礦山智能供風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在大尹格莊金礦的應(yīng)用

于濤 王啟健

摘要：針對(duì)大尹格莊金礦供風(fēng)系統(tǒng)人工巡檢工作量大、管路破損發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、管理數(shù)據(jù)不可見(jiàn)等問(wèn)題，在供風(fēng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)加設(shè)傳感器，獲取風(fēng)壓、流速、流量等供風(fēng)參數(shù)，在井下布置以太環(huán)網(wǎng)及無(wú)線覆蓋網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳，基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，構(gòu)建礦井智能供風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)查詢、供風(fēng)能耗分析、泄漏檢測(cè)等多重手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大尹格莊金礦供風(fēng)系統(tǒng)的智能化管理。

關(guān)鍵詞：供風(fēng)系統(tǒng);管路監(jiān)測(cè);傳感器;物聯(lián)網(wǎng);大數(shù)據(jù);智能分析

中圖分類號(hào)：TD72文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2021）04-0051-05doi：10.11792/hj20210411

引 言

金屬礦山鑿巖爆破作業(yè)離不開(kāi)空壓機(jī)供風(fēng)，地表空壓機(jī)的管理較為簡(jiǎn)單，但井下供風(fēng)管路分支多，延伸范圍廣，當(dāng)管路發(fā)生破損后如何快速精準(zhǔn)定位成為礦山供風(fēng)系統(tǒng)管理的難題。目前，煤礦系統(tǒng)對(duì)此方面的研究較多，多通過(guò)建立管路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)解決此類問(wèn)題[1-2]。

目前，招金礦業(yè)股份有限公司大尹格莊金礦（下稱“大尹格莊金礦”）擁有3處空壓機(jī)房，分別為主井、北風(fēng)井、南風(fēng)井空壓機(jī)房。其中，主井空壓機(jī)房有6臺(tái)40 m3空壓機(jī)，南風(fēng)井空壓機(jī)房有1臺(tái)60 m3和2臺(tái)40 m3空壓機(jī)，北風(fēng)井空壓機(jī)房有3臺(tái)40 m3空壓機(jī)。井下供風(fēng)管路采用D273×8、D219×7、D159×7、D133×5、D114×5多種管徑無(wú)縫鋼管。大尹格莊金礦井下生產(chǎn)設(shè)-140 m、-175 m、-210 m、-290 m、-380 m、-431 m、-496 m、-556 m、-616 m和-676 m 10個(gè)中段，目前主要在-380 m～-496 m中段采礦，-496 m～-676 m中段開(kāi)拓，井下供風(fēng)管路通過(guò)井筒及斜坡道延伸到2個(gè)礦區(qū)的6個(gè)主力生產(chǎn)開(kāi)拓中段。原采用的供風(fēng)系統(tǒng)管理辦法為3處空壓機(jī)房安設(shè)人員值守，井筒及巷道供風(fēng)管路無(wú)人巡查，當(dāng)供風(fēng)工作面壓力及風(fēng)量不足時(shí)安排人員全程巡檢，但管路及井筒管路檢查的復(fù)雜性等導(dǎo)致排查效率低，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。近年來(lái)，隨著信息化、智能化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)礦山供風(fēng)系統(tǒng)管路監(jiān)測(cè)方法迎來(lái)了變革，期望通過(guò)傳感器、數(shù)據(jù)傳輸、大數(shù)據(jù)分析等多重手段，構(gòu)筑一套新的礦山供風(fēng)系統(tǒng)管理方法，以減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度，做好跑漏風(fēng)的監(jiān)測(cè)、監(jiān)控，提高礦山生產(chǎn)效率。

1 智能供風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

大尹格莊金礦智能供風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在礦山物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，提取供風(fēng)系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與加工分析，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合，在智能終端獲得分析結(jié)論，指導(dǎo)企業(yè)供風(fēng)系統(tǒng)管理，優(yōu)化指標(biāo)，降耗提效。智能供風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍包含地表空壓機(jī)系統(tǒng)及井下供風(fēng)管路，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包含空壓機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)參數(shù)、電能數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)（流量、壓力、溫度），主要功能包含數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集監(jiān)控、視頻監(jiān)控、安全預(yù)警、數(shù)據(jù)分析等，系統(tǒng)應(yīng)用后實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)遠(yuǎn)程控制、能耗分析、井下壓風(fēng)管路泄漏監(jiān)測(cè)預(yù)警等。

