煤礦智能通風與安全保障平臺方案架構(gòu)

賀炳偉

(延安車村煤業(yè)(集團)有限責任公司，陜西 子長 717300)

0 引言

2020年，國家發(fā)展改革委、國家能源局等八部委等先后印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》和“關(guān)于開展首批智能化示范煤礦建設(shè)推薦工作有關(guān)事項的通知”，明確指出煤礦的近期目標就是利用先進技術(shù)來實現(xiàn)煤礦綠色安全及智能化、無人化開采。我國煤礦的采、掘、運等生產(chǎn)各主要環(huán)節(jié)已實現(xiàn)了高度機械化以及自動化，以“少人則安”這一顯著特征也取得了安全生產(chǎn)的重大突破。與此相對應(yīng)，礦井通風與安全作為煤礦運行的基本支撐體系卻尚未有效實現(xiàn)系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新，通風安全管理技術(shù)滯后和煤礦安全的極端重要性形成了較大反差。通風安全日常管理與應(yīng)急響應(yīng)能力成為了煤礦現(xiàn)代化進程中相對薄弱的技術(shù)環(huán)節(jié)，以至大型礦井，特別是大型煤礦難以實現(xiàn)高效通風和按需供風，造成“一通三防”管理中的人力、物力和財力浪費，并影響到控災、救災等災變應(yīng)對能力的有效發(fā)揮[1]。

國外的通風分析軟件，如美國的MFIRE、加拿大的VentSim，法國的Ineris(Cerchar)、南非的COMRO和澳大利亞的CSIRO、波蘭的VENTGRAPH等，但由于礦山管理體制等原因，并不能被我國煤炭企業(yè)采用。國內(nèi)越來越多從事通風網(wǎng)絡(luò)研究的人員在可視化、開放性、友好性上做了大量研究。例如西安科技大學的“礦井通風網(wǎng)絡(luò)三維動態(tài)分析系統(tǒng)”[2]，中國礦業(yè)大學的“基于Windows的礦井通風網(wǎng)絡(luò)解算軟件”[3]、山東科技大學的“礦井災變處理系統(tǒng)”[4]等。由于受數(shù)模發(fā)展、信息技術(shù)及通信條件等多方限制，在通風網(wǎng)絡(luò)分級智能解算、通風態(tài)勢識別、自動調(diào)控、風險與隱患辨識等諸多技術(shù)研發(fā)與現(xiàn)實需求領(lǐng)域進展緩慢，尚未形成有效的技術(shù)集成，物聯(lián)網(wǎng)、“云平臺”、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)應(yīng)用水平不高，與煤礦的智慧化建設(shè)目標差距明顯。

1 方案技術(shù)路線

近年來隨著信息化、智能化等技術(shù)的飛速發(fā)展，智能通風建設(shè)已成為當前智慧礦山建設(shè)的顯著熱點，代表了煤礦信息化與智慧化建設(shè)的發(fā)展方向，對于煤礦生產(chǎn)智能化發(fā)展具有重要意義[5]。以煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)多元信息融合為基礎(chǔ)，以“云端”大數(shù)據(jù)匯集與分析能力為依托，實現(xiàn)礦井通風安全實時跟蹤分析、規(guī)律提取及科學預警，并通過礦井通風等學科相關(guān)基礎(chǔ)理論的深度應(yīng)用，形成以礦井通風動態(tài)波動變化跟蹤分析與優(yōu)化控制為核心的智能決策平臺。煤礦智能通風與安全保障解決方案的技術(shù)路線如圖1所示。

2 平臺主要架構(gòu)

2.1 礦井智能通風系統(tǒng)組成

礦井智能通風可分為以環(huán)境感知、分析、決策、預警、應(yīng)急處置為核心的“智能”內(nèi)涵和以通風機及通風構(gòu)筑物的系統(tǒng)集約控制、裝備自適應(yīng)控制、故障管控為核心的“遙控與自動化”內(nèi)涵2大部分。只有將智能通風內(nèi)涵建設(shè)作為基本要求，綜合當前大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等信息技術(shù)手段，方能研究基于云邊端思想的礦井智能通風系統(tǒng)架構(gòu)的構(gòu)建方法[6]。

