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煤矿智能局部通风系统的设计及应用

2023-12-06 59 上传者：管理员

摘要：伴随煤矿矿井深度的逐渐扩大，采掘工作面通风难度加大，通风环境实时监测愈加重要。智能局部通风系统具备实时收集的通风参数的功能，既能有效降低安全事故发生概率，为科学决策提供可靠的数据支撑，又能为今后煤矿企业提高通风系统智能化水平打下基础。

关键词：
应用研究
智能局部通风
有害气体
煤矿
系统设计
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煤炭自身存在较多的孔隙，因此在煤矿的生产中极易产生CH4等有害气体，这些气体对工作人员的身体安全构成较大的威胁，所以，煤矿通风系统在煤矿的生产中有极其重要的意义。

矿井下通风系统自动化、数字化发展的速度较慢，主要需要人工干预调节，这导致工作效率低下，控制的策略较简单，难以达到良好的通风效果，所以要有一套智能的通风控制系统，对矿井下的环境进行实时的监测，根据监测的数据适时改变调风策略，促进煤炭生产安全运行。

1、煤矿通风系统存在的问题

1.1 通风效率低

随着煤炭开采不断的深入，矿山空带越来越多。煤矿通风系统的风力控制主要由基础性的通风设备、电力行业、道路等构成，风力的大小、强度、方向都可灵活的控制，以保障矿井内空气充足，确保空气流通。但是由于我国煤矿开采时间较长，许多隧道已经用完，空隧道的存在会加大通风的工作量，并且还会造成一定程度的资源浪费[1]。

1.2 通风系统有待完善

通风系统的完整性、科学性很大程度决定矿井的通风质量，其对通风质量的影响程度仅次于通风设备。通风系统包括优质的通风设备和智能化技术，矿井下的环境极其不稳定，通风管理人员需要根据矿井下的实际情况制定合理的风向控制系统，促使通风系统能够起到良好的作用，保障工作人员的生命安全，促使矿井内的瓦斯、粉尘等有害气体及时排除。但是，在实际的工作中存在通风系统不完善的情况，工作人员在开展通风工作时很难根据现场的环境做出科学的判断，导致通风系统的实际效果大打折扣[2]。

1.3 风量不足

风量是保障通风系统效果的基础，在部分矿井中会存在风量不足的情况，造成这种情况的主要原因是工作人员尚未根据矿井内的实际情况做出科学的预判，导致通风量和矿井内实际需要的风量相差较大，通风效果较差[3]。通风量不足极易导致矿井中的瓦斯、粉尘浓度超标，给煤炭生产带来较大的安全隐患。

部分矿井存在漏风的情况，即使供应充足的风量，由于矿井内的紧密性不强造成漏风，对于这种情况，工作人员应该及时观察矿井内的紧密性，及时发现漏风点，并且采取有效的应对措施。

2、智能局部通风系统的设计构成

2.1 智能局部通风系统概述

智能局部通风系统由矿用对旋压入式局部通风机、变频速装置、甲烷传感器、风速传感器等构成。智能局部通风系统是通过控制巷道内的瓦斯浓度以及风速为目标，以局部通风机为被控制对象，智能开关为控制器，变频器为执行器组成的闭环调速控制系统，系统对局部风机的转速进行实时的监控，实现实时的预警监控，达到按需供风，促进节能减排[4]。

系统以智能开关为控制器，切换、闭锁等开关量的信号，与变频器实行实时的通讯，并且对变频器发出的指令以及提供的参数进行收集整理，PLC为中央控制器，对输出的信号进行采集并分析，并且实时的显示出系统工作的各种状态，对系统的数据进行配备，将数据和状态通过环网传到地面控制室，具体控制如图1所示[5]。

图1 智能通风系统

变频器是通风系统中的核心部分，为了能够有效解决变频器在矿井下运行时产生的电磁污染等问题，需要对变频器输入端的非线性器件整流引起的谐波失真和变频器输出端的电磁噪声产生的机理做全面的分析研究，通过抑制谐波电压、电流等达到理想的效果。变频器的设计中最大的困难就是变频器的散热问题，采用的散热方式有水冷式和空气冷却的方式，水冷式变频器的体积较为庞大，但是空气冷却式变频器的容易集中大量的粉尘，会一定程度造成散热功能变差，并且集结的粉尘难以清理。

2.2 矿井下智能通风系统设计

2.2.1 建立基础风量数据模型

通风环境的参数为通风合理控制提供科学的参考，监测的内容主要包括风量、风速、风压、风向等，其中风压参数的监测难度较大，受外界影响也较大，测量的结果和实际结果有可能会存在一定的误差，这是不可避免的。所以在通风系统的监测中会选择风量监测作为核心的监测目标，根据风量监测的数据参数计算出风压。在矿井的智能通风系统中，风量的监测数据是最精确的，参数的准确性能够直接影响通风的效果，也会影响整个系统的安全运行。

传统的通风系统中风量数据的采集需要工作人员进行整理汇总，在这个过程中会由于个人的疏忽造成数据误差，并且对工作人员的专业性要求较高，不仅需要对地下隧道的结构充分了解，还要对风机的布置位置和方向有足够全面的掌握，需要有较强的计算能力，根据所提供有限的风量参数计算出风压、风速等。

智能通风系统能够通过风量的监测建立数据模型，并且实现实时监测风速、风压等，自动化完成数据的采集，并且根据模型规律进行相应的分析处理，极大程度减轻人工的压力，并且提高数据的准确性，为煤炭产业的健康运行奠定基础。

