长距离掘进工作面的局部智能通风系统研究

李 刚，程荣涛，王 凯

1同煤大唐塔山煤矿有限公司 山西大同 037000

2中国矿业大学安全工程学院 江苏徐州 221116

随 着现代化进程加快，煤炭能源需求逐渐增加，矿井生产机械化程度不断提高，掘进巷道的距离逐渐增加，长距离掘进时局部供风越来越重要，而掘进巷道的加长也对掘进工作面长距离通风技术有了更高的要求。随着现代科学技术的迅速发展，矿井生产逐步实现机械化、自动化，新型高效智能设备的研发，促使局部通风方法的进步，现急需将煤矿监测监控系统与计算机技术、PLC 控制技术、通风机变频调节等多个领域进行有机结合。针对矿井掘进工作面不同条件下需风量的变化，分析局部通风机智能调节方法，形成现场局部通风自动化管理，实现局部通风的按需供风与按需控风[1-3]，保证通风系统的稳定性和可靠性，保障生产过程中风量调节的迅速、准确、有效，从而实现长距离掘进工作面风量智能调控和联动控制的安全稳定。

1 掘进工作面局部通风风流流场数值模拟

1.1 掘进巷道内部风流状态分析

掘进巷道的局部通风一般采用压入式的通风方法。通过局部通风机连接风筒，将新鲜风流经风筒送入掘进工作面，新鲜风流经风筒射出后，气流会流出风筒，形成末端封闭的有限贴壁射流，当气流到达迎头端面时，开始回流，所以，掘进巷道里的压入式局部通风在本质上就是有限空间里的射流通风问题[4-6]。

对于非圆形断面井巷雷诺数

式中：u为井巷断面上的平均风速，m/s；S为井巷断面的面积，m2；v为空气的运动黏性系数，v＝1.5×10-5m2/s；U为井巷断面的周长，m。

在实际工程计算中，通常以Re＝2 300 当作管道流体运动形态的判断标准。Re≤2 300，流体的运动形态为层流；Re≥2 300，流体的运动形态为紊流。《煤矿安全规程》中规定：掘进巷道井巷允许的最低风速为 0.15 m/s，而大多数井巷断面都大于 2.5 m2，因此多数矿井巷道的风流不会出现层流，掘进巷道中的风流流动状态基本为紊流[7-10]。

1.2 风流流场数值模拟

为了获取长距离掘进巷道中的风流流场分布规律，确定迎头作业空间和机械设备安装位置，分析不同流场区域的风量供需匹配，提高局部通风效果，进而指导局部智能通风系统设计，开展了掘进巷道压入式局部通风数值模拟研究。

1.2.1 几何模型的建立

数值模拟是分析矿井通风的有力工具，为对掘进巷道内通风进行风流场分析，以转龙湾煤 23201 掘进工作面为研究对象，构建几何模型，采用单一压入式通风方式[11]。掘进巷道模型如图1 所示。模拟建立了一个宽为 6 m，高为 4 m 的矩形掘进巷道，巷道长度为 100 m，风筒出口距离掘进巷道迎头 15 m，风筒直径为 1 m，长度为 85 m，风筒距离巷道壁面和顶板距离各 0.1 m，风筒布置于掘进巷道断面的左上方，风筒出口的平均风速为 1 m/s。

图1 掘进巷道模型Fig.1 Model of tunneling roadway

1.2.2 设定边界条件

对掘进巷道模型进行非结构化网格划分，选择的模型尺寸为 0.2 m，生成的模型单元为 1 176 283 个，网格节点为 231 648 个，经过网格无关性验证，网格大小满足计算精度的要求。

将掘进巷道模型设定一个进风入口和一个出口边界，其余区域设定为壁面。掘进巷道中的风流为不可压缩流体，设定风筒出口为入口边界，风筒出口气流流速设定为 1 m/s；掘进巷道的出口是出口边界，设定为自由出流的压力出口；除了风筒出风口，巷道出口断面，其余壁面均设定为壁面边界。

1.3 数值模拟结果分析

根据建立的巷道模型，以及对边界条件的设定，使用 Fluent 软件对独头巷道压入式局部通风流场进行数值模拟计算。掘进巷道的风筒中心截面速度流场矢量如图2 所示。

图2 风筒中心掘进巷道速度矢量Fig.2 Velocity vector of central tunneling roadway for ventilation duct

风筒中心截面速度矢量场充分说明了掘进巷道有限空间贴壁射流的流场运动特征。巷道模型的数值模拟结果显示掘进巷道采用压入式通风时，巷道中存在明显的四大流场区域：附壁射流区、冲击射流区、涡流区及回流区。由于风筒布置在巷道断面的斜上方，射流经风筒射向掘进工作面的过程中，受到巷道壁面的限制，射流到达掘进巷道迎头端面，形成冲击贴附射流。在射流形成贴壁之前，射流中心位于风筒出口中心，经过起始段之后，由于受到有限空间限制及回流的影响，射流未能充分发展，射流体中心转向掘进巷道壁面，形成附壁射流。在回流的过程中，掘进工作面附近会出现涡流，在涡流区的射流风速较小，换气效率较差，涡流的存在会影响掘进巷道内流场流动的稳定性。随着与掘进工作面距离的增大，由于涡流的影响，风速会先减小，后增大，达到最大风速后，随着与风筒出口距离的增加，风速会再次减小，之后风速趋于稳定，风流场呈稳定状态。风流在排风向后运移过程中，没有障碍影响风流场，风流场会充满整个巷道断面，在巷道断面内，风流速度变化较小。

