基于通风机智能调节的井下瓦斯防治技术研究

汪 洋

（国家能源集团国源电力有限公司沙吉海煤矿， 新疆 塔城 834411）

引言

煤炭在开采过程中会释放出一定的瓦斯气体，当瓦斯含量超标时不仅会使井下作业人员产生瓦斯中毒，还会导致瓦斯爆炸，是威胁煤矿井下综采作业安全的核心因素，因此确保井下瓦斯含量不超过警戒值是确保井下作业安全的关键。随着综采作业技术水平的不断提升，单位时间内的瓦斯涌出量不断加大，矿井通风系统采用定转速通风的模式无法根据井下瓦斯浓度的变化灵活调整，不仅能耗高，而且调节灵活性不足，无法满足井下高效综采的作业需求。

本文提出了一种新型基于通风机智能调节的井下瓦斯防治技术，通过对井下瓦斯浓度的监测自动匹配最佳的通风参数，控制通风机的运行，实现了风量- 瓦斯浓度的智能匹配，根据在煤矿井下的实际应用表明，该基于通风机智能调节的井下瓦斯防治技术，能够将井下浓度超标率降低到0，同时将通风系统的运行能耗降低18.5%，对提升矿井通风安全和经济性具有十分重要的意义。

1 通风控制系统需求分析

根据煤矿井下瓦斯变化特征及通风系统的运行模式，结合对矿井通风系统智能化、自动化的控制需求，本文所提出了通风机智能调节控制系统需要具备以下功能[1]：

1）风机通风状态自动调整。能够根据井下空气中的瓦斯浓度变化情况，自动调节矿井通风系统的运行状态，保证井下瓦斯浓度的平衡性。

2）本安控制功能。使模拟量转换为数字量，将瓦斯浓度参数实时传递到控制中心内，使井下瓦斯浓度保持在安全范围内，当出现异常时能够快速切断非本安电气设备，保证井下作业安全性。

3）冗余控制。系统采用双向、双路控制系统，系统内设置主机和备用机，两机采用了同系统控制，同数据共享，能够在出现故障时进行无缝切换，保证系统运行的安全性。

4）运行状态监测。系统能够对风机的运行状态进行实时监测和预警，当出现异常时能够自动进行故障定位和预警，从而便于对故障的快速排除，提高风机系统的运行稳定性。

结合以上分析，本文所提出的基于通风机智能调节的井下瓦斯防治技术配置功能如图1 所示[2]。

2 通风控制系统设计

结合煤矿井下通风需求，本文所提出的矿井通风控制系统需要以井下瓦斯浓度变化和浓度变化率为调整依据对风机的运行状态进行调控。该系统整体结构包括PLC 智能控制中心及监控模块两个部分，在智能控制中心中设置井下瓦斯浓度安全范围，用于对井下瓦斯变化情况进行及时预警。该通风控制系统整体结构如下页图2 所示[3]。

由图2 可知，当系统运行时，各类监测传感器对通风机运行状态及煤矿井下瓦斯浓度含量进行实时监测，将瓦斯监测结果从数字信号转换为模拟信号，传输到PLC 控制中心，由系统自动进行运算分析，确定最佳的风机运行参数，将控制信息传递给变频器控制电路，控制变频器的输出，最终达到控制通风机灵活运行的目的。

该系统能够通过传感器对风机的运行状态进行监测，当出现异常时自动进行报警和故障定位，便于能够快速的判断故障原因，提高风机的运行可靠性。为了满足特殊工况下的运行可靠性需求，在系统中还设置了手动、自动变频装置，确保在特殊情况下系统运行的可靠性。

3 控制系统硬件结构选型

矿井通风系统进行调节的基础是对井下空气中瓦斯浓度监测的准确性，同时保证对风机运行状态调节的可靠性，因此对变频器、PLC 及传感器电路、传感器的选型要求在满足精度的情况下尽可能保证可靠性，提高在煤矿井下恶劣环境下的使用寿命[4]。

为了提高数据调控的可靠性，需要保证数据信号输出后未平滑的曲线，因此变频器应具有可变电压和可变交流电处理能力，经过多次验证后最终选择了西门子公司的S9+300 系列PLC，其具有多个外部接口，能够实现多模块的快速拓展。

该通风机运行控制系统中，不同输出信号类型具有不同的接口电路，包括放大电路、滤波电路等，各种接口数据传输过程中会产生杂波信号干扰，因此需要设置专门的滤波控制程序[5]，进行滤波处理，同时对电路情况进行优化。瓦斯浓度传感器选择输出为1～5 mA 的直流电路，变频器的模拟输入量则选择0～20 mA 的直流电流驱动。

由于井下巷道结构复杂，不同位置的风流量差异性比较大，因此设置传感器时需要设置在正确的位置才能保证对井下巷道瓦斯浓度监测的准确性。根据多次实际验证，在布置传感器时需要将其布置到综采面的进风流、回风流的位置，能够确保传感器对瓦斯浓度监测的准确性，井下瓦斯传感器布置结构如图3所示[6]。

根据该通风控制系统的监测精度需求，瓦斯浓度传感器选择了KG9001 型[7]，该传感器不仅具有声光报警功能，而且能够快速读取瓦斯的泄漏浓度，具有一级间歇式报警功能，从而有效提升对井下瓦斯浓度的监测可靠性。

4 应用情况分析

目前该基于通风机智能调节的井下瓦斯防治技术已经在多个煤矿井下投入应用，对应用后的瓦斯浓度变化情况进行监测，结果如图4 所示。

由实际监测结果可知，优化后瓦斯浓度变化量始终在瓦斯报警线以下，表现出了极高的控制精确性，未再出现过瓦斯报警异常。同时通过对优化前后的通风系统的运行能耗进行对比，新系统将通风系统的运行能耗降低18.5%，显著提升了矿井通风系统的运行安全性和经济性。

5 结论

针对现有通风系统对井下瓦斯浓度调节性能差、能耗高、可靠性不足的情况，提出了一种新的基于通风机智能调节的井下瓦斯防治技术方案，对该方案整体结构和应用情况进行了分析，结果表明：

1）通风机智能调节控制系统需要具备风机通风状态自动调整、本安控制功能、冗余控制、运行状态监测功能；

2）该控制系统包括PLC 智能控制中心及监控模块两个部分，能够满足不同工况下的通风控制需求；

3）该基于通风机智能调节的井下瓦斯防治技术，能够将井下浓度超标率降低到0，同时将通风系统的运行能耗降低18.5%。