2.2 在線監(jiān)測、動態(tài)解算及三維信息化管理

通風網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)解算是礦井通風系統(tǒng)智能化的基礎(chǔ)和關(guān)鍵內(nèi)容。煤礦通風網(wǎng)絡(luò)龐大且復雜，需要研究通風網(wǎng)絡(luò)的并行求解模型，實現(xiàn)復雜風網(wǎng)的快速迭代解算，解決復雜風網(wǎng)實時解算的性能瓶頸問題。同時將在線監(jiān)測的風速、風壓等通風相關(guān)數(shù)據(jù)實時進行采集，結(jié)合風網(wǎng)動態(tài)解算實現(xiàn)對井下通風系統(tǒng)全區(qū)域、全要素的在線監(jiān)測。為了將井下通風系統(tǒng)全區(qū)域、全要素信息直觀的展現(xiàn)，還需要針對通風要素構(gòu)建參數(shù)化的三維井巷模型類庫，以實現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動的井下通風系統(tǒng)三維環(huán)境快速創(chuàng)建。在此基礎(chǔ)上，基于HTML5的網(wǎng)絡(luò)化三維架構(gòu)研究通風信息動態(tài)可視化技術(shù)，實現(xiàn)礦井通風系統(tǒng)全要素的云端三維直觀展現(xiàn)。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technology roadmap

2.3 日常管控與故障智能診斷

煤礦井下的通風系統(tǒng)是一個由風道組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從拓撲角度來看屬于有向復雜連通網(wǎng)絡(luò)，各個通風參數(shù)之間由于串聯(lián)、并聯(lián)交織構(gòu)成了廣泛的相關(guān)性，一個參數(shù)的變化通過鏈式效應(yīng)將傳導和影響一定的范圍。因此，需要在監(jiān)測數(shù)據(jù)的實施采集和動態(tài)解算的基礎(chǔ)之上，基于數(shù)據(jù)融合、大數(shù)據(jù)、人工智能等智能化技術(shù)，剔除錯誤數(shù)據(jù)、提高監(jiān)測精度、挖掘數(shù)據(jù)間隱含的規(guī)律、預測變化趨勢；進而實現(xiàn)對特定礦井、特定地點、特定參數(shù)是“正常”還是“異?！弊龀隹茖W的認知，并從工程角度有效辨識實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的“異?！?，確定其“異?！钡某潭?，以便實現(xiàn)科學的分級預警。

2.4 風量準確監(jiān)測、智能遠程調(diào)控

通風系統(tǒng)的日常管理和災變時期的應(yīng)對都依賴風量的準確檢測，當前主要依賴通風巡檢人員和風速傳感器，但風速傳感器精度不高且由于啟動風速的限制對低風速區(qū)監(jiān)測不準；而人員巡檢技術(shù)水平有差異，都對礦井風量檢測帶來不利影響。針對此狀況，應(yīng)通過研究先進的風速監(jiān)測方法，提高低風速監(jiān)測精度；研究數(shù)據(jù)融合方法，將人員巡檢數(shù)據(jù)和風速傳感器數(shù)據(jù)相融合，互相驗證提高風量檢測的準確性；此外，研究風門、風窗風量監(jiān)測方法，建立智能遠程調(diào)控理論，實現(xiàn)遠距離的通風設(shè)施調(diào)整。

2.5 災變通風系統(tǒng)抗災能力

2.5.1 災變風流智能應(yīng)急調(diào)控

針對煤礦井下火災、爆炸等災變事故的典型情況，構(gòu)建系統(tǒng)性的場景進行模擬分析，在大量模擬的基礎(chǔ)上提取其中的主要規(guī)律，研究災變條件下通風系統(tǒng)應(yīng)急調(diào)控方案。包括多主扇礦井災變通風的態(tài)勢分析、全礦反風及局域反風的方案制訂、災變通風管控對策研討、應(yīng)急預案編制等，并將上述關(guān)鍵技術(shù)的研究結(jié)果有效納入現(xiàn)場應(yīng)用，實現(xiàn)有效的災變管控應(yīng)對分析與應(yīng)急決策輔助。

2.5.2 通風系統(tǒng)抗災能力分析子系統(tǒng)

通風系統(tǒng)在災變條件下，由于火風壓、通風構(gòu)筑物的破壞，會造成系統(tǒng)風流短路、風流逆轉(zhuǎn)等變化，嚴重的會造成人員逃生困難、事故擴大等問題。因此，需要構(gòu)建基于災變網(wǎng)絡(luò)風煙流演化模型，研究通風各子系統(tǒng)抗災能力的跟蹤評價方法。這樣一方面為日常通風管理改善抗災能力提供依據(jù)，另一方面為研究通風系統(tǒng)抗災控制機理建立基礎(chǔ)，實現(xiàn)災變管控的技術(shù)性應(yīng)對分析與應(yīng)急決策輔助。

