金屬礦山智能通風(fēng)理論與技術(shù)

黃 堅,徐 巍,姚宗旭,谷龍飛

(1.銅陵有色集團(tuán)股份有限公司 冬瓜山銅礦,安徽 銅陵 244000;2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 前言

金屬礦山井下通風(fēng)是保障礦井安全健康運行的重要技術(shù)手段之一[1],主要是利用機械通風(fēng)的方法持續(xù)向礦井輸送新鮮空氣到井下各作業(yè)地點,供工作人員呼吸,稀釋并排出井下有害氣體和浮塵,改善礦井氣候條件及救災(zāi)時控制風(fēng)流的作業(yè),有利于保障礦井安全生產(chǎn),是災(zāi)害防治的基礎(chǔ)[2]。

礦山智能通風(fēng)技術(shù)根據(jù)井下各個地點的溫度、濕度、有害氣體和粉塵濃度的變化實時保證供風(fēng)質(zhì)量,滿足正常時期和災(zāi)變時期各用風(fēng)地點按時按需供風(fēng)[3]。通風(fēng)技術(shù)在保證礦井工作人員人身安全的同時,還需要具有簡單方便、易于操作、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢,在實際的礦山通風(fēng)技術(shù)與設(shè)備選擇過程中,要結(jié)合礦山通風(fēng)的實際所需,在滿足巷道通風(fēng)要求的同時做到節(jié)能環(huán)保,使企業(yè)獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

在具體的通風(fēng)控制中存在很多困難,礦井巷道的風(fēng)道參數(shù)(例如風(fēng)阻、風(fēng)壓)都是時變系統(tǒng)[4],這是由于一般大中型礦井的通風(fēng)系統(tǒng)都由幾百條甚至上千條風(fēng)道組成的非線性流體網(wǎng)絡(luò),而且地面大氣壓和地溫會隨時變化,以及巷道的變形、掘進(jìn)工作面和回采工作面的推進(jìn)、通風(fēng)設(shè)施的狀態(tài)改變,各種人員、車輛和設(shè)備的擾動等,都會對通風(fēng)控制的效果產(chǎn)生巨大的影響。

因此,目前礦山通風(fēng)大多數(shù)仍然處于人工或半人工控制階段,難以滿足通風(fēng)智能化建設(shè)的需求。同時礦山通風(fēng)災(zāi)害異常預(yù)警、應(yīng)急決策與通風(fēng)調(diào)控智能化能力明顯不足,災(zāi)變期間預(yù)警、應(yīng)急不及時,災(zāi)害將難以得到及時有效的控制[5]。

