基于智慧礦山體系下的煤礦智能化通風系統(tǒng)的構(gòu)建與應用

王錦鵬

(柳林縣安全生產(chǎn)應急救援指揮中心,山西 柳林 033300)

煤礦通風系統(tǒng)作為煤礦井下重要保障系統(tǒng)其主要功能是向井下輸送空氣,以保障工人呼吸所需。有效控制礦井中的風流,稀釋和排出煤礦開采過程中的各種有毒有害氣體、粉塵等,防止事故發(fā)生,是井下工作人員提供安全的通風作業(yè)環(huán)境的必要條件。隨著5G通信網(wǎng)絡技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷更新迭代?；凇爸腔鄣V山”體系去構(gòu)建智能化通風系統(tǒng),將先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、智能化技術(shù)應用到煤礦通風系統(tǒng)中,正在逐步成為現(xiàn)實[1-3]。

1 現(xiàn)代化煤礦對智能化通風系統(tǒng)的需求

1.1 行業(yè)變革使煤礦智能化成為剛需

“機械化減人、自動化換人”和煤礦綠色、安全、高效生產(chǎn)的發(fā)展趨勢,以及5G通信網(wǎng)絡技術(shù)更新推動了煤礦智能化建設。山西省政府多部門聯(lián)合出臺《山西省煤礦智能化建設實施意見》明確了要從2020年到2022年推動10座智能化示范煤礦和50個智能化綜采示范工作面建設,并制定了規(guī)范化標準,同時對智能化子系統(tǒng)做出明確規(guī)范要求。煤礦實現(xiàn)智能化已成為必然,煤礦通風系統(tǒng)作為煤礦的重要組成部分也將加入這一趨勢[4]。

1.2 煤礦自身發(fā)展的需要

我國傳統(tǒng)中小型煤礦采用的是傳統(tǒng)的高壓直啟和簡單的在線監(jiān)測組合的控制方式。礦井主要設置風門、風窗來實現(xiàn)為工作面配風。井下通風系統(tǒng)監(jiān)測基站多布置在井底車場附近,設備啟動在井下就地操作,用配電柜來控制設備的啟停,系統(tǒng)的在線監(jiān)測由簡單的幾個傳感器組成?；夭晒ぷ髅媸遣捎谩癠”型通風方式,這種通風系統(tǒng)自動化水平較低,控制模式原始且簡單,存在嚴重的安全隱患,已經(jīng)不能適應新時期煤礦發(fā)展的需求。而很多大型煤礦采用的是在傳統(tǒng)的高壓直啟模式上增加在線監(jiān)測和PLC后臺組合控制。系統(tǒng)可以通過PLC實現(xiàn)計算機控制及遠程操作,可采集設備啟停開關量及在線運行模擬量數(shù)據(jù),并能將設備數(shù)據(jù)上傳調(diào)度中心,但此系統(tǒng)的弊端在于在井下情況發(fā)生改變且超出計算機可控參數(shù)范圍時,必須人工調(diào)整風量控制模塊的計算機控制程序才能實現(xiàn)風量輸送調(diào)整,不能滿足煤礦無人化、自適應調(diào)風、智能化控制需求。

2 基于智慧礦山體系下的煤礦智能化通風系統(tǒng)

煤礦智慧礦山是將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、自動控制、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、機器人裝備等技術(shù)深度融合,形成礦山全面感知、實時互聯(lián)、分析決策、自主學習、動態(tài)預測、協(xié)同控制的完整智能系統(tǒng),實現(xiàn)礦井采掘、運輸、生產(chǎn)等智能化運行[5-6]。智慧礦山的“大腦”是中央管控中心,煤礦智能化通風系統(tǒng)作為智慧礦山的子系統(tǒng)之一,必須保證子系統(tǒng)與主系統(tǒng)的兼容性,以及各系統(tǒng)和技術(shù)相互銜接與融合。一個完整的智慧礦山系統(tǒng)如圖1所示,包括了智能采掘系統(tǒng)、智能地質(zhì)勘測系統(tǒng)、智能主輔運輸系統(tǒng)、智能綜合安全保障系統(tǒng)(包含智能通風系統(tǒng)、智能排水系統(tǒng)、智能供電系統(tǒng))。其中智能化通風系統(tǒng)是屬于煤礦井下智能綜合安全保障系統(tǒng)的子系統(tǒng)之一,需要與主系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng),實時傳輸與共享數(shù)據(jù)。因此，要確保主系統(tǒng)在調(diào)配各系統(tǒng)資源設備運行時,能夠充分利用和參考通風系統(tǒng)的參數(shù),實現(xiàn)煤礦井下各子系統(tǒng)資源的高效協(xié)同利用。

