掘进工作面中智能化通风控制系统的应用研究

董师帅，赤孟博

（河南永锦能源有限公司，河南 许昌 461670）

1 概述

211 巷道的开口处位于830 南翼皮带巷内部6号导线点前21.7 m，其角度为270°，沿9 号煤层的顶板进行施工。掘进巷道断面的宽和高分别为4.8 m和3.0 m，巷道掘进所采取的工艺为综合化机械掘进，掘进长度已经有480 m。

211 巷道在掘进的过程中采取局部通风机来实施供风，通风机共有两台，功率为55 kW，型号为FBD，安装部位处于巷道开口向北20 m 的进风流之内。局部通风机需要配置相应的联锁开关，风机所配置的专用电源将与1 号配电点的660 V 移变和3 号高压配电开关进行连接[1]。备用电池主要与2 号配电点的660 V 移变及8 号高压配电开关进行连接。风机与风筒形成连接，其中风筒的半径、长度分别为0.5 m和10 m，其出风口与作业面之间的距离<10 m。

在掘进过程中，211 巷道内每隔50 m 需要配置一个喷雾洒水降尘设备，该设备的工作原理为：借助巷道存在的静压作用，利用高压喷头将水源进行雾化处理，以实现降尘效果，洒水量为0.5 m3/min。

2 原通风防尘系统运行中存在的问题

1）自动化水平较低。传统通风系统采用的局部通风机不能实现自动化切巷，需要人工介入切换，风机进行切巷的过程中不具备倒机不停风的功能，供风的过程中风机即使发生故障也不能及时做出预警[2]。同时，地面操控室不能对风机运行过程中的各个参数进行有效监测，不具备较高的自动化水平，且极易发生故障。

2）无法有效控制风流的温度。传统通风系统主要是借助局部通风机向作业面压入新鲜的风流，由于该矿井存在较长的通风路线，其内部的温度一般为17 ℃，在掘进的前期阶段，该巷道的温度相对较低，在后期的延伸工作中具备较高的稳定性，供风的风流温度无法达到施工要求。

3）无法调节风速。在对该巷道的前200 m 进行掘进时，风筒的漏风系数及风阻相对较小，作业面的风速可以达到2.1 m/s。在掘进之后，作业面形成的高速风流将会导致作业面出现大量粉尘，不仅影响生产，而且在后期掘进过程中也会不断增加巷道内部的阻力。当掘进工作进行到500 m 的时候，作业面的风速将会不断降低，尽管可有效降低巷道内部的粉尘浓度，但是回风流内部的风速持续降低，导致污风在巷道内不断扩散，对掘进工作产生影响[3]。

4）不具备较好的降尘效果。在掘进过程中，该巷道的回风流的粉尘质量浓度将会达到132 mg/m3，利用以往喷雾洒水装置来进行除尘，无法取得较好的效果，在完成降尘操作之后，粉尘的质量浓度将会达到90 mg/m3，可见度较低。同时，传统设备无法达到较大的洒水量，不仅会导致巷道内存在大量的积水，巷道质量无法实现标准化，而且大量的积水将会对巷道内的设备产生极大的影响[4]。

3 智能化通风控制系统的实际应用

为了有效完善原通风系统运行中的不足，该矿通风科对其进行改良，设计了一套自动化的通风控制系统。

3.1 智能化通风控制系统的结构

1）智能化通风控制系统的构成主要有PLC 控制器、联锁开关和除尘系统等，如下页图1 所示。

2）地面操控系统的组成主要有以太网、上位机控制体系等。地面网路交换站借助以太网及井下的交换站来进行信息交换。上位机控制体系的组成主要有打印机、主机等，而主机内部安装了FameVice 组态软件，可以对通风控制系统的运行状态进行远程展示[5]。

3）智能化供风系统的组成主要为两台多功能的变频风机、风机开关等，变频风机与PLC 控制器形成连接，这个风机可以对频速开展自动化调节，有效控制风速。

4)温度风速控制系统的组成部分主要有基站、风速及温度传感器等，其中两个传感器的安装部位处于掘进作业面的迎头，基站与PLC 控制器形成连接，可以利用PLC 控制器对两个传感器的保护值进行设定[6]。

