深部高温矿井采掘工作面智能通风降温系统设计

赵 义，岳 鑫

（1.山西焦煤集团正利煤业有限公司，山西 吕梁033500；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州221116）

0 引言

煤炭作为我国基础能源，在我国经济发展过程中起到重要作用，随着以人为本的观念深入人心，煤矿安全生产也越来越被人们重视，改善煤矿工人的工作环境保障工人生命健康安全越来越重要。我们国家煤炭浅部资源开采殆尽，深部煤炭的开采势在必行。随着开采深度的不断增加，矿井高温热害问题日益凸显，严重影响了矿井的安全生产和生产效率[1-3]。

本文采用文献研究、资料查找等方法获取赵楼煤矿基本情况，并通过信息研究总结归纳出热害来源、情况以及危害，并基于以上分析进行赵楼煤矿五采区智能通风调节系统设计。

1 工程概况

1.1 矿井基本情况

赵楼煤矿煤层属正常地温梯度下的高温区域，初期采区大部分块段原岩温度为37℃～45℃，处于二级热害区域[4]。热害尤其体现在采掘工作面上，严重影响工人身体健康以及矿井安全生产。

1.2 热源分析

导致深部矿井采掘工作面温度较高的热源有很多，地表大气、流体的自压缩、围岩散热、机电设备的放热等都会产生热量。经过对比分析，主要的热源是由于该矿采深较大，处于温度较高的增温带，围岩散热所产生的较大热量。同时在通风过程中气流由井上到井底自压缩产生热量限制了通风降温的能力。

2 智能通风降温系统设计

2.1 系统需求分析

本系统在实际应用中主要通过实时监测工作面空气数据调节主要通风机、调节风窗以及局部通风机来解决矿井五采区工作面环境温度较高的问题。

1）工作面空气数据监测。工作面空气的数据监测是针对在生产过程中五采区采煤工作面以及掘进工作面的温度、风压、风速、瓦斯浓度进行实时监测，主要对温度指标做出反馈。通过各类传感器来收集数据，进行实时上传，分析反馈以及显示预警。

2）智能数据分析。对传感器获取空气参数数据进行智能分析，并得出调控方案。

3）通风机功率调节。主要是通过控制输出电压来控制变频器的运行频率从而达到改变通风机电机的运行功率。

4）通风构筑物调节。通过调控电动窗板位置调节窗口大小，从而改变巷道通过的风量。

5）人机操作界面。为了更方便地实时监控五采区的空气温度等参数数据，有必要建立一个具有直观性强的完整操作界面，并且可以在该操作界面的基础上实现人工操作控制的通风机、局部通风机和通风构筑物[5]。如果气体指数超出规定，则会生成声光警报以及警报画面，操作系统还应该能够实现数据网络共享和云监视的功能。

2.2 系统主要设计内容

本系统主要是通过传感器接受、输出采区所监控的空气各类参数信号，通过监测计算机上传至应用服务器。服务器对数据进行储存、处理，并对异常数据进行智能分析，并将结果的数字量转换为模拟量，形成模拟电压来控制风机运行效率以及风窗的开口大小。同时通过信号输出至客户端显示在监控计算机或其他远程设备上，实现数据可视化以及数据交互，设立有实时监控图像以及声光报警功能。客户端能够进行人工干预调控以及人工预警。

系统采用模块化的设计方法，将数据采集、数据分析、决策执行等子系统分成若干各独立的模块来进行设计。使用以太网来进行各模块间的数据交互，并且接入Internet可供其他用户远程数据交互，实现远程监控。采用CA N总线网络实现主要通风机、通风构筑物以及局部通风机的控制，如图1所示。

图1 五采区智能通风降温系统整体设计方案

2.3 系统功能模块

系统采用模块化设计，具有设计周期短，系统构建快捷的优点，可节省大量系统开发时间。系统的功能模块独立运行，互不干扰。同时，当系统连接出现问题时，不影响其他模块的运行，安全可靠性高[6]。

根据系统的总体设计方案，煤矿采区智能通风降温系统功能模块结构如图2所示。

图2 煤矿采区智能通风降温系统模块图

2.4 传感器布置与数据可视化

赵楼5301工作面通风路线为：5301运输顺槽联络巷→5301运输顺槽→5301综放工作面→5301轨道顺槽→5301轨道顺槽联络巷，为满足风流数据监测，在五采区通风路线关键位置布置测点进行监测。

回采工作面的传感器布置如图3所示。一共布置8个测点。在5301运顺联络巷、运输顺槽、工作面上端头、工作面下端头、轨道顺槽、轨顺联络巷等位置布置测点，每个测点都布置温度传感器、瓦斯浓度传感器、风压传感器以及风速传感器对以上指标实时监测。

