礦井通風(fēng)智能化設(shè)計(jì)與技術(shù)研究

章奎

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，礦井通風(fēng)智能化技術(shù)也得到了廣泛推廣，這種技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域中，如智能裝備及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算等。本文針對礦井通風(fēng)智能化系統(tǒng)中存在的問題，給出了兩種解決思路及方式，同時(shí)指出了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展趨勢：以“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)及現(xiàn)代礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的無人化及自動(dòng)化管理。

關(guān)鍵詞：礦井通風(fēng);智能化技術(shù);互聯(lián)網(wǎng)+

1 對礦井通風(fēng)智能化重要性進(jìn)行分析

在礦井工作環(huán)境中，礦井通風(fēng)是確保礦井安全性的重要方式。在礦井生產(chǎn)期間，必須將地面空氣連續(xù)不斷的輸入到礦井下，以保障工人可以正常呼吸，同時(shí)也稀釋了礦井中的有害氣體及礦塵。只有有效控制礦井中的風(fēng)流，才能防止出現(xiàn)瓦斯及煤塵爆炸事故的發(fā)生。在較大的礦機(jī)系統(tǒng)中，一般存在成百上千風(fēng)道構(gòu)成的通風(fēng)系統(tǒng)。當(dāng)?shù)孛姝h(huán)境、推進(jìn)工作面以及設(shè)備發(fā)生變化以后，風(fēng)道的風(fēng)阻以及自然風(fēng)壓都會(huì)產(chǎn)生變化。國內(nèi)外學(xué)者都在研究礦井通風(fēng)理論、技術(shù)以及應(yīng)用，不但，在礦井通風(fēng)狀態(tài)識(shí)別以及自動(dòng)調(diào)控領(lǐng)域沒有取得很大的成果。

隨著科技的發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”和現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也得到了推廣，并被應(yīng)用到了多個(gè)領(lǐng)域中，與此同時(shí)，礦山物聯(lián)網(wǎng)也取得了不錯(cuò)的成果。在礦井工作的多個(gè)環(huán)節(jié)安裝了傳感器，如環(huán)境監(jiān)測、人員定位方面以及故障診斷等。通過安裝的傳感器，管理人員可以隨時(shí)了解工作情況。截止到目前，已經(jīng)出現(xiàn)了萬兆工業(yè)以太網(wǎng)，同時(shí)也完成了井下4G基站的鋪設(shè)工作。不過，目前還沒有研發(fā)出完整的智能化礦井通風(fēng)系統(tǒng)。如果利用礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的智能化以及自動(dòng)化，可以大大提高礦井生產(chǎn)的效率，也提高了礦井工作的安全性。

2 礦井通風(fēng)智能化技術(shù)的研究現(xiàn)狀

對于礦井通風(fēng)智能化技術(shù)而言，其研究工作主要涉及到以下幾個(gè)方面：

（1）對于網(wǎng)絡(luò)解算而言，其是完成的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化、分析以及調(diào)控的基礎(chǔ)。早在1936年時(shí)，Cross H就提出了流體網(wǎng)絡(luò)分析方法，從此以后，科研工作人員利用數(shù)值計(jì)算的方式及圖論理論來處理礦井自然分風(fēng)問題。這在一定程度上解決了礦井通風(fēng)系統(tǒng)多態(tài)流動(dòng)的分析問題，低速風(fēng)流、采空區(qū)風(fēng)流以及高速風(fēng)流等可以進(jìn)行混合運(yùn)算，獲取到的數(shù)值也更接近實(shí)際數(shù)值。同時(shí)，明確了算法的收斂性條件及定理。風(fēng)系統(tǒng)的分風(fēng)解算問題從根本上得到了解決。