5）降尘系统的组成主要有集控器、泡沫抑尘器等，而与集控器相互连接的装置主要有粉尘浓度传感器、PLC 等，泡沫抑尘设备的组成部分主要有旋转式高压喷头、电控液阀等。

3.2 智能化通风控制系统的运行原理

3.2.1 温度风速控制系统的运行原理

1）对于温度、风速两种传感器，可以利用PLC 控制器设定其保护值，两者的保护值分别为22 ℃和1.5 m/s。

2）当作业面的温度<22 ℃时，温度传感器可以将采集到的数据及时传输到基站，基站再将这些数据进行处理，并传输到PLC 控制器。该控制器在接收到信号之后，将会向联锁开关下发“加热”指令，此时联锁开关与防爆电热阻丝的电源进行连接，温控器通过将空气引入到风机来实施加热，确保作业面的温度可以维持在22 ℃。

3）当作业面的温度>22 ℃时，PLC 控制在经过信号处理之后可以向联锁开关下发“制冷”指令，此时温控器半导体制冷机的电源将会被打开，温控器通过将风流引入到风机内部进行制冷，以降低作业面的温度[7]。

4）当作业面的风速超出或低于1.5 m/s 的时候，风速传感器所采集的数据将会通过基站转换，将数据传输到PLC 控制器内部，该控制器在对信号进行处理之后，可以有效调节多功能变频风机频速，确保作业面的风筒出风口维持1.5 m/s 的风速。

3.2.2 回风流降尘系统的运行原理

1）PLC 控制器可以将粉尘质量浓度传感器的保护动作值维持在15～50 mg/m3的范围之内，每隔200 m 就需要安装一套降尘系统，系统内部的旋转高压喷头安装在与顶板相距0.8 m 的部位。

2）当巷道回风流之内的粉尘质量浓度>50 mg/m3时，集控器可以将传感器所采集的数据及时传输到PLC 控制器内，该控制器在接收到信号之后，将会向联锁开关下发“开启”指令，此时泡沫抑尘装置的电控液压电源将会打开，装置开始运行。

3）当回风流内部的粉尘质量浓度<20 mg/m3时，集控器可以将传感器所采集的数据及时传输到PLC控制器内，该控制器在接收到信号之后，向联锁开关下发“关闭”指令，此时泡沫抑尘装置的电控液压电源将会关闭，装置停止运行。

3.2.3 远程操控系统的运行原理

1）对于风机的运行状态、作业面的风速、温度等各个参数，PLC 控制器可利用信号线将其传输到井下的车场网路交换站内，该交换站再利用以太网及井筒内部的信号基站，传输至井口的网路交换站，这一交换站再借助信号线将其传输到地面操控室的主机内[8]。

2）地面操控室所采取的主机中设计了一套Fame-Vice 组态软件，该软件的运行原理为：借助显示器直观显示通风控制系统运行过程中各个元件的状态，操作人员可以对该系统进行远程控制，并且修改其中的相关参数。同时，在系统运行过程中，可以借助打印机绘制曲线图。

4 结语

通过开展技术研究，本矿井通风科针对211 巷道采用的通风系统在前期掘进过程中存在的问题进行分析，并对其加以改良，设计了一套智能化的通风控制系统，在矿井的实际应用中取得了较好的效果。

1）具有较高的自动化水平。该系统具有较强的自动化水平，在掘进过程中极大地提升了运行的稳定性，同时也确保了掘进工作安全、顺利进行。而在应用该系统之后，井下不需要再安排专业人员来看守通风系统，极大地节省了人力资源。

2）完成了温度及风速的调节控制。该系统可以对作业面产生的风流温度、风速进行自动化调控，促使211 巷道在掘进工作中维持恰当的温度、风速，为工作人员营造了稳定可靠的工作环境。

3）增强了除尘效果。与传统喷雾洒水除尘设备相对比，该装置主要是利用泡沫来对粉尘进行吸附，其吸附性及除尘性较好。通过实际运用发现，泡沫在吸附粉尘之后，回风流中存在的粉尘质量浓度<20 mg/m3以下，而且极大防止了静压水的浪费，同时对喷雾洒水阶段产生的巷道污水进行了有效处理，取得了显著的效果。