許恬

礦井通風(fēng)設(shè)施是礦井通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分，是礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定、合理的重要保障[1-3]。調(diào)節(jié)風(fēng)窗是煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)控制通風(fēng)流量的設(shè)施，通過調(diào)節(jié)風(fēng)窗通風(fēng)面積實現(xiàn)對井下通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量調(diào)節(jié)是最基本的技術(shù)手段[4-5]。目前對風(fēng)窗通風(fēng)面積的調(diào)節(jié)基本是人工操作。手動調(diào)節(jié)過程存在風(fēng)量調(diào)節(jié)精度不高，費時費力的缺陷，尤其多個設(shè)施的同步調(diào)節(jié)，效率低且可靠性和穩(wěn)定性都很差。研發(fā)煤礦井下遠(yuǎn)程定量控制調(diào)節(jié)風(fēng)窗，可有效提升礦井通風(fēng)設(shè)施的管控能力。

1 總體結(jié)構(gòu)

百葉式風(fēng)窗通過窗葉旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)過風(fēng)面積，便于遠(yuǎn)程控制，具有結(jié)構(gòu)緊湊，地形適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點。根據(jù)煤礦井下的環(huán)境要求，選擇百葉式風(fēng)窗作為礦用風(fēng)量定量調(diào)節(jié)風(fēng)窗研發(fā)設(shè)計方案。定量控制百葉式調(diào)節(jié)風(fēng)窗主要包括：風(fēng)窗框架和窗葉、動力傳動裝置、運(yùn)動機(jī)構(gòu)和小門。風(fēng)窗的窗體由若干個百葉構(gòu)成，在氣馬達(dá)旋轉(zhuǎn)力量帶動下實現(xiàn)窗體百葉的旋轉(zhuǎn)，從而改變窗體的過風(fēng)面積。在右側(cè)設(shè)計一個小門，方便人員通行。風(fēng)窗的調(diào)節(jié)由上位機(jī)軟件遠(yuǎn)程發(fā)布命令通過氣動馬達(dá)控制，電控系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議接入井下環(huán)網(wǎng)與上位機(jī)軟件通信，采用礦用防爆電磁閥控制壓縮空氣的接通與關(guān)閉，實現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)窗的遠(yuǎn)程定量控制。風(fēng)窗同時具備手動輪鏈條系統(tǒng)，可就地手動控制調(diào)節(jié)。根據(jù)巷道用途、尺寸、最大過風(fēng)量、風(fēng)壓等條件，經(jīng)過計算確定百頁式調(diào)節(jié)風(fēng)窗有5個活動扇葉。

1.1 風(fēng)窗框架

風(fēng)窗的支撐框架主要由窗扇框和小門門框兩部分組成，各部分由螺栓連接成為一個整體結(jié)構(gòu)，為動力傳動裝置、運(yùn)動機(jī)構(gòu)、小門等器件提供固定安裝載體。窗扇框架由立擋板、上下?lián)醢逋ㄟ^螺栓拼接固定而成。在框架內(nèi)部等間距布置了四道隔板，形成了五個風(fēng)流通道，并在通道內(nèi)安裝5個風(fēng)窗窗葉，通過窗葉角度的變化，改變風(fēng)流通道的過風(fēng)面積(如圖1)。

圖1 風(fēng)窗整體結(jié)構(gòu)

1.2 動力系統(tǒng)

每個調(diào)節(jié)風(fēng)窗配備兩套動力系統(tǒng)：氣動馬達(dá)和手動動力系統(tǒng)。正常工作條件下，以壓縮空氣為動力，使用氣動馬達(dá)進(jìn)行過風(fēng)斷面調(diào)節(jié)；在井下停電、壓縮空氣中斷等異常條件下，使用手動搖把系統(tǒng)應(yīng)急調(diào)節(jié)風(fēng)窗過風(fēng)面積。氣動馬達(dá)是將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能的裝置，其工作介質(zhì)是空氣，氣動馬達(dá)過載時能自動停轉(zhuǎn)，而與供給壓力保持平衡狀態(tài)。手動輪鏈條系統(tǒng)正常情況下?lián)u把處于脫離狀態(tài)，當(dāng)需要應(yīng)急人工調(diào)節(jié)時，插入搖把，搖動搖把實現(xiàn)風(fēng)窗面積的增大或減小，完成手動調(diào)節(jié)面積后，再將搖把拔出。