2 局部通风机的变频调控技术研究

2.1 风机变频调控原理

矿井局部通风机变频调风的原理是利用变频技术，将变频调速器附加在局部通风机上，通过改变电动机的定子供电频率来改变局部通风机的转速，从而调节向掘进工作面的供风量。由局部通风机比例定律得知，风机风量与转速成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比[12]，由此可通过控制局部通风机叶片的转速，实现对局部通风机的风量、风压和功率的控制。

2.2 风机变频调控过程分析

根据掘进工作面的局部通风需求，矿井局部智能通风的变频调速系统主要由多传感器组成监控系统、PLC 控制系统、变频调速装置和局部通风机等模块组成，同时整个模块形成“监测—计算—调节—反馈”的闭环控制。局部通风机的变频调节系统如图3 所示。

图3 局部通风机变频调节系统Fig.3 Variable frequency regulation system of local fan

从图3 可以看出，局部通风机变频调节工作流程为：采掘工作面传感器监测各类参数→监测参数信息传递给传感系统→由监测参数计算局部通风机实际吸风量→质量浓度值传递给 PLC 控制中心→变频调速装置调节电源频率→改变局部通风机转速→调节掘进工作面风量→调节信息反馈给 PLC 控制中心→由传感参数修正下一步供风量→变频控制系统再次调节供电频率。

3 局部智能通风技术

3.1 23201 掘进工作面通风供需匹配分析

转龙湾煤矿 23201 回风顺槽为 232 采区必须掘进的一条独头巷道，23201 掘进巷道长度达 4 000 m，巷道截面尺寸为 5.6 m×3.6 m，巷道断面积Sb＝20.16 m2，矿井是低瓦斯矿井，甲烷含量为 0～0.5 m3/t，平均含量为 0.012～0.160 m3/t，23201 掘进工作面绝对瓦斯涌出量qb＝0.203 m3/s。工作面需风量计算如下。

(1) 按瓦斯涌出量计算工作面需风量[13]

(2) 按掘进工作面的工作人数N计算需风量

(3) 按巷道最低风速进行验算需风量

考虑到局部通风机供风过程中的漏风情况，巷道风筒的百米漏风率取值为K100＝1%，风筒风量效率

局部通风机的实际吸风量

但是在 4 000 m 超长巷道的掘进过程中，可能因为管理不善，导致风筒的局部漏风量增加，因此需增加一个局部漏风系数α=1.35，所以最终风机的供风量

风机风压的计算公式

式中：Ht为局部通风机全风压，Pa；Rf为压入式风筒的总风阻，N·S2/m；Qa为风机工作风量，m3/min；Qh为工作面所需风量，m3/min；hv0为风筒出口动压损失，Pa。计算可得风机全风压Ht＝4 139.7 Pa。

通过长距离掘进巷道局部通风技术的比较，结合转龙湾 23201 掘进巷道的通风距离、地质条件、经济效益等情况，对比筛选出 FBDNo8.0/2 矿用隔爆压入式对旋轴流局部通风机，并选择可以通过变频调速装置调节风机转速的单巷单风机压入式局部通风技术[14-15]。该型号的局部通风机额定功率为 2×75 kW，风量为 1 000～6 000 m3/min，全风压为 1 280～8 000 Pa，局部通风机各项参数能满足 23201 巷道的掘进通风，对应的风筒直径选用 1 000 mm，节长为10 m。

3.2 长距离掘进工作面局部通风参数测定

为了精确得到转龙湾煤矿 23201 掘进工作面局部通风过程中的风筒漏风率以及百米风阻，对转龙湾煤矿掘进工作面的风筒风量进行了现场测试。23201掘进巷道的风筒供风距离为 3 600 m，风筒节长 10 m，测试过程中选择 200 m 间隔测定一次，其中 2 472～2 772 m 处安装的有拉链式快速连接风筒。测定仪器选择 JFY-4 通风多参数检测仪，通过检测仪测定并计算各检测点的多项通风参数。23201 掘进巷道的通风参数测试数据如表1 所列。

表1 掘进工作面的通风参数测试数据Tab.1 Test data of tunneling working face

根据风筒风量计算值可算出风筒的百米漏风率，取其算术平均值，可得 23201 掘进巷道的平均百米漏风率K均＝0.011 590。同理，根据巷道风阻计算公式可得，23201 掘进巷道的平均百米风阻R100＝1.901 383 614。

