王玉懷,朱寅生,李東明,孫春峰,司俊鴻,武建國,關聯(lián)合

(1. 華北科技學院,北京 東燕郊 065201;2. 開灤(集團)有限責任公司,河北 唐山 063000)

0 引言

隨著煤礦采煤機械化水平的不斷發(fā)展,綜采放頂煤開采技術已經(jīng)成為我國廣泛應用的井下煤礦開采方法之一,隨之帶來的問題是遺煤較多、容易發(fā)生氧化[1]。同時鄂爾多斯礦區(qū)又以淺埋深易自燃煤層為主,煤質變質程度低,煤層距地表較近,所以采空區(qū)與地表之間存在漏風通道且范圍廣,容易發(fā)生火災事故,時刻威脅著井下作業(yè)人員的人身安全[2]。針對這種情況,最有效的火災防治手段是在采空區(qū)注惰性氣體或灌漿的基礎上,采取均壓通風及封堵漏風等綜合防滅火措施。均壓通風系統(tǒng)能夠有效控制井下風流,改變工作面風壓分布,起到降低漏風通道兩端的風壓差、減少和杜絕漏風的效果,從而防止采空區(qū)有害氣體向工作面逸散和抑制自然發(fā)火[3]。

根據(jù)均壓設施的相互組合,均壓通風系統(tǒng)可分為:調(diào)壓風機均壓、調(diào)節(jié)風窗與調(diào)壓風機均壓、礦井主要通風機總風壓與調(diào)節(jié)風窗均壓等[4]。其中,風機-風窗聯(lián)合增壓調(diào)節(jié)最為常見,該方法是將均壓風機安設在進風巷靠近工作面一端,同時在工作面回風巷設置調(diào)節(jié)風窗,其實質是提高工作面空氣的絕對壓力,使之等于或稍高于采空區(qū)后部漏風源的絕對壓力,從而減少漏風,達到防止采空區(qū)有毒有害氣體泄漏的目的。在實際應用時,為保證工作面風速滿足規(guī)定,往往采用“微負壓”狀態(tài)。

圖1 工作面均壓系統(tǒng)示意圖

目前,大多采用人工設定來控制調(diào)壓風機轉速、風窗面積從而實現(xiàn)均壓區(qū)域的平衡,但是井下突發(fā)情況較多,人員操作通風設施、采掘工作引起的采動破壞都會對均壓區(qū)域的平衡產(chǎn)生影響。同時大氣壓力的變化與采空區(qū)漏風通道的發(fā)育會造成調(diào)壓不準,使數(shù)據(jù)失真,迫使工作人員多次頻繁操作,這樣的頻繁調(diào)壓平衡引起的氣體壓力頻繁改變并不能達到理想效果[5]。在操作過程中,人員的誤操作也可能導致均壓平衡失穩(wěn),威脅工作面的安全開采。而均壓自動控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)風窗的自動調(diào)節(jié),有效地提高了工作面均壓效果,對采空區(qū)防滅火、防止有毒有害氣體侵入具有效果顯著的優(yōu)點[6]。

朱紅青等[7]針對手動均壓中存在頻繁調(diào)壓、調(diào)壓滯后與調(diào)壓精度低等問題,基于CAN總線通信協(xié)議,設計了礦井自動控制均壓防滅火系統(tǒng)。同時對風窗自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行設計,根據(jù)漏風壓差信號傳遞的滯后性,采用Smith預估和PID控制調(diào)節(jié)方法調(diào)節(jié)漏風風壓。史曉瓊[8]設計了三個相互關聯(lián)的系統(tǒng):采空區(qū)氣壓報警系統(tǒng)、均壓通風自動控制系統(tǒng)、工作面有害氣體監(jiān)測預警系統(tǒng),以此保證礦井通風系統(tǒng)能夠高效運行。武福生等[9]設計了一種均壓防滅火自動變頻調(diào)控系統(tǒng),采用自動變頻調(diào)控調(diào)壓風機的方法改變回采工作面壓力,實現(xiàn)了多層采空區(qū)相互連通回采工作面的均壓防滅火的自動控制。

由于礦井實際均壓過程中不能隨意調(diào)節(jié)例如通風阻力、漏風量等均壓參數(shù),而且均壓區(qū)域需要較長的穩(wěn)定時間,故本實驗采用相似物理模型模擬工作面自動均壓控制系統(tǒng),通過調(diào)整工作面阻力、改變工作面進回風壓差,通過壓差傳感器和風速傳感器監(jiān)測工作面進回風壓差對采空區(qū)漏風量的影響,并反饋單片機控制模塊對風窗開口面積進行調(diào)節(jié),實現(xiàn)均壓自動控制的目的。