1.3 風(fēng)窗運(yùn)動機(jī)構(gòu)

風(fēng)窗運(yùn)動機(jī)構(gòu)安裝于支撐結(jié)構(gòu)上，主要由窗扇、連桿和小門三部分組成。風(fēng)窗調(diào)節(jié)過程中，在動力及傳動裝置的作用下，運(yùn)動機(jī)構(gòu)發(fā)生水平直線運(yùn)動或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使得風(fēng)窗過風(fēng)面積發(fā)生變化。

運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程：百葉式調(diào)節(jié)風(fēng)窗每個窗扇的軸與短連桿固定連接，短連桿與長連桿同步鉸接，長連桿在氣馬達(dá)作用下帶動短連桿轉(zhuǎn)動，驅(qū)動窗扇調(diào)節(jié)面積。左圖窗扇處于豎直位置，此時風(fēng)窗處于完全關(guān)閉狀態(tài)，過風(fēng)面積為0；中圖窗扇旋轉(zhuǎn)到45°位置，此時過風(fēng)面積為最大調(diào)節(jié)面積的50%；右圖窗扇處于水平位置，風(fēng)窗處于完全打開狀態(tài)，過風(fēng)面積最大（圖2）。

圖2 風(fēng)窗完全關(guān)閉、打開一半和完全打開三種狀態(tài)示意

小門：為了方便行人，在百葉式調(diào)節(jié)風(fēng)窗右側(cè)設(shè)置了行人小門。小門采用方鋼管焊接構(gòu)成門體框架，外敷1 mm的蒙皮組成。行人小門寬640 mm，高16 000 mm，行人稍稍低頭即可順利通過，在小門上方設(shè)置了330 mm×330 mm鋼化玻璃觀察窗，用于觀察對面風(fēng)窗行人情況。行人小門上方設(shè)置風(fēng)門狀態(tài)傳感器，用于檢測小門是否關(guān)到位，防止漏風(fēng)。當(dāng)小門開啟或者小門未關(guān)到位，語音報警裝置不斷發(fā)出提示：“小門未關(guān)到位，請重新關(guān)小門”，直到小門完全關(guān)閉為止。

2 設(shè)計與控制原理

2.1 過風(fēng)面積控制原理

百葉式調(diào)節(jié)風(fēng)窗窗扇處于豎直位置時風(fēng)窗處于完全關(guān)閉狀態(tài)，過風(fēng)面積為0，隨著活動窗扇的轉(zhuǎn)動，活動窗扇面積與其在豎直面上的投影面積之差就是單個活動窗扇的過風(fēng)面積。活動窗扇的旋轉(zhuǎn)角度可以由旋轉(zhuǎn)編碼器測得，通過讀取旋轉(zhuǎn)角度可算出單個窗扇的過風(fēng)面積，最終換算為風(fēng)窗的過風(fēng)面積。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計原理

控制系統(tǒng)包括地面主機(jī)、控制用電控主機(jī)和外圍傳感器三部分組成。地面主機(jī)作為電控系統(tǒng)服務(wù)器同時接入井下環(huán)網(wǎng)與地面辦公網(wǎng)絡(luò)，地面主機(jī)安裝上位機(jī)軟件，作為井下調(diào)節(jié)風(fēng)窗控制管理平臺，實現(xiàn)對風(fēng)窗的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。井下電控主機(jī)采用礦用隔爆兼本安型電控裝置主機(jī)，采用PLC可編程控制器作為核心設(shè)備，其邏輯控制方式可通過軟件編程來實現(xiàn)，使復(fù)雜的控制邏輯變得簡單。系統(tǒng)通過本安型輸入輸出隔離元件，讀取外部設(shè)備開關(guān)及傳感器信號，并輸出相應(yīng)的控制指令，通過信息交換系統(tǒng)與上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。電控系統(tǒng)外圍傳感器主要有旋轉(zhuǎn)編碼器、開關(guān)量傳感器（行程開關(guān)和接近開關(guān)）、小門狀態(tài)傳感器、氣源壓力傳感器和風(fēng)速傳感器，分別用于檢測風(fēng)窗活動窗扇旋轉(zhuǎn)角度、防止運(yùn)動機(jī)構(gòu)沖出極限位置的風(fēng)窗運(yùn)動機(jī)構(gòu)的極限位置檢測、小門的開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測、壓縮空氣的壓力值和調(diào)節(jié)風(fēng)窗前方巷道風(fēng)速。

