霍寶干河煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)精準(zhǔn)化異常診斷分析

胡偉偉

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 霍寶干河煤礦，山西 洪洞 041600)

隨著科技的發(fā)展，礦井的開(kāi)采深度以及范圍較之前都有了很大的延伸，隨之帶來(lái)更多的開(kāi)采安全問(wèn)題，其中礦井通風(fēng)最為顯著?；魧毟珊用旱V位于山西省臨汾市洪洞縣趙城鎮(zhèn)，地形較為復(fù)雜，礦井主要開(kāi)拓方式為立井開(kāi)拓，年生產(chǎn)能力為180萬(wàn)t，為山西焦煤集團(tuán)的重要礦井之一。該煤礦目前存在的通風(fēng)問(wèn)題主要有：礦井開(kāi)采深度較大，通風(fēng)阻力較大，存在漏風(fēng)情況，系統(tǒng)參數(shù)異常頻發(fā)；主風(fēng)機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，故障頻發(fā)；多煤層共同開(kāi)采，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜，管理困難、維護(hù)困難。因此，通常無(wú)法及時(shí)獲取系統(tǒng)的異常情況，系統(tǒng)得不到及時(shí)維護(hù)，導(dǎo)致系統(tǒng)失效，從而引發(fā)事故，威脅礦井生產(chǎn)安全。

為了能夠及時(shí)獲取系統(tǒng)信息，對(duì)系統(tǒng)異常進(jìn)行自動(dòng)診斷，選取診斷標(biāo)準(zhǔn)，確定診斷指標(biāo)，通過(guò)視覺(jué)仿真系統(tǒng)建立系統(tǒng)異常樣本庫(kù)，后對(duì)異常進(jìn)行分析，得出異常原因，最終實(shí)現(xiàn)異常的識(shí)別與診斷。

1 構(gòu)建礦井通風(fēng)系統(tǒng)異常樣本庫(kù)

1.1 通風(fēng)系統(tǒng)異常診斷指標(biāo)體系

通常來(lái)講，通風(fēng)系統(tǒng)異常診斷體系的完善度，會(huì)直接影響系統(tǒng)的診斷可靠性，因此在構(gòu)建通風(fēng)系統(tǒng)的異常診斷功能時(shí)，需要先進(jìn)行異常體系的構(gòu)建。而在構(gòu)建異常診斷體系之前，應(yīng)該先定義通風(fēng)系統(tǒng)指標(biāo)，包括：

1)通風(fēng)動(dòng)力。礦井通風(fēng)的動(dòng)力是各個(gè)通風(fēng)機(jī)，當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)直接影響礦井的通風(fēng)系統(tǒng)。而目前存在風(fēng)機(jī)斷電停風(fēng)、風(fēng)機(jī)老化導(dǎo)致風(fēng)量不足、風(fēng)機(jī)負(fù)壓較大運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題。

2)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。井下巷道錯(cuò)綜復(fù)雜，因此形成了復(fù)雜的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，隨著工作面不斷前進(jìn)，通風(fēng)網(wǎng)也在不斷變化。目前表現(xiàn)的主要問(wèn)題：阻力過(guò)大導(dǎo)致井下部分位置無(wú)風(fēng)，瓦斯?jié)舛却螅挥捎诘乩硪蛩?，?dǎo)致通風(fēng)航道的部分位置阻力加大，影響風(fēng)量，威脅安全。

3)通風(fēng)設(shè)施。由于井下巷道錯(cuò)綜復(fù)雜，通風(fēng)風(fēng)流無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，因此采用通風(fēng)設(shè)施用于井下風(fēng)向風(fēng)量的調(diào)節(jié)和控制。常出現(xiàn)的失效模式是由于巷道風(fēng)阻改變，從而導(dǎo)致漏風(fēng)量增加。

確定與通風(fēng)動(dòng)力、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、通風(fēng)設(shè)施此3項(xiàng)準(zhǔn)則相關(guān)的8項(xiàng)指標(biāo)：風(fēng)量、風(fēng)壓、喘振、總阻力、巷道風(fēng)速、用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量、巷道摩擦阻力系數(shù)和通風(fēng)設(shè)施兩端壓差。建立的通風(fēng)系統(tǒng)異常診斷指標(biāo)體系，見(jiàn)圖1.

