礦井智能化通風控制系統(tǒng)的應用研究

邢玉強，張盛英

（1.國能烏海能源黃白茨礦業(yè)有限責任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016040；2.濟南嘉宏科技有限責任公司，山東 濟南 250010）

隨著國家大力推動能源行業(yè)智能化政策落地，以華為為代表的科技公司介入煤炭行業(yè)，礦井智能化進程已步入推廣實施階段。礦井通風系統(tǒng)是整個煤礦開采中的重點配套系統(tǒng)之一，配備一套智能穩(wěn)定的礦井通風控制系統(tǒng)，可為井下作業(yè)提供一個良好的作業(yè)環(huán)境[1]。目前，煤炭行業(yè)尚未全面開展對礦井通風設施的智能化改造，現(xiàn)有的礦井通風控制系統(tǒng)存在儀器精度較差、數(shù)據(jù)傳輸速度較低、危險源監(jiān)測對象缺乏全面性、調(diào)風效率低等問題，無法滿足煤礦的智能化需求。2020年8月中國煤炭工業(yè)協(xié)會發(fā)布實現(xiàn)煤礦智能化相關文件，礦井通風系統(tǒng)災變狀態(tài)識別及控制技術將作為核心技術攻關任務[2]。對現(xiàn)有礦井通風控制系統(tǒng)進行智能化升級改造顯得十分必要。為此，以黃白茨煤礦為工程背景，在分析現(xiàn)有礦井通風控制系統(tǒng)現(xiàn)狀基礎上，開展了礦井智能通風控制系統(tǒng)的總體方案及關鍵裝備的設計研究，通過該系統(tǒng)測試驗證了其可行性，為提高礦井作業(yè)的開采效率及安全性提供了重要支撐。

1 礦井現(xiàn)有通風控制系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

礦井中的通風系統(tǒng)主要負責將外部的新鮮空氣輸送至煤礦采掘工作面，并將井下有污染的空氣排出至井上地面，同時保證礦井作業(yè)區(qū)具有適宜的氧氣濃度、較低瓦斯?jié)舛燃拜^好的空氣質(zhì)量[3]。保證礦井穩(wěn)定可靠的通風系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的基礎。據(jù)調(diào)研，目前我國通風管理決策仍以定性分析為主；現(xiàn)有安全監(jiān)控系統(tǒng)風速傳感器穩(wěn)定性差，測量誤差大；巷道斷面風速分布不均勻，定點傳感器無法測得巷道平均風量，人工測風數(shù)據(jù)閉合性差，無法對井下主要用風地點風量進行有效調(diào)控；基于溫度、氣體異常的火情風險預警方法各自獨立，未實現(xiàn)融合；火災監(jiān)測沒有和滅火系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)控，難以在第一時間滅火；通風系統(tǒng)調(diào)控智能化嚴重不足。整套通風控制系統(tǒng)在運行時存在較多的問題及缺陷，在環(huán)境惡劣的井下作業(yè)區(qū)域中，不能有效保證人員及設備的作業(yè)安全性。將更加先進的智能化控制技術用來對礦井通風控制系統(tǒng)進行升級設計，已成為當前重要的研究方向和任務。