1 均壓自動控制相似物理模型研究

為了測試該裝置自動均壓的可行性,按1:100的比例構建某煤礦6102工作面相似物理模型。6102綜放工作面位于一水平一盤區(qū)6煤層,工作面以北為回風大巷保護煤柱,以東無采掘工程,以西為6103采空區(qū)。6102工作面沿煤層底板布置兩條巷道,即進風巷和回風巷。進、回風巷道寬5m,高3m;工作面長128m,寬3.2m,高3.5m。采用“一進一回”的U型通風方式,工作面計劃配風710m3/min,均壓期間,實際配風897.7m3/min。均壓風機型號為FBDNO8/2*55kW對旋風機,兩臺使用、兩臺備用且能自動切換,風量為:450～980m3/min,風壓為:1224～7500Pa,根據(jù)均壓的需要采用單機或雙機運轉。6102工作面進風側采空區(qū)地表為一谷底,存在較為嚴重的地表漏風。

1.1 相似物理模型搭建

為了清楚觀測模型回風巷調(diào)節(jié)風窗開口大小對工作面壓差變化的影響,本實驗使用亞克力板作為搭建模型的主要材料,進風側配置均壓風機和風門,回風側配備抽風機和風門,以此來形成管內(nèi)負壓條件。亞克力板詳細尺寸及數(shù)量見表1,模型長238cm,寬128cm,高35cm,搭建物理模型的具體尺寸如圖2所示。由于模型較小,板材光滑,管道內(nèi)阻力較小,故在工作面1/2處放置一塊擋板,擋板表面打有小孔以便空氣流動,設定擋板開口0°時阻力最大,隨著旋轉角度增大,阻力降低。在進、回風巷道2/3處及采空區(qū)散熱帶中間位置安裝風速傳感器,通過進、回風巷道風速數(shù)值計算漏風量,同時觀測采空區(qū)內(nèi)部風速大小。在工作面上下隅角布置壓差傳感器測量壓差,通過調(diào)整工作面擋板角度控制工作面兩端壓差,調(diào)節(jié)風窗安裝在回風巷1/2處。另外,為了模擬采空區(qū)地表漏風,在模型進風側的采空區(qū)相應散熱帶和氧化帶上方的亞克力板上分別打上直徑為0.5cm的小孔。

表1 亞克力板詳細尺寸及數(shù)量

圖2 相似物理模型

在工作面中間添加擋板后,為防止擋板與工作面底部有空隙影響實驗結果,用細沙鋪在工作面底部,另外在為了模擬液壓支架架間漏風通道,在擋板底部每隔2cm切割裂隙,模擬采空區(qū)和工作面之間的漏風。具體填充狀態(tài)及支架裂隙如圖3所示。

圖3 工作面填充及支架裂隙

為了模擬“三帶”分布對本模型實驗的影響,現(xiàn)對模型的采空區(qū)區(qū)域進行填充,結合該煤礦6102采空區(qū)“三帶”分布,在填充采空區(qū)時選用不同粒徑固體填充物模擬“三帶”,散熱帶選用粒徑較大的煤塊進行充填,氧化帶選用粒度中等的碎石充填,窒息帶選用沙子進行充填。具體填充狀態(tài)如圖4所示。

圖4 采空區(qū)模擬三帶填充圖

1.2 風機選型

(1) 風量范圍選擇

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第136條,采區(qū)進、回風巷到風速要求在0.25～6m/s之間,工作面風速在0.25～4m/s之間[10],而該煤礦6102工作面規(guī)程規(guī)定,采煤工作面進風流氣溫小于20℃時,對應風速為1m/s,為對標礦井實際情況,模型內(nèi)部風速也按此執(zhí)行。經(jīng)計算,根據(jù)實驗條件確定模型均壓風機風量應為:

Q出=Q返+Q面

(1)

式中,Q出為調(diào)壓風機工作時風筒出口的風量,m3/s;Q面為工作面開采中需要用到的風量,由工作面截面積與風速相乘所得,m3/s;Q返為調(diào)壓風機風筒出口向調(diào)壓風門返回風量,由進風巷最低風速要求與進風巷截面相乘所得,m3/s。計算得到Q出為0.0931m3/s。

(2) 風壓范圍確定[11]

(2)