圖1 智慧礦山體系架構(gòu)圖

3 煤礦智能化通風系統(tǒng)的構(gòu)建與應用

近年來,煤礦紛紛進行通風系統(tǒng)技術(shù)升級改造,如在山西、山東、陜西等大型高瓦斯煤礦礦井,采用了新型PLC控制系統(tǒng)和在線監(jiān)測組合方式,硬件系統(tǒng)采用軟件遠程啟動控制,以專用通訊方式與PLC和控制部分上位機相連,實現(xiàn)了控制、拖動、在線監(jiān)測一體化。通過采集模塊獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù),包括供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)、設備運行監(jiān)測數(shù)據(jù)、通風工藝數(shù)據(jù)等,并將所有數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)PLC和上位機,系統(tǒng)集成化程度高,使整個系統(tǒng)有機融合,無縫銜接。這種控制方式屬于現(xiàn)有煤礦自動化最為先進的控制方式之一,系統(tǒng)的自動化程度高,控制量與在線監(jiān)測量多,其在技術(shù)裝備、軟件系統(tǒng)、人員素質(zhì)等基礎條件上,為構(gòu)建煤礦智能化通風系統(tǒng)奠定了堅實的基礎。

在智慧礦山體系下構(gòu)建煤礦智能化通風系統(tǒng),主要包括(如圖2所示)高速網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)、智能分析與調(diào)控系統(tǒng)、高精準感知技術(shù)裝備系統(tǒng)、風網(wǎng)監(jiān)測與隱患辨識預警系統(tǒng)等4大核心應用系統(tǒng)。

圖2 煤礦智能化通風系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1 高速網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)

傳統(tǒng)網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng),在實際控制中從發(fā)出指令到設備調(diào)整具有較長延時,往往在延時的幾秒鐘,事故已發(fā)生,因此智能化煤礦需要提供遠程超低延時控制，以實現(xiàn)地面井下的低延時或無延時通訊,快速得出最新實時需風量,迅速完成對用風量和用風點的提前計算和調(diào)控。5G網(wǎng)絡的出現(xiàn),與高速光纖環(huán)網(wǎng)及其延伸礦用設備的出現(xiàn)使網(wǎng)絡實時傳輸成為可能,能夠?qū)崿F(xiàn)低延時甚至無延時傳輸數(shù)據(jù)信號。例如，山西塔山煤礦,在煤礦建設5G通信基站,利用礦用通信電纜組成礦井光纖子網(wǎng)絡,與煤礦人員定位網(wǎng)絡交換機跨級連接,借助人員定位環(huán)網(wǎng),同時配合使用井下高精度傳感器,可以實時傳輸給地面智能管控工作臺。

3.2 智能分析與調(diào)控系統(tǒng)

傳統(tǒng)計算機程序與人工智能的區(qū)別在于,傳統(tǒng)計算機程序是按設定的數(shù)學模型及輸入?yún)?shù)得出相應結(jié)果,但井下環(huán)境是復雜多變的,一旦出現(xiàn)非常規(guī)問題,例如非標準形式輸入的異常參數(shù),計算機會輸出“錯誤”報警,無法生成其程序控制以外的應急情況的指令。人工智能因其強大的自我學習能力,在面臨突發(fā)情況和非常規(guī)問題時,系統(tǒng)可以像人一樣學習進步,通過對數(shù)據(jù)的分析，做出最正確的應急處置決策。智能分析與調(diào)控系統(tǒng)是智能化通風系統(tǒng)的大腦,目前已有中煤科工集團重慶研究院、中國礦業(yè)大學、華北科技學院等多家科研院所參與研發(fā),可對煤礦通風系統(tǒng)各種問題和常規(guī)通風系統(tǒng)任務進行分析處理,并對通風命令加以優(yōu)化。例如，當監(jiān)測數(shù)據(jù)偏離預設風量時,修正模塊進行調(diào)整;當監(jiān)測數(shù)據(jù)提示風量不符合實際需要時,應用風網(wǎng)計算軟件進行計算,重新調(diào)整巷道預設風量值,并啟動調(diào)風。對井下不同開采煤層、開采區(qū)域、采掘工作面之間風量合理調(diào)配,以保障極限風量條件下的產(chǎn)量安全、合理調(diào)控。

3.3 高精準感知技術(shù)與裝備系統(tǒng)

