基于安全节能的煤矿通风系统设计探究

基于安全节能的煤矿通风系统设计探究

龙阳友  

昆明煤炭设计研究院有限公司  云南 昆明   650000

摘要：煤炭资源作为我国的重要生产资源，市场需求量不断增大，这为煤矿开采作业带来了很多新挑战，尤其是深层煤炭资源的开采难度相对较大，只有保障煤矿井下通风可靠性，才能提升作业安全性。但现阶段应用的煤矿井下通风系统存在安全性不高的问题，严重威胁井下作业安全，同时还存在电能浪费的现象，致使煤矿开采效益也受到较大程度的影响，为能有效改善此类现状。本文基于安全节能理念，设计一种煤矿通风系统，以期为井下作业人员提供安全可靠的作业环境。

关键词：安全节能；煤矿；通风系统

目前来看，瓦斯和一氧化碳等有毒有害气体是威胁煤矿生产安全的关键性因素。相关统计数据显示，瓦斯事故在煤矿生产的整体安全事故中的占比高达50%以上，瓦斯气体浓度越高，危害性越强，当其在较为狭窄的空间中大量积聚时，很可能产生爆炸事故，对煤矿生产人员的人身安全构成极大威胁。因此，在井下作业空间内，尤其是较为狭窄的巷道空间内，需要设置较为完善的通风系统，保障对氧气的及时输送和对瓦斯等有害气体的及时排除。此外，为能提升煤矿生产的经济效益，还需做好对通风系统的节能设计。因此，基于安全节能理念进行煤矿通风系统设计的意义十分重大。

1.煤矿通风系统设计及应用现状

现行的煤矿通风系统主要以“一风吹”模式为主，但部分煤矿井下作业环境较为复杂，瓦斯浓度偏高且易于产生变化，通常需要基于瓦斯浓度对通风模式进行调整，并及时改变通风量才能降低瓦斯浓度超标问题的发生率。基于此，相关技术人员提出了根据瓦斯浓度进行通风控制的自动化通风控制系统设计理念，该系统不仅可以保障通风运行的可靠性，还可显著提升井下作业安全，同时达成降低能耗的作用。

国内现有的单、双级高压轴流式通风机作业效率偏低，且噪声较大，会产生较大的电能浪费，对旋式通风机的设计则相对合理，不仅具备较强的环境适应力，且工作效率偏高，能够有效降低电能损耗。相关行业专家借助神经网络技术以及模糊控制技术对对旋式通风机进行自动化控制，并且利用模糊神经网络控制方法实现了通风量和瓦斯浓度的自动匹配，对风机进行动态调速，不仅可保障对瓦斯浓度的科学控制，还能起到节约电能的作用。有研究学者通过T-S模糊控制算法和GK聚类算法的结合，增加了通风系统的协同调速功能，使得通风运行性能得到有效优化。此外，也有学者通过遗传算法来改变通风机控制算法，可动态调整通风机的转速，使通风量符合瓦斯浓度的控制需求。可见，当前的煤矿通风系统已经趋于安全节能的方向发展。

2.基于安全节能理念的煤矿通风系统设计

2.1系统设计思路

结合以往的通风系统应用经验来看，对其通风量产生影响的直接因素包括瓦斯浓度、一氧化碳浓度和温度等。为此，在针对煤矿通风系统进行设计时，则需综合考虑煤矿工作面中的这几类数据，将其作为风量控制的关键指标。可以将通风系统分为三个控制模块，即风量模糊控制模块、瓦斯浓度控制模块以及一氧化碳控制模块，通过模糊控制的方式实现对通风系统通风量的实时动态调节。该系统的作用原理为对于煤矿工作面中的瓦斯浓度、一氧化碳浓度以及空间作业温度进行周期性采集，将采集数据录入模糊控制系统后，基于模糊控制网络对通风量进行调节，达成优化控制通风量和降低能耗的作用。

