矿井通风系统的优化控制策略研究

康志国

（晋能控股煤业集团云岗矿管路区，山西 大同 037017）

引言

某矿12 号煤层410 盘区的可开采面积为94.38 km2，设计产能300 万t/年，煤层平均厚度为2.30 m，煤层结构比较简单，没有特殊地质构造，煤尘不具有爆炸性，且瓦斯含量较低[1]。目前井下的通风系统是中央并列式，在回采初期，使用的是PLC+变频器的通风系统，可以对井下的通风状况进行监测，但井下开采范围和深度的不断增大，加上通风系统的规模要不断增大，使整个通风系统的响应速度变慢，数据分析出现失误，无法对风流进行准确调整，使防灾效果变差。因此，为了确保通风系统的稳定安全，对现有的通风系统进行改进，根据测量的通风阻力，对通风系统进行及时调整，以此提升系统的安全性。

1 通风系统问题分析

目前某矿井下采用的是PLC+变频器的通风控制系统[2]，这种系统的结构比较简单，容易操作控制，在开采初期，这种简单的通风系统可以准确监控其运行状态，具体的结构原理图如图1 所示。

图1 PLC 控制系统结构原理图

随着开采深度的不断增加，井下煤层的地质结构及通风系统都越来越复杂，单纯地采用通风系统很难满足矿井的通风要求，受自身结构的限制，通过系统只能监测到一定范围的通风参数，无法采集到足够的数据而使分析结果出现很大的偏差。通风系统越复杂，采集和处理数据的时间也会增加，无法及时响应异常情况而出现安全隐患。通风系统越向深处延伸，通风的阻力越大，井下的风压会降低，如果来不及对数据进行分析，就无法准确地达到通风要求。

2 通风系统控制策略

为了克服PLC+变频器通风控制系统的不足，根据某矿的实际地质情况，采用现场总线[3]的方式智能调节通风系统，并通过CO2来监测。基于现场总线技术的系统包含数据采集、操作执行、险情预警和冗余设计模块，具体构成如图2 所示，通过以太网实现井上井下数据的传输，CAN 总线实现计算机与设备的网络调控，确保四个模块之间相互独立，互不影响，增加冗余系统，在出现意外时，可立即调用备用设备，确保生产时的通风安全。

图2 现场总线模块构成图

通过各类传感器采集的井下设备运行、环境等信息，传送给现场的监控计算机，现场计算机通过以太网将信息发送给远程监控计算机，同时通过对现场数据的处理，判断井下设备的工作状态，通过Internet 将控制指令发送给控制器，控制器在通过协议解析后，通过处理数据，做出适当的决策，将每个命令对应发送给CAN 节点，控制各个设备的正常运行，保证系统的稳定性，提高系统的安全性。对井下系统的建模结合智能分析和模糊控制算法[4]，通过远程监控计算机，根据现有的数据对整个系统进行预测和分析，如果井下现有的通风系统难以达到要求或存在安全隐患时，远程监控计算机就会向主控制器发送警示命令，此时启动报警系统，提醒井下作业人员尽快撤离。为了确保在通风机出现紧急突发事故时，井下作业可以正常继续，搭建冗余系统，确保备用设备及时运行，不影响安全生产。

以现场总线技术为基础的通风系统通过对井下的通风状况进行实时监测，得到大量采集数据，通过分析汇总大量的监测数据，能够找到最优的处理方案，做到按需要供风，主控制器通过模糊控制算法，不断地学习，得到各节点的数据趋势，做到对风量进行超前调节，从而对设备进行精准调控，确保合适的供风量。

3 通风系统的应用测试

对所建立的通风系统进行测试，确保测试点处的所有通风建筑物都处于关闭，主要是风门1 号、2号、3 号、4 号和风窗E 号、F 号、G 号、H 号，地面通风机的工作频率是30 Hz，在测试点处，使用稳压阀将CO2浓度慢慢释放到M、N 点，其中，慢速CO2质量浓度稀释到3 000×10-6g/m3，快速稀释CO2质量浓度到5 000×10-6g/m3，在短时间内，使用最小风速来稀释有害气体，并不断调整通风设备和通风建筑物，一般遵循以下的原则：先调节风门，再调节风窗，最后调节通风机的整体运行状态，通过对风门、风窗和运行频率的综合调节，达到最优的通风控制策略。在井下通风时，一般将通风风速设置在0.7～2.7 m/s，CO2质量浓度在稀释后控制在2 000×10-6g/m3以下，具体的测点位置、通风线路以及通风建筑物布置如图3 所示。

图3 测点位置、通风线路以及通风建筑物布置图

回采工作面在M 点、N 点分别释放CO2的测试结果如表1、2 所示，从表中可以看出，在监测点M处，在慢速CO2释放时，风门和风窗的状态是0110和0110，风机频率是30 Hz，在120 s 可以将CO2的质量浓度稀释到1 920×10-6g/m3，在快速CO2释放时，风门和风窗的状态是0110 和0111（其中，0 代表关闭，1 代表打开），风机频率是60 Hz，在235 s 可以将CO2的质量浓度稀释到1 950×10-6g/m3；在监测点N 处，在慢速CO2释放时，风门和风窗的状态是0111 和0101，风机频率是30 Hz，在130 s 可以将CO2的质量浓度稀释到1 955×10-6g/m3，在快速CO2释放时，风门和风窗的状态是0101 和0111，风机频率是60 Hz，在242 s 可以将CO2的质量浓度稀释到1 970×10-6g/m3。

表1 监测点M 处CO2 浓度测试表

表2 监测点N 处CO2 浓度测试表

因此，在通风机的初始状态下，在慢速CO2释放时，可以通过合理调整风门的状态来降低CO2浓度，在快速CO2释放时，需要适当调整风门和风窗的状态，同时增加风机的频率来降低CO2浓度。

4 结论

针对某矿目前通风系统响应速度慢、无法准确调整风量等问题，提出以现场总线技术为基础的智能通风控制系统，得到如下结果：

1）依靠现场总线和以太网进行数据传输，采用模糊控制算法分析和提前预测数据，得到最优的调整方案，通过对监测点处释放的CO2浓度进行测试，可以得出，通过合理调整风门的状态来降低CO2浓度，在快速CO2释放时，适当调整风门和风窗的状态，同时增加风机的频率来降低CO2浓度。

2）结果表明，优化后的通风系统能及时对井下通风状况进行分析，通过远程操控确保合适的供风量，提升通风系统的安全性。