多年來,科技工作者對礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)開展了廣泛的研究。劉曉偉[6]分析了通風(fēng)信息化要求,闡述了智能通風(fēng)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)以及系統(tǒng)組成；葛啟發(fā)等[7]使用FLUENT軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了采場進(jìn)路安裝局扇與不安裝局扇時,不同的出礦巷道風(fēng)速對采場進(jìn)路風(fēng)流的影響；王兵[8]分析了掘進(jìn)面智能通風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能,對系統(tǒng)提出改進(jìn)建議；邵良杉等[9]分析了煤礦智能通風(fēng)關(guān)鍵技術(shù),研究了基于礦山檢測監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)的精確獲取算法,建立了基于最小調(diào)節(jié)功耗的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)優(yōu)化方法來實現(xiàn)礦井的按需分風(fēng)；葛啟發(fā)等[10]對整個礦山使用按需通風(fēng)技術(shù),并運用三維通風(fēng)仿真軟件對全礦區(qū)域通風(fēng)方案進(jìn)行模擬比較,證明按需通風(fēng)技術(shù)對于改善井下作業(yè)環(huán)境、降低風(fēng)機能耗和通風(fēng)及預(yù)熱成本效果顯著；王明龍等[11]分析了現(xiàn)代礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)的使用效果以及應(yīng)用背景,從而提高礦井中工作的整體質(zhì)量；馮朋飛[12]針對當(dāng)前煤礦智能通風(fēng)系統(tǒng)中普遍存在的PLC控制系統(tǒng)響應(yīng)速度慢、易出現(xiàn)分析失準(zhǔn)等問題,提出了一種以現(xiàn)場總線技術(shù)為基礎(chǔ)的煤礦新型智能通風(fēng)系統(tǒng)；陳翰光[13]提出在礦井采用智能通風(fēng)與實時監(jiān)測控制系統(tǒng),并對該系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng)、井下監(jiān)控系統(tǒng)以及智能通風(fēng)構(gòu)筑物等進(jìn)行詳細(xì)闡述；葛啟發(fā)等[14]針對冬瓜山銅礦西翼礦體兼有深井礦山和緩傾斜中厚難采礦體的特點,對進(jìn)風(fēng)—采場—回風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和仿真,較好地解決了冬瓜山銅礦采場通風(fēng)困難問題；李芳[15]在對礦井通風(fēng)系統(tǒng)隱患進(jìn)行精確摸排的基礎(chǔ)上,建立數(shù)據(jù)庫,實時采集通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù),上傳通風(fēng)系統(tǒng)隱患,結(jié)合隱患識別模型,利用網(wǎng)絡(luò)解算實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)隱患在線實時監(jiān)測和預(yù)警；薛剛鋒[16]在分析掘進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)存在問題的基礎(chǔ)上,總結(jié)分析智能化通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計和智能化通風(fēng)控制系統(tǒng)作業(yè)原理；魏洋等[17]提出了適應(yīng)大型煤礦智能化通風(fēng)系統(tǒng)的主要通風(fēng)機配置方案；王陽[18]提出采用現(xiàn)場總線技術(shù)的智能通風(fēng)控制系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)措施,設(shè)計的智能通風(fēng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)策略與人工方式一致；陳慶剛等[19]提出了礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案,并利用Ventsim Visual三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了模擬分析,證明優(yōu)化改造方案通風(fēng)管理簡單、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)效率高,并且通風(fēng)能耗顯著降低；頊利芳[20]對井下智能通風(fēng)系統(tǒng)自動控制功能做出分析,進(jìn)而總結(jié)了井下智能通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置要點與傳感裝置布設(shè)要點。

綜上所述,以往研究成果主要從礦井智能通風(fēng)的系統(tǒng)組成、PLC控制、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算和調(diào)控原理等開展了局部研究,對礦井智能通風(fēng)原理與架構(gòu)建設(shè)論述較少。本文借助礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動化設(shè)備和智能軟件系統(tǒng)的技術(shù)成果,重點圍繞金屬礦山智能通風(fēng)的原理、功能展開,系統(tǒng)闡述了智能通風(fēng)的原理,論述智能通風(fēng)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)類型以及安全策略,為實現(xiàn)金屬礦山通風(fēng)智能化和無人化提供借鑒。

1 原理

1.1 概念

金屬礦山智能通風(fēng)的內(nèi)涵是將信息采集處理技術(shù)、控制技術(shù)與通風(fēng)系統(tǒng)深度融合,按照“平戰(zhàn)結(jié)合”的理念實現(xiàn)按需供風(fēng)及異常災(zāi)變狀態(tài)下的智能決策與應(yīng)急調(diào)控,既滿足日常通風(fēng)的自動化管理與維護(hù),又實現(xiàn)災(zāi)變時期的應(yīng)急控風(fēng)有效抑制災(zāi)情演化[21]。其主要功能包括：

(1)礦山通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠與災(zāi)情預(yù)警,達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的目標(biāo),保障通風(fēng)系統(tǒng)日常運行的可靠性與經(jīng)濟(jì)性,生產(chǎn)過程中風(fēng)量做到按需供風(fēng),滿足通風(fēng)異常的自動感知、診斷與預(yù)警。

(2)礦山通風(fēng)系統(tǒng)的全程自動化,達(dá)到智能調(diào)控目標(biāo),運用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、新材料,先進(jìn)制造,信息通信和自動化技術(shù),建設(shè)智慧礦山通風(fēng)系統(tǒng),實現(xiàn)分析決策與聯(lián)動調(diào)控,災(zāi)變條件下能夠?qū)崿F(xiàn)防災(zāi)、減災(zāi)、控災(zāi)和主動救災(zāi)等全過程的自動化與智能化。

