【文章內容簡介】 風的礦井，采區(qū)應盡量獨立通風，不宜合并一個通風系統(tǒng)。保證系統(tǒng)能夠獨立地進行工作，這樣當一個礦井出現(xiàn)故障時，另一個礦井的通風工作不受影響。使生產不受大面積的受阻。9．通風系統(tǒng)要為防治瓦斯、火、塵、水及高溫創(chuàng)造條件。 10．通風系統(tǒng)要有利用深水平或后期通風系統(tǒng)的發(fā)展變化 [6]12 國內外研究狀況礦井通風系統(tǒng)分析技術現(xiàn)狀煤礦通風系統(tǒng)是保障安全生產的基礎同時又受制于煤層地質條件及由此形成的礦山井巷系統(tǒng)的特點。近年來煤礦擴能及生產的集約化成為了普遍的趨勢礦井裝備水平迅速提高系統(tǒng)有了明顯的簡化。但是現(xiàn)在仍有大量開采多年的老礦系統(tǒng)極為復雜大量新井產能的高度集中造成了系統(tǒng)新的隱患礦井在日常生產中所遵從的分區(qū)通風格局抗災能力不足在強烈的擾動面前有可能形成嚴重的風流紊亂因而需要有預先的判斷和分析礦井主扇和通風構筑物作為礦井通風系統(tǒng)的重要構成部分其參數(shù)選取、布局、可靠性等均對系統(tǒng)的合理運行起著重要的作用[1]。因此礦井通風系統(tǒng)的合理性、可靠性和抗災能力分析對于防止通風瓦斯及煤層自燃等意外的出現(xiàn)對于礦井預防處理通風瓦斯意外及災變的能力對于提高礦井安全管理水平均有著重要的作用。 我國煤礦的重、特大瓦斯事故所造成的井下人員大量傷亡均源于通風系統(tǒng)抗災能力不足致使正常生產時的分區(qū)通風在瓦斯爆炸條件下受到破壞爆炸氣體進入了爆源以外的廣泛區(qū)域使其他通風分區(qū)乃至全礦井下的人員中毒死亡。研究瓦斯爆炸對分區(qū)通風的破壞機理對瓦斯爆炸條件下通風系統(tǒng)的抗災能力予以定量評價和分級研究災變條件下維持分區(qū)通風的條件和相應措施對于提高通風網絡的抗災能力有著現(xiàn)實的意義。 煤礦安全規(guī)程對煤礦通風有嚴格的要求和限制特別在高突礦井明確禁止使用串聯(lián)通風。因此以各采掘工作面為核心的分區(qū)通風成為了煤礦通風的基本規(guī)定和實踐。在礦井災變條件下維持正常分區(qū)通風的能力是評價礦井通風系統(tǒng)抗災能力的基本考慮因素。除巷道布置這一重要但難以調整的因素之外分區(qū)通風及風量分配調節(jié)主要依靠于風門、風窗等通風設施的應用其類型、數(shù)量、分布上的合理性是影響通風系統(tǒng)合理性的基本因素扇風機及通風構筑物受礦井生產活動及災變影響而失去原定功能時礦井通風維持在合理水平上的能力則是通風系統(tǒng)可靠性的重要標志。礦井通風是一個古老的技術領域但對災變條件下維持分區(qū)通風的相關技術、特別對于瓦斯爆炸與通風系統(tǒng)的相互作用缺乏必要的理論與實驗研究。我國瓦斯爆炸頻發(fā)許多爆炸力學工作者對氣相爆轟進行過深入研究瓦斯爆炸方面的文獻十分豐富但現(xiàn)有的成果與煤礦井下的實際尚有較大差距如井下特有的結構設施、巷道特征等等研究煤礦井下結構設施與瓦斯爆轟波及沖擊波相互作用的成果較少井下通風設施抗爆強度的理論研究基本是空白現(xiàn)有的文獻多限于事故現(xiàn)象的簡單描述。深入系統(tǒng)地研究煤礦井下瓦斯燃爆的物理機制及其災害效應對于正確評價分析煤礦預防瓦斯爆炸安全等級、科學地改進井下通風設施和巷道布置具有極其重要的學術價值和實際意義。在此基礎上模擬了氫氧燃燒驅動的破膜過程以及破膜前后壓縮波、稀疏波對火焰陣面的影響。同時也研究了瓦斯爆炸過程中壓力波、火焰與障礙物的相互作用。近幾年國內學者開展了瓦斯煤塵爆炸機理、傳播規(guī)律及防治對策的研究工作同時也揭示了瓦斯爆炸火焰的結構特征及其影響因素揭示了瓦斯爆炸過程中爆炸波的特征參數(shù)變化規(guī)律及其影響因素開展了壁面熱效應對瓦斯爆炸傳播規(guī)律影響作用的實驗研究建立了管內瓦斯爆炸能量平衡方程。