2.5.3 通風系統(tǒng)災變推演與智能決策子系統(tǒng)

在災變風流智能應(yīng)急調(diào)控研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建智能決策子系統(tǒng)。針對礦井通風系統(tǒng)的遞進變化及可能災變特征，研究基于典型災變情況下的場景式模擬與外延分析，在充分考慮一段時間后通風系統(tǒng)災變演化發(fā)展情形的條件下，研究智能決策子系統(tǒng)。結(jié)合抗災能力分析子系統(tǒng)，實現(xiàn)對通風系統(tǒng)穩(wěn)定性與抗災能力的深度跟進式分析評價，智能推演出反風、改變通風構(gòu)筑物、風壓調(diào)整等手段，提供決策效果的定性和定量的模擬，有效輔助災變條件下的通風決策。

2.5.4 礦井主要通風機穩(wěn)定性實時判定模型

隨著煤炭開采能力的快速提高，多風機聯(lián)合運轉(zhuǎn)成為常態(tài)，亟需對主要通風機的穩(wěn)定性進行實時判定，保障通風系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，可以通過準確測定礦井主要通風機的特性范圍，結(jié)合通風系統(tǒng)實時解算，構(gòu)建多風機聯(lián)合運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性評判模型，基于深度學習理論建立評判算法，實現(xiàn)主要通風機穩(wěn)定性的實施監(jiān)控，并對出現(xiàn)的可能影響穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的變化進行預警。

2.6 多級聯(lián)動智能通風應(yīng)急指揮系統(tǒng)

通風系統(tǒng)應(yīng)急條件下的指揮對井下井上協(xié)調(diào)提出了更高的要求，日常依賴人員升井后開會的方式已經(jīng)不能滿足要求，亟需實時高效的應(yīng)急指揮系統(tǒng)，構(gòu)建一種依托于礦井通信系統(tǒng)的通風信息交互與共享模式。該模式以布置在通風科室的業(yè)務(wù)終端計算機及大屏為信息中心，以井下、井上通用的防爆手機為信息終端，實現(xiàn)通風安全相關(guān)的多種信息，包括圖件、參數(shù)、視頻、音頻的全域、全時段、全面覆蓋；將信息按角色進行有針對性的篩選，實現(xiàn)分級的信息展示與調(diào)控，從而將礦調(diào)度室(及上級公司調(diào)度室)、礦通防調(diào)度室(礦通防科與區(qū)隊)、領(lǐng)導及相關(guān)部門、礦通風安全專業(yè)人員等多個層次連通為一個整體，在“一張圖”的基礎(chǔ)上實現(xiàn)高效通信、協(xié)同和指揮。智能通風系統(tǒng)所涉及的分析計算軟件及相應(yīng)的技術(shù)支持均置于“云端”，專業(yè)通風安全遠程技術(shù)支持團可通過互聯(lián)網(wǎng)和“云端”可隨時跟蹤礦方的系統(tǒng)運行并及時提供服務(wù)。

3 結(jié)語

立足于煤礦通風安全管控需求與現(xiàn)實技術(shù)水平，瞄準國內(nèi)外礦井通風安全技術(shù)應(yīng)用前沿，以集成和提升成熟技術(shù)為基礎(chǔ)，并充分調(diào)研、加快研發(fā)、合理選用最新前沿技術(shù)，以安全監(jiān)控系統(tǒng)多元數(shù)據(jù)融合為基礎(chǔ)，實現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)信息的在線深度跟蹤分析、異常辨識及科學預警，有效提高礦井通風安全領(lǐng)域全系統(tǒng)、全時段、全面關(guān)聯(lián)信息的實時匯集、分析、規(guī)律提取與預警水平。在多系統(tǒng)信息融合及實時跟蹤分析的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)自適應(yīng)、遞進優(yōu)化的通風安全狀態(tài)跟蹤判斷功能及應(yīng)對方案智能決策功能，實現(xiàn)關(guān)鍵控風點的智能調(diào)控，有效提高以礦井日常調(diào)風及災變通風控制為代表的通風技術(shù)管理工作的科學性、精準性與時效性，并高水平實現(xiàn)對采掘工作面局域內(nèi)通風安全的全面監(jiān)控、實時跟蹤、深度分析與科學管理。通過對通風安全管理及各崗位業(yè)務(wù)的全方位信息支持，實現(xiàn)通風安全減人提效，建設(shè)滿足煤礦通風智能決策與安全保障分析需求的信息化、智能化、集控化系統(tǒng)。