（2）對于通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化問題而言，其存在多種研究方式：第一個(gè)為固定風(fēng)量法;第二個(gè)為線性規(guī)劃法;第三個(gè)為非線性規(guī)劃法;第四個(gè)為最大通路法等。其中，第二、第四種方式簡化了系統(tǒng)，其計(jì)算結(jié)果是特定條件下的近似解。關(guān)于第一方式，其本質(zhì)為特殊的定解問題，通過該方式獲取到的風(fēng)阻有較大概率為負(fù)值。對于第三種方式而言，其沒有簡化系統(tǒng)，在最優(yōu)調(diào)節(jié)過程中，如果迭代法不是最優(yōu)狀態(tài)，且將風(fēng)壓看作調(diào)節(jié)變量，以此種方式來處理煤礦通風(fēng)系統(tǒng)問題，獲取的結(jié)果往往不可行。如果風(fēng)壓調(diào)節(jié)值與風(fēng)流方向不匹配，就只能使用降阻方式完成調(diào)節(jié)工作。

（3）關(guān)于阻力測定及測量平差研究的詳細(xì)介紹。在系統(tǒng)優(yōu)化、分風(fēng)解算以及調(diào)風(fēng)控風(fēng)過程中，都需要確定部分系統(tǒng)參數(shù)，其分支風(fēng)阻是最為重要的參數(shù)之一。如果得到的參數(shù)不準(zhǔn)確，獲取的最終結(jié)果再精確也是無用的。提高參數(shù)精度，以往都依靠于測定儀器及測定方法，不過，通風(fēng)形態(tài)比較復(fù)雜，在測定過程中存在不可控的干擾因素，因此無法避免隨機(jī)誤差。

（4）關(guān)于通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)識(shí)別研究的詳細(xì)介紹。在通風(fēng)系統(tǒng)中，存在多個(gè)重要的系統(tǒng)參數(shù)信息，如自然風(fēng)壓、風(fēng)道阻力及漏風(fēng)狀態(tài)等。以往所使用的阻力測定以及測量平差已經(jīng)無法滿足智能化通風(fēng)的需求。相關(guān)專家學(xué)者也提供了一些測風(fēng)求阻的方式。這些方式需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這在一定程度上影響了通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)作。如果調(diào)節(jié)的方式、節(jié)點(diǎn)等不準(zhǔn)確時(shí)，會(huì)得到錯(cuò)誤的方程組，進(jìn)而無法獲取到準(zhǔn)確結(jié)果。到現(xiàn)在為止，雖然已經(jīng)存在局部漏風(fēng)及漏風(fēng)通道參數(shù)的計(jì)算方式，不過還沒有建立漏風(fēng)點(diǎn)及漏風(fēng)通道識(shí)別模型。

3 自動(dòng)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)需解決的問題

（1）對需風(fēng)量模型進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì)，同時(shí)探索其可實(shí)現(xiàn)方法。針對礦井需風(fēng)量與風(fēng)點(diǎn)當(dāng)前存在的技術(shù)，雖然在以前的研究中，不少的文獻(xiàn)資料與礦井通風(fēng)教材都提供了此方面的計(jì)算方法，不過這些方法多數(shù)基于機(jī)械散熱、瓦斯涌出量以及人員數(shù)量等已知參數(shù)上，但是因?yàn)楦鱾€(gè)用風(fēng)點(diǎn)環(huán)境、礦井環(huán)境以及所用技術(shù)上都存在比較大的差距，所以，使用計(jì)算需風(fēng)量的方法無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，因此不利于通風(fēng)工作的順利進(jìn)行，也就是說，使用這種計(jì)算方法不利于工況，難以確保礦井的安全性，即便在此基礎(chǔ)上，通過人員定位系統(tǒng)、傳感器將采集到的環(huán)境溫度、炮煙產(chǎn)量以及機(jī)械散熱等的數(shù)據(jù)參數(shù)來對需風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，也處于一種滯后狀況，計(jì)算結(jié)果并不精準(zhǔn)，在一系列的通風(fēng)環(huán)節(jié)中，會(huì)存在一定的安全隱患問題，從而給礦井安全帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。總的來說，不管是對于人工調(diào)風(fēng)還是自動(dòng)調(diào)風(fēng)來說，都無法擺脫超前計(jì)算需風(fēng)量這一問題，即建立起完善的需求量計(jì)算模型是確保礦井通風(fēng)工作穩(wěn)定進(jìn)行下去的有效手段。對于預(yù)先計(jì)算需風(fēng)量這個(gè)問題，有效的解決思路是利用智能化方法，建立起在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)，之后再應(yīng)用各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳感技術(shù)，完成對用風(fēng)量和用風(fēng)點(diǎn)的提前計(jì)算。

