矿井智能通风系统和智能通风构筑物的应用

王鹏飞

（山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿分公司，山西 高平 048400）

在矿井通风系统的日常管理中，由于人为测风、瓦斯监测、反风等行为存在时间迟滞性，出现问题不能第一时间处理，可能造成事故发生后险情得不到有效控制，人工干预严重影响了最佳的救援时间，因此，利用在线传感设备和通风设施本身，建立完善的实时监控和自动调节通风系统，是确保矿井实现安全生产的重要保障。

1 工程概况

伯方煤矿隶属于山西兰花科技创业股份有限公司，矿井3303 工作面主采3#煤层，位于三盘区北翼，对应地表标高为+940～+1085 m，井下采面标高为+560～+690 m。3#煤层平均厚度5.52 m，赋存倾角8°～10°，中间含有1～2 层夹矸，为碳质泥岩和泥岩。煤层顶板岩性为砂质泥岩，底板为砂质泥岩和粉砂质泥岩。伯方煤矿采用中央并列式通风方式，两台独立通风机排风量可达到16 861 m3/min 和16 763 m3/min。3303 综采工作面在回采期间，经过风量计算，合理需风量在2047 m3/min。

2 通风系统组织结构与智能监控

2.1 组织结构

根据智能化的通风系统不同功能需求，可以在组织结构层级上按照三级划分，即地面监测监控中心、井下分系统传输管网、智能化监控设备等[1-2]。智能化通风监控系统如图1。

图1 智能化通风监控系统

将智能化监控设备安装到各主要采掘工作面的进回风流的通路中，严格遵照《煤矿安全规程》的相关要求，对标不同工作面需要监测的CH4、H2S、CO、CO2、氮氧化物以及氧气、温度等参数，将监控设备按照吊挂要求标准施工。在设备实际运行中，将采集到的样本数据上传至井下各地点的监测分站，再由光缆将信息数据回传至地面智能化监控中心，从而实现对井下空气成分与气体信息的自动化监测监控[3]。此外，对主要巷道的风门安装监控视频以及开闭状态报警装置，一旦风门出现未关闭或者同时打开造成风流短路的现象时，会第一时间将故障上传，地面监控中心安排人员及时处理恢复，确保通风系统的稳定可靠运行。

2.2 智能通风系统

地面监测监控中心作为智能化监控系统的指挥中枢，对井下所有通风网络系统中气体浓度、风门状态等进行实时在线监控，进行数据传输与存储，进行巷道风量、风速、风压、风阻等信息的在线观测。井下各施工地点新建通风构筑物对所在巷道风量信息的影响等，均可在监控中心大屏幕上进行实时数据显示，人员根据实测数据，按照通风管理和瓦斯治理等工作需要，经过数据计算，合理对各用风地点进行风量调配，对风门的异常开闭状态进行人工检查，确保风门正常使用，避免风流短路等事故发生[4]。同时，对风阻较高的地点，尤其是总回风大巷和各工作面专用回风巷等年久失修巷道，安排专人进行隐患排查，对巷道变形和冒落区域进行加固处理，减小总回的风阻影响，确保通风系统正常。

3 新型通风设施的构筑设计

3.1 监测分站与监控设备布置

3303 工作面采用“U”型通风的方式，为了避免回采期间的瓦斯积聚，选用上行通风的风流路线，即从3303 工作面进风巷供风，经过切眼、回风巷，风流从专用回风巷进入三盘区回风大巷，最终汇入矿井总回风巷内。

根据工作面风流路线，分别在进风巷安装风量、风压传感器，以及监测CO、CO2等气体的专用传感器，在切眼上下隅角、回风流以及专回口等地点安装CH4、CO2、CO 等气体传感器。各传感器通过专用光纤与井下各测点监控分站相连，所有实时监测数据，通过以太网回传至地面监控中心，形成完整的在线监控系统。

3.2 智能化通风设施

3.2.1 可控式百叶窗

在构筑挡风墙上方安装百叶窗是为了能够对过巷风量进行有效微调，将百叶窗与传感器相连接，可以根据传感器采集到的相关数据信息，发布操作指令，利用轴承和滑动杠杆控制百叶窗的旋转角度，从而达到调控挡风墙上方过风量的目的。

由于挡风墙多构筑成直墙半圆拱形状，巷道宽度为4.5 m，巷高3.8 m，巷道下半部直墙段左边布置皮带过风门装置，右边安装自闭式风门。为加强上部半圆拱的支护强度，防止顶帮来压造成风门墙挤压变形，一般采用“二四式”砌块砖墙构建，并在起拱处预埋设2～3 根工字钢，起到承重防变形的作用。上方构筑的可调节式百叶窗，扇叶可控角度为0°～90°，根据供风量的需求，可调节扇叶偏转角度，增大或减小过风量，直至达到需要的计算风量为止。为防止风压过大，造成扇叶偏转后不能固定，影响风量的稳定性，当百叶窗与传感器连接后，在扇叶下方固定安装有半圆形锯齿状限位装置。当扇叶偏转到一定位置，达到调风需求时，可通过限位装置固定扇叶保持偏转角度不变，以确保风量稳定。百叶窗构筑方式如图2。

图2 百叶窗构筑方式（mm）

3.2.2 远程自控式风门

当井下发生瓦斯或者火灾等灾变事故时，需要及时采取措施，调整不同地点的风门开闭状态，促使井下通风系统形成反风状态，或者改变原来风流方向，形成局部的风压等，以此减小灾害事故的影响范围。因此，在矿井井底车场与总回风巷联络巷处安装可远程自控式风门装置极为必要。两道风门分别连接有开闭状态语音报警装置，同时连接风压、风量和风速传感器等，一旦其他地点出现异常，需要采取调风措施，可通过传感器传达指令，远程遥控安装在风门合页上的可伸缩式千斤顶柱塞装置，自动收回千斤顶，实现风门的自动开启，当两道风门同时打开后，便形成总回风巷的反风状态；当灾害风险消除后，地面控制中心发出指令，风门后的千斤顶伸出，将风门顶回原来的关闭状态。当两扇风门彻底关闭后，启闭报警装置警报解除，恢复正常监控状态，以此实现风门的远程自动控制。车场联络巷风门构筑如图3。

图3 车场联络巷风门构筑（mm）

4 应用效果分析

1）在智能化通风构筑物投入之前，采用人工方式进行调风，需要至少2～3 人分工作业，其中两人调控风叶角度，一人随时进行测风计算，当满足风量要求后再对风叶进行固定。每次耗时至少30～40 min，每人出勤工资为270 元/班，需投入人工成本510 元/次。经过智能化改造后，全部实现了自动化调风，通过设定好所需风量，每次调整只需5～10 min 即可完成，极大提高了调风效率。

2）每月因人为监控不到位，造成监测探头误报警最多达到四次。采用智能化调风装置后，未出现过误报警，提高了通风系统的稳定性和可靠性。

5 结论

1）通过对各类传感器的引进使用，利用以太网实现井下各主要采掘地点风门状态和气体检测数据信息的实时监控，并经过光纤上传至地面控制中心，实现自动化监测监控的三级联动。

2）通过自动化传感器采集各种数据信息，便于管理人员及时作出调控，准确控风，降低人工采集风量、风速等信息的误差，提高调风效率和质量。

3）通过可控式百叶窗和远程自控式风门等通风设施，降低人工操作的劳动强度，提高了应对灾害发生时的调风效率，确保了矿井通风系统调节的高效性和稳定性。