邢呈呈

(1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

煤礦智能化建設(shè)規(guī)劃中，以王國(guó)法院士[1-2]等人提出的智能化礦山建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系框架與建設(shè)思路為基礎(chǔ)，中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)批準(zhǔn)的《智能化煤礦(井工)分類(lèi)、分級(jí)技術(shù)條件與評(píng)價(jià)》、《智能化采煤工作面分類(lèi)、分級(jí)技術(shù)條件與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)[3-4]中，按照智能化工作面生產(chǎn)系統(tǒng)和智能化工作面輔助生產(chǎn)系統(tǒng)分11個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，智能通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)屬于重要的輔助系統(tǒng)之一。智能通風(fēng)部分對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)感知、通風(fēng)設(shè)備感知控制、智能通風(fēng)軟件系統(tǒng)等三方面做出了提升要求。而煤礦通風(fēng)發(fā)展現(xiàn)狀方面，現(xiàn)階段主要依靠人工和半人工的管理方式[5-6]，通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化水平較低，與煤礦智能化建設(shè)要求差距較大。

掘進(jìn)工作面通風(fēng)利用局部通風(fēng)機(jī)作動(dòng)力，通過(guò)風(fēng)筒導(dǎo)風(fēng)的通風(fēng)方法利用壓入、抽出式或者二者混合的方式實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)，一般按照甲烷、粉塵等排出所需并考慮最小需風(fēng)量綜合設(shè)計(jì)通風(fēng)量。在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，對(duì)于沒(méi)有變頻控制的局部通風(fēng)機(jī)，選定通風(fēng)機(jī)后，一般不調(diào)整通風(fēng)機(jī)動(dòng)力或者人工更換通風(fēng)機(jī)改變通風(fēng)動(dòng)力[7-9]。對(duì)于能夠變頻控制的局部通風(fēng)機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)有經(jīng)驗(yàn)的人員按照自身經(jīng)驗(yàn)不定期地對(duì)局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)動(dòng)力進(jìn)行調(diào)整。但是以上兩種調(diào)整方式的共同點(diǎn)都是依靠人工經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷掘進(jìn)工作面需風(fēng)量，人為改變局部通風(fēng)動(dòng)力的狀況，沒(méi)有與現(xiàn)場(chǎng)甲烷、風(fēng)速等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。所以說(shuō)局部通風(fēng)調(diào)節(jié)缺乏對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需風(fēng)量分析，無(wú)法實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)或者智能控制。本文將以掘進(jìn)工作面通風(fēng)為依托，就掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)機(jī)控制方法及控制策略進(jìn)行分析探討。

1 局部通風(fēng)機(jī)控制方法

要實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面通風(fēng)機(jī)自動(dòng)或者智能控制，需要從掘進(jìn)面通風(fēng)相關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)、通風(fēng)機(jī)可調(diào)節(jié)性和控制器三方面進(jìn)行保障。通風(fēng)相關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)包括掘進(jìn)巷道甲烷、一氧化碳、風(fēng)速和掘進(jìn)面工作人員數(shù)量等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，局部通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)一般通過(guò)變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制通風(fēng)機(jī)交流電動(dòng)機(jī)[10-11]。

在控制器選擇方面，存在兩種控制方式，第一種是采用相對(duì)獨(dú)立的可編程邏輯控制器PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶(hù)的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程[12]。能夠通過(guò)監(jiān)測(cè)分站實(shí)現(xiàn)通風(fēng)相關(guān)參數(shù)的采集，按照控制策略分析后向變頻器發(fā)送控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)控制。這種方法不要求局扇控制裝置接入煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，可移植性好，適合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)炔捎貌煌瑥S家產(chǎn)品的煤礦現(xiàn)場(chǎng)選用。已經(jīng)部署通風(fēng)系統(tǒng)平臺(tái)的煤礦現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)需增加PLC控制柜，可通過(guò)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的方式實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)機(jī)控制?；A(chǔ)數(shù)據(jù)采集由安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，通風(fēng)系統(tǒng)地面決策模塊完成控制邏輯分析，通過(guò)系統(tǒng)分站下發(fā)控制指令給局部通風(fēng)機(jī)配套的變頻器。其優(yōu)點(diǎn)是局部通風(fēng)機(jī)自動(dòng)、智能控制實(shí)現(xiàn)方便簡(jiǎn)單，但是要求煤礦現(xiàn)場(chǎng)有較完整的安全和通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)。兩種控制方案邏輯如圖1所示。

