矿用远程定量调节风窗研制与应用

许恬

矿井通风设施是矿井通风系统的重要组成部分，是矿井通风系统稳定、合理的重要保障[1-3]。调节风窗是煤矿通风系统中调节控制通风流量的设施，通过调节风窗通风面积实现对井下通风系统的风量调节是最基本的技术手段[4-5]。目前对风窗通风面积的调节基本是人工操作。手动调节过程存在风量调节精度不高，费时费力的缺陷，尤其多个设施的同步调节，效率低且可靠性和稳定性都很差。研发煤矿井下远程定量控制调节风窗，可有效提升矿井通风设施的管控能力。

1 总体结构

百叶式风窗通过窗叶旋转调节过风面积，便于远程控制，具有结构紧凑，地形适应能力强的优点。根据煤矿井下的环境要求，选择百叶式风窗作为矿用风量定量调节风窗研发设计方案。定量控制百叶式调节风窗主要包括：风窗框架和窗叶、动力传动装置、运动机构和小门。风窗的窗体由若干个百叶构成，在气马达旋转力量带动下实现窗体百叶的旋转，从而改变窗体的过风面积。在右侧设计一个小门，方便人员通行。风窗的调节由上位机软件远程发布命令通过气动马达控制，电控系统通过TCP/IP协议接入井下环网与上位机软件通信，采用矿用防爆电磁阀控制压缩空气的接通与关闭，实现调节风窗的远程定量控制。风窗同时具备手动轮链条系统，可就地手动控制调节。根据巷道用途、尺寸、最大过风量、风压等条件，经过计算确定百页式调节风窗有5个活动扇叶。

1.1 风窗框架

风窗的支撑框架主要由窗扇框和小门门框两部分组成，各部分由螺栓连接成为一个整体结构，为动力传动装置、运动机构、小门等器件提供固定安装载体。窗扇框架由立挡板、上下挡板通过螺栓拼接固定而成。在框架内部等间距布置了四道隔板，形成了五个风流通道，并在通道内安装5个风窗窗叶，通过窗叶角度的变化，改变风流通道的过风面积(如图1)。

图1 风窗整体结构

1.2 动力系统

每个调节风窗配备两套动力系统：气动马达和手动动力系统。正常工作条件下，以压缩空气为动力，使用气动马达进行过风断面调节；在井下停电、压缩空气中断等异常条件下，使用手动摇把系统应急调节风窗过风面积。气动马达是将压缩空气的压力能转换为旋转的机械能的装置，其工作介质是空气，气动马达过载时能自动停转，而与供给压力保持平衡状态。手动轮链条系统正常情况下摇把处于脱离状态，当需要应急人工调节时，插入摇把，摇动摇把实现风窗面积的增大或减小，完成手动调节面积后，再将摇把拔出。

1.3 风窗运动机构

风窗运动机构安装于支撑结构上，主要由窗扇、连杆和小门三部分组成。风窗调节过程中，在动力及传动装置的作用下，运动机构发生水平直线运动或者旋转运动，使得风窗过风面积发生变化。

运动机构运动过程：百叶式调节风窗每个窗扇的轴与短连杆固定连接，短连杆与长连杆同步铰接，长连杆在气马达作用下带动短连杆转动，驱动窗扇调节面积。左图窗扇处于竖直位置，此时风窗处于完全关闭状态，过风面积为0；中图窗扇旋转到45°位置，此时过风面积为最大调节面积的50%；右图窗扇处于水平位置，风窗处于完全打开状态，过风面积最大（图2）。

图2 风窗完全关闭、打开一半和完全打开三种状态示意

小门：为了方便行人，在百叶式调节风窗右侧设置了行人小门。小门采用方钢管焊接构成门体框架，外敷1 mm的蒙皮组成。行人小门宽640 mm，高16 000 mm，行人稍稍低头即可顺利通过，在小门上方设置了330 mm×330 mm钢化玻璃观察窗，用于观察对面风窗行人情况。行人小门上方设置风门状态传感器，用于检测小门是否关到位，防止漏风。当小门开启或者小门未关到位，语音报警装置不断发出提示：“小门未关到位，请重新关小门”，直到小门完全关闭为止。

2 设计与控制原理

2.1 过风面积控制原理

百叶式调节风窗窗扇处于竖直位置时风窗处于完全关闭状态，过风面积为0，随着活动窗扇的转动，活动窗扇面积与其在竖直面上的投影面积之差就是单个活动窗扇的过风面积。活动窗扇的旋转角度可以由旋转编码器测得，通过读取旋转角度可算出单个窗扇的过风面积，最终换算为风窗的过风面积。

2.2 控制系统设计原理

控制系统包括地面主机、控制用电控主机和外围传感器三部分组成。地面主机作为电控系统服务器同时接入井下环网与地面办公网络，地面主机安装上位机软件，作为井下调节风窗控制管理平台，实现对风窗的远程调节。井下电控主机采用矿用隔爆兼本安型电控装置主机，采用PLC可编程控制器作为核心设备，其逻辑控制方式可通过软件编程来实现，使复杂的控制逻辑变得简单。系统通过本安型输入输出隔离元件，读取外部设备开关及传感器信号，并输出相应的控制指令，通过信息交换系统与上位机系统进行通信。电控系统外围传感器主要有旋转编码器、开关量传感器（行程开关和接近开关）、小门状态传感器、气源压力传感器和风速传感器，分别用于检测风窗活动窗扇旋转角度、防止运动机构冲出极限位置的风窗运动机构的极限位置检测、小门的开关状态监测、压缩空气的压力值和调节风窗前方巷道风速。

3 工作原理

上位机软件安装在地面监控机房，实时监测和控制井下调节风窗的运行状态，调节风窗的调控设施作为执行机构安装在井下风量调节地点，用于实现风量调控。电控系统通过井下环网和气路与上位机软件和调节风窗通信联通，既向上位机软件上传各传感器和风窗的运行状态和监测数据，又向调节风窗传输上位机软件的决策命令，进行风窗和风量的远程调控。风量的监测是通过监测巷道的平均风速和断面积计算所得。由于一个风速传感器只能监测一个点的风速，而巷道断面上各个点的风速分布不均，为了监测整个巷道断面平均风速，需要给定风速补偿系数进行修正计算平均风速，修正系数是将传感器监测值与人工测得的平均风速加以比较确定[6]。

表1 百叶式调节风窗技术参数表

4 应用效果

远程定量控制调节风窗在白洞煤矿8112工作面开展了现场应用，风窗安装在8112工作面回风巷回风绕道内，用于测量和调控8112工作面的回风量。在8112工作面为备用工作面时安装调节风窗，并进行了调节风窗过风面积远程调节实验，根据配风需求设定过风面积1.008 m2，利用上位机软件直接设定面积值1.008 m2，调节完成后实测面积值1.005 m2，相对误差0.298%，如图3。8112工作面由备用转入回采时，需风量增大，应用上位机软件进行了百叶式调节风窗过风量调整，设定风量为1 450 m3/min，调控完成后，实测8112回风绕道风量1 490.5 m3/min，相对误差为2.72%。调节风窗调控动作时间均小于10 s。

图3 调节风窗监测控制对话框

5 结论

（1）百叶式风窗通过气动马达带动窗叶旋转，由旋转编码器测得转数后计算得出风窗过风面积，实现了对巷道过风面积的准确定量调节。

（2）风窗调节命令由地面上位机软件发布，通过井下电控系统调控，以压缩空气为动力，实现了调节风窗的远程、快速控制，提高了矿井通风管理的信息化和自动化技术水平。