高精準感知技術(shù)與裝備系統(tǒng)是實現(xiàn)通風系統(tǒng)智能化的載體。目前，中煤科工集團重慶研究院在裝備技術(shù)上較為領先，并為陜煤化工集團黃陵礦業(yè)安裝了該系統(tǒng)。其智能化通風系統(tǒng)安裝有傳感器裝備，運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可將傳感器鏈接至控制中心網(wǎng)絡組中以實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的實時傳輸。同時，采用高靈敏度電容式大氣壓力測量元件以實現(xiàn)壓差、溫度、濕度參數(shù)同步精測；利用自動化通風裝置、高精度風速傳感器以及智能化安全監(jiān)控機器人實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準獲取。此外，該系統(tǒng)具有風阻類比數(shù)據(jù)庫和通風參數(shù)自校準功能，有通風二維、三維一體化及有毒氣體全時域動態(tài)分析功能。該系統(tǒng)在陜煤化工集團黃陵礦的監(jiān)測準確率可達到95%。

3.4 風網(wǎng)監(jiān)測與隱患辨識預警系統(tǒng)

風網(wǎng)監(jiān)測與隱患辨識預警系統(tǒng)所具有的功能主要在于利用靜、動態(tài)通風參數(shù)，通過通風網(wǎng)絡動態(tài)分析，達到對所有巷道通風參數(shù)實時監(jiān)測。并且實現(xiàn)與地測、采掘、運輸、監(jiān)控等系統(tǒng)聯(lián)動運行，可繪制通風網(wǎng)絡系統(tǒng)圖和通風系統(tǒng)立體示意圖。該系統(tǒng)可以通過對風機選型與調(diào)節(jié)、自然分風、按需分風等數(shù)據(jù)的分析運算得到礦方所需要的巷道通風系統(tǒng)最優(yōu)設計與改造方案、風量最優(yōu)調(diào)節(jié)與控制計劃、風網(wǎng)及風機的最優(yōu)管理、通風系統(tǒng)故障的最準確診斷等一系列最優(yōu)解，并可無縫對接瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過大數(shù)據(jù)分析井下實時動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)(這些數(shù)據(jù)包括串風通風、風速超限、風流短路或斷路、循環(huán)風等)對安全隱患進行自動識別，當安全隱患出現(xiàn)時該系統(tǒng)可自動報警。

3.5 智慧礦山體系下構(gòu)建智能化通風系統(tǒng)

以山西焦煤集團馬蘭礦為例。馬蘭礦是高瓦斯礦井,采用智能通風與實施監(jiān)測控制系統(tǒng)后,井上控制室能夠?qū)崟r監(jiān)控馬蘭礦18506工作面的回風量。其智慧礦山中央管控中心將井下瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)與控制中心實時聯(lián)網(wǎng),實現(xiàn)跨系統(tǒng)實時聯(lián)動。馬蘭礦將工業(yè)環(huán)網(wǎng)升級改造,井下鋪設5G專網(wǎng),建成了井下高速網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng),井下情況實現(xiàn)實時傳輸,井下參數(shù)可實時上傳至地面2D桌面系統(tǒng)上,形成可視化動態(tài)圖顯,礦井瓦斯抽采過程實現(xiàn)可視化動態(tài)管理。在智能分析與調(diào)控系統(tǒng)方面,計算機軟硬件系統(tǒng)整體升級,導入智能AI大數(shù)據(jù)庫和自適應調(diào)控模塊,運用大數(shù)據(jù)AI分析技術(shù),對煤礦井下通風風量需求進行超前預判，對事故隱患精準預警。馬蘭礦在高精準感知技術(shù)裝備上,使用智能無人化“智能巡檢機器人”,具有自動避障和人機對話功能,24 h無人化不間斷巡視,對巡檢范圍的瓦斯?jié)舛?、氧氣含量等采集、分?檢測到異常情況立即報警、控制停機,極大地減少了人力投入。馬蘭礦通過通風智能化建設,實現(xiàn)了減人提效,減少了事故隱患,避免了煤礦通風事故造成的災害,提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益,成為山西智能化工作面建設的示范煤礦。

4 結(jié)論

在智慧礦山體系下構(gòu)建智能化通風系統(tǒng)，將為煤礦帶來更多、更長遠的利益。在智慧礦山整體框架下構(gòu)建的智能化通風系統(tǒng),會具有更強的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)兼容性,更有利于煤礦的智能化整體升級改造,減少煤礦企業(yè)重復建立系統(tǒng)的資金投入。智能化通風系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)24 h不間斷實時在線監(jiān)控與智能調(diào)控,極大提高通風系統(tǒng)的工作效率。其次,智能通風系統(tǒng)的建成也將會減少人員值班,實現(xiàn)井下減人,降低了煤礦安全事故的危害,從而更好地為煤礦提高經(jīng)濟效益。