智能通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

1 工程概況

某礦核定生產(chǎn)能力為 150 萬 t/a，屬于高瓦斯礦井。水文地質(zhì)條件中等，井田范圍內(nèi)呈單一向斜構(gòu)造，延伸方向?yàn)楸毕蛭?，煤層整體為近水平，賦存傾角為 3°～4°，屬多煤層開采方式。自上而下可采煤層為 1-2 上煤組、1-2 煤組、2-2 煤組、2-3 煤組、3-1 煤組和 4-2 煤組。其中 3-1 煤組和 4-2 煤組為全井田范圍可采煤層，賦存穩(wěn)定，煤層厚度為 3.7～6.8 m，平均煤厚 5.2 m；1-2 上煤組、1-2 煤組、2-2 煤組、2-3 煤組僅一采區(qū)和三采區(qū)可采，煤層賦存不穩(wěn)定，平均煤厚 2.9 m。礦井采用一采一備布置方式，共 5 條掘進(jìn)巷道。工作面煤層自下而上逐層開采煤層群，形成下保護(hù)層工作面。通風(fēng)方式為中央并列抽出式，其中主副斜井為供風(fēng)巷道，回風(fēng)斜井為主要回風(fēng)巷道。地面風(fēng)機(jī)廣場(chǎng)安裝有 FBCDZ-8No30/2×630型對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī) 2 臺(tái)，可提供 140～286 m3/s 的額定風(fēng)量，一用一備，接入雙回路雙電源供電。目前，經(jīng)過通風(fēng)阻力測(cè)定和實(shí)際風(fēng)量核定，礦井擁有 8 321 m3/min 的總進(jìn)風(fēng)量和 8 413 m3/min 的總回風(fēng)量，風(fēng)機(jī)負(fù)壓為 1 830 Pa。

2 升級(jí)需求

為打造智能化礦山和高產(chǎn)高效礦井，需對(duì)現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。結(jié)合礦井現(xiàn)有條件，需要解決如下問題：①依靠人工監(jiān)測(cè)方式效率低下，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)精度低，無法實(shí)現(xiàn)通風(fēng)參數(shù)動(dòng)態(tài)變化條件下的連續(xù)觀測(cè)，反饋信息不及時(shí)，統(tǒng)計(jì)分析周期較長(zhǎng)，不能滿足數(shù)據(jù)參數(shù)的可視化工作要求；②無法有效掌握全流程、全網(wǎng)絡(luò)各地點(diǎn)路線的通風(fēng)系統(tǒng)情況，存在監(jiān)控盲區(qū)和漏檢區(qū)域，尤其是安裝有局部通風(fēng)機(jī)的地區(qū)，可能存在串聯(lián)通風(fēng)和局部渦流循環(huán)風(fēng)等現(xiàn)象，具有較高安全隱患；③通防部門技術(shù)管理人員無法準(zhǔn)確掌握全部井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，在制定調(diào)風(fēng)優(yōu)化方案時(shí)考慮不全面，存在計(jì)劃失真，通風(fēng)線路不合理，盲巷和通風(fēng)阻力較大，影響系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整，甚至有些巷道不能按照生產(chǎn)需求進(jìn)行合理調(diào)配風(fēng)量，造成瓦斯積聚和風(fēng)量不足現(xiàn)象；④ 在供配電硐室和車場(chǎng)配電點(diǎn)等安裝有多組機(jī)電設(shè)備的區(qū)域，需要安排專職瓦檢員或者以定點(diǎn)巡查方式進(jìn)行瓦斯監(jiān)測(cè)，既浪費(fèi)人力，也無法確保在發(fā)生機(jī)電設(shè)備過載、短路引起火災(zāi)等災(zāi)變時(shí)，瓦檢人員能夠快速調(diào)度抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)；⑤ 當(dāng)需要對(duì)配風(fēng)地點(diǎn)進(jìn)行調(diào)風(fēng)時(shí)，仍需人工調(diào)整調(diào)節(jié)風(fēng)窗和過風(fēng)斷面，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

結(jié)合礦井現(xiàn)有通風(fēng)條件和系統(tǒng)優(yōu)化需求，制定改進(jìn)方案。

3.3.1 采煤工作面優(yōu)化方案

以213107 工作面為例，分別在 213106 輔運(yùn)巷安裝 2 道風(fēng)門，213107 膠帶巷安裝 1 道風(fēng)門，在 213107輔運(yùn)巷及專回各安裝 1 道風(fēng)門。采煤工作面風(fēng)流優(yōu)化系統(tǒng)如圖4 所示。其中編號(hào) 1、3、4 為自吸風(fēng)門；編號(hào) 2、5 為自調(diào)節(jié)風(fēng)門。正常通風(fēng)時(shí)，打開 2、3、4 等風(fēng)門，形成 U 形全負(fù)壓通風(fēng)，關(guān)閉 1、5 風(fēng)門形成閉合回路；發(fā)生災(zāi)變需要反風(fēng)時(shí)，則打開關(guān)閉的 1、5風(fēng)門，形成風(fēng)向逆流，由 1 號(hào)風(fēng)門進(jìn)風(fēng)，5 號(hào)風(fēng)門回風(fēng)，其余 2、3、4 號(hào)風(fēng)門關(guān)閉，可實(shí)現(xiàn)反風(fēng)效果。