从测量数据表中可以看出，掘进巷道风筒风量随着送风距离的增加逐渐减小，在风筒初始的前 800 m，风量减小速度较小，到 800 m 以后，风量减小得比较快，整个掘进巷道的百米漏风率达到了 1.2%。但在 2 472～2 772 m 处，由于使用了拉链式快速连接风筒，风筒漏风量明显减小。因此加强风筒的日常管理，采用新型密封材料风筒，接口处使用拉链快速连接，能够有效地减少风筒漏风量，降低送风过程中的风量损失。

3.3 矿井局部智能通风系统

3.3.1 局部智能通风系统组成

转龙湾煤矿智能局部通风系统由 FBD 系列矿用隔爆型压入式轴流局部通风机、智能控制开关、机械自动分风器、井下动态显示与触摸屏控制等单元组成。系统采用基于 PLC 变频控制的智能开关，实现局部通风机远程调节。系统组成如图4 所示。

图4 矿井局部智能通风系统Fig.4 Local intelligent ventilation system for mine

转龙湾煤矿的局部智能通风是根据《煤矿安全规程》的相关规定，通过井下传感系统监测与采集相关参数，通过控制台的人机界面显示面板实时监控局部通风机的工作风量、风压、供电频率和电动机温度，通过工业以太网通信系统传输给地面监控中心，实现井下所有掘进工作面通风状态的远程实时监测与预警分析，并以瓦斯浓度作为主要风速调节参数，变频调节局部通风机的转速，实现对掘进工作面需风量的自动调节，安全高效地排出巷道瓦斯，智能局部通风系统与监控系统兼容，系统安全可靠[16-18]。矿井局部通风机远程智能调控系统界面如图5 所示。

图5 矿井局部通风机远程智能调控系统界面Fig.5 Remote intelligent control system interface for local fan in mine

3.3.2 局部通风系统工作状态

(1) 正常通风状态 在 23201 掘进巷道迎头和回风流中瓦斯浓度不超过规定值时，矿井局部通风系统进入正常的自动通风状态。由掘进巷道中有害气体浓度、粉尘质量浓度、温度等参数综合调控局部通风机转速，并以瓦斯浓度信号作为监测预警值。

为了减少局部通风机变频系统的调节频次，提高局部通风系统的稳定性，转龙湾煤矿采用阈值反馈调节。转龙湾煤矿 23201 掘进工作面局部智能通风，各项监测参数的控制逻辑、参数调节阈值、变频调节方式如表2 所列。

表2 掘进工作面智能通风控制逻辑分析Tab.2 Logic analysis of intelligent ventilation control for tunneling working face

当掘进巷道瓦斯浓度异常时，如监测到的瓦斯浓度超限，局部通风系统开始警报预警，掘进巷道开始稀释瓦斯。当掘进巷道的瓦斯浓度超过 1.5% 时，掘进巷道内非本质安全电源自动断电，局部智能通风系统进入排瓦斯状态。

(2) 排瓦斯状态 当掘进巷道内的瓦斯浓度超过设定阈值时，矿井局部通风系统的通风任务由提供掘进工作面的需风量转化为高效地排出巷道瓦斯气体。排瓦斯状态主要由回风巷的瓦斯浓度传感器监测瓦斯浓度并对局部通风机进行变频调节。

4 结论

通过研究长距离掘进工作面的局部智能通风系统，为长距离掘进巷道的局部通风提供了参考。通过矿井局部智能通风系统的自动化控制，对掘进巷道的瓦斯浓度、温度、风速、粉尘质量浓度等参数实时监测。根据通风需求，智能控制局部通风系统的工作状态，实现对掘进工作面通风按需供风、自动调节、监测预警。

(1) 综合射流通风和计算流体力学等理论知识研究了掘进巷道中的压入式局部通风问题，通过使用Fluent 软件对射流通风进行了数值模拟计算。模拟结果说明了压入式通风方式下掘进巷道流场可分为附壁射流区、冲击射流区、涡流区和回流区。风流从风筒射流进入掘进巷道，在风筒出口处形成贴壁射流，射流到达掘进巷道迎头端面后冲击掘进工作面并产生回流，而在回流的过程中受到高速气流的卷吸形成涡流区，而涡流区的换气效率较低，通风效果较差，需要加强对涡流区通风除尘。

(2) 基于变频调节原理，通过变频调节装置改变局部通风机的供电频率，实现对掘进工作的按需供风。矿井局部智能通风的变频调速系统由传感系统、PLC 控制系统、变频调速装置、局部通风机等模块组成，传感系统监测参数，PLC 控制系统计算风量，通过变频调速装置调节通风机的供电频率，改变局部通风机的转速，整个系统形成“监测—计算—调节—反馈”的闭环控制，能够根据监测参数信息实现对风量的动态调控。

(3) 结合转龙湾煤矿 23201 掘进工作面的局部智能通风技术，建立局部通风机与迎头风量的联动控制，根据传感参数确定迎头需风量，计算风机供风量，从而控制中心变频调节局部通风机频率改变局部通风机转速，同时建立掘进巷道风量-频率的对应关系，实现根据需风量快速准确调节局部通风机的运行频率，保障掘进工作的安全与通风系统的稳定。