通過理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究煤礦井下巷道條件對瓦斯爆炸及其沖擊波衰減的影響規(guī)律研究各種通風設施結構與爆轟波、沖擊波的相互作用研究各種通風設施結構在沖擊波載荷下的破壞過程和極限強度將能夠對13礦井分區(qū)通風的抗災能力對礦井通風系統(tǒng)的合理性、可靠性及抗災能力予以定量的評價和分級這些都是當前該研究領域的前沿課題。 [10] 課題的主要研究內容和機構安排煤礦礦井通風系統(tǒng)是煤礦礦井安全生產的重要組成部分，煤礦礦井通風系統(tǒng)能否正常工作與礦井內工作環(huán)境條件、生產效率、安全生產密切相關。隨著我國政府對各行各業(yè)安全生產監(jiān)管力度的不斷加強，尤其對煤礦安全生產的要求越來越高，對煤礦礦井通風系統(tǒng)進行技術改造，提高其運行穩(wěn)定性、可靠性、節(jié)能降耗等勢在必行。目前煤礦礦井通風系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，大多仍采用繼電、接觸器控制系統(tǒng)，但這種控制系統(tǒng)存在著體積大、機械觸點多、接線復雜、可靠性低、排除故障困難等很多的缺陷；如果工作通風機不采用變頻控制，那么礦井通風量的調節(jié)方法，只能依靠兩個垂直風門提起的高度，和調節(jié)風機扇葉的數(shù)量和角度。那么主通風機就會一直高速運行，備用通風機停止，不能輪休工作，易使工作通風機產生故障，降低使用壽命，也會造成很大的能源浪費。針對這一系列問題，隨著電子技術和微電子技術的迅速發(fā)展，PLC 和變頻器正成為通用、廉價和性能可靠的控制和驅動設備，得到廣泛的應用。本系統(tǒng)將 PLC 與變頻器有機地結合起來，采用以礦井氣壓壓力為主控參數(shù)，實現(xiàn)對電動機工作過程和運轉速度的有效控制，使礦井中用的離心通風機通風高效、安全，達到了明顯的節(jié)能效果。由 PLC 控制的變頻調速離心風機的通風系統(tǒng)，具有較高的可靠性和較好的節(jié)能效果，易于組建成整體的自控系統(tǒng)，很方便地實現(xiàn)各種控制切換和遠程監(jiān)控。PLC 控制系統(tǒng)還具有對驅動風機的電機過熱保護、故障報警、機械故障報警和瓦斯?jié)舛葦嚯姷裙δ芴攸c，為煤礦礦井通風系統(tǒng)的節(jié)能技術改造提供一條新途徑。 本文結構安排本論文以礦井對旋軸流風機為研究對象，以西門子 S7200 可編程邏輯控制器作為監(jiān)控核心，運用溫度，壓力，振動等傳感器和電量采集單元對風機運行狀態(tài)以及各種電量參數(shù)進行檢測。同時，利用 PLC 和上位機之間的通信實現(xiàn)通風機運行的在線監(jiān)控。本論文還討論了利用變頻器控制通風機的變頻運行，實現(xiàn)風機的高效節(jié)能運行。具體地說，本論文的主要研究內容如下：1 實現(xiàn)信號采集與實時監(jiān)測，包括風機的運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、負壓、流量、軸承振動、軸承溫度、定子溫度、電壓、電流、功率、效率等。2 控制系統(tǒng)能實現(xiàn)風機手動和自動變頻運行的切換，使風機處于工頻或變頻運行狀態(tài)。在變頻運行時，該系統(tǒng)能根據壓力傳感器的模擬量輸入，經 PLC 內部運算，計算出系統(tǒng)滿足安全生產所需的風量大小對應的變頻器輸入電壓值，經擴展模塊模擬量輸出控制變頻器自動調整風機的轉速。3 本系統(tǒng)能實現(xiàn)多種報警功能，如風機定子，軸承溫度超限，電動機振動異常報警，以及變頻器出現(xiàn)故障及時報警，及時處理的功能。4 用工程制圖軟件繪制系統(tǒng)主電路圖和 PLC 及擴展模塊接線圖。145 用 STEP7Micro/WIN 編程軟件編出 PLC 梯形圖。6 用 PROFIBUSDP 現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網完成對 PLC 通信網絡的組建。