王楼煤矿智能通风系统优化

王 斌 ，王永宝 ，郝继宝 ，孔 超 ，相 飞

（1.山东东山王楼煤矿有限公司，山东 济宁272000；2.山东鼎安检测技术有限公司，山东 济南250000；3.山东智拓扑软件有限公司,山东 泰安271000）

矿井通风系统在矿井生产系统中占有举足轻重的地位，它不但要为井下作业场地提供新鲜空气，还可有效解决瓦斯积聚、粉尘积聚、高温热害等井下灾害[1-3]。特别近年来，随着许多煤矿逐步进入深部开采阶段，矿山井下开拓作业不断发展，矿井通风系统趋于复杂化，矿井通风阻力大、风流分配不合理、风流短路、污风循环等问题层出不穷，对井下工人人身安全造成严重威胁[4-7]。因此，对于深部开拓矿井，加强对井下通风系统的实时精确监控和测量，保障通风系统的正常运行，对于改善工人作业环境、提高矿井经济效益、保证矿井安全生产具有重要意义。

王楼煤矿位于济宁市中区境内，井田面积93.77 km2，可采储量10 098万t，采用中央式并列式通风系统。以往该矿采用PLC与变频器组成通风控制系统，可对井下通风情况实施有效监测，但随着矿井进一步延伸，煤层地质条件趋于复杂，矿井通风系统复杂、规模庞大，时常发生通风控制系统响应缓慢、分析失准等现象，不能快速产生联动、调整风流，达不到防灾减灾的目的[8-10]。为改变以往通风系统存在的弊端，基于王楼煤矿具体地质生产条件，分析以往PLC通风系统的不足之处，提出一种基于现场总线技术的智能通风系统设计方案，并通过CO2测试实验，检验智能通风系统的可靠性。

1 矿井通风概况与PLC通风控制系统

王楼煤矿主采3#煤层，平均埋深650 m，厚度6.2 m，倾角2°～18°。矿井采用单一水平开拓方式，机械化放顶煤开采工艺采煤。采用中央并列式通风方式，回风立井和斜井分别采用FBCDZ-№32C型号和FBCDZNo.21型号通风机，采用PLC控制系统和变频器组成控制系统。

PLC系统是当前煤矿最为常用的监测系统，其可实现通风机一键切换、井下风量调节、通风设施联锁控制等功能。它主要由数据采集/AD转换、数据分析与处理、调控执行3大模块组成，传统PLC监控系统工作原理如图1。其主要工作原理如下[3]：①通过传感器收集巷道中风压、风速、瓦斯浓度、风机状态等基本数据，经过EM235模块编辑、AD系统数值转换、PLC存储过程后，最终输送至上位机处理器；②数据信息通过RS485接口传送到上位机内置Fameview软件，通过控制计算对井巷状态进行动态响应，将响应结果发送到下位机处理器；③调控执行模块根据动态响应结果，通过PLC发出命令，对矿井通风机、通风构筑物等运行调节，保障正常通风。

图1 传统PLC监控系统工作原理

总体而言，PLC监控系统结构简单、便于操作，王楼煤矿以往通过PLC系统可以有效监控矿井通风系统工况，但随着矿井生产的延伸和通风系统的复杂化，PLC系统的不足开始显现，主要体现在3个方面：①由于PLC监控系统自身条件所限，井下通风数据收集有限，随着王楼煤矿通风系统向深部延伸，通风数据采集不足必将导致分析结果的失准，影响通风系统有效、快速调节；②随着通风线路的延长、规模扩大，传感器采集基础数据、PLC系统数据处理、变频器调控执行所需时间均大幅增加，对于井下通风系统异况无法立即做出响应；③随着通风线路的延长，井下风压逐渐减小，加之PLC系统分析处理功能的延时，从而无法保证井下合理供风，无法实现按需供风。

2 基于现场总线技术的智能通风系统

根据上述王楼煤矿井下复杂通风网络系统现状，提出一套基于总线技术的通风网络设计方案，该系统设计了数据采集、操作执行、险情报警、冗余设计4个独立模块，独立模块采用以太网数据传输、CAN总线执行网络调控。其主要工作原理如下[11-12]：①各传感器收集井下设备运转、作业环境相关的数据，并通过采集卡发送至现场监控计算机，进而通过以太网传递到远程监控计算机；②远程监控计算器通过智能分析井下设备、环境状况，做出合理决策，通过以太网将决策命令传递至现场监控机器；③现场计算机将决策发送至下位各CAN节点，各CAN节点分析处理决策命令，做出合理决策以控制设备运行状况，并监测设备运行状态。