圖1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)異常診斷指標(biāo)體系圖

1.2 利用層次分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

在基于通風(fēng)物理組成的異常診斷評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，由于異常診斷指標(biāo)體系的指標(biāo)相對(duì)較少，直接對(duì)所有三級(jí)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一打分，并建立相應(yīng)矩陣。通過(guò)專(zhuān)家打分，構(gòu)建相應(yīng)的判斷矩陣，并進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，具體結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)異常診斷指標(biāo)判斷矩陣表

通過(guò)層次分析法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，最后可以得出按照指標(biāo)分類(lèi)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)異常診斷指標(biāo)權(quán)重，見(jiàn)表2.

表2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)異常診斷指標(biāo)權(quán)重表

1.3 建立通風(fēng)系統(tǒng)異常樣本庫(kù)

霍寶干河煤礦目前通過(guò)運(yùn)用通風(fēng)在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)已基本實(shí)現(xiàn)井下各巷道風(fēng)速風(fēng)量的在線監(jiān)測(cè)，但是只能獲取風(fēng)量的大小卻無(wú)法獲取導(dǎo)致風(fēng)量出現(xiàn)異常的因素。所以現(xiàn)利用礦井通風(fēng)可視化仿真軟件VSE，以霍寶煤礦為實(shí)驗(yàn)礦井，構(gòu)建現(xiàn)狀仿真模型，分別對(duì)所有會(huì)出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行模擬，制作大量異常樣本，構(gòu)建異常樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)異常原因的識(shí)別與匹配，診斷由通風(fēng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提示的系統(tǒng)異常，分析原因以及影響范圍。建立異常樣本庫(kù)時(shí)，首先將霍寶干河煤礦的礦井巷道數(shù)據(jù)以CAD圖像的形式導(dǎo)入仿真軟件中，錄入后，生成煤礦通風(fēng)系統(tǒng)圖,見(jiàn)圖2.導(dǎo)入圖像到仿真軟件后，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行重要參數(shù)的設(shè)置，包括：在軟件的菜單欄中通過(guò)輸入實(shí)際的參數(shù)，添加繪制構(gòu)筑物以及風(fēng)機(jī)；通過(guò)查詢(xún)采掘平面圖并手動(dòng)輸入巷道節(jié)點(diǎn)以及拐點(diǎn)的標(biāo)高，準(zhǔn)確測(cè)算通風(fēng)阻力；手動(dòng)輸入系統(tǒng)的通風(fēng)阻力參數(shù)。

圖2 煤礦通風(fēng)系統(tǒng)圖

為了保證仿真準(zhǔn)確度，視覺(jué)VSE使用風(fēng)壓閉合差和解算誤差作為參考標(biāo)準(zhǔn)。在該標(biāo)準(zhǔn)下，仿真系統(tǒng)解算一次，參數(shù)便會(huì)重生成一次。用來(lái)表征模擬效果真實(shí)度的參數(shù)閉合差每次運(yùn)算過(guò)后都會(huì)以彈窗的形式進(jìn)行顯示，且數(shù)值越小效果越好，通過(guò)彈窗數(shù)值直觀地展現(xiàn)仿真的準(zhǔn)確度。隨后將前期收集的礦井參數(shù)以及處理數(shù)據(jù)導(dǎo)入模擬系統(tǒng)，在礦井現(xiàn)實(shí)狀態(tài)的基礎(chǔ)上，模擬有可能出現(xiàn)的異常，獲取相應(yīng)的異常數(shù)據(jù)，為精準(zhǔn)診斷提供數(shù)據(jù)支持。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)異常診斷分析