1.2 控風(fēng)模型

假設(shè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中有n條分支、m個節(jié)點,獨立回路b=n-m+1,其節(jié)點風(fēng)量平衡與回路風(fēng)壓平衡方程為：

式中,i,j分別為節(jié)點和分支,bij=0,1,-1分別為節(jié)點i與分支j不相連、分支j風(fēng)流流出節(jié)點i、分支j風(fēng)流流入節(jié)點i；cij=0,1,-1分別為分支j不在回路i中、在回路i中與回路i同向、在回路i中與回路i反向；Rj為分支j的風(fēng)阻；qj為分支j的風(fēng)量；hfj為分支j的風(fēng)機風(fēng)壓。

礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)時,需要事先確定按需分風(fēng)優(yōu)化調(diào)節(jié)方案,即在滿足按需分風(fēng)要求下,通風(fēng)機功耗和調(diào)節(jié)設(shè)施數(shù)量越小越好,兩者的量綱和數(shù)量級均不同,但需要建立相互結(jié)合的最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

1.3 單元模塊

礦山智能通風(fēng)系統(tǒng)精確感知通風(fēng)與氣體環(huán)境參數(shù)、通風(fēng)設(shè)施與動力裝備狀態(tài),基于信息處理與決策平臺,運用風(fēng)網(wǎng)智能調(diào)控軟件系統(tǒng)、可調(diào)風(fēng)機、可控通風(fēng)設(shè)施,實現(xiàn)按需經(jīng)濟(jì)供風(fēng)的智能化調(diào)節(jié),在通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時,能夠精準(zhǔn)診斷異常或災(zāi)變關(guān)鍵影響因子,及時預(yù)警、智能給出調(diào)控方案,快速修復(fù)通風(fēng)系統(tǒng),保障通風(fēng)系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運行。據(jù)此,礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)由可調(diào)通風(fēng)動力、可控通風(fēng)設(shè)施、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和智能調(diào)控系統(tǒng)組成,按照礦井多元信息智能感知、高效可靠信息傳輸、通風(fēng)狀態(tài)智能分析與決策、通風(fēng)設(shè)施/動力智能調(diào)控指令分發(fā)、執(zhí)行及效果反饋的工作流程,實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的智能聯(lián)動調(diào)控。主要的控制模塊如下：

(1)通風(fēng)信息感知模塊。礦山智能通風(fēng)系統(tǒng)核心信息來源的感知神經(jīng)主要包括精密風(fēng)量、風(fēng)速、溫度、CO含量、NOx含量、粉塵質(zhì)量濃度、壓力等參數(shù)傳感器；通風(fēng)設(shè)施與通風(fēng)機參數(shù)狀態(tài)反饋傳感器；防爆門數(shù)據(jù)監(jiān)測傳感器。

(2)信息交互傳輸模塊。礦山智能通風(fēng)系統(tǒng)信息交互的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),主要包括井下多源信息交互傳輸算法、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)、防爆交換機、傳輸分站、傳輸線纜等。

(3)數(shù)據(jù)分析與智能決策模塊。礦山智能通風(fēng)系統(tǒng)的大腦,能通過數(shù)據(jù)挖掘準(zhǔn)確判識通風(fēng)異常狀態(tài)、原因與位置,實時預(yù)警、研判異常致災(zāi)的時效性影響范圍與災(zāi)害程度,融合井下人員定位系統(tǒng)與逃生行為等多元信息,制定井下和井上通風(fēng)設(shè)施、設(shè)備的聯(lián)動調(diào)控策略,并通過協(xié)同集控執(zhí)行并反饋決策方案,從而最大限度的縮小災(zāi)害影響范圍。因此,它主要包括通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)在線解算、通風(fēng)狀態(tài)異常在線診斷與預(yù)警、災(zāi)變預(yù)測及演變過程仿真,以及防災(zāi)/減災(zāi)、抗災(zāi)、救災(zāi)決策等子模塊。

(4)通風(fēng)聯(lián)動調(diào)控模塊。礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)的執(zhí)行層,主要包括風(fēng)機智能變頻調(diào)控裝置、井下自動風(fēng)門、井下自動可調(diào)風(fēng)窗、區(qū)域聯(lián)動控風(fēng)裝置、井上防爆門快速泄壓復(fù)位裝置、井下遠(yuǎn)程控制抗爆密閉裝置等。