(a) 方案一

(b) 方案二

從圖中可知，根據(jù)不同的煤礦現(xiàn)場(chǎng)選用適用的局部通風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)控制方案，其控制策略包含對(duì)甲烷涌出、粉塵濃度、掘進(jìn)巷道風(fēng)速和人員位置等數(shù)據(jù)的綜合分析，對(duì)風(fēng)速的控制同時(shí)要滿(mǎn)足《煤礦安全規(guī)程》[13]等行業(yè)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)掘進(jìn)工作面通風(fēng)的要求。

2 局部通風(fēng)機(jī)控制策略

局部通風(fēng)機(jī)控制首先要滿(mǎn)足相關(guān)法規(guī)對(duì)掘進(jìn)工作面通風(fēng)的基本要求，在風(fēng)速方面要求巖巷掘進(jìn)風(fēng)速不得小于0.15 m/s，煤巷或半巖巷掘進(jìn)不得小于0.25 m/s，最大風(fēng)速不得高于4.00 m/s；按照工作面工作人數(shù)要求,每人供給風(fēng)量不得少于4 m3/mm；按照氣體濃度要求“掘進(jìn)工作面風(fēng)排甲烷濃度不得超過(guò)1.00%，一氧化碳濃度不得超過(guò)24×10-6。在此基礎(chǔ)和前提下，本文討論基于甲烷、風(fēng)速、一氧化碳和人員供風(fēng)需求的局部通風(fēng)機(jī)調(diào)控策略。需要說(shuō)明的是，文中提出的通風(fēng)動(dòng)力增加或者下調(diào)均按照每次10%的幅度進(jìn)行調(diào)整。

1) 基于風(fēng)速的調(diào)風(fēng)策略?；陲L(fēng)速監(jiān)測(cè)的調(diào)風(fēng)策略相對(duì)簡(jiǎn)單，當(dāng)風(fēng)速小于0.15 m/s(巖巷)或者0.25 m/s(煤巷或半巖巷)時(shí)，增加通風(fēng)動(dòng)力;當(dāng)風(fēng)速大于4.0 m/s時(shí)減少通風(fēng)動(dòng)力。

2) 基于作業(yè)人員數(shù)量的調(diào)風(fēng)策略?；谧鳂I(yè)人員數(shù)量監(jiān)測(cè)的調(diào)風(fēng)策略只對(duì)調(diào)控下限進(jìn)行控制，即當(dāng)供風(fēng)量小于每人4 m3/min時(shí)，增加通風(fēng)動(dòng)力，其調(diào)控表現(xiàn)在對(duì)風(fēng)速的調(diào)整上，當(dāng)前工作面工作人數(shù)為N時(shí)，最小風(fēng)速vN計(jì)算方式如式(1)所示。

vN=N/(15×Sv)

(1)

式中:vN為依據(jù)人員數(shù)量可調(diào)節(jié)的最小風(fēng)速，m/s;N為當(dāng)前掘進(jìn)面作業(yè)人數(shù);Sv為當(dāng)前風(fēng)速傳感器位置對(duì)應(yīng)的巷道斷面面積，m2。

3) 基于一氧化碳濃度的調(diào)風(fēng)策略?；谝谎趸紳舛鹊恼{(diào)風(fēng)策略只對(duì)調(diào)控下限進(jìn)行控制，即當(dāng)一氧化碳濃度超過(guò)24×10-6時(shí)，增加通風(fēng)動(dòng)力。一氧化碳濃度不作為局部通風(fēng)機(jī)動(dòng)力下調(diào)的參考依據(jù)，即不隨著一氧化碳濃度降低而下調(diào)通風(fēng)動(dòng)力。