大尹格莊金礦智能供風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含調(diào)度中心大屏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和礦山集成與展示平臺(tái)電腦客戶端。

1.1 調(diào)度中心大屏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

調(diào)度中心大屏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）包含3部分：第一部分為空壓機(jī)房視頻監(jiān)控，可對(duì)空壓機(jī)房?jī)?nèi)狀態(tài)進(jìn)行可視化監(jiān)控;第二部分為供風(fēng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面，可實(shí)時(shí)觀測(cè)各空壓機(jī)房空壓機(jī)開(kāi)啟數(shù)量、電流、電壓，停機(jī)狀態(tài)空壓機(jī)指示圖標(biāo)為黑色，運(yùn)行時(shí)變成綠色，出現(xiàn)報(bào)警時(shí)變成紅色，同時(shí)可實(shí)時(shí)觀測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)管路的空氣壓力、流量及流速;第三部分為供風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)看板，可了解當(dāng)日實(shí)時(shí)供風(fēng)量、日供風(fēng)量趨勢(shì)、各空壓機(jī)站日供風(fēng)量。

1.2 礦山集成與展示平臺(tái)電腦客戶端

礦山集成與展示平臺(tái)電腦客戶端包含空壓機(jī)歷史數(shù)據(jù)查詢、井下點(diǎn)位歷史數(shù)據(jù)查詢、供風(fēng)能耗查詢、泄漏檢測(cè)查詢4部分，各部分?jǐn)?shù)據(jù)查詢均設(shè)置了查詢時(shí)段選擇，便于對(duì)數(shù)據(jù)的查詢與分析。

1）空壓機(jī)歷史數(shù)據(jù)查詢?？刹樵兊乇?處空壓機(jī)站各空壓機(jī)的電流歷史曲線，通過(guò)分析電流曲線，可掌握空壓機(jī)運(yùn)行工況，當(dāng)電流異常時(shí)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行設(shè)備維修。空壓機(jī)歷史數(shù)據(jù)查詢界面見(jiàn)圖2。

2）井下點(diǎn)位歷史數(shù)據(jù)查詢?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)井下23處供風(fēng)管路監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)查詢，查詢包含實(shí)時(shí)流量和實(shí)時(shí)壓力查詢兩類數(shù)據(jù)，可了解每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)任意時(shí)間段內(nèi)流量、壓力的變化。例如：當(dāng)某監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)漏風(fēng)時(shí)，實(shí)時(shí)流量將異常增加;當(dāng)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力異常減小時(shí)，可分析得出監(jiān)測(cè)點(diǎn)上游供風(fēng)管路發(fā)生異常，可能存在風(fēng)管破損等情況。井下點(diǎn)位歷史數(shù)據(jù)查詢界面見(jiàn)圖3。

3）供風(fēng)能耗查詢。可查詢地表3處空壓機(jī)站每個(gè)站點(diǎn)的日供風(fēng)量、日能耗及供風(fēng)單耗，通過(guò)數(shù)據(jù)的分析對(duì)比，可及時(shí)了解各空壓機(jī)站的工作情況，便于提高對(duì)站點(diǎn)的管理水平。供風(fēng)能耗查詢界面見(jiàn)圖4。

4）泄漏檢測(cè)查詢。在較長(zhǎng)的一定時(shí)間段內(nèi)（可以是連續(xù)幾個(gè)月），由于生產(chǎn)情況不會(huì)發(fā)生大的變化，生產(chǎn)區(qū)域的用風(fēng)量也不會(huì)發(fā)生大的變化。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)相鄰測(cè)點(diǎn)測(cè)定數(shù)值的邏輯關(guān)系，設(shè)置測(cè)點(diǎn)間測(cè)定數(shù)值的比值，當(dāng)供風(fēng)泄漏統(tǒng)計(jì)表所統(tǒng)計(jì)的實(shí)時(shí)比值偏離預(yù)設(shè)值時(shí)，提示當(dāng)前供風(fēng)系統(tǒng)中這2個(gè)測(cè)點(diǎn)附近區(qū)域存在問(wèn)題。泄漏檢測(cè)查詢界面見(jiàn)圖5。

