礦井通風(fēng)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)信息采集仿真模擬技術(shù)

楊鵬飛

（晉能控股煤業(yè)集團安全督察大隊，山西 大同 037000）

目前，我國多數(shù)礦井生產(chǎn)機械化程度都較高，工作面的生產(chǎn)能力也逐年增加，單產(chǎn)有了較大的提高。因此，按照傳統(tǒng)的依靠人工方法對各采掘地點進行風(fēng)量觀測與計算的模式已經(jīng)遠不能滿足礦井風(fēng)量與瓦斯涌出量監(jiān)測需要，只有構(gòu)建更加高效科學(xué)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，完善監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備與手段，才能提高礦井通風(fēng)的安全可靠性與穩(wěn)定性。為加強通風(fēng)系統(tǒng)的日常管理，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，構(gòu)建礦井通風(fēng)監(jiān)測實時仿真模擬系統(tǒng)，模擬各種生產(chǎn)條件下的礦井通風(fēng)阻力和降阻優(yōu)化方案，對各采掘地點和通風(fēng)設(shè)施、機電硐室等場所的氣體濃度實時監(jiān)測，及時掌握氣體濃度變化，制定方案進行供風(fēng)量優(yōu)化和調(diào)風(fēng)措施，避免產(chǎn)生瓦斯積聚和瓦斯超限等事故的發(fā)生。通過通風(fēng)系統(tǒng)的仿真模擬，提高礦井的通風(fēng)系統(tǒng)可靠性與風(fēng)量優(yōu)化配置，確保礦井安全生產(chǎn)。

1 礦井通風(fēng)信息管理系統(tǒng)與監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的一體化構(gòu)建

1.1 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用

依托目前礦井所使用的通風(fēng)系統(tǒng)信息管理軟件，結(jié)合井下各用風(fēng)地點的配風(fēng)量，進一步優(yōu)化通風(fēng)方案，將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬仿真軟件進行系統(tǒng)融合，確保監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)能夠高效運行，實時監(jiān)測采集數(shù)據(jù)。通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)與自動分析等功能，結(jié)合自動預(yù)警系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的報警值，可實現(xiàn)對風(fēng)流短路、瓦斯超限等異常信息的實時管控，從而更加高效地預(yù)防風(fēng)險事故發(fā)生，提高系統(tǒng)智能化、自動化的管理水平。

利用實時網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實時采集、監(jiān)測、傳輸與儲存，還可以根據(jù)不同部門和平臺的需要，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的共享與交互，使得數(shù)據(jù)資源的利用價值最大化。通過對實時數(shù)據(jù)的分析研判，可以及時評估各個生產(chǎn)地點的安全現(xiàn)狀，實現(xiàn)管理人員的遠程自動監(jiān)測，提高風(fēng)險分析研判能力。該系統(tǒng)的主要通過建立局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)進行聯(lián)通，以TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)站與終端之間的信息數(shù)據(jù)傳輸，再利用接口裝置將井下采集到的實時數(shù)據(jù)回傳至中心站，最終由中心站負責(zé)將回傳數(shù)據(jù)反饋給各個終端，實現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與端口回傳分析閉合系統(tǒng)，構(gòu)建完整的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)[1]。監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集回傳網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集回傳網(wǎng)絡(luò)

1.2 通風(fēng)信息管理系統(tǒng)與監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的連接

將通風(fēng)信息管理系統(tǒng)與監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)相互連接，納入到通風(fēng)信息管理系統(tǒng)的體系中來，對所有礦井通風(fēng)系統(tǒng)模擬仿真。將二者融合后的監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至共享平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，從而更加完善井下作業(yè)現(xiàn)場的瓦斯、風(fēng)量、負壓等的實時監(jiān)測監(jiān)控，通過礦井通風(fēng)系統(tǒng)的仿真模擬計算，使得通風(fēng)瓦斯管理更加簡便科學(xué)。利用井下基站設(shè)置傳感器，建立信息管理系統(tǒng)，而且傳感器數(shù)量和種類的增多也可以對多種有害氣體、風(fēng)速、風(fēng)壓、風(fēng)量等參數(shù)進行監(jiān)測，形成全面覆蓋的多功能監(jiān)測系統(tǒng)。