4) 基于甲烷涌出的調(diào)風(fēng)策略。甲烷作為煤礦安全最主要的監(jiān)測(cè)參數(shù)之一，常常涉及到超限報(bào)警、風(fēng)電閉鎖等。如果不能超前對(duì)超限和斷電濃度進(jìn)行控制，不但會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，還會(huì)造成極大的安全隱患，因此本文提出基于甲烷涌出分析的超前調(diào)風(fēng)策略。這種超前調(diào)控從兩方面來(lái)體現(xiàn)，第一是對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值得超前調(diào)控，對(duì)1.00%甲烷報(bào)警限流出提前量，無(wú)需等待甲烷濃度達(dá)到1.00%后再增加通風(fēng)動(dòng)力，提前到當(dāng)甲烷濃度達(dá)到0.80%時(shí)(視現(xiàn)場(chǎng)管理要求可以調(diào)整設(shè)定濃度值)，即可啟動(dòng)變頻控制，增加通風(fēng)動(dòng)力，防止甲烷濃度超限。當(dāng)風(fēng)量增加甲烷濃度下降到某一設(shè)定值后，變頻器將逐步下調(diào)通風(fēng)動(dòng)力，在甲烷濃度達(dá)到該定值后保持通風(fēng)動(dòng)力穩(wěn)定，這個(gè)臨界門(mén)限濃度值一般需要現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定，用CT來(lái)表示。

如上所述，在滿(mǎn)足各項(xiàng)要求后，甲烷濃度低于某一設(shè)定值即可下調(diào)通風(fēng)動(dòng)力，該門(mén)限值CT由現(xiàn)場(chǎng)按照經(jīng)驗(yàn)和預(yù)期來(lái)確定，比如按照0.20%或者0.30%來(lái)設(shè)定，當(dāng)濃度小于設(shè)定值時(shí),下調(diào)局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)動(dòng)力，通風(fēng)動(dòng)力調(diào)整下限對(duì)應(yīng)風(fēng)速應(yīng)按照式(2)計(jì)算:

vT=Q1/(60×Sv×CT)

(2)

式中:vT為設(shè)定的可調(diào)節(jié)最小風(fēng)速，m/s，Q1為當(dāng)前甲烷涌出量，m3/min;Sv為當(dāng)前風(fēng)速傳感器位置對(duì)應(yīng)的巷道斷面面積，m2;CT代表設(shè)定的甲烷預(yù)期濃度值。

另一方面，通過(guò)對(duì)甲烷濃度時(shí)間序列分析，超前預(yù)測(cè)甲烷涌出峰值，確保甲烷涌出峰值不超限。掘進(jìn)工作面甲烷涌出量的變化往往是伴隨生產(chǎn)工序交替變化的，當(dāng)發(fā)生掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，甲烷涌出會(huì)出現(xiàn)峰值[12]。局部通風(fēng)機(jī)在變頻調(diào)節(jié)中，當(dāng)滿(mǎn)足風(fēng)速、人員需風(fēng)、一氧化碳排放等要求后，從經(jīng)濟(jì)和實(shí)用考慮，可以按照甲烷濃度趨勢(shì)下調(diào)通風(fēng)動(dòng)力。為了防止掘進(jìn)作業(yè)時(shí)甲烷集中涌出而產(chǎn)生超限問(wèn)題，本文提出以最近3天的甲烷涌出量峰值來(lái)確定局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)動(dòng)力下限的方法，要求最小通風(fēng)動(dòng)力能夠滿(mǎn)足按照最大甲烷涌出量甲烷濃度不超過(guò)1.0%的要求來(lái)確定掘進(jìn)巷道等速控制下限，超前預(yù)控甲烷濃度超限。其控制方案需要結(jié)合風(fēng)速傳感器和斷面面積來(lái)綜合計(jì)算，當(dāng)前風(fēng)速最小值計(jì)算公式如式(3)所示。

vmin=5Qmax/3Sv

(3)