2 智能化通風控制系統(tǒng)總體方案設計

依據(jù)相關標準及規(guī)范，以現(xiàn)有通風相關設施為基礎，依托智能感知設備，借助互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、信息通信和自動化技術，通過對礦井通風數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)融合、通風系統(tǒng)診斷預警分析及通風網(wǎng)絡解算決策與智能聯(lián)動調(diào)控等方面進行升級設計，開展礦井智能化通風控制系統(tǒng)改進設計。在整套智能化通風控制系統(tǒng)中，匹配了高精度的風速、風壓、溫濕度傳感器及變頻主通風機、暖風機等設備，通過CAN總線及RS485通訊將各儀器設備采集的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控分站及控制器中，利用光纖通訊及環(huán)網(wǎng)交換機的多次信息轉(zhuǎn)換及運算處理。在地面的監(jiān)控中心設計可視化、數(shù)據(jù)采集、風量調(diào)節(jié)、智能控制、故障診斷等功能模塊，能分別實現(xiàn)對相關數(shù)據(jù)的智能化處理與分析，井下相關數(shù)據(jù)也能通過手機APP及PC端進行遠程顯示，實現(xiàn)了礦井日常按需供風，保障通風系統(tǒng)日常運行的科學性、先進性及井下作業(yè)安全性[4]。同時在災變條件下根據(jù)設定的反風控制模型做到應急通風控制。整套智能化通風控制系統(tǒng)的總體架構如圖1所示。

圖1 智能化通風控制系統(tǒng)總體架構

3 智能通風系統(tǒng)中關鍵基礎裝備設計

3.1 精準風速傳感器匹配設計

精準風速傳感器屬于精準測風裝置中的重要儀器，是一款利用超聲波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)的移動速度加載到超聲波的速度上。該設備的主要工作電壓為DC12 V，工作電流小于500 mA，風速范圍在0.1～15 m/s，傳輸方式RS485、TCP/IP，最大傳輸距離5 km[5]。該儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)能精確、真實可靠地反應礦井井下實時通風風量，主要用于進回風大巷、采區(qū)進回風巷、采煤工作面進回風巷及掘進工作面等關鍵巷道及用風地點風速和風量測定。其安裝如圖2所示。

圖2 精準測風傳感器安裝

3.2 智能調(diào)風裝置匹配設計

（1）遠程控制風門的匹配設計

遠程控制風門是在自動風門的基礎上，進一步升級、改造，充分利用自動識別與控制系統(tǒng)實現(xiàn)在礦井調(diào)度室內(nèi)就能對井下風門的遠程監(jiān)測與智能控制。根據(jù)礦井巷道圖紙在控制平臺內(nèi)創(chuàng)建礦井巷道電子地圖，并通過電子地圖遠程調(diào)節(jié)控制器實現(xiàn)對風門狀態(tài)的遠程控制。遠程控制風門配有KDQ1140-B礦用隔爆型雙電源切換控制箱，當風門控制裝置斷電時，自動切換到另一路電源供電，確保風門監(jiān)控24小時連續(xù)運行。該設備通過安裝于風門外側的高清攝像儀，在遠程控制平臺內(nèi)可隨時查看風門的工作狀態(tài)。其實物如圖3所示。

圖3 遠程控制風門實物

（2）遠程調(diào)節(jié)風窗匹配設計

調(diào)節(jié)風窗是智能通風項目建設中重要的調(diào)風設施。遠程調(diào)節(jié)風窗主要由控制分站、驅(qū)動裝置、機械裝置、遠程控制平臺等組成，配置KDQ1140-C礦用隔爆型雙電源切換控制箱，當風窗控制裝置斷電時，自動切換到另一路電源供電，確保風窗監(jiān)控裝置24小時不間斷供電。調(diào)節(jié)風窗設有互鎖裝置，避免因外力作用導致風窗位移，確保礦井通風安全。其實物圖如圖4所示。

圖4 調(diào)節(jié)風窗

（3）主通風機匹配設計

為響應國家能源集團智能通風建設號召，提高礦井主通風機的工作效率，實現(xiàn)按需供風及節(jié)能降耗，結合黃白茨煤礦中通風現(xiàn)狀，對主通風機進行變頻調(diào)速及節(jié)能改造。通過增加遠程可控變頻器及PLC控制器，利用RS485協(xié)議與上位機平臺對接。上位機軟件平臺根據(jù)實時采集到的風速、風壓數(shù)據(jù)，風量的解算及有害氣體分析，智能調(diào)整主通風機運行頻率，實現(xiàn)按需供風。在進風井口、井筒、井底車場等處發(fā)生火災或瓦斯、煤塵爆炸時，在確保供給風量不小于正常風量的40%情況下，上位機發(fā)送指令到控制系統(tǒng)，實現(xiàn)“一鍵反風”，防止有毒、有害氣體進入工作面，危及井下人員的生命安全。