2 技術(shù)類型

2.1 多風(fēng)機多級基站技術(shù)

在礦山通風(fēng)系統(tǒng)中,應(yīng)用多風(fēng)機多級基站技術(shù)可以提升通風(fēng)工作的效率,有效節(jié)約通風(fēng)過程的電力資源消耗,既高效又節(jié)能,因此值得在礦山通風(fēng)工作中廣泛應(yīng)用。多風(fēng)機多級基站技術(shù)利用對兩級或兩級以上的風(fēng)基站,將礦井外部的新鮮空氣輸送到礦井之中,并把礦井中的被污染空氣輸送到礦井之外,實現(xiàn)礦井內(nèi)的空氣凈化,使礦井作業(yè)更加安全。通風(fēng)基站運行過程中無需調(diào)節(jié)風(fēng)窗大小來增加或減少通風(fēng)量,只需要對風(fēng)機產(chǎn)生的風(fēng)量進(jìn)行控制就可以保證礦井內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)的正常運行。利用多風(fēng)機多級基站技術(shù)對礦井進(jìn)行通風(fēng)換氣工作,操作簡單、節(jié)能環(huán)保、能更好地滿足礦井的通風(fēng)需求,因此值得在礦山通風(fēng)中大力推廣。

2.2 礦山通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)優(yōu)化技術(shù)

在礦山通風(fēng)工作中,如果可以利用自然通風(fēng)技術(shù),天然的風(fēng)資源對礦井中的空氣進(jìn)行凈化,不僅能提高礦山通風(fēng)的工作效率,還更加節(jié)能環(huán)保。但是目前這種技術(shù)在我國還處于研究和探索階段,一旦研究成功投入使用,將能極大地節(jié)約礦井工作在通風(fēng)中的能源損耗,因此具有較強的研究和實踐意義,未來也具有十分可觀的應(yīng)用前景。無論是對哪種通風(fēng)技術(shù)進(jìn)行研究,最終為了形成礦山通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)優(yōu)化技術(shù),但是由于在實際工作中,有諸多因素會影響礦山通風(fēng),因此還需要研究人員根據(jù)不同礦山的井下作業(yè)情況,對礦山通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,使礦山通風(fēng)技術(shù)能夠滿足礦井對通風(fēng)的要求。

2.3 主輔扇同時作業(yè)通風(fēng)節(jié)能技術(shù)

主輔扇同時作業(yè)通風(fēng)也可以有效節(jié)約能源,通過對主輔扇同時作業(yè)技術(shù)的研究,發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在確保礦井內(nèi)風(fēng)量不變的情況下,可以有效控制礦井內(nèi)作業(yè)區(qū)的有害氣體含量,因此具有一定的節(jié)約能源作用,值得在礦山通風(fēng)工作中廣泛應(yīng)用。

3 安全策略

3.1 科學(xué)設(shè)置礦井的通風(fēng)系統(tǒng)

礦山通風(fēng)系統(tǒng)主要是將礦井外的新鮮空氣輸入礦井內(nèi)的作業(yè)地點,然后將礦井內(nèi)的有害氣體與粉塵排放到礦井以外,所以科學(xué)地設(shè)置礦山通風(fēng)系統(tǒng),對于保證礦井作業(yè)安全具有十分重要的作用。礦井的通風(fēng)方式根據(jù)進(jìn)風(fēng)井與回風(fēng)井布置方式的不同,分為對角式、中央式以及混合式三種類型,而通風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)主扇地點以及主扇的工作方式又分為抽出式、壓入式以及混合式三種。在具體的設(shè)計過程中,要結(jié)合礦井的實際情況進(jìn)行分析,根據(jù)礦井的地形和深度對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計。針對一些地形比較復(fù)雜的礦井,一定要同時安裝一套備用的通風(fēng)設(shè)備,確保一套設(shè)備出現(xiàn)故障以后,能夠有另一套設(shè)備立即投入使用。針對一些比較深的礦井,在通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)置上一定要適當(dāng)增加主扇的功率,使其能夠滿足深井的通風(fēng)需要。在通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)置上,還要考慮不同地區(qū)的氣候條件對礦山通風(fēng)的影響,將通風(fēng)系統(tǒng)做出合理的調(diào)整。