式中:vmin為當(dāng)前可接受的最小風(fēng)速，m/s;Qmax為3天內(nèi)甲烷涌出量最大值，m3/min;Sv代表當(dāng)前風(fēng)速傳感器位置對(duì)應(yīng)的巷道斷面面積，m2。局部通風(fēng)機(jī)調(diào)控預(yù)期風(fēng)速下限應(yīng)選擇Vmin與VT之間較大值為最小調(diào)控風(fēng)速。這樣就能滿(mǎn)足掘進(jìn)作業(yè)時(shí)甲烷集中涌出而產(chǎn)生超限問(wèn)題，對(duì)局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了超前調(diào)控。綜合風(fēng)速、一氧化碳、人員和甲烷，局部通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)流程如圖2所示。

從圖2中可知，當(dāng)無(wú)法通過(guò)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)滿(mǎn)足人員、規(guī)程或者氣體排放需求的時(shí)候，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出告警。PLC控制柜采用I/O口分配的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中甲烷、風(fēng)速和一氧化碳等模擬量數(shù)據(jù)用1～5 mA或200～1 000 Hz頻率型輸出形式，經(jīng)過(guò)本安信號(hào)隔離，全部轉(zhuǎn)換成4～20 mA信號(hào)，進(jìn)入PLC的模擬量輸入模塊，用于檢測(cè)實(shí)時(shí)濃度。PLC輸出0～20 mA電流給變頻器機(jī)芯的主控板，實(shí)現(xiàn)0～50 Hz的輸出頻率調(diào)節(jié)。

3 應(yīng)用案例

以山西某高瓦斯礦井掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)控制為例，對(duì)局部通風(fēng)機(jī)控制方法和策略進(jìn)行說(shuō)明?，F(xiàn)場(chǎng)采用FBD No11.2型號(hào)礦用隔爆壓入式對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)，額定功率2×75 kW，供電電壓660 V。該掘進(jìn)工作面煤層甲烷含量較高，煤壁甲烷涌出較少，落煤甲烷涌出量大，風(fēng)速控制在0.30 m/s時(shí)，非生產(chǎn)階段甲烷濃度大約在0.20%附近。如果不增加風(fēng)機(jī)供風(fēng)量，掘進(jìn)作業(yè)落煤時(shí)甲烷濃度會(huì)迅速上升，常常達(dá)到0.90%以上，有時(shí)候甚至?xí)_(dá)到報(bào)警線。作為高瓦斯礦井為了加強(qiáng)瓦斯災(zāi)害管理，將甲烷濃度超過(guò)0.80%就當(dāng)作隱患來(lái)管理，所以低風(fēng)速帶來(lái)的高濃度甲烷排放給現(xiàn)場(chǎng)管理帶來(lái)了一定的困擾。在沒(méi)有安裝局扇控制裝置之前現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)人工調(diào)高通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到1.00 m/s左右時(shí)候，落煤時(shí)甲烷濃度能夠控制在0.60%以下，但是在大多數(shù)非落煤作業(yè)時(shí)間段，造成了大量的通風(fēng)動(dòng)力浪費(fèi)。現(xiàn)場(chǎng)期望能夠通過(guò)變頻控制實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)落煤時(shí)間段甲烷不超限，非落煤時(shí)間段通風(fēng)動(dòng)力不浪費(fèi)的問(wèn)題。