1.3 通風(fēng)信息管理系統(tǒng)與監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

將井下各采掘地點的傳感器采集數(shù)據(jù)進行編錄回傳，上傳至通風(fēng)信息管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)被分析處理后，由計算機軟件模擬出現(xiàn)場仿真數(shù)據(jù)，并通過風(fēng)量計算公式等，對現(xiàn)場不合理通風(fēng)系統(tǒng)及參數(shù)進行修正，提出合理化建議。對于某一個點采集到的數(shù)據(jù)，如果經(jīng)過仿真模擬后存在數(shù)據(jù)失真，或者配風(fēng)量不足等情況時，可以根據(jù)計算所得合理數(shù)據(jù)對井下對應(yīng)的傳感器進行調(diào)校修正，使得現(xiàn)場參數(shù)更加優(yōu)化，系統(tǒng)更加完善[2]。因此利用計算機的后期處理及仿真模擬技術(shù)，不僅加強對井下傳感器的數(shù)據(jù)監(jiān)管，還通過反向調(diào)度的作用，對傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)進行驗證，一旦系統(tǒng)分析存在誤差和失真，可以采用人工方法進行及時校正，有利于礦井生產(chǎn)處于實時監(jiān)管和安全狀態(tài)。

1.4 監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)修正方法

在實際監(jiān)測過程中，由于受到外界干擾和冗余因素的影響，監(jiān)測數(shù)據(jù)往往存在較大的系統(tǒng)誤差，即監(jiān)測數(shù)據(jù)與實測真實數(shù)據(jù)存在偏差，這個偏差為需要修正的耦合誤差[3]。

為了消除系統(tǒng)誤差對監(jiān)測真實值的影響，可通過仿真模擬系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)擬合的方法將已采集到的數(shù)據(jù)，按照一定數(shù)學(xué)方法以離散方程式或連續(xù)函數(shù)形式進行呈現(xiàn)，使之與實測數(shù)據(jù)相吻合，例如按照下式進行解答：

假設(shè)采集到數(shù)據(jù)（xi，yi），其中i=1，2…n，可設(shè)Φi（x），i=0，1…m，與線性無關(guān)，由此測得并能夠滿足誤差ri=p（xi）-yi，其中i=1，2…n 的最小平方和。

1.5 融合系統(tǒng)的實現(xiàn)路徑

礦井通風(fēng)信息管理系統(tǒng)與監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)相互融合可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，并可納入到礦井通風(fēng)信息管理系統(tǒng)中，實現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的仿真模擬，完成數(shù)據(jù)從監(jiān)測、采集、傳輸、分析、建模、反饋到修正等的全方位管理，促進了礦井動態(tài)監(jiān)測水平的提升，礦井監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示。

圖2 礦井監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸流程

2 應(yīng)用實例分析

常村煤礦2017年礦井產(chǎn)能核定為1.20 Mt/a。礦井采用中央并列式通風(fēng)方式，以主副立井為主要進風(fēng)井，設(shè)立回風(fēng)立井進行通風(fēng)。根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖的布置，井下各個采掘地點均布設(shè)有傳感器，收集礦井風(fēng)量、風(fēng)速等參數(shù)，按照布控順序?qū)崟r掌握動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。此外，將監(jiān)測傳感器預(yù)先設(shè)定數(shù)據(jù)采集間隔時間為10 s 一次讀數(shù)，經(jīng)過濾波分析計算與實測值擬合，可得到礦井65 個不同測點不同時間段的風(fēng)量數(shù)值，利用通風(fēng)信息管理系統(tǒng)進行計算解析，可得到不同通風(fēng)斷面條件下的實時風(fēng)量值。比如礦井井底車場的進風(fēng)量和風(fēng)速關(guān)系可由傳感器測得數(shù)值進行仿真模擬，得到井底車場測風(fēng)站修正數(shù)值公式y(tǒng)=1.16x+1.38，其中車場巷道斷面為直墻半圓拱形，斷面積為15.4 m2，周邊相鄰巷道的風(fēng)量變化如表1所示。利用通風(fēng)信息管理系統(tǒng)與監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的仿真模擬方法，進一步完善礦井通風(fēng)信息的安全管理，實現(xiàn)了動態(tài)監(jiān)測和實時修正的效果，有利于提升礦井的信息化、智能化管理水平。

表1 井底車場相鄰巷道風(fēng)量變化

3 結(jié)語

通過提出對礦井通風(fēng)信息管理系統(tǒng)與監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進行信息融合的構(gòu)想，利用數(shù)據(jù)建模、公式驗證、 計算機軟件輔助等多種手段形成一整套利于礦井通風(fēng)管理與監(jiān)測的行之有效的方法。并通過濾波分析處理技術(shù)有效將干擾因素進行篩選過濾，使得采集到的數(shù)據(jù)更加真實、科學(xué)，避免失真數(shù)據(jù)對后期仿真分析造成的誤導(dǎo)干擾，優(yōu)化了礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的運行機制，使礦井通風(fēng)更加安全穩(wěn)定，系統(tǒng)運行更加精準可靠。