式中,Z1、Z2為始末測點標高,m;ρ1-2為始末測點風流密度平均值,kg/m3;g為重力加速度取9.8m/s2;Δp為漏風通道始末兩測點風流絕對靜壓差,v1、v2分別為漏風通道起止兩測點風流的風速,此處為模擬井下通風負壓,工作面擋板初始狀態(tài),未安裝進風側均壓風機,留出進風口與大氣相連,只開啟回風側抽風機并提供260Pa風壓后,對工作面起點和終點進行測量,測得兩點間壓差Δp=-3Pa,v1=0.23m/s,v2=0.16m/s;h自為漏風通道自然風壓;ρ取1.293kg/m3。

因實驗在平面上進行,并無高度差,且模型較小,故不考慮自然風壓及標高影響,計算得出工作面調(diào)壓值h大=3+(0.232×1.293/2-0.162×1.293/2)≈3.01Pa。

(3) 調(diào)壓風機選型

選擇調(diào)壓風機需要滿足:調(diào)壓風機風壓為200Pa大于3.01Pa;同時滿足調(diào)壓風機最小風量與調(diào)壓風機最大風量的平均值大于調(diào)壓風機工作時風筒出口的風量Q出(0.0931m3/s)。由于實驗條件限制,進風側單個風機不能對模型產(chǎn)生足夠的風壓,形成不了負壓條件,故本實驗選擇在進風側設置均壓風機,回風側配備抽風機,進風側均壓風機最大風壓為200Pa,最大風量為0.2m3/s;回風側抽風機風壓最大風壓為260Pa,最大風量為0.25m3/s。所需風量、風壓參數(shù)和風機風壓、風量參數(shù)見表2。

表2 風量參數(shù)及風壓參數(shù)

1.3 風窗面積確定

調(diào)節(jié)風窗的斷面大小應根據(jù)配風計劃或生產(chǎn)所需要的風量確定,應遵循既起到應有的風流調(diào)節(jié)和控制作用,又不增大火區(qū)或采空區(qū)的漏風壓差、不增大礦井總風阻和巷道瓦斯積聚的總原則。結合模型參數(shù),《煤礦均壓防滅火》中關于風窗計算應用理論公式:

(3)

式中,S窗為所需調(diào)節(jié)風窗通過風窗口的通風面積,m2;S為巷道面積,m2;Q為通過回風巷道的風量,m3/s;h窗為風窗的阻力,Pa。上文已求得:工作面風量Q面為0.0896m3/s,則Q=Q面=0.0896m3/s。

h窗的理論計算式為:

(4)

計算得:h窗的值為0.3。

U為巷道周長,m;L為巷道長度,m;根據(jù)實驗模型,U=0.48m,L=1.5m。

(5)

根據(jù)模型材質糙度,λ取8×10-4,代入計算得到 α=1.4×10-4N·s2/m4。

將(4)式代入(3)式,計算得S窗的值為0.0025。

風窗尺寸確定為5cm×5cm。

2 均壓自動模擬控制系統(tǒng)

為了滿足井下均壓通風的要求,需要對工作面進回風壓差進行控制,需具有實時監(jiān)測和反饋調(diào)節(jié)的功能,故均壓自動控制系統(tǒng)主要由壓差監(jiān)測模塊、單片機控制模塊和步進電機三部分構成。壓差監(jiān)測系統(tǒng)選用量程0～100Pa的微壓差傳感器,為了方便單片機采集傳感器數(shù)據(jù),搭配100W/24V/4.5A電源,進而實現(xiàn)電信號向數(shù)字信號的轉換。單片機選用STC8G1K17,有超強抗干擾、超低價、高速、低功耗的優(yōu)點。系統(tǒng)主要由降壓模塊、穩(wěn)壓模塊和OLED顯示屏構成。選用步進電機及滑臺時,由于實物模型較小,回風巷截面面積為10cm×14cm,所以移動滑臺選用移動量程為2～50mm含28電機的步進絲桿,搭配4.0A/24V步進電機驅動器控制板,進而更好的根據(jù)單片機的指令調(diào)節(jié)風窗開口大小。

自動均壓系統(tǒng)可對各部分實現(xiàn)集中控制,從而在無需人工干預的情況下,通過監(jiān)測工作面壓差和反饋調(diào)節(jié),達到對自動均壓的效果。單片機控制系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5 單片機控制系統(tǒng)