（2）風(fēng)速傳感器以及全量程風(fēng)表?，F(xiàn)有的傳感器和風(fēng)表的量程均比0.2m/s小，因而造成許多使用低風(fēng)速的風(fēng)度用量沒有辦法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測定，干擾了礦井通風(fēng)測定、系統(tǒng)識(shí)別等質(zhì)量。所以，開發(fā)大量程（0.01～30m/s）風(fēng)速傳感器以及風(fēng)表是實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)自動(dòng)化的關(guān)鍵。相關(guān)研發(fā)思路，可在超聲波、微震動(dòng)等基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)低風(fēng)速的精準(zhǔn)計(jì)算，或者是利用局部的縮放技術(shù)對放大的風(fēng)速做進(jìn)一步的監(jiān)管，之后再縮小成真實(shí)風(fēng)速即可。

4 對礦井通風(fēng)智能化技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行分析

隨著“機(jī)械化減人、自動(dòng)化換人”以及“互聯(lián)網(wǎng)+”活動(dòng)的不斷展開，礦井通風(fēng)智能化領(lǐng)域也獲得了新的發(fā)展契機(jī)，在通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)等領(lǐng)域的趨勢下，使得礦井通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全程自動(dòng)化發(fā)展，即當(dāng)前的礦井通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)過改造之后，實(shí)現(xiàn)的全程智能化系統(tǒng)主要有以下幾點(diǎn)。

（1）根據(jù)安全規(guī)程下環(huán)境相關(guān)參數(shù)要求，以及礦井環(huán)境參數(shù)的預(yù)測，通過需風(fēng)量預(yù)測設(shè)備的檢測，提前求出各用風(fēng)點(diǎn)的用風(fēng)量。

（2）簡化了礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)之后，便可對礦井的傳感器與調(diào)控布施方案做進(jìn)一步的優(yōu)化，通過粉塵、風(fēng)速度、礦井通風(fēng)軟件以及傳感器等各方面條件的利用，便可了解到自然風(fēng)壓、環(huán)境以及設(shè)備狀態(tài)情況。

（3）通過礦井通風(fēng)系統(tǒng)的預(yù)計(jì)結(jié)果，還有用風(fēng)電的預(yù)測結(jié)果，結(jié)合智能調(diào)風(fēng)控風(fēng)系統(tǒng)的使用，設(shè)置出智能動(dòng)態(tài)設(shè)備以及調(diào)節(jié)設(shè)施在內(nèi)的整體性優(yōu)化調(diào)節(jié)方案，進(jìn)而發(fā)出調(diào)控指令，達(dá)到實(shí)現(xiàn)機(jī)礦井通風(fēng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)控的目的。實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)化，是在無需人工參與的情況下，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)作，僅在系統(tǒng)出現(xiàn)問題或是移裝的情況下，才會(huì)需要人進(jìn)行維護(hù)。

總之，隨著智能化技術(shù)的深入應(yīng)用，使得當(dāng)前通風(fēng)工作的效率得到了提高，也減少了數(shù)據(jù)處理、測風(fēng)以及系統(tǒng)調(diào)節(jié)等人員的過度參與，大量節(jié)省了人力的投入，其中，更為重要的一點(diǎn)是通過自動(dòng)化技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用，能使得系統(tǒng)性能得到進(jìn)一步的優(yōu)化，也能更加容易診斷出系統(tǒng)故障問題，延長了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的使用周期，降低了系統(tǒng)能耗，從而達(dá)到了礦井通風(fēng)系統(tǒng)最優(yōu)供風(fēng)的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]常江.礦井通風(fēng)系統(tǒng)及風(fēng)量優(yōu)化的研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2020，第35卷，第3期