3 工作原理

上位機(jī)軟件安裝在地面監(jiān)控機(jī)房，實時監(jiān)測和控制井下調(diào)節(jié)風(fēng)窗的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)風(fēng)窗的調(diào)控設(shè)施作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在井下風(fēng)量調(diào)節(jié)地點，用于實現(xiàn)風(fēng)量調(diào)控。電控系統(tǒng)通過井下環(huán)網(wǎng)和氣路與上位機(jī)軟件和調(diào)節(jié)風(fēng)窗通信聯(lián)通，既向上位機(jī)軟件上傳各傳感器和風(fēng)窗的運(yùn)行狀態(tài)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，又向調(diào)節(jié)風(fēng)窗傳輸上位機(jī)軟件的決策命令，進(jìn)行風(fēng)窗和風(fēng)量的遠(yuǎn)程調(diào)控。風(fēng)量的監(jiān)測是通過監(jiān)測巷道的平均風(fēng)速和斷面積計算所得。由于一個風(fēng)速傳感器只能監(jiān)測一個點的風(fēng)速，而巷道斷面上各個點的風(fēng)速分布不均，為了監(jiān)測整個巷道斷面平均風(fēng)速，需要給定風(fēng)速補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行修正計算平均風(fēng)速，修正系數(shù)是將傳感器監(jiān)測值與人工測得的平均風(fēng)速加以比較確定[6]。

表1 百葉式調(diào)節(jié)風(fēng)窗技術(shù)參數(shù)表

4 應(yīng)用效果

遠(yuǎn)程定量控制調(diào)節(jié)風(fēng)窗在白洞煤礦8112工作面開展了現(xiàn)場應(yīng)用，風(fēng)窗安裝在8112工作面回風(fēng)巷回風(fēng)繞道內(nèi)，用于測量和調(diào)控8112工作面的回風(fēng)量。在8112工作面為備用工作面時安裝調(diào)節(jié)風(fēng)窗，并進(jìn)行了調(diào)節(jié)風(fēng)窗過風(fēng)面積遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)實驗，根據(jù)配風(fēng)需求設(shè)定過風(fēng)面積1.008 m2，利用上位機(jī)軟件直接設(shè)定面積值1.008 m2，調(diào)節(jié)完成后實測面積值1.005 m2，相對誤差0.298%，如圖3。8112工作面由備用轉(zhuǎn)入回采時，需風(fēng)量增大，應(yīng)用上位機(jī)軟件進(jìn)行了百葉式調(diào)節(jié)風(fēng)窗過風(fēng)量調(diào)整，設(shè)定風(fēng)量為1 450 m3/min，調(diào)控完成后，實測8112回風(fēng)繞道風(fēng)量1 490.5 m3/min，相對誤差為2.72%。調(diào)節(jié)風(fēng)窗調(diào)控動作時間均小于10 s。

圖3 調(diào)節(jié)風(fēng)窗監(jiān)測控制對話框

5 結(jié)論

（1）百葉式風(fēng)窗通過氣動馬達(dá)帶動窗葉旋轉(zhuǎn)，由旋轉(zhuǎn)編碼器測得轉(zhuǎn)數(shù)后計算得出風(fēng)窗過風(fēng)面積，實現(xiàn)了對巷道過風(fēng)面積的準(zhǔn)確定量調(diào)節(jié)。

（2）風(fēng)窗調(diào)節(jié)命令由地面上位機(jī)軟件發(fā)布，通過井下電控系統(tǒng)調(diào)控，以壓縮空氣為動力，實現(xiàn)了調(diào)節(jié)風(fēng)窗的遠(yuǎn)程、快速控制，提高了礦井通風(fēng)管理的信息化和自動化技術(shù)水平。