3.2 維護(hù)礦山通風(fēng)設(shè)施

對礦山的通風(fēng)設(shè)施進(jìn)行維護(hù),也是保證礦山安全作業(yè)的手段之一。礦山內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)在長時間的工作過程中內(nèi)部零件會有所損耗,由于受到工作環(huán)境的影響,也會導(dǎo)致通風(fēng)設(shè)備的損耗,如果得不到及時的維修與養(yǎng)護(hù),有可能出現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)現(xiàn)象,影響礦井內(nèi)有害氣體以及粉塵的排出,造成礦井工作的安全隱患,危及礦井工作人員的人身安全。風(fēng)橋、風(fēng)門、擋風(fēng)墻、調(diào)節(jié)窗都是礦山通風(fēng)常用的設(shè)備,設(shè)備是否正常運行直接影響礦井的通風(fēng)質(zhì)量、礦井工作人員的人身安全,因此需要設(shè)備檢修人員不定時的對通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行檢修與維護(hù)。礦井工作人員也要加強自身的安全意識,注意觀察通風(fēng)設(shè)備的運行情況,一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題,要及時報技術(shù)人員維修,共同維護(hù)礦井作業(yè)的安全。

3.3 合理調(diào)整礦井風(fēng)量

風(fēng)量的大小與巷道的風(fēng)阻有關(guān)系,在實際的通風(fēng)工作中,要根據(jù)巷道風(fēng)阻的大小對通風(fēng)設(shè)備的風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié),使通風(fēng)設(shè)備能滿足巷道的通風(fēng)需求。

3.3.1 總體調(diào)整

總體調(diào)整相對來說比較簡單,只需要改變主扇風(fēng)機性能或改變礦井的總風(fēng)阻就可以起到總體調(diào)整的作用。

3.3.2 局部調(diào)整

局部調(diào)整相對來說難一些,首先技術(shù)人員可以利用增加風(fēng)阻的方法調(diào)節(jié)礦井的風(fēng)量,在礦山通風(fēng)中選擇風(fēng)力阻值比較小的巷道增大風(fēng)阻,使各巷道的風(fēng)阻能達(dá)到同一阻力水平,在實際的操作過程中,通過調(diào)節(jié)風(fēng)門來實現(xiàn)增大局部巷道風(fēng)阻。其次,技術(shù)人員還可以利用降低風(fēng)阻的方法來調(diào)節(jié)礦井的風(fēng)量,通過增加巷道橫截面積以及新的并聯(lián)巷道等降低巷道內(nèi)的風(fēng)阻,該方法能有效降低風(fēng)機的耗電量,從而實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

3.3.3 輔助風(fēng)機調(diào)整方法

在風(fēng)阻較大的巷道,利用輔助風(fēng)機使巷道內(nèi)的風(fēng)阻與輔助風(fēng)機的風(fēng)壓相互抵消,從而使巷道內(nèi)的并聯(lián)風(fēng)阻趨于平衡,輔助風(fēng)機調(diào)整法比降低風(fēng)阻法操作起來更方便、簡單,但是安全性能比較差,因此最好與其他方法結(jié)合使用。

4 結(jié)論

通過對金屬礦山控風(fēng)模型的研究,可以將通風(fēng)系統(tǒng)分為可調(diào)通風(fēng)動力、可控通風(fēng)設(shè)施、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和智能調(diào)控系統(tǒng),按照礦山多元信息智能感知、高效可靠信息傳輸、通風(fēng)狀態(tài)智能分析與決策、通風(fēng)設(shè)施/動力智能調(diào)控指令分發(fā)、執(zhí)行及效果反饋的工作流程,可以實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的智能聯(lián)動調(diào)控。同時對金屬礦山通風(fēng)技術(shù)類型、通風(fēng)安全策略進(jìn)行討論,以探索更好的礦山通風(fēng)技術(shù),滿足不同礦山通風(fēng)的要求,為最終實現(xiàn)智慧礦山的目標(biāo)而打下基礎(chǔ)。