7 模擬風機運行情況，用組態(tài)王軟件繪制煤礦主通風機在線監(jiān)測系統(tǒng)主界面和 PLC 控制變頻器調速系統(tǒng)主界面。并生成性能參數(shù)實時曲線和歷史趨勢曲線，監(jiān)測數(shù)據歸檔、數(shù)據報表查詢及打印，以及瓦斯?jié)舛?、風量、風壓等監(jiān)控量的趨勢曲線、超限報警和數(shù)據報表功能。152 通風系統(tǒng)及主扇風機控制方案本論文設計的礦井主扇風機的控制主要是對風壓、風量及瓦斯?jié)舛鹊牡恼{節(jié)和控制兩部分。風機風量的調節(jié)中引入變頻器對風機風速的調節(jié)，據所需風量和風壓大小通過變頻器來調節(jié)風機的轉速在節(jié)能和提高風機效率方面具有無與倫比的優(yōu)點。本控制系統(tǒng)具有離心通風機組的啟動、互鎖和過熱保護等功能。與常規(guī)繼電器實施的通風系統(tǒng)相比，PLC 系統(tǒng)具有故障率低、可靠性高、接線簡單、維護方便等諸多優(yōu)點，PLC 的控制功能使通風系統(tǒng)的自動化程度大大提高，減輕了崗位人員的勞動強度。PLC 和變頻器與空氣壓力變送器配合使用，使系統(tǒng)控制的安全性、可靠性大大提高，也使通風機運行的故障率大大降低，不僅節(jié)約了電能，而且還提高了設備的運轉率。為滿足礦井通風系統(tǒng)自動控制的要求，系統(tǒng)的具體設計要求如下：（1）本系統(tǒng)提供手動／自動兩種工作模式，具有狀態(tài)顯示以及故障報警等功能。（2）模擬量壓力輸入經 PID 運算，輸出模擬量控制變頻器。（3）在自動方式下，當井下壓力低于設定壓力下限時，兩組風機將同時投入工作運行，同時并發(fā)出指示和報警信號。（4）模擬量瓦斯輸入，當?shù)V井瓦斯?jié)舛却笥谠O定報警上限時，發(fā)出指示和報警。當瓦斯?jié)舛却笥谠O定斷電上限時，PLC 將切斷工作面和風機組電源，防止瓦斯爆炸。（5）運用溫度傳感器測定風機組定子溫度或軸承溫度，當定子溫度或軸承溫度超過設定報警上線時，發(fā)出指示和報警信號。當定子溫度或軸承溫度超過設定風機組轉換溫度界線時，PLC 將切斷指示和報警信號并自動切斷當前運行風機組，在自動方式下并能自動接入另一臺風機組運行，若在手動方式下，工作人員手動切換。（6）為防止離心風機的疲勞運行，在任何狀態(tài)下，風機在累計運行設定時間后都會自動切換至另一臺風機組運行。下圖是通風系統(tǒng)原理框圖。16圖 通風系統(tǒng)原理框圖 通風系統(tǒng)的設計方案本通風控制系統(tǒng)主要由 2 臺離心風機組成，每臺離心風機有兩臺電機，每臺電機驅動一組扇片，兩組扇片是對旋的，一組用于吸風，一組為增加風速，對井下進行供風。根據井下用風量的不同，采用不同型號的風機。本設計以風機 2 45 kW 為例，選用一臺 S7—200 PLC、空氣壓力傳感器和變頻器等組成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中還包括接觸器、中間繼電器、熱繼電器、礦用防爆型磁力啟動器、斷路器等系統(tǒng)保護電器，實現(xiàn)對電機和 PLC 的有效保護，以及對電機的切換控制。本 PLC 控制系統(tǒng)具有對通風機的電動機啟動與運行，進行監(jiān)控、聯(lián)鎖和過熱保護等功能。PLC 與空氣壓力變送器配合使用，使系統(tǒng)控制的安全性、可靠性大大提高，也使通風機運行的故障率大大降低，提高了設備的運轉率。為滿足煤礦礦井通風系統(tǒng)自動控制的要求，設計如下的控制方案：本系統(tǒng)提供手動 /自動兩種工作模式，具有現(xiàn)場控制方式、狀態(tài)顯示以及故障報警等功能。在手動方式下，通風機通過開關進行控制，不受礦井內氣壓的影響。為防止通風機疲勞運行，在任何狀態(tài)下風機在累計運行設定時間后要切換至另一臺風機運行。A 組離心通風機與 B 組離心通風機可由二位開關轉換。循環(huán)次數(shù)及定時時間可根據需要隨機設定。報警信號均為聲光形式，聲報警 (電笛 )可用按鈕解除 ,報警指示在故障排除后自動消失。