矿井智能通风系统优化研究

石鑫

摘 要：通风系统作为矿井生产作业得以顺利开展的重要构成要素，其主要功能是为井下生产作业提供新鲜风流，并有效处置矿井瓦斯集聚、高温热害等问题。但是，随着井下生产作业的不断延伸，矿井通风系统越来越复杂多样，风流分配不当、风阻增大、污风循环等问题不断出现。一般来说，矿井通风控制系统多由PLC控制技术和变频装置构成，并由其对相关通风数据开展远程监控。不过，随着井下通风系统复杂程度的不断增加，传统的PLC控制系统已无法适应矿井生产发展需求，因此，探索基于CAN总线技术的通风监控系统，对于推动矿井更好发展意义重大。

关键词：矿井;智能通风系统;CAN总线

矿井通风系统作为井下生产作业所需新风供给设备和瓦斯、粉尘等问题治理的关键设备，是影响井下生产作业安全的重要环节。特别是近些年，随着矿井回采作业深度的不断增加，矿井回采地质条件日益多变的同时也使得井下通风系统日益复杂，井下风流分配不均、通风阻力大等问题日益凸显，对井下作业安全构成一定威胁。有鉴于此，针对深部回采中的井下通风系统，开展智能化管控，实现精准的实时监控，是确保矿井通风系统运行安全、改善井下作业环境的重要手段，对于提升矿井综合效益意义重大。

1 通风系统应用现状

1.1 矿井通风系统现状

我国矿井通风系统的主要通风方式是中央并列式，矿井通风系统监控基站的密集区主要在井底车场附近，这里信号众多且传输距离较短。我国矿井通风系统的工作面通风方式主要是“U”型通风方式，这样的通风方式，必定会导致上隅角瓦斯积聚和采空区漏风的增加，因此，要求通风系统能够检测通风量，并根据上隅角的瓦斯、一氧化碳浓度不同，合理调节工作面的通风量。

1.2 矿井通风系统中通风构筑物、通风设施的智能化分析

矿井通风构筑物自动化程度很低，具备自动化通风构筑物的矿井总数不到50%;同时通风风窗和风门没有自身监控系统，只是采用机械方式驱动，还需技术人员手动调试。智能通风构筑物的驱动力大部分来自风压，这样可以有效降低设备的安全认证时间，同时矿井下设有压风管路，动力来源方便，安装调试简单。但是，目前矿井智能通风构筑物的研究主要集中在监视上，对控制功能的研究较少，距离真正的智能化还有不小的差距。在我国采矿企业中，大型矿井基本实现了主要通风机的自主控制和远程监控，但实现局部通风机智能控制的矿井总数不到50%，同时局部通风机不能与全矿井通风系统有效结合使用，没有实现真正的智能化控制。

1.3 采矿企业对矿井智能通风系统的功能需求

对矿井侧风站进行合理有效的监测与管理是采矿企业最需要的功能之一，但是，目前侧风站的监测参数主要是通过机械风表和秒表由人工采集，技术人员将测量的数据带到井上汇总分析，并绘制矿井的通风系统图。这种方法存在测试数据和实际数据不符、分析数据与实际数据有差距、分析结果滞后等问题。矿井通风系统的自动分风和配风也是采矿企业迫切需要的功能，智能通风系统可以有效地降低通风技术人员的劳动量，并可保证通风系统的实时监控和测量的准确性。

2 PLC通风控制系统优点

在矿井通风系统普遍采用PLC技术之前，多使用继电控制装置对井下通风设备进行管理，这种方式是通过串联或并联的方法将各个通风设备相互连接起来，进而实现调控。但其在使用中存在诸多不足之处，最为明显的有通过继电控制装置进行通风控制的矿井，必须通过数量众多的连线实现对井下各通风设备的连接，不仅线路复杂且触点繁多，使得线路运行的稳定性相对较低;继电控制系统一旦完成构建，往往难以通过调试改变，不利于后期通风系统的优化改良。而将PLC控制系统应用在井下通风设备中，可以有效改善继电控制的不足之处。常用的通风PLC控制系统包含数据采集/AD转换（模数转换）模块、数据分析与处理模块和调控执行模块部分。

在作业时，PLC控制系统的运行原理如下：先通过布设于井下各处的传感装置采集井下巷道的风量、风压、瓦斯浓度和温度等参数指标，随后经EM235模块编辑、模数转换和数据存储后，将相关数据信息传输至下位机进行分析处理;将数据信号借助RS485接口传输至上位机配设的FameView软件进行分析处理，进而根据分析结果发出相应指令，对井巷状态开展动态响应，相关数据下传至下位机进行处理;依照动态响应结果操控相应执行模块发出的操控指令，进而对井下风机、通风构筑物等进行远程操控，对井下通风进行调整。

3 基于现场总线技术的智能通风控制系统

基于PLC通风在生产实际使用中存在的不足，研发了一套全新的基于CAN总线技术的井下通风网络设计方案[1]。设计的新系统包含有数据采集、操作运行、故障预警和冗余设计部分，各组成部分之间借助覆盖整个矿井的工业以太网进行数据传输，同时，通过CAN总线进行数据调控。

图为整个新型智能通风控制系统构成示意图。该系统运行原理为：通过分布井下各处的传感装置实时收集井下通风参数（设备运转情况、环境指数、通风量、风速、瓦斯浓度等），并通过分布井下的工业以太网将相关数据快速传递至地面远程控制中心;远程控制中心的智能终端通过对井下数据的智能分析，并比对预设参考值，对井下通风运行状态做出智能研判，发出相应的操控指令，并通过以太网将相关指令传递至井下控制终端;作业现场控制终端根据接收到的命令传递至各CAN控制节点，这些节点根据指令操控设备做出相应的动作，从而实现对通风系统的有效调节。新设计的通风控制系统相较于传统的PLC控制系统，具备很多优势：构成系统的模块作业均是相互独立的，任何一个模块出现功能障碍，不会对其他模块的运行造成干扰，使得系统运行的稳定性大幅提高。

整个系统具备以太网和CAN总线两套信息传输网络，其中，以太网用于现场监控装置和远程监控中心的数据交互;CAN总线用于现场监控装置对井下设备的远程操控，有效提升了系统运行速率。远程监控计算机采用智能分析软件和模糊控制算法对井下系统建模并根据现有数据对整个运行系统进行预测分析，当井下出现安全隐患并且现有通风系统难以处理时，远程监控计算机会及时向现场主控制器发送命令，井下报警系统开始运行，及时提醒井下工作人员撤离;冗余系统是为了保证矿井的正常工作而建立的，在主要通风机出现突发事故时，备用设备可以及时运行以保证矿井安全。鉴于井下通风线路较长，设计的智能系统配设冗余组件，能够确保井下出现通风意外时第一时间对各个系统进行有效调控，以確保设备运行安全。

4 结语

综上所述，所设计的新型智能通风控制系统不仅可以实时监测井下通风状态，还能够通过对采集数据的综合分析，自行发出运行操作指令，极大地提升了通风运行的及时性和有效性，增强了通风安全性。井下通风作为矿井生产安全的重要要素，确保其运行有效性对矿井综合效益的提升意义重大。因此，矿井管理者必须高度重视相关问题，在生产中积极组织专业技术人员，定期对矿井通风系统进行升级改造，将新型技术应用其中，确保通风系统的运行始终有效，为安全生产提供保障。

参考文献：

[1]顼利芳，王凤舞.智能矿井通风安全监控系统设计与应用[J].世界有色金属，2019（19）：10.