由于通風(fēng)系統(tǒng)的工作環(huán)境復(fù)雜，工作參數(shù)隨機(jī)，導(dǎo)致其系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，在自身以及外部環(huán)境的作用下容易造成系統(tǒng)異常情況產(chǎn)生?，F(xiàn)以在線監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的實(shí)際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)樹(shù)狀圖的方法，對(duì)異常原因進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的異常診斷功能。在分析過(guò)程中，從可能出現(xiàn)的異常問(wèn)題出發(fā)，結(jié)合系統(tǒng)出現(xiàn)故障的部位以及容易發(fā)生問(wèn)題的地點(diǎn)，綜合分析研究異常出現(xiàn)的原因。

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)異常的原因可以總結(jié)為5類(lèi)，且每個(gè)異常原因的程度以及范圍等都存在差異。系統(tǒng)異常故障分析圖見(jiàn)圖3.

圖3 系統(tǒng)異常故障分析圖

通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出，通風(fēng)系統(tǒng)的5類(lèi)異常，發(fā)生概率較大的3大地點(diǎn)主要是：1)通風(fēng)構(gòu)筑物的巷道。由于風(fēng)機(jī)等設(shè)備出現(xiàn)異常，導(dǎo)致風(fēng)阻減小，出現(xiàn)風(fēng)量異常。2)主要通風(fēng)巷道。將通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中主要的通風(fēng)巷道作為優(yōu)先一級(jí)的診斷位置。3)通風(fēng)巷道交接位置。由于位于通風(fēng)巷道的拐點(diǎn)位置，其風(fēng)量易受來(lái)自?xún)蓚?cè)巷道的影響，當(dāng)兩側(cè)風(fēng)向一致時(shí)，阻力增大會(huì)導(dǎo)致拐點(diǎn)分支風(fēng)量減小，而當(dāng)兩側(cè)風(fēng)向相反時(shí)，風(fēng)阻增加，拐點(diǎn)分支風(fēng)量反會(huì)增加，加大系統(tǒng)風(fēng)量的不穩(wěn)定，屬于薄弱環(huán)節(jié)。

圖3中，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，除了需要定位異常，更重要的是識(shí)別異常的原因，關(guān)于異常原因的識(shí)別難易程度是不相同的，有的可以從數(shù)據(jù)進(jìn)行推理，而有的卻需要進(jìn)行更細(xì)致地分析。作為系統(tǒng)心臟的風(fēng)機(jī)異常，其風(fēng)壓和風(fēng)量均會(huì)受到影響，其異常是可以通過(guò)監(jiān)測(cè)傳感器識(shí)別，容易進(jìn)行判斷；網(wǎng)絡(luò)以及設(shè)備異常時(shí)，難以準(zhǔn)確識(shí)別，原因在于井下巷道之間相互交錯(cuò)，無(wú)法確定異常源，因此需要在設(shè)備以及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)出口位置中均勻布置數(shù)臺(tái)風(fēng)速風(fēng)量傳感器，通過(guò)計(jì)算巷道差值，分析異常源所在；自然風(fēng)壓等導(dǎo)致的異常屬于不可控的因素，且可以靠自身調(diào)節(jié)恢復(fù)，不進(jìn)行贅述。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)井下通風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，確定通風(fēng)系統(tǒng)異常診斷指標(biāo)體系以及評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，通過(guò)可視化仿真軟件VSE獲取建立煤礦的異常樣本庫(kù)，結(jié)合系統(tǒng)特征，分析得出造成井下通風(fēng)系統(tǒng)異常的5大類(lèi)因素，并對(duì)系統(tǒng)異常進(jìn)行診斷。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)將異常數(shù)據(jù)與樣本庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并將異常執(zhí)行分類(lèi)定位，后通過(guò)樣本庫(kù)數(shù)據(jù)分析，確定異常源所在，執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的措施，對(duì)異常進(jìn)行精確定位以及精準(zhǔn)的診斷分析，縮短了異常分析解決時(shí)間，確保了煤礦的安全生產(chǎn)。