煤矿智能通风系统设计与研究

煤矿智能通风系统设计与研究

陆方灿,朱玉峰

陕煤集团神木红柳林矿业有限公司   陕西省榆林市神木市  719300

摘要：在国民经济增长期间，煤炭能源开采至关重要，在此过程之中，矿井通风的主要作用是更新煤矿井下气候，排出开采过程中产生的有毒有害气体以及保证井下空气中O2的浓度，这对于安全生产十分重要。很多灾害的发生与矿井通风系统出现故障有关，例如瓦斯中毒、瓦斯爆炸等，造成这种现象的原因是未及时对矿井通风系统进行调整。矿井通风系统中有大量的通风设施，例如风门、风窗以及风机等，有时需要根据矿井通风的状况对相应的设施进行调节，从而保证煤矿开采的安全性。

关键词：煤矿；智能通风系统；设计

引言

矿井通风系统作为煤矿的“血液循环系统”，不断向煤矿井下工作地点输送充足的新鲜空气，从而确保矿井安全回采及工作人员健康。在煤矿开采过程中，矿井通风系统的巷道属性和通风网络结构等会随着回采、掘进而发生改变，任一巷道分支通风参数的改变都会使整个通风网络状态发生变化，若通风系统失效、风量调控不及时，都将引发有毒有害气体污染范围扩大，严重时会导致人员中毒伤亡，威胁矿井安全生产。因此，为满足用风地点的风量需求，需要进行风量的按需智能调控。

1智能化算法

智能化通风系统除了需要芯片，还需要各种智能化算法，可以说，智能化算法是实现智能化的关键。常用的智能化算法主要有人工神经网络、混沌、各种群算法。但是如何利用这些智能化算法来解决通风过程的一些问题，需要进行大量的实践检验。通过煤矿井下安装的各种传感器可以检测到风量的变化，这反映到矿井主通风机上就是工况点变化，而如何根据风量的变化对工况点进行调整———主要风量增加或减少的量，这些都是需要通过智能化算法计算来确定的。在调整矿井通风系统时，很多时候需要考虑矿井通风阻力的变化。为了获得矿井通风阻力，需要找到一种合理的矿井通风网络求解方法。通过对矿井通风阻力与通风网络的关系进行学习，找到最佳的风量调整方案。根据确定的方案对风量和通风机的工况点进行调节，从而保证通风的安全性和效率。此外，在通风系统运行过程中，还需要根据监测的风量变化情况对通风系统的安全性进行评价，这需要采用一些智能化算法来完成。由于矿井通风系统的参数比较多，难以通过简单的算法进行评价。

2通风三维可视化

系统基于成熟的三维CAD组件，采用等比例模拟矿井真实结构与通风设施，支持AutoCAD软件图形直接导入或AutoCAD软件数据文件格式(Drawing Interchange Format，DXF)导入，支持图形编辑操作。利用贴图技术展现风门、风窗、风机等通风设施。利用颜色的分段展示技术，将后台计算出的模拟数据转换成颜色数据展示在三维图形中，从而能够直观动态的展现风网属性(温湿度、风量等)的变化情况。通风三维可视化子系统支持风网数据导入与导出、图形数据导入以及直接绘制等方式，动态生成矿井通风系统三维模型，支持巷道及节点的精确拾取、后期巷道、通风设施数据更新维护。通过风流动画，直观查看风流流向、流速、巷道总体风量分布等情况。通过巷道信息标签显示，实现巷道属性信息、传感器监测信息的实时展示，构建井上井下一体化模型，实现巷道内部结构和井上工作区域虚拟仿真，以及通风网络解算和方案优化设计。

3通风系统灾情研判

通过灾变网络风烟流运移特征分析，可为灾情态势预判提供理论依据和数据基础。构建复杂网络条件下火灾(爆炸)烟流逆退、风流逆转、灾变气体扩散的动态变化数学模型;建立突出冲击气流传播的场模型和矿井灾变风流的网络模型，获得突出作用下的矿井风流灾变紊乱特征。建立场－区－网耦合的矿井风网灾变风流动态演化数值灾变模型，进而可以实现包括矿井火灾、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾变仿真，支持拾取灾害发生点，设置类型、能量大小等灾害基础参数。不同类型灾变发生后，采取三维系统的灾害数据模式，在模型网格细分的基础上，通过颜色维、空间维反距离加权插值反应温度、冲击波、风烟流等运移情况和灾害监测指标数据连续动态可视化仿真，实现通风系统灾变影响范围快速判定与巷道内部灾情发展动态研判。

4通风系统运行参数实时监测

4.1通风参数监测

（1）大气压力传感器。井下通风系统风阻测定需要对获取巷道两端温度、风速、湿度以及大气压力等参数，因此在通风监测系统中配备大气压力传感器，该传感器可实现通风压力实时监测。

（2）超声波风速传感器。采用超声波风速传感器技术对巷道断面风速进行实时测定，并以中线风速作为巷道断面平均风速，超声波风速传感器相对于传统的风速传感器在通风效率、精准度等方面均有显著提升。在风速监测时选用的超声波风速传感器型号为YFC15煤矿用风速仪。

4.2通风阻力监测

通过超声波风速传感器、大气压力传感器可实现巷道内风速、大气压力等实时监测，同时结合巷道断面尺寸、风阻、摩擦系数等，实现井下各段通风阻力实时监测，从而实现通风系统运行参数的实时精准把控，为后续通风结算、通风网络模型构建、通风系统优化等提供可靠支撑。

5智能变频调节的功能实现

根据采集到的瓦斯、温度、风速、CO、粉尘等（选配）信号来设定控制模式。设有3个工作模式，分别是“自控模式”下的通风和排瓦斯模式、以及“手控频率给定模式”。

1）自控通风模式运行状态下，调速装置在工作面迎头、回风区瓦斯体积分数低于设定值。一旦瓦斯体积分数超过预设值，则切换至以巷道风量、温度、CO含量、粉尘含量来综合控制风机调速，此时巷道风量、温度、CO含量、粉尘含量任何1个测点超过设定值时，调速装置将自动提高转速，增大供风量（上限频率），直到超标信号恢复至设定安全数值以下后，风机转速下降至正常水平（下限频率）。在此过程中瓦斯体积分数需一直在安全值下，任何时候超标则快速切换至自控排瓦斯模式。风速、CO、粉尘、温度传感器位置及数量根据实际井下工况合理布置。

2）正常状态下，调速装置的工作模式为自控通风。当工作面迎头实时瓦斯体积分数≥工作面迎头设定值或回风区实时瓦斯体积分数≥回风区瓦斯体积分数设定值时，工作模式自动调整至自控排瓦斯。风机转速随工作面迎头瓦斯体积分数变化而改变，呈正相关趋势，通过风机输出风量的自动调节，达到避免瓦斯体积分数超限的目的。当工作面迎头瓦斯体积分数超过1.5%，调速装置停止制动，且在工作面迎头瓦斯体积分数未下降至设定值时不会自动重新启动；当工作面迎头瓦斯体积分数及回风区瓦斯体积分数皆小于其设定值时，调速装置自动重新启动，并在10min内转入自控风模式。

3）调速装置在手动频率调整模式下运行时，其输出频率与预设频率匹配，误差不超过0.5Hz。工作面迎头和回风区瓦斯传感器不会对调速装置的输出频率产生影响。

结语

随着煤矿智能化的发展，应用智能化技术可以大幅度提升矿井的运行效率和安全性。煤矿智能化通风系统通过对煤矿井下风量、风速和风压的实时监测，根据矿井通风网络情况自动地调节矿井主要通风设施的运行状态。

参考文献

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