2 工程應(yīng)用及效果

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)及傳感器安裝

2.1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的選擇是構(gòu)建監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的前提，選擇時(shí)應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)情況考慮井上、井下管路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，避免無(wú)效監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。大尹格莊金礦智能供風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)施工點(diǎn)位覆蓋主要生產(chǎn)區(qū)域，共實(shí)施了23處供風(fēng)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)采集，其中井上3處，井下20處（見(jiàn)圖6）。后期可根據(jù)生產(chǎn)情況及時(shí)調(diào)整監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，確保監(jiān)測(cè)點(diǎn)位有效、合理。

2.1.2 監(jiān)測(cè)參數(shù)

空壓機(jī)房監(jiān)測(cè)參數(shù)主要為空壓機(jī)電流、電壓，根據(jù)電流、電壓的變化趨勢(shì)可以分析空壓機(jī)開(kāi)停、運(yùn)轉(zhuǎn)工況，該項(xiàng)監(jiān)測(cè)參數(shù)可直接通過(guò)電能數(shù)據(jù)獲得。

供風(fēng)管路監(jiān)測(cè)參數(shù)包含2項(xiàng)，分別為管路流量和壓力，通過(guò)分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)流量和壓力判斷供風(fēng)管路中的風(fēng)流狀態(tài)。管路流量通過(guò)熱式流量計(jì)測(cè)量，熱式流量計(jì)采用熱擴(kuò)散原理，將2個(gè)溫度傳感器置于介質(zhì)中時(shí)，其中一個(gè)溫度傳感器被加熱到環(huán)境溫度以上，另一個(gè)溫度傳感器用于感應(yīng)介質(zhì)溫度，介質(zhì)流速增加，介質(zhì)帶走的熱量增多，2個(gè)溫度傳感器的溫度差隨介質(zhì)的流速變化而變化，根據(jù)溫度差與介質(zhì)流速的比例關(guān)系，可得出流體的流量（Q）。管路壓力通過(guò)STN2B壓力變送器測(cè)量，壓力變送器主要由測(cè)壓元件傳感器、測(cè)量電路和過(guò)程連接件3部分組成，能將測(cè)壓元件傳感器感受到的氣體、液體等物理壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)。

2.1.3 傳感器安裝

傳感器測(cè)量參數(shù)的準(zhǔn)確性很大程度上由安裝的規(guī)范性決定，尤其是熱式流量計(jì)的安裝。熱式流量計(jì)的傳感器須按照指示的特定方向安裝。這些流量元件都是按特定的流向進(jìn)行標(biāo)定的，安裝時(shí)必須使流向箭頭與管道中的流體流向一致。安裝儀表時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離彎頭、障礙物、變徑、閥門，以保證流場(chǎng)穩(wěn)定，一般要求有較長(zhǎng)的上限直管道，前直管道長(zhǎng)大于10倍管徑，后直管道長(zhǎng)大于5倍管徑。為確保流量計(jì)正常工作，安裝時(shí)應(yīng)使流量元件端部超過(guò)管道中心線6.35 mm。設(shè)備標(biāo)定時(shí)嚴(yán)格按照中心線要求進(jìn)行標(biāo)定。

2.2 數(shù)據(jù)采集及傳輸

智能供風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集采用工業(yè)智能采集終端，用網(wǎng)線通過(guò)LAN從PLC獲取數(shù)據(jù)或通過(guò)OPC協(xié)議直接獲取供風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)接口集成開(kāi)發(fā)。

大尹格莊金礦智能供風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)在井下布置以太環(huán)網(wǎng)及無(wú)線覆蓋網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳[3]。主干網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)，主干網(wǎng)傳輸介質(zhì)為光纖，采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。地面、井下連接成一個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)，在控制中心機(jī)房通過(guò)高性能的工業(yè)級(jí)核心交換機(jī)連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的礦井監(jiān)控信息子網(wǎng)，該子網(wǎng)在一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的網(wǎng)段中運(yùn)行，通過(guò)隔離網(wǎng)閘與建立的礦山企業(yè)網(wǎng)（即信息網(wǎng)絡(luò)）隔離。礦用無(wú)線通信系統(tǒng)是基于工業(yè)以太網(wǎng)的井下通訊系統(tǒng)，以光纜為主干，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為延伸，在井下設(shè)立若干基站，通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)覆蓋井下巷道，在井下建立有線與無(wú)線混合型局域網(wǎng)。在調(diào)度中心機(jī)房安裝1臺(tái)無(wú)線AC控制器，用來(lái)管理所有無(wú)線AP并進(jìn)行配置信息的下發(fā)和無(wú)線用戶的管理。大尹格莊金礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)拓?fù)鋱D見(jiàn)圖7。

