基于實時監(jiān)控系統(tǒng)的煤礦智能通風(fēng)系統(tǒng)的研究

李義寶

（西山煤電（集團）有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

屯蘭礦地處西山煤電古交礦區(qū)，井田占地面積62.26 km2，可采儲量5.54億t。現(xiàn)開采2#、8#煤層，為Ⅱ類自燃煤層，2#煤層平均厚度2.98 m，8#煤層平均厚度3.33 m。我國煤礦通風(fēng)按照通風(fēng)方式分為礦井通風(fēng)以及工作面通風(fēng)。礦井通風(fēng)具體分為兩翼對角式、中央并列式、分區(qū)式、混合式；工作面通風(fēng)具體分為U型通風(fēng)、Y型通風(fēng)、W型通風(fēng)、H型通風(fēng)。該礦井通風(fēng)方式主要是中央并列式，工作面通風(fēng)方式主要是U型通風(fēng)方式。該通風(fēng)方式勢必會導(dǎo)致上隅角瓦斯聚集以及采空區(qū)漏風(fēng)的增加。另外，目前井下測風(fēng)的監(jiān)測參數(shù)主要是通過通風(fēng)員利用機械風(fēng)表和秒表進行人工采集，最后將測量的數(shù)據(jù)帶到井上進行匯總分析。該方法存在較大的誤差，且存在分析滯后的問題，而且有的巷道環(huán)境相當惡劣，存在較大的風(fēng)險。因此，利用智能通風(fēng)系統(tǒng)不僅可以保證通風(fēng)系統(tǒng)實時監(jiān)測的準確性，還能有效降低通風(fēng)技術(shù)人員的勞動量。

本文設(shè)計的智能通風(fēng)系統(tǒng)由三個模塊組成，包括礦井實時監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)處理及智能決策模塊、遠程控制模塊。通過實時監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度等數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)的解算方法及解算時間間隔進行處理分析，利用PLC進行通風(fēng)設(shè)施的遠程控制，最終實現(xiàn)智能化通風(fēng)系統(tǒng)[1-5]。

1 實時監(jiān)測系統(tǒng)與遠程控制

煤礦井下環(huán)境惡劣，為了保證系統(tǒng)能夠在高塵、高濕的環(huán)境下正常工作，選取PLC系統(tǒng)作為實時監(jiān)測與遠程控制的核心。監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集/AD轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)分析與智能決策、遠程控制模塊組成，其工作原理如圖1。傳感器將采集到的風(fēng)壓、風(fēng)速、瓦斯?jié)舛鹊拳h(huán)境信息通過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量之后通過EM235模塊傳送給PLC，再通過RS485模塊傳送至上位機中進行數(shù)據(jù)分析處理。如果有需求可以向下位機發(fā)送指令，由調(diào)控執(zhí)行模塊進行控制?？刂七^程一般采用PID和模糊控制算法，通過對傳感器采集到的巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛冗M行動態(tài)響應(yīng)，來調(diào)節(jié)通風(fēng)設(shè)施控制瓦斯?jié)舛仍谠试S范圍內(nèi)。

圖1 實時監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

煤礦井下巷道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，風(fēng)門除了具備遠程控制功能外，還需要有能夠檢測到行人或礦車自動開閉的功能，以及在特殊情況下手動操作控制風(fēng)門打開的功能。在需要調(diào)節(jié)風(fēng)門以及風(fēng)窗開度的時候，地面人員在上位機中輸入風(fēng)門風(fēng)窗打開的角度，同時利用攝像機監(jiān)測系統(tǒng)確定該風(fēng)門暫無人員或者礦車通過時，遠程控制風(fēng)門風(fēng)窗達到預(yù)設(shè)的角度[6-8]。在正常情況下，風(fēng)門可以自動運行，傳感器檢測到行人或者礦車時可以自動開啟；當井下停電時可以通過井下人員手動開啟；在緊急情況下，可以通過遠程控制開啟。遠程控制自動風(fēng)門風(fēng)窗示意圖如圖2、圖3。

圖2 遠程控制自動風(fēng)門示意圖

圖3 遠程控制自動調(diào)節(jié)風(fēng)窗示意圖

地面上位機監(jiān)測程序使用西門子WinCC組態(tài)軟件進行組態(tài)，上位機具有數(shù)據(jù)顯示功能、風(fēng)門開啟角度設(shè)置以及一鍵自動調(diào)節(jié)等功能。在進行操作時，首先使用賬號密碼登陸該系統(tǒng)，然后輸入風(fēng)門需要開啟的角度，點擊一鍵調(diào)節(jié)按鈕即可實現(xiàn)遠程控制風(fēng)門開啟角度的自動調(diào)節(jié)。在井下發(fā)生緊急狀況時，通過觀看風(fēng)門的視頻監(jiān)測畫面確認沒有人員和設(shè)備時，可以實現(xiàn)風(fēng)門的緊急關(guān)閉，在緊急狀況解除時風(fēng)門恢復(fù)正常狀態(tài)。

2 智能決策

2.1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)計算模型

對于通風(fēng)節(jié)點而言，流入風(fēng)量與流出風(fēng)量的代數(shù)和為零。對于回路而言，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中任意回路或者網(wǎng)孔中的風(fēng)流應(yīng)遵守能量守恒定律。用方程表示為：