2.2软件系统设计

软件系统中需要先根据安全节能的通风系统运行需求，利用C++语言编写程序，并且下载到微控制器中，运行之后根据通风系统的通风控制功能对软件功能模块进行具体划分，具体包括初始化程序、通讯程序、传感器程序、数据采集程序、模拟量处理程序、上位机程序、数字量延时程序、模糊控制以及节能控制程序等。系统运行原理为完成初始化操作之后，对通风电动机的转速额定值进行判断，如处于非额定值状态，则对其进行延时处理后调整转速。当工作面中的瓦斯浓度处于1.2%以上时进入瓦斯排放控制环节，如瓦斯浓度在1.0%以上则时通风系统处于节能调速状态，而当瓦斯浓度小于1.0%时，则将通风变动机调整至最大值，以实现对瓦斯气体的及时排除，提高作业环境的安全性。

2.3硬件系统设计

在煤矿通风系统中的硬件组成主要包括瓦斯浓度、温度以及一氧化碳浓度传感器、变频器和微控制器等，其中的微控制器属于最为核心的处理元件，为了保障系统控制效率，可以选用兼容性较强、通信接口数量较多，且具备可编程优先级功能的微控制器，以满足通风系统的动态控制需求。而变频器则可优先选用调速效果好、安全保护功能完善、灵活控制度较高的BPJ90-660型变频器。瓦斯浓度传感器可选用红外型传感器，且要求其瓦斯浓度的有效检测范围在0%-4%之间，响应时间在20s以内，测量精度为0.1%。温度传感器可选用灵敏度相对较高且有效测量范围较大的GWSD100型传感器，同时选用检测精度较高、测得数据可靠性较好的JFY15B型一氧化碳传感器。

2.4故障处理系统设计

煤矿通风系统运行时不可避免的会出现故障问题，结合以往的应用经验，较为常见的故障类型有性能故障、电气故障和机械故障几大类，常见故障表现有轴承震动率偏大、母线电压跌落或者风量变小等，此类问题均会直接影响通风系统的控制可靠性，并对通风量产生较大影响，很可能引发煤矿井下作业的安全性问题。考虑到这一因素，需在系统中增设故障处理模块，确保当系统出现故障问题时，能够及时将故障信息传递至系统控制终端，于上位机中显示故障，并列举特定故障的解决方法，以提升故障处理的效率，缩短停机时间，保障通风系统的安全稳定运行。此外，为了保障通风系统控制的安全性，对于上位机界面的登录权限要做出限制，只有最高权限者才能同时具备访问、查看和操控权限，而其他普通技工则只具备查看权限.

2.5系统应用效果测试和分析

基于《煤矿安全规程》文件对于安全节能煤矿通风系统方案的效果进行测试和分析。相关测试数据显示，当变频器的频率为14.0Hz时，有功功率仅为3.61kW，瓦斯浓度为0.2%；而当变频器的频率调整至19.1Hz时，有功功率增长至5.41kW，瓦斯浓度为0.4%；当变频器规律增加至34.7Hz时，有功功率为8.29kW，瓦斯浓度为0.7%；当变频器频率调整至49.2Hz时，有功功率为12.08kW，瓦斯浓度值为1.1%。可见，当变频器的频率发生改变时，瓦斯浓度呈现线性增加趋势，同时有功功率也会随着变频器频率的增大而增大，证明对通风电动机的动态调整和对通风量的实时调整可以达成安全节能生产的目标。

结语：将模糊控制和自动化控制技术应用于煤矿通风系统设计过程中，可以基于现场监测数据实现对通风量和通风电动机转速的科学控制，既能满足煤矿作业空间的气体排放需求，也能降低通风系统持续运行时的电能消耗，起到安全节能的通风控制作用。主要应用原理为根据煤矿瓦斯以及一氧化碳浓度状态，对通风量以及通风电动机的转速进行动态调整，即当瓦斯浓度在安全范围内时进行节能通风，而当瓦斯浓度超出标准时，就加速电动机运行，起到快速降低瓦斯浓度的作用，为相关作业人员提供安全可靠的作业环境。该系统的广泛应用，不仅能够提升煤矿作业安全性，还能达成节能降耗的目标，表现出了突出的推广应用价值。在今后的煤矿生产中，可以优先选用具备安全节能功能的煤矿通风系统，以保障煤矿生产事业的健康发展。

参考文献：

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