2.2.2 设计通风软件

智能通风系统包含数据分析，以及逻辑控制软件，其主要分为数据层、服务层、应用层。数据层和服务层与数据类型和格式交互，实现静态计算分析、风量逻辑分析、风量数据警告、漏风指数计算、控制分析等功能[6]。应用层主要是负责数据的传输和业务的提供，智能通风系统可以建立矿山的3D模型和可编辑的通风系统。

2.2.3 综合管控平台系统

综合管控平台硬件集控系统是由计算机监控系统、通信网络、现场控制以及集中控制室的安全系统组成的，中控室配置有中控电脑，可以进行毫秒级的切换，有效提高监控的可靠性和安全性。集中控制计算机利用多块网卡连接到办公网络，上位机可以进行网络发布。

2.2.4 系统显示界面的设计

为了能够将系统监测的各项数据进行直观的展示，可进行远程的操作控制，利用上位机软件，实现智能通风系统现实界面的设计。现实界面分为功能菜单、数据的曲线对比图、节点的状态等；功能菜单的部分包含节点标志、时间等信息，具有存储数据、历史数据可查等功能，显示当前的时间以及功能分区的运行状态；数据曲线可以看出特定时间段内各项数据的变化动态，对隧道内的风速、风量、风压等数据进行实时的监测。

地面系统中应该配备不间断电源和高清电子屏幕显示系统，有效提高系统的稳定性和安全性，促进煤炭产业平稳运行[7]。

3、煤矿智能局部通风系统的功能及应用

3.1 风电闭锁功能

当智能开关发生故障时应该停止风量输送，电磁启动器会停机，并且输出控制信号断开，将馈电控制的掘进工作面动力电源断电，实现风电闭锁功能。当变频器发生故障时，智能开关还能够针对变频器短路、过压等进行保护，对变频器的故障进行显示和复位。

3.2 断电自动切换的功能

当主、备电气启动器都合上电源，并且按下电源启动键的按钮，主电磁器才会正常开始运行，倘若主电磁启动器发生故障，备用的电磁启动器在延迟10～20s后进行自动的切换运行，等主电磁启动器恢复状态后，备用电磁启动器需要人工停用，主电磁启动器在备用电磁启动器停止后的10～20s自动切换运行[8]。

3.3 系统自动调节风速功能

当系统出现故障或者隧道内的瓦斯等有害气体超过标准时，连接的声光报警装置会自动启动，并且发出报警信息，提醒工作人员。其工作的原理是PLC通过传感器监测到瓦斯的含量，当含量超出安全范围后变频器出现故障，系统会通过信号接通声光报警器，从而发出预警信息，提醒工作人员应该引起注意，必须及时采取积极的应对措施。

系统根据现场的瓦斯传感器所监测的瓦斯含量，从而进行自动的风量调节控制。除此之外还有手动调节风速的功能，可以通过变频器显示或者启动器的显示界面设置输出的频率参数，实现手动控制风量的目标[9]。

3.4 瓦斯电闭锁功能

当系统主电磁启动器开始运行，瓦斯传感器数据低于闭锁值时，掘进工作面动力有电，这时备用电磁启动器的真空接触器断开，备用电磁启动器处于断电的状态；当瓦斯传感器的数值高于闭锁值时，系统会自动输出节点断开，动力电源也会断电，进而实现瓦斯电闭锁功能。

3.5 注意事项

煤炭产业的生产过程具有较强的危险性，应该建立健全的安全管理制度，保障工人生命安全的同时，促进生产。

第一，应明确部门的权责，对现有的规章制度进行优化升级，并且加强管理监督，切实将制度落到实处，促进安全生产、科学生产。

第二，工人安全责任意识也是促进安全生产的重要因素，企业应该加强对工人的教育培训，提高工人的安全责任意识，通过安全实例的讲解促使其提高警惕性，充分认识到安全生产的重要性，及时发现生产过程中存在的问题，并且及时汇报，将安全生产作为开展工作的准则。

4、结束语

综上所述，传统的煤矿通风系统存在较多的不足，导致通风性能较差，工作效率低，给煤炭生产工作带来较大的不利影响。随着现代化、智能化、科技化技术的发展，智能通风系统的优势逐渐凸显，有效解决了传统通风系统中存在的问题，并且根据存在的问题提出有效的解决措施，并对环境内的通风参数进行实时的监测，及时发现系统中存在的问题，有效降低安全事故发生的概率，为煤炭产业的健康平稳运行助力。

参考文献:

[1]张金铭,于波.矿井局部通风智能控制系统的设计及应用[J].机械管理开发,2022,37(8):220-221+224.

[2]常新明,陈国栋,李相,等.矿井局部通风机变频控制系统的设计研究[J].能源与环保,2021,43(5):227-232.

[3]程晓之,王凯,郝海清,等.矿井局部通风智能调控系统及关键技术研究[J].工矿自动化,2021,47(9):18-24.

[4]岳峻峰.煤矿局部通风系统风险性评价研究与应用[J].煤炭与化工,2018,41(11):113-115.

[5]曹建文.高瓦斯煤矿局部通风机智能变频控制系统设计[J].山西焦煤科技,2021,45(10):7-10+13.

[6]张凯锋.煤矿井下局部通风机智能监控系统的设计与应用[J].矿业装备,2022(2):278-279.

[7]程晓之,王凯,郝海清,等.矿井局部通风智能调控系统及关键技术研究[J].工矿自动化,2021,47(9):18-24.

[8]张朔忆,魏浩,刘发超,等.煤矿井下局部通风机远程集中控制系统的设计与应用[J].煤炭新视界,2021(2):70-74.

[9]何顺席,张晓迁,庞洋,等.局部通风机智能控制系统研制与应用[J].煤炭与化工,2022,45(5):98-101+104.

文章来源:邓健,李亚军,董浩民等.煤矿智能局部通风系统的设计及应用研究[J].矿业装备,2023(12):176-178.