2 開拓大巷災(zāi)變條件下優(yōu)化方案

當(dāng)開拓大巷某一地點(diǎn)發(fā)生火災(zāi)等事故時(shí)，由于明火存在火風(fēng)壓，在自然通風(fēng)條件下，明火與有毒有害氣體會(huì)隨風(fēng)流向下游區(qū)域蔓延。為準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)災(zāi)變后的氣體特征，需要安裝煙霧和 CO 報(bào)警傳感器。當(dāng)監(jiān)測(cè)氣樣指標(biāo)超限時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)打開膠回聯(lián)巷處的 2 道風(fēng)門，實(shí)現(xiàn)局部巷道的風(fēng)流短路，改變供風(fēng)方向，切斷向下游蔓延的氣體擴(kuò)散通道，從而達(dá)到保護(hù)下風(fēng)側(cè)作業(yè)人員生命安全的效果。風(fēng)流短路調(diào)控路線如圖5所示。

3 掘進(jìn)工作面優(yōu)化方案

在掘進(jìn)工作面新鮮風(fēng)流進(jìn)風(fēng)側(cè)安裝有 2 臺(tái)變頻軸流式局部通風(fēng)機(jī)，在巷道風(fēng)門里正頭、?；乜诎惭b有甲烷傳感器。對(duì)風(fēng)筒安裝風(fēng)壓傳感器，結(jié)合掘進(jìn)期間實(shí)際瓦斯涌出量和濃度指標(biāo)，系統(tǒng)自行計(jì)算供風(fēng)量是否滿足風(fēng)排瓦斯需求，通過變頻實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)。

4 構(gòu)建智能通風(fēng)系統(tǒng)

經(jīng)過分析礦井通風(fēng)能力與現(xiàn)狀，針對(duì)現(xiàn)有通風(fēng)條件與優(yōu)化升級(jí)要求，構(gòu)建智能化通風(fēng)系統(tǒng)平臺(tái)。

(1) 經(jīng)過對(duì)礦井各巷道坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行采集，建立數(shù)字化礦井模型，更加直觀展現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的多維動(dòng)態(tài)系統(tǒng)；經(jīng)過對(duì)巷道主要測(cè)站安裝傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集通風(fēng)數(shù)據(jù)，將鼠標(biāo)點(diǎn)擊在巷道模型任一點(diǎn)上進(jìn)行多角度旋轉(zhuǎn)觀測(cè)，屏幕上會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)地點(diǎn)傳感器的所有回傳信息，如傳感器編號(hào)、運(yùn)行狀態(tài)、是否報(bào)警、安裝位置名稱、監(jiān)測(cè)風(fēng)速指標(biāo)、最大預(yù)警指標(biāo)和甲烷、一氧化碳等氣體濃度，可供管理技術(shù)人員進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)的可視化、數(shù)字化管理。

(2) 通風(fēng)設(shè)施風(fēng)門自動(dòng)調(diào)控。通過在配電點(diǎn)安裝視頻攝像裝置監(jiān)控風(fēng)門開閉狀態(tài)，聯(lián)網(wǎng)并入多元遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，在屏幕上可顯示風(fēng)門狀態(tài)、安裝位置、局部通風(fēng)機(jī)變頻功率、風(fēng)速、風(fēng)量以及風(fēng)門異常開啟持續(xù)時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)。當(dāng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)異常，需要立即作出調(diào)控時(shí)，可通過風(fēng)門調(diào)節(jié)遠(yuǎn)程自控系統(tǒng)改變風(fēng)門的開閉狀態(tài)；同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過風(fēng)門風(fēng)量變化參數(shù)，滿足調(diào)控要求后自動(dòng)停止風(fēng)門移動(dòng)。

(3) 為提升防災(zāi)抗災(zāi)應(yīng)急能力，系統(tǒng)開發(fā)了火災(zāi)氣體異常監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，作為子系統(tǒng)可并入多元數(shù)控平臺(tái)，與智能通風(fēng)模塊、監(jiān)測(cè)監(jiān)控模塊、束管監(jiān)測(cè)模塊和風(fēng)機(jī)檢測(cè)模塊等功能模塊一起使用。其主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括主通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量、壓差，各采掘地點(diǎn)的供、回風(fēng)量數(shù)據(jù)，束管監(jiān)測(cè)到的 CO、CO2 指標(biāo)、傳感器監(jiān)測(cè)的 CH4 指標(biāo)，各地點(diǎn)異常高溫的火災(zāi)響應(yīng)預(yù)警級(jí)別等。通過對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行系統(tǒng)性綜合分析，得出科學(xué)災(zāi)害評(píng)估結(jié)論，利用實(shí)時(shí)反饋信息，制定合理應(yīng)急救援方案。