2.3 數(shù)據(jù)分析平臺(tái)

礦山大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、治理平臺(tái)，數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)和數(shù)據(jù)挖掘管理平臺(tái)4種類型。大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)利用物聯(lián)網(wǎng)收集、處理數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中，針對(duì)業(yè)務(wù)實(shí)際，運(yùn)用數(shù)學(xué)算法、機(jī)器學(xué)習(xí)工具進(jìn)行數(shù)據(jù)深度挖掘，達(dá)到設(shè)備預(yù)知必維護(hù)、節(jié)能提效、優(yōu)化生產(chǎn)工藝等精細(xì)化管理目標(biāo)。

通過(guò)建立大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)實(shí)現(xiàn)供風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析決策服務(wù)，對(duì)礦山供風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行專題分析與大數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)隱形問(wèn)題、發(fā)展趨勢(shì)與相互關(guān)系等有價(jià)值的規(guī)律，找出最有價(jià)值的應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)，確保供風(fēng)管理不斷優(yōu)化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)礦山的透明與精細(xì)化管理[4-5]。

2.4 應(yīng)用效果

目前通過(guò)供風(fēng)管路流量監(jiān)測(cè)，借助泄漏統(tǒng)計(jì)報(bào)表（見(jiàn)表1），發(fā)現(xiàn)3項(xiàng)泄漏預(yù)警。

通過(guò)對(duì)3處異常區(qū)域排查共發(fā)現(xiàn)管路泄漏點(diǎn)5處，通過(guò)及時(shí)組織對(duì)管路的維修，極大地減少跑風(fēng)量，有效保證了鉆機(jī)施工作業(yè)，減少的漏風(fēng)量降低了購(gòu)氣量，可直接轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié) 語(yǔ)

借助礦山物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)分析，通過(guò)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)查詢、供風(fēng)能耗分析、泄漏檢測(cè)等多重手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井上、井下供風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效監(jiān)測(cè)，提高了大尹格莊金礦供風(fēng)系統(tǒng)管理的智能化水平，解決了人工排查的工藝難點(diǎn)。智能供風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)需注意測(cè)點(diǎn)設(shè)置、傳感器安裝、報(bào)警邏輯判斷等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]崔亞仲，白明亮，李波.智能礦山大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2019，47（3）：66-74.

[2]賈硯成，牛新建.煤礦井下供水供風(fēng)系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用[J].科技信息，2011（31）：292-293.

[3]馬強(qiáng).基于無(wú)線組網(wǎng)的煤礦井下數(shù)據(jù)傳輸方案[J].礦業(yè)裝備，2019（3）：28-29.

[4]朱瑞環(huán)，劉修成，鄒芳偉.大數(shù)據(jù)背景下礦山企業(yè)的信息化建設(shè)[J].中國(guó)有色金屬，2018，21（7）：66-67.

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Application of intelligent mine air supply monitoring system in Dayingezhuang Gold Mine

Yu Tao，Wang Qijian

（Dayingezhuang Gold Mine，Zhaojin Gold Industry Co.，Ltd.）

Abstract：In view of the heavy workload of manual patrol inspection，the untimely discovery of pipeline damage and the invisibility of management data in the air supply system of Dayingezhuang Gold Mine，sensors are installed at the key nodes of the air supply network to obtain wind pressure，velocity，flow and other air supply parameters.The ethernet ring network and wireless coverage network are arranged underground to realize the real time upload of monitoring data.Based on the internet of things and big data analysis technology，the intelligent mine air supply monitoring system is constructed.The intelligent management of the air supply system of Dayingezhuang Gold Mine is realized by means of real time on line monitoring，historical data query，air supply energy consumption analysis，leakage detection and so on.

Keywords：air supply system;pipeline monitoring;sensor;internet of things;big data;intelligent analysis