缓变型瓦斯涌出，瓦斯涌出量变化缓慢且连续，主要包括煤壁的瓦斯涌出以及掘进头的瓦斯涌出[6]。

对于缓变量类型的瓦斯涌出的排放通过瓦斯浓度值来调节变频风机等级是适用的，但对于突变量瓦斯涌出，由于瓦斯突然大量涌出，当检测到瓦斯浓度变大时在进行变频等级调节往往已经来不及了，甚至很快就会瓦斯超限。所以对突变量瓦斯涌出的排放，变频风机的调节就需要提早预判。突变往往是由于生产工序的变化，可以通过快速分析瓦斯浓度的波动，关键是在极早期准确区分由于生产工序或者其他原因造成瓦斯突然的大量涌出，从而提前对风机变频等级进行调节。

为了更好地对掘进工作面瓦斯浓度变化及瓦斯涌出进行分析，选取某掘进工作面瓦斯浓度序列如图1所示。

由图可以看出，在区间1+区间2+区间3为瓦斯涌出量突然变化的时间段，其他序列时间段为瓦斯涌出缓变量区段。如果整个序列按照瓦斯浓度值调节局部通风机必然会导致浓度的突然增大，甚至瓦斯超限。所以当生产工序发生变化的时候，造成瓦斯突然大量涌出，局部通风机的调节就不能够再通过监测到的瓦斯浓度值进行调节。

当生产工序处在非掘进工序的时候，按照上一节提出的基于瓦斯浓度值控制的方法进行控制。当监测到当前进入掘进工序的时候，为了将突然的瓦斯涌出迅速排出，应该尽可能加大局部通风机的风压，同时又要保障掘进巷道风速不得超过《煤矿安全规程》规定的最大风速4.0 m/s。具体调节步骤如下：1）根据掘进巷道风速确定当前的变频等级H，H在1-5级之间，H级应该满足在巷道风速不超过最大允许风速的情况下尽可能大；2）根据当前瓦斯浓度，判定是否降低变频等级，当0.6%

需要特别注意的是，在调节过程中任何时刻的巷道风速不得小于规程规定的掘进巷道最小允许风速。

3 局部通风机变频控制方法的验证

对图1所示的某掘进工作面瓦斯浓度序列进行分析，非掘进工序包括巡检周期1-260、320-460、500-600以及645-800四段区间，瓦斯浓度值都在0.2%-0.4%之间，按照瓦斯浓度值大小来控制，变频风机应该处于2级。

对于掘进工序，包括巡检260-320、460-500以及600-645三段区间，按照瓦斯浓度值变化的控制方法分别控制如下：区间1第260次巡检到320次巡检之间，第262次巡检时监测到进入掘进工序，迅速提高风机变频等级，同时为了控制风速不大于4.0 m/s，变频等级迅速调整为4级。由于变频等级较高，风量变大，瓦斯浓度并没有随着瓦斯涌出量的增加迅速增大，浓度值上升并不明显。监测瓦斯浓度小于0.6%，变频等级降低到三级，由于瓦斯浓度值处在0.4%以上，所以必须保持3级变频持续运行。第322次巡检发现进入非掘进工序，瓦斯浓度降低到0.4以后，变频等级调制2级，持续运行。图1所示瓦斯浓度序列是在连续掘进中取得的，所以区间2460-500次巡检以及区间3600-645次巡检的控制和调节过程基本是一致的。

4 结束语

本文从掘进巷道在掘进过程中对局部通风机需求入手，提出了变频风机控制模型和方法，并结合现场数据验证了矿井局部通风机变频控制在不同生产工序下进行了验证。

通过对矿井掘进巷道瓦斯涌来源分析和安全监控系统瓦斯监测方式的分析，针对不同的生产工序分别提出了相应的局部通风机变频控制的方法。针对非掘进工序，提出了利用瓦斯浓度巡检绝对值来控制风机变频等级的方法；针对掘进工序，提出了利用瓦斯巡检浓度值变化来控制风机变频等级的方法。

文章给了出一种利用瓦斯浓度巡检序列差值变化来判断生产工序是否发生变化的方法，提出通过对历史掘进工序瓦斯浓度变化的分析给定当前工序是否发生变化的经验值。通过对生产工序变化的合理识别，使得变频控制方法在实际应用起来更加可靠有效，并结合现场瓦斯浓度数据进行验证，认为该方法有一定的实用性。

参考文献

[1]屈世甲.矿井通风基础数据获取及网络图优化方法的研究[D].西安科技大学，2010.

[2]张国枢.通风安全学[M].中国矿业大学出版社，2004.

[3]屈世甲.多风机并联通风系统分析及通风难易程度探讨[J].煤矿安全，2009（11）.

[4] 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].煤炭工业出版社，2010.

[5]邹哲强，屈世甲.基于关联性模型的煤矿监控系统报警方法[J].工矿自动化，2011（9）.

[6]张纯如，汪勇，丁梅生，等.矿井瓦斯浓度异常变化危险性预警的研究[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2011（3）.

作者简介

王勇（1979-），男，江苏常州人，工程师，2002年毕业于扬州大学电子与信息科学系自动化专业，现主要从事横向科研推广工作。endprint