图3 五采区5301回采工作面传感器布置图

掘进工作面的传感器布置如图4所示，一共布置2个测点。风流从风筒出口到其转向点的距离叫有效射程。在有效射程之外,射流达不到的地方,将会出现风流的涡流停滞区。停滞区内瓦斯不能在射流的作用下有效地掺和被带走,风流从风筒末端以自由状态射向工作面,风流的有效射程一般为5～7 m。风筒到工作面的距离,最大不得超过5 m，5 m之内的地方也是瓦斯可以和风流充分混合的地方[7]。所以，甲烷传感器应该布置在距离工作面≤5 m的地方，即1号测点温度传感器、瓦斯浓度传感器、风压传感器以及风速传感器，同时在工作面回风侧2号测点布置温度、风压和风速传感器，以获得全面掘进工作面温度数据。

图4 五采区掘进工作面传感器布置图

硐室传感器布置，对于重要硐室如临时避难硐室布置温度、瓦斯传感器。其他需要监测的关键位置可根据现场情况按需增设传感器并接入网络。

传感器监测气体参数通过监控计算机监控窗口实现数据可视化，如图5采区气体参数监控系统可视化窗口。对各监测点位进行标号，同时实时刷新各空气参数数据，异常数据闪烁醒目标记，同时显示监测点位布置示意图，产生数据异常的测点会闪烁醒目标记，这样一眼确定异常区域以及异常值。实时显示运行状态，分正常、调控、报警3个状态，当系统监测数据全部正常时显示正常状态，当数据异常但不影响生产安全并符合规定时进行智能调控并显示调控状态，当数据异常超出规定时根据异常情况对区域进行报警并在系统显示报警状态。以回采工作面为例，掘进工作面监控窗口类似。

2.5 基于计算机控制系统的调控程序实现

智能调控采用计算机控制系统来实现。通过编程的方式来实现数字控制器的控制算法，同时采用计算机控制，可以实现多个控制量的监视，把通风降温过程中涉及的主要通风机、通风构筑物、局部通风机、制冷机以及报警多个对象都管控起来，组成一个统一的控制系统。能够通过计算机算法进行及时判断、选择最佳的方案进行控制，在发生特殊情况时可以通过人工交互实现人工接管控制系统。控制程序存储与井上服务器中，不会受井下复杂因素的干扰，同时具有很强的可维护性。控制系统如图6所示。

图6 通风降温计算机控制系统

当温度、瓦斯、风速以及风压数据超出规定范围时，经传感器测得转换为数字型号经现场监控计算机上传至服务器，服务器对数据进行智能分析并生成调控策略，返回给控制计算机一个控制信号的数字量，再经过D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号的模拟量作用于执行机构变频器，改变电机的输入频率来控制驱动电机的输出转速，进而实现对主要通风机风量的定量调节。

对主要通风机调节的同时进行状态采集，风机状态信息包括电压、电流、温度等状态信息[8],主要用于风机的健康监测以及响应情况反馈，并且当主要通风机发生故障时启用备用风机。

同样通过计算机控制系统来控制局部通风机、通风构筑物、制冷剂以及报警装置，从而实现煤矿智能通风调节系统五对采区现场的控制。

3 主要设备布置

智能通风系统的主要设备布置主要分布在井上工业广场，井下采区巷道及工作面。如图7所示，井上布置机房、通讯房、调度室以及风机房，其中调度室和风机房为煤矿原有，设置5G基站用于远程设备通讯。机房布置有数据处理用服务器、局域网交换机以及路由器。通讯房布置CA N总线设备用于设备控制信号通讯，以及现场控制器实现控制命令数字量到模拟量的转换。在调度室增设采区现场监控计算机以及视频监控大屏幕，在风机房增设调频设备用来调控主要通风机风量。

图7 主要设备布置情况

4 结论与展望

1）分析得出引起该矿热害的主要热源是围岩散热以及流体自压缩，前者向井下散发大量热量，后者限制了风流带走热量的能力。机电设备放热主要对工作面影响较大。

2）完成了系统设计框架，设计了系统主要功能模块。对五采区工作面传感器进行布置，采用可视化的监控窗口。对主要设备布置进行初步设计规划。

3）对设计系统进行评价，并且预估实际实施的难点。可以看出本系统虽然在建立过程中存在成本高等问题，但系统能够有效针对煤矿采区热害问题进行通风调节，同时相比于其他方法具有响应速度快、综合性强等诸多优点，同时系统具有极大拓展空间，能够作为未来智能采矿的一部分得以应用。