圖2 局部通風(fēng)機(jī)調(diào)控策略流程

為了實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)機(jī)變頻控制，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采選了本文第1節(jié)提出的第一種控制方案，配套選用BPB-185/660F風(fēng)機(jī)用隔爆型變頻器和KXJ-800PLC控制柜，為了減少現(xiàn)場(chǎng)傳感器布置數(shù)量，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換從安全監(jiān)控綜合分站獲取風(fēng)速、甲烷、一氧化碳和區(qū)域人員數(shù)量等數(shù)據(jù)，組成了局部通風(fēng)機(jī)控制裝置?？紤]現(xiàn)場(chǎng)人員需風(fēng)、一氧化碳排放和甲烷排放等因素，協(xié)商后確定當(dāng)甲烷濃度大于0.64%時(shí)就啟動(dòng)變頻控制上調(diào)通風(fēng)動(dòng)力，當(dāng)甲烷濃度小于0.25%時(shí)下調(diào)通風(fēng)動(dòng)力。對(duì)3 d的最大甲烷涌出量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，實(shí)時(shí)計(jì)算最小風(fēng)速值為0.50 m/s,即當(dāng)風(fēng)速不小于0.50 m/s過(guò)去3 d的甲烷涌出情況不會(huì)導(dǎo)致甲烷濃度超限，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和計(jì)算方式對(duì)某0點(diǎn)班8 h掘進(jìn)甲烷涌出情況進(jìn)行對(duì)比，分別對(duì)0.30 m/s、1.00 m/s和變頻控制后變風(fēng)速條件下甲烷涌出濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)采用變頻風(fēng)機(jī)控制裝置時(shí)，甲烷涌出濃度得到了很好的控制，最大值0.65%，最小值0.18%，比原先0.30 m/s通風(fēng)時(shí)甲烷濃度控制效果更好，不會(huì)使得甲烷濃度突破0.80%的現(xiàn)場(chǎng)關(guān)注門(mén)限值。為了更好地說(shuō)明變頻控制的效果，對(duì)480 min內(nèi)掘進(jìn)工作面風(fēng)速值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖4所示。

圖3 不同條件風(fēng)速甲烷涌出濃度曲線

圖4 變頻控制下掘進(jìn)巷道風(fēng)速曲線

如圖4所示，采用變頻風(fēng)機(jī)控制裝置時(shí)，掘進(jìn)工作面風(fēng)速最小值為0.50 m/s，最大值為0.80 m/s，在控制甲烷濃度的情況下比原先采用1.00 m/s風(fēng)速時(shí)節(jié)約了通風(fēng)動(dòng)力。

4 結(jié)論

本文從礦井掘進(jìn)工作面通風(fēng)管理現(xiàn)狀入手，指出現(xiàn)有掘進(jìn)面局部通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)是依靠人工經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷，人為改變局部通風(fēng)動(dòng)力，沒(méi)有與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。針對(duì)這些問(wèn)題,提出了局部通風(fēng)機(jī)控制應(yīng)該與現(xiàn)場(chǎng)甲烷、一氧化碳、風(fēng)速和區(qū)域作業(yè)人員進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析控制的問(wèn)題。根據(jù)煤礦現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，提出了依靠PLC控制柜和通風(fēng)系統(tǒng)控制兩種實(shí)時(shí)控制方案，分析了兩種方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)景。

提出了基于規(guī)程規(guī)定、人員需風(fēng)、一氧化碳排放和甲烷排放的掘進(jìn)工作面實(shí)時(shí)控制策略，梳理了完整的控制流程。以山西某高瓦斯礦井掘進(jìn)工作面通風(fēng)控制為例，說(shuō)明了基于該策略控制下的掘進(jìn)工作面相比較原有人工調(diào)風(fēng)的優(yōu)勢(shì)。采用變頻風(fēng)機(jī)控制裝置時(shí)，掘進(jìn)工作面風(fēng)速最小值為0.50 m/s，最大值為0.80 m/s，相比原有0.30 m/s風(fēng)速時(shí)大大降低了甲烷超限風(fēng)險(xiǎn)，甲烷濃度最大值不超過(guò)0.80%。在控制甲烷濃度不超過(guò)0.80%的情況下比原先采用1.00 m/s風(fēng)速時(shí)節(jié)約了通風(fēng)動(dòng)力,既保障了甲烷安全排放，又節(jié)約了局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)動(dòng)力。