式中：hj為回路中分支j的通風(fēng)阻力；pj為回路中分支j的通風(fēng)動力，包括自然及機械風(fēng)壓。

基于該原理，可以將非穩(wěn)定狀態(tài)下的巷道風(fēng)流看作一維流體，根據(jù)回路風(fēng)壓平衡定律，可得到巷道i的空氣流動方程為：

式中：ρi為巷道i內(nèi)空氣密度，kg/m3；Li為巷道i的長度，m；vi為巷道i內(nèi)的風(fēng)速，m/s；Hi為巷道i的通風(fēng)阻力，Pa；Ri為巷道i的摩擦風(fēng)阻，N·s2/m8；Qi為巷道i的風(fēng)量，m3/s；g為重力加速度，9.8 m/s2；Zi為巷道i兩側(cè)高度差，m；hfi為巷道i內(nèi)通風(fēng)機壓力，m。

令巷道i的慣性系數(shù)Ki=ρiLi/Ai，其中Ai為巷道i斷面面積，得出一維流體動量方程：

假設(shè)在Δt時間內(nèi)，巷道i的風(fēng)量變化是均勻的，Q0i為巷道i初始時刻風(fēng)量，則（dQi）/dt=（Qi-Q0i）/Δt，代入式（3），根據(jù)回路風(fēng)壓平衡定律，可得非穩(wěn)態(tài)條件下的回路風(fēng)量修正值：

2.2 礦井通風(fēng)智能決策主要模塊

2.2.1 拓撲分析模塊

在通風(fēng)系統(tǒng)建模完成后，需要對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖的分支、節(jié)點等拓撲關(guān)系進行檢查與分析，主要包括連通性分析、進回風(fēng)井分析、通路分析等。必要的拓撲分析與修正是網(wǎng)絡(luò)解算成功的必要條件。

（1）連通性分析。連通性分析用于判斷通風(fēng)系統(tǒng)圖是否連接，以便進行后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)解算、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)節(jié)。利用遍歷分支算法將關(guān)聯(lián)節(jié)點加入到節(jié)點連通塊中，如果最終僅剩下唯一的節(jié)點連通塊則此通風(fēng)系統(tǒng)圖為連通狀態(tài)。

（2）進回風(fēng)井分析。進、回風(fēng)井分析用于查找通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的進、回風(fēng)口，以便在網(wǎng)絡(luò)解算中對進、回風(fēng)口分支之間添加相應(yīng)的虛擬分支以構(gòu)造風(fēng)量平衡、壓力平衡的回路。進回風(fēng)井分析有著十分重要的工程意義。

（3）通路分析。通路分析目的是尋找通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的所有通路，對于通風(fēng)系統(tǒng)中最大阻力路徑及優(yōu)化調(diào)節(jié)有著重要意義，常用的算法為深度優(yōu)先搜索法。

2.2.2 數(shù)據(jù)檢查模塊

礦井下分支眾多，巷道環(huán)境復(fù)雜，需要記錄的數(shù)據(jù)類型眾多，一條巷道就需要記錄巷道長度、斷面面積、支護類型、風(fēng)速、風(fēng)壓等數(shù)據(jù)。在記錄過程中需要對各種類型的數(shù)據(jù)進行檢查，防止丟失某些關(guān)鍵數(shù)據(jù)導(dǎo)致后續(xù)模擬計算無法進行。

2.2.3 數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊主要用于最大阻力路線分析。最大阻力路線是通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中從進風(fēng)井至回風(fēng)井的一條不含有構(gòu)筑物的基準路徑。在通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化時，如果某地供風(fēng)量不足，需要利用最大阻力路徑計算其他路徑與最大阻力路徑的不平衡阻力值，在其他路徑增加阻力來使得該地點需風(fēng)量達到要求。

3 應(yīng)用

2018年6月在西山煤電屯蘭礦13307工作面進行測試，將試驗監(jiān)測氣體改為CO2，當監(jiān)測到試驗氣體濃度超限時，需要啟動相應(yīng)的通風(fēng)設(shè)施包括主通風(fēng)機、風(fēng)門、風(fēng)窗以控制監(jiān)測氣體達到正常濃度范圍內(nèi)。試驗包括四扇風(fēng)門、四扇風(fēng)窗以及礦井主通風(fēng)機，其中風(fēng)門風(fēng)窗的開閉狀態(tài)用布爾類型表示，1為全開，0為全閉。13307工作面氣體試驗結(jié)果見表1。在氣體慢速釋放條件下，開啟1扇風(fēng)門、2扇風(fēng)窗，主通風(fēng)機頻率在30 Hz即可在124 s將試驗氣體濃度稀釋到1924×10-6；在快速條件下，需要提升主通風(fēng)機頻率為60 Hz，可以在236 s將氣體濃度稀釋到1963×10-6。

表1 13307采煤工作面CO2氣體測試結(jié)果

4 結(jié)論

針對屯蘭礦內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)分散度高，難以實現(xiàn)對各通風(fēng)單位運行情況進行自動監(jiān)測的問題，結(jié)合該礦的實際情況，將一通三防系統(tǒng)與實時監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合，構(gòu)建智能化通風(fēng)系統(tǒng)，實現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實時在線監(jiān)測、通風(fēng)數(shù)據(jù)智能決策、通風(fēng)設(shè)施遠程控制等功能，有效提升了通風(fēng)系統(tǒng)的智能化程度，不僅可以減少通風(fēng)人員的作業(yè)強度而且還可以實現(xiàn)對于風(fēng)量的智能調(diào)節(jié)。經(jīng)過在該礦13307工作面進行氣體釋放測試試驗也驗證了該智能通風(fēng)系統(tǒng)的可行性。