在自動方式下，利用遠傳空氣壓力傳感器檢測礦井內的氣壓信號，用變送器將現(xiàn)場信號變換成統(tǒng)一的標準信號 (如 4～20 mA 直流電流信號、0 ～10 V 直流電壓信號等 )，送入 A /D 轉換模塊進行模數(shù)轉換，然后送入 PLC， PLC 將檢測到的氣壓值與設定的氣壓值進行比較和處理，輸出信號控制通風機工作。當?shù)V井內的氣壓在一個大氣壓或在設定的某個大氣壓力數(shù)值以上，工作離心通風機與備用離心通風機循環(huán)工作；當出現(xiàn)突發(fā)事故，礦井內的氣壓低于設定的某個大氣壓力數(shù)值，工作離心通風機與備用離心通風機不再循環(huán)工作，并自動切換為同時工作，加大對礦井內的通風量，直至礦井內的氣壓升至設定的大氣壓力數(shù)值以上，工作通風機與備用離心通風機恢復循環(huán)工作。17在有瓦斯的礦井供風系統(tǒng)中，礦井內的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳈z測瓦斯?jié)舛龋米兯推鲗F(xiàn)場信號變換成統(tǒng)一的標準信號，送入 A /D 轉換模塊進行模數(shù)轉換，然后送入 PLC，同樣 PLC 將檢測到的數(shù)值與設定的數(shù)值進行比較，當瓦斯?jié)舛却笥谠O定數(shù)值后，PLC 輸出信號控制通風機停止工作，并輸出信號自動切斷井下的電源，滿足風電聯(lián)鎖要求，以免電子火花點著瓦斯，防止瓦斯爆炸事故發(fā)生。 礦井主扇風機的控制方案 礦井主扇風機概述地面主扇風機其整體性好，并且采用內置防爆電機拖動,不受外界干擾。風機的主要特點是：本設計采用電機與葉輪直聯(lián)的方法，簡化了傳動結構，改變了當前煤礦抽出式軸流風機全部采用皮帶輪傳動或長軸傳動的復雜結構，使維修和操作方便。本設計配套電機為 YB 系列的 YBFe 派生系列，隔爆型三相異步電機。電機置于全封閉型，并具有一定耐壓強度的密閉散熱罩中并于外界非瓦斯氣相通。使電機始終處于無瓦斯空氣之中運行，起到了雙重隔爆效果。風機與擴散器之間設置后導葉，以提高靜壓效率，使得節(jié)能效果顯著。與目前使用的局扇群相比，可節(jié)電六倍，與離心式風機相比可節(jié)電 40%。 該機可以反轉反風，不必另設反風道，具有節(jié)約基建投資和反風速度快的優(yōu)點。 葉輪的葉片安裝角度可以調整，其范圍為：30 度、33 度、36 度、39 度、42 度五個角度級。在使用同一規(guī)格風機中，可根據生產擴大的要求來調整葉片安裝角度。 該機配置了防止摩擦火花裝置，確保了整機安全防爆性能。 該機采用特殊設計，性能曲線無駝峰，在任何網絡阻力情況下，均能穩(wěn)定運行。 礦井主扇風機的供電系統(tǒng)風機的供電系統(tǒng)采用了室外箱式一體化結構。按功能劃分為高壓配電室，低壓配電室，變壓器室。風機系統(tǒng)的主要設備：（1）高壓電機：高壓電機：每臺風機安裝有兩臺 6kv 高壓異步電動機，電機容量為 315kW。電機安裝了三相定子和前后軸承溫度傳感器。（2）變壓器：為了保證附屬設備的可靠工作，安裝了兩臺 50kva，為低壓柜供電。變壓器安裝了溫度監(jiān)控器，監(jiān)控 3 相溫度，當溫度超限能自動啟停風機降溫。（3）進線柜：包括兩臺進線柜，為風機系統(tǒng)的兩臺進線開關。（4）聯(lián)絡柜：實現(xiàn)風機供電系統(tǒng)的母線聯(lián)絡。（5）換向柜：兩臺換向柜，由接觸器組成。主要實現(xiàn)兩臺風機電機的正反轉。（6）箱變房：采用一體化設計，外觀整潔大方，按功能劃分為高壓配電室，低壓配電室，變壓器室，PLC 控制室。183 系統(tǒng)硬件構成及各部分功能 PLC 可編程控制器部分 PLC 概述PLC 即可編程控制器（Programmable logic Controller，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在 1987 年國際電工委員會（International Elect