基于安全节能的煤矿通风系统设计

2022-06-15刘玉龙

西部探矿工程 2022年5期

刘玉龙

（晋能控股煤业集团安全督察大队五中队，山西大同 037004）

煤矿重大安全事故中瓦斯事故占比约50%，预防瓦斯爆炸事故是煤矿安全生产的重中之重。瓦斯主要存在与煤层中，随煤矿开采以涌出形式迅速释放，如果瓦斯气体在巷道狭窄有限空间内积聚并达到一定浓度值后会发生爆炸事故。因此，需要采用煤矿通风系统向狭窄巷道内输送氧气同时将瓦斯、一氧化碳、二氧化碳等有毒有害气体排出，保证作业环境安全，保障工作人员身心健康。煤矿井下通风系统普遍采用“一风吹”模式，但是在高瓦斯矿井下，瓦斯浓度极易发生变化，需根据瓦斯浓度及时改变通风模式、通风风量，否则极易造成瓦斯浓度超标[1-2]。根据瓦斯实时浓度，设计并实现通风控制系统，在保证工作安全性和通风系统运行可靠性的前提下，节约电能并达到安全生产的目的。因此，研究适应高瓦斯煤矿的通风系统，实时预测需风量并进行智能调速，对于改善高瓦斯矿工作环境，保证安全生产具有重要的意义。国内煤矿通风系统采用单极和双极高压轴流式通风机，存在噪声大、效率低、电能浪费严重的问题；对旋式通风机设计合理、环境适应能力强且工作效率高。国内专家基于对旋式通风机，基于神经网络技术、模糊控制技术设计并实现煤矿通风控制系统，如文献[3]提出一种模糊神经网络PID控制方法，能够使得通风风量与瓦斯浓度自适应匹配，实现风机动态调速并达到节约电能的目的；文献[4]采用GK聚类算法与T-S模糊控制算法相结合，实现通风机协同调速功能，优化通风机运行性能；文献[5]采用遗传算法对传统通风机PID控制算法进行优化，实现了通风机转速的动态调整。文章基于瓦斯浓度与通风量关系，设计风量、瓦斯双闭环模糊控制系统，解决低瓦斯浓度时通风风量过大的问题，实现通风系统安全、节能工作，改善煤矿井下工作环境，保证煤矿井下安全生产。

1 系统设计

根据对采掘工作面巷道内的数据进行分析和统计发现，瓦斯浓度是影响通风机风量的核心因素，巷道内一氧化碳浓度以及温度是影响通风机风量的非核心因素。因此，综合考虑巷道内瓦斯、一氧化碳、温度三个因素，设计的基于安全节能的煤矿主通风系统设计框图如图1所示，由风量模糊控制闭环、瓦斯模糊控制闭环以及温度/一氧化碳控制模块组成，实时、动态调节主通风机风量输出。煤矿井下通风机的通风量与巷道内的瓦斯浓度、一氧化碳浓度、温度等相关。在采掘作业过程中，通风控制系统周期性的采集瓦斯浓度传感器、一氧化碳浓度传感器以及温度传感器数据，并通风量进行及时调节，达到优化通风风量、节能电能的目的。通风电动机为变频电机，设计的双闭环模糊控制系统根据传感器数据经逻辑模块后，直接控制变频器输出频率，进而达到调节通风机转速/转矩的目的。

2 硬件设计

基于安全节能的煤矿通风系统用的硬件主要包括微控制器、变频器、瓦斯浓度传感器、粉尘浓度传感器、温度传感器以及一氧化碳浓度传感器。选用STM32F103VB 微控制器为核心处理器，该芯片配置有60 个中断、16 级可编程优先级、17 个DC 串口通信，转换频率最大为1MHz。外部可连接USB、CAN 总线通讯接口，满足煤矿通风系统设计要求。选用矿用BPJ90-660型变频器，能够实现开环、闭环同步矢量控制，调速效果好、灵活性强，同时可实现部障报警、安全保护等功能。该变频器的额定电流为136A，变频范围为0～320Hz，调试方式为SPWM，可进行标量/矢量控制[6-7]。选用KGJ16B 型红外瓦斯浓度传感器，基于红外检测模式实时测量瓦斯气体浓度，工作电压为DC24V，工作电流为65mA，测量瓦斯浓度范围为0%～4%，可输出200～1000Hz 的频率信号或者1～5mA 的电流信号，测量精度小于±0.1%，响应时间小于20s。选用GCG1000型粉尘浓度传感器，该传感器基于光散射原理对巷道内的粉尘浓度进行检测并有自动零点校准和软起动功能，同时可实现远程遥控控制。该粉尘浓度传感器的工作电压为DC24V，工作电流小于250mA，可测量的粉尘浓度范围为0～1000mg/m3，可输出200～1000Hz频率信号，也可输出1～5mA电流信号，测量精确度小于等于±2.5%，有效检测距离大于2000m[8]。选用GWSD100 型温度传感器，该传感器可对巷道内的温度、湿度进行检测，灵敏度高、稳定性好，有效测量距离大于2000m[9]。选用GFY15B 型一氧化碳传感器，该传感器结构简单、可靠性好、检测精度高，满足通风系统控制要求。

3 软件设计

基于安全节能的煤矿通风系统软件采用C++语言进行编写，并下载至STM32F103VB 微控制器运行。根据煤矿通风系统设计要求，对要实现的功能进行模块子程序划分，主要包括系统上电及初始化子程序、上位机显示子程序、通讯子程序、传感器数据采集子程序、模数转换子程序、模拟量处理子程序、数字量延时子程序、变频控制子程序、模糊控制子程序以及节能控制子程序等。图2所示为煤矿通风节能控制子程序，当系统上电及初始化过程完成后，系统判断通风电动机的转速是否为额定值，为非额定值后，经延时处理并增加转速；当巷道内瓦斯浓度大于1.2%后进行瓦斯排放控制流程；当瓦斯浓度小于等于1.0%时，将通风电动机的转速调整至最大值；当瓦斯浓度大于1.0%时，进入节能调速流程。

基于安全节能的煤矿通风系统在运行过程中，出现的故障主要有电气故障、机械故障以性能故障，如母线电压中断/跌落、轴承振动过大、风量偏小等[10]，如图3所示。当通风系统发生故障时，故障信息会实时在上位机中进行显示并提出解决该故障的一般方法，以降低停机时间，保证煤矿安全生产。为保证煤矿通风系统安全运行，上位机登录界面设计登录权限，只有特定人员用于最高权限，普通技术/操作工只有查看权限。

4 测试及分析

根据MT-T 1071-2008、AQ1011-2005、MT/T 1107-2011 以及MT222-1996/2007 以及《煤矿安全规程》等文件对设计并实现的基于安全节能的煤矿通风系统进行测试和分析，并形成表1试验结果统计表。由表1可知，当变频器运行频率由14.0～49.2Hz线性增加时，巷道瓦斯实时浓度值由0.2～1.1 线性增加，同时电动机的有功功率、功率因素也同步增加，实现了通风电动机动态、实时调速并达到安全节能的目的。