均壓通風的實施原則:①盡量提高工作面兩巷的絕對風壓,降低壓差;②均壓風機的吸風量要小于全風壓風量,以防止局部通風機發(fā)生循環(huán)風[12]。所以找到均壓通風的“平衡點”就顯得至關重要,通風力度過大,采空區(qū)漏風量不符合要求,而風流過小又會導致瓦斯聚集,不利于礦井安全生產(chǎn)[13]。實驗條件為溫度2℃、濕度9%、大氣壓力876hPa、進風側均壓風機和回風側抽風機均提供最大壓力。根據(jù)實驗條件,將均壓范圍設定在-5～0Pa,以降低采空區(qū)漏風。

主要工作原理為:壓差傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)實時輸送到單片機控制系統(tǒng)中,由該模塊對接收到的數(shù)據(jù)進行計算和處理,并參照設置的壓差范圍進行偏離判斷,當壓差監(jiān)測到的數(shù)值在-5～0Pa范圍內(nèi)時,移動滑臺不動作;當數(shù)值小于-5Pa時,移動滑臺通過位移調(diào)整風窗的開口面積,進而調(diào)節(jié)壓差大小至設定范圍內(nèi)。為了加強單片機控制系統(tǒng)和模型的適配,壓差上下限設置為可調(diào)節(jié)。自動均壓系統(tǒng)設計圖如圖6所示。

圖6 自動均壓系統(tǒng)設計圖

3 不同阻力條件下壓差變化及風窗移動情況

以擋板角度為自變量,觀測工作面壓差數(shù)值及進、回風巷道及采空區(qū)風速,比較均壓前后漏風量變化情況。均壓前后測量結果見表3、4。

表3 均壓前測量數(shù)據(jù)

表4 均壓后測量數(shù)據(jù)

由上述數(shù)據(jù)可知,工作面擋板傾角變大時,風阻減小,漏風量與所測采空區(qū)風速均降低,可知由工作面流向采空區(qū)的風量減少。

實施均壓措施后,系統(tǒng)感知到上下隅角壓差過大,控制風窗滑塊位移,自動均壓系統(tǒng)通過減小風窗開口面積實現(xiàn)增阻,使得壓差逐漸減小降至-5～0Pa以內(nèi),同時采空區(qū)風速及漏風量與均壓前相比皆下降,均壓效果顯著,達到了減少漏風的目的。通過對比可見,工作面擋板相同角度下,即相同阻力條件下,隨著風窗開口面積減小,工作面兩端壓差降低,漏風量減少。擋板角度為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°七組均壓前后實驗結果對比皆合理,均壓效果明顯。采取均壓措施前后漏風量對比如圖7所示。

圖7 均壓前后漏風量對比

由圖7可知,開啟自動均壓系統(tǒng)后,在擋板同一開口角度下漏風量明顯下降,漏風量降低30%左右,同阻力條件下兩點高度差即為減少的漏風量,說明在系統(tǒng)自動調(diào)壓后,由于工作面兩端壓差的降低以及漏風風量的減小,均壓效果明顯。在以后在現(xiàn)場應用時可以提供以下參考:在設定自動控制系統(tǒng)時,由于礦下條件復雜多變,設定的壓差范圍可能需要更新,設計時應考慮到調(diào)壓冗余度或者適配性。

4 結論

(1) 根據(jù)某煤礦工作面條件,研制了該煤礦均壓的物理相似模型,通過計算確定了風窗尺寸為5cm×5cm,選取進風側最大風壓為200Pa,最大風量為0.2m3/s的均壓風機;回風側最大風壓為260Pa,最大風量為0.25m3/s的抽風機,能夠滿足工作面風量和風壓要求。

(2) 基于相似物理模型設計單片機控制系統(tǒng),系統(tǒng)主要由壓差監(jiān)測、步進電機和OLED顯示三個模塊構成,測試過程中能夠滿足顯示、監(jiān)測和自主調(diào)控的功能,同時可根據(jù)實際需求調(diào)節(jié)壓差范圍,保證裝置的適配性,滑臺可以根據(jù)系統(tǒng)指令正常位移,完成自動控制。

(3) 通過系統(tǒng)測試實驗,以工作面擋板角度為自變量,通過增加工作面阻力進而改變工作面兩端壓差。經(jīng)測試系統(tǒng)可通過壓差傳感器監(jiān)測工作面壓差,反饋單片機與設定范圍比對,進而控制步進電機位移,并自主實現(xiàn)風窗調(diào)控,進而實現(xiàn)自動均壓。同時,均壓自動控制系統(tǒng)啟動后,工作面上下隅角壓差維持在 -5Pa左右,采空區(qū)風速下降49%,漏風量降低30%,采空區(qū)漏風量顯著降低。