深部采掘作业面智能降温通风系统研究

张梦瑶

（晋能控股集团有限公司挖金湾煤业公司，山西 大同 037001）

近些年来，浅部煤炭资源逐渐枯竭，中东部部分矿井已经进入到深部开采[1-2]。根据有关统计数据显示，现阶段煤矿以平均每年8～12 m速度向下延伸，深部开采时煤炭赋存更趋复杂，开采过程中受地质构造、瓦斯、粉尘以及异常地温等影响更趋显著[3-5]。受井下空间狭小、机电设备众多以及地温异常等多因素影响，部分深部开采矿井采掘作业面温度甚至可达到35℃以上，高温不仅威胁作业点工作人员身体健康而且制约煤炭开采效率。文中就在前人研究基础上，对某矿采掘作业面采用的智能降温系统进行分析研讨，以期为其他矿井地温治理提供经验借鉴。

1 工程概况

某矿已连续生产超过60年，设计产能180万t/a，现阶段生产主要集中在深部采区，最大采掘深度达到850 m。其中北三以及西五采区开拓深度均超过800 m，采掘作业面原岩温度达到37～45℃，为二级热害区域。导致北三以及西五采区采掘作业点温度较高热源较多，如围岩散热、机电设备散热、通风温度较高等。根据现场条件分析，发现北三以及西五采区采掘作业点温度较高的主要原因是采掘区域处于增温带，围岩释放大量的热，同时在机械通风过程中气流由地面向井下处于压缩过程，期间也会产生热量并限制通风降温能力。

当围岩温度超过40℃时，仅采用常规的负压通风难以将采掘作业面温度降低至28℃以内，需要辅助采用机械式制冷措施降低作业点温度。为此，文中提出智能降温通风系统降低井下采掘作业点温度，具体通过温度传感器对采掘作业点温度实时监测，并通过PLC控制ZLF-600矿用制冷降温系统运行，从而确保采掘作业点始终处于28℃。

2 智能降温通风系统结构及应用分析

2.1 智能降温通风系统需求分析

本系统在北三以及西五采区采掘点应用主要通过监测采掘作业点温度，并依据温度变化通过PLC调整ZLF-600矿用制冷降温系统运行参数，从而解决作业点温度过高问题，并实现智能调节。系统主要功能为：

1）作业点环境参数监测。对采区内采掘作业点温度、风速、风压及瓦斯浓度等进行实时监测，并对主要指标作业点温度进行智能分析，调整降温通风系统运行；对各传感器监测数据进行实时分析、反馈及预警。

2）运行功率调节。通过PLC调整变频器输出频率实现对ZLF-600矿用制冷降温系统运行频率进行调节，从而实现制冷情况智能控制。

3）人机操作界面直观显示。为了便于实时掌握采掘作业点温度等参数，构建有直观的人机交互界面，并在界面内显示各位置传感器监测得到的温度、瓦斯等参数；若某项监测参数超过设定值，则会自动发出声光报警信号、并在操作界面显示报警画面。

2.2 智能降温系统结构及现场布置

2.2.1 矿用制冷系统结构

ZLF-600矿用制冷系统主要起到制冷功能，是智能降温通风系统核心组件之一。制冷系统结构包括有制冷机、局部通风机、蒸发器及2趟Φ100 mm钢管等，制冷系统运行时采用的制冷机为R407C，具体制冷系统结构如图1所示。

图1 ZLF-600矿用制冷系统结构

2.2.2 传感器布置及监测参数显示

2.2.2.1 监测传感器布置

以北三采区5301采煤工作面以及西五采区5502回风巷掘进工作为工程实例，对采掘作业传感器布置进行分析。

北三采区5301采煤工作面正常生产情况下通风路线为：运输顺槽联络巷→采面运输顺槽→采面→采面轨道顺槽→轨道顺槽联络巷。为满足5301采煤工作面数据监测需要，在通风路线关键位置均布置测点对环境参数进行监测，具体测点布置见图2所示。在5301采煤工作面上下端头、运输顺槽及联络巷、轨道顺槽及联络巷等位置共计布置8个测点，每个测点均安装有温度、瓦斯、风速、风压等传感器，传感器监测参数会实时传输给PLC。

图2 采面测点布置示意图

西五采区5502回风巷掘进工作传感器布置见图3所示，现场共计布置2个测点。其中1号测点布置在距离掘进迎头5 m范围内，传感器用以对温度、瓦斯、风速及风压等参数监测；2号测点布置在掘进工作面回风侧，用以监测回风流中温度、风速及风压。通过1号、2号监测点相互配合，实现掘进巷道全断面温度监测。

图3 掘进巷道测点布置示意图

2.2.2.2 监测参数显示

采掘作业面布置的传感器监测参数可通过人机交互界面直观显示，具体如图4所示。对采掘作业面各测点进行编号并实时刷新、显示监测参数，当发现有异常数据时自动闪烁标记并显示异常数据位置。

图4 人机交互界面

2.3 智能降温控制

智能降温通风基于PLC实现，通过内置的控制程序对采掘作业面各位置温度等参数进行分析，当发现温度在设定值以内时，则确保ZLF-600矿用制冷系统保持原有工作状态不变；当发现局部位置温度增高时，则PLC向变频器发出指令从而增加ZLF-600矿用制冷系统工作频率，降低采掘作业点温度。整个智能降温通风控制方式简单，可靠性较强，可实现ZLF-600矿用制冷系统智能化运行。

3 现场应用效果

以西五采区5502回风巷掘进工作为例，对智能降温通风现场应用效果进行分析。智能降温通风系统现场应用后，5502回风巷掘进迎头位置1号测点温度由使用前的34℃降至26～28℃，巷道外口2号测点温度则较应用前减低4～5℃；掘进巷道内相对湿度降低了10～15%，同时智能降温通风系统可依据掘进巷道现场条件智能调整降温通风量。智能降温通风系统现场应用后，有效改善了西五采区掘进巷道高温、高湿情况，杜绝现场作业人员出现高温引起的晕倒、中暑等不良情况，夏季时作业人员出勤率由以往的40%提升至85%。

通过智能降温通风系统成功应用，打破了以往仅通过增加风量供应、喷淋等降温方式，为矿井井下高温治理积累了宝贵经验借鉴。

4 结论

1）北三以及西五采区采掘作业面温度过高主要是由于围岩散热以及通风风流无法及时将热量带走等原因导致，同时机电设备散热也会进一步增加作业点温度。而传统的增加供风量以及喷淋等传统降温方式难以满足作业点高温治理需要。

2）提出将智能降温通风系统降低采掘作业面高温治理中，并详细对智能降温通风系统功能、传感器布置以及智能控制等进行分析。现场应用后，以西五采区5502回风巷掘进迎头温度由34℃降至26～28℃，降温效果明显；同时智能降温通风系统可根据传感器获取到的温度变化情况智能调节ZLF-600矿用制冷系统运行，不仅可满足作业面降温需要而且可降低设备运行能耗。