相对比传统PLC通风监控系统，其具有以下优势[13]：①系统4大模块独立工作，系统中单一环节功能障碍不会对其他环节造成影响，系统稳定性和可靠性大幅提高；②该系统通过以太网和CAN总线2层网络传输信息，以太网实现现场监控计算机与远程监控计算机的数据交换，CAN总线实现现场计算机对井下设备的运行控制，从而保证了系统的快速反应；③考虑到通风线路延长可能导致的各类突发问题，该智能系统配备有冗余系统，其可在井下通风设备、构筑物发生意外时，可及时有效调节备用系统投入使用，保证井下通风安全。

总体而言，该系统可对井下巷道通风状态实时监测，通过对大量监测数据分析处理，做出最佳决策命令，远程控制井下通风设施，实时掌握各节点数据变化趋势，做到风量提前调节，确保合理供风。

3 现场工业性试验

上述控制系统于2017年7月在王楼煤矿投入使用，为监测该通风系统的可靠性，在13307工作面与13301掘进工作面进行CO2释放测试试验，监测通风系统自动调控能力。

3.1 试验方案

试验分为3组，第1组在13307工作面测试，第2组在13301掘进工作面测试，第3组对2个工作面同时进行。试验步骤如下：①每组试验设有相同的初始条件:即 1#、2#、3#、4#风门及 E#、F#、G#、H#风窗分别处于0状态，(1为全开；0为全闭)，矿井主要通风机处于30 Hz的工作频率；②通过稳压阀将CO2气体缓慢释放到监测区域（（M点和N点），直至CO2气体稳定在固定值3 000×10-6和5 000×10-6，分别代表快速、慢速2类灾害；③为在最短时间和最小风量条件下稀释有害气体，对井下通风设备与构筑物进行调整，调整原则如下“先调整风门、再调整风窗、最后调整风机”，通过调节风门、风窗的开度和风机频率得到最佳控制策略；④井下通风系统安全指标如下：风速不低于 0.7 m/s和不大于 2.7 m/s；测试气体浓度不高于2 000×10-6。

王楼煤矿13307工作面与13301掘进工作面通风路线与测点布置如图2。

图2 王楼矿通风网络与测站布置示意图

3.2 试验结果

1）13307工作面CO2释放测试结果。13307工作面CO2气体试验结果见表1。由表1可知，慢速条件下，风门状态0111，风窗状态0110，风机频率30 Hz，系统可以在124 s内将CO2气体浓度降低到1 924×10-6；快速条件下，仅通过调节风门或风窗已无法达到稀释气体目的，需将风机频率提升为60 Hz，风门状态0110，风窗状态0111，系统可在236 s内将气体浓度降低到1 963×10-6。实际工程中2#、3#风门与F#、G#风窗保持开启状态，只需改变4#风门、H#风窗及风机的状态，同时保证巷道最低风速要求，即可达到目的。

表1 采煤工作面CO2气体测试结果

2）13301掘进工作面CO2释放测试结果。13301工作面CO2气体试验结果见表2。由表2可知，慢速条件下，最佳策略：风门状态0111，风窗状态0101，风机频率30 Hz，系统可在131 s内将CO2气体浓度降低到1 956×10-6；快速条件下，需将主要通风机频率提高至60 Hz，风门状态0101，风窗状态0111，系统可在243 s之内将气体浓度降低到1 971×10-6。对于掘进工作面发生的通风事故，正常情况下2#、4#风门及F#、H#风窗处于开启状态，只需要改变3#风门、G#风窗状态。在快速条件下，只需改变3#风门、G#风窗及风机的状态，同时保证工作面最低风速要求，增大巷道风速即可达到目的。

表2 掘进工作面CO2气体测试结果

3）双工作面CO2释放测试结果。将工作面、掘进头CO2气体浓度稳定在5 000×10-6，通过调节风门、风窗、风机得到最佳调整策略，工作面系统控制试验结果见表3。由表3可知，风门状态0111，风窗状态0111，风机频率60 Hz，系统总计耗时190 s将危险气体浓度降低到安全状态。实际工程中，双工作面发生危险时，2#、3#、4#风门及 F#、G#、H#风窗均保持开启状态，才能保证双工作面的足够供风量，达到快速稀释目的。

表3 工作面系统控制试验结果

由测试结果可知，该控制系统可实时监测井下环境信息并对其进行分析处理，进而对风机和通风构筑物进行远程调节，保证井下合理通风量，保证井下通风安全。

4 结语

基于王楼煤矿通风系统现状，分析了现有PLC控制系统工作原理与不足提出一种基于总线技术的通风网络系统，包含数据采集、操作执行、险情报警、冗余设计4个独立模块，该系统具有可靠性高、快速反应、实时监测的特点。通过王楼煤矿13307采煤工作面及13301掘进工作面的CO2释放测试试验，验证了矿井通风系统的实用性和可行性。