3.3 軟件部分

（1）智能決策功能設計

基于通風網(wǎng)絡實時監(jiān)測與通風網(wǎng)絡動態(tài)解算風量，利用人工智能、機器學習等技術手段，對井下風流按需分配模擬決策、日常通風隱患及異常變化預警、災情快速研判、災變通風應急控制等提供智能決策及建議，并結合通風調(diào)節(jié)設施與應急裝備制定災情演化－人員逃生一體化控風預案庫，形成調(diào)控建議報告，智能快速確定最佳風流調(diào)控方案，為風流智能調(diào)控奠定基礎。實現(xiàn)礦井“決策智能化、調(diào)控無人化、通風管理智能化”。系統(tǒng)的調(diào)控建議界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)調(diào)控建議界面

（2）智能可視化系統(tǒng)

基于融合的通風數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、設備運行數(shù)據(jù)、工況數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析、智能計算及計算機視覺技術，結合關聯(lián)分析、空間分析和多維分析等多種分析手段，挖掘?qū)獢?shù)據(jù)業(yè)務算法模型，最終將通風網(wǎng)絡圖、煤礦3D全景圖、2D/3D巷道圖、毒害氣體云圖分布通過可視化界面進行展示，實現(xiàn)智能通風場景模擬，全面提高決策層數(shù)據(jù)可視化、信息化水平。

4 智能化通風控制系統(tǒng)測試分析

為進一步驗證所設計智能化通風控制系統(tǒng)整體運行效果，對該系統(tǒng)在黃白茨煤礦中進行了應用測試，測試周期3個月。測試過程中，整體系統(tǒng)運行正常，實現(xiàn)了礦井中主通風機風門、主通風機風扇等部位的自動化遠程控制及風量監(jiān)測，并將相關數(shù)據(jù)傳輸至可視化遠程監(jiān)控平臺上。同時，實現(xiàn)了通風動力、通風設施智能調(diào)控。在此控制系統(tǒng)運行過程中，能將巷道中通風運行情況、本月通風異常情況、近六個月通風異常次數(shù)等信息進行分類統(tǒng)計，并詳細地將異常發(fā)生時間、發(fā)生原因、次數(shù)值、每月比例等信息進行全面顯示，最終可形成通風效果檢測報告，如圖6所示。該系統(tǒng)測試期間，無需人員干涉及操作，達到了智能化控制的目標。該智能化通風控制系統(tǒng)的應用，使得整個礦井中通風量增加了30%以上，電費降低30%以上，設備故障率大幅降低，減輕了人員的勞動強度。

圖6 通風系統(tǒng)運行報告

5 結語

在分析礦井現(xiàn)有通風系統(tǒng)基礎上，進行了智能化通風控制系統(tǒng)的設計目標確定及設計方案，并從測風傳感器、智能調(diào)風裝置、軟件等部分開展了通風控制系統(tǒng)的詳細設計。通過將通風控制系統(tǒng)進行實際應用測試，得出：該通風控制系統(tǒng)運行正常，各項功能實現(xiàn)了智能化，能更加全面地對通風設備進行智能化遠程控制及數(shù)據(jù)收集存儲，并能通過可視化監(jiān)控界面將設備的 運行參數(shù)進行前后對比、數(shù)據(jù)處理及分析。新系統(tǒng)在黃白茨煤礦應用后，通風系統(tǒng)的故障率、消耗電費、人員數(shù)量及勞動強度也顯著降低，整個系統(tǒng)的運行達到了預期效果。這對提高通風系統(tǒng)的運行效率及安全性具有重要意義，且有很好的實際應用價值。