漂塘鎢礦井下智能通風系統(tǒng)的應用研究

張水平，吝子巖，潘允敬，鄭國明，王軍敏

(1.江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州 341000；2.廈門海合達物聯(lián)科技有限公司，福建 廈門 361000；3.江西漂塘鎢業(yè)有限公司，江西 贛州 341000)

1 智能通風系統(tǒng)概述

礦井智能通風系統(tǒng)通過智能控制實現(xiàn)按需供風，穩(wěn)定向礦井持續(xù)輸送新鮮空氣，供施工人員呼吸，稀釋并排出有害氣體和粉塵，改善礦井環(huán)境條件，救災時屬于具有一定智能調控風流的作業(yè)。智能通風系統(tǒng)采用個性化、智能化技術方案集中管理和控制，并實時監(jiān)測全礦井各控制點的風量、風速、有毒有害氣體濃度、溫濕度等參數(shù)，達到按需通風、節(jié)能環(huán)保的要求[1]。

1.1 智能通風系統(tǒng)原理

智能通風系統(tǒng)通過傳感器采集全礦井相關點的風速、氣壓、溫濕度、有毒有害氣體濃度等重要參數(shù)，上傳到礦井通風監(jiān)控中心，自動建立數(shù)據(jù)臺賬。分析監(jiān)測數(shù)據(jù)可進一步控制礦井主通風機、局部通風機等相關變頻柜設備設施，對礦井通風系統(tǒng)進行自動調控，達到按需供風、節(jié)省通風電費的目的。 同時，智能通風系統(tǒng)能夠對主通風機或局部通風機進行故障診斷，對礦井通風區(qū)域的風流實施遠程調度和監(jiān)控[2-3]。

1.2 智能通風系統(tǒng)實現(xiàn)的目標

1) 實時監(jiān)測礦井下的有效風量、風速與風質,并自動建立相關測定數(shù)據(jù)臺賬，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動分析判斷通風系統(tǒng)存在的問題，提出改進方案。

2) 實現(xiàn)礦山主要通風機遠程開機、關機、調速功能以及多級機站風機遠程反風功能。

3) 建立風機變頻運行制度，在滿足礦山通風的前提下節(jié)能運行，自動調整各級風機功率，調整各個分段的通風附屬裝置(風硐、擴散器和反風設施等)，實現(xiàn)按需通風，節(jié)能降耗，延長風機使用壽命[4]。

4) 根據(jù)進入礦山的車輛數(shù)量、人員數(shù)量、爆破量，自動調整主風機的風速和風量，根據(jù)人員和車輛所在的位置和時間，逐級調整主扇和輔扇的風速和風量。

1.3 智能通風系統(tǒng)的關鍵技術和設備

1) 通風系統(tǒng)感知技術。通過精確阻力測定和平差計算獲得主要風道和通風設施的風阻、風量、風壓、摩阻系數(shù)、原始風阻和局部風阻等參數(shù)，通過風機測定獲得主要通風機、局部通風機和輔助通風機的準確特性曲線。利用獲得的各風機的特性曲線、各風道的風阻和自然風壓等，解算各風道風量。

2) 通風主要設備。主要通風機、局部通風機和輔助通風機都能實現(xiàn)在線遠程變頻調速，主要通風機和輔助通風機應安裝精確的風量、風壓傳感器，局部通風機應安裝風筒風速傳感器，所有風機除了具有完善的電參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)外，還應安裝振動傳感器，并提供遠程監(jiān)測接口。風門和風窗應實現(xiàn)人工開關、自動開關和半自動開關，并安裝人車識別裝置、開度傳感器、聲光報警器和視頻傳感器，監(jiān)測、監(jiān)視和監(jiān)控裝置應提供遠程接口。

3) 智能通風軟件系統(tǒng)。將地理信息系統(tǒng)與風機、風門、風窗監(jiān)控系統(tǒng)，安全環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，采掘工作面位置及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以及人員和車輛定位系統(tǒng)進行集成，實現(xiàn)自然分風解算、通風網(wǎng)絡實時解算及災變狀態(tài)下風流模擬仿真，能夠進行通風系統(tǒng)優(yōu)化、風速傳感器和調節(jié)設施的優(yōu)化布置以及可測性和可控性評價，實現(xiàn)通風系統(tǒng)狀態(tài)識別和故障診斷、用風點需風量預測、自動優(yōu)化正常狀態(tài)及災變狀態(tài)下的調風、控風的智能控制，正常狀態(tài)礦井風流按照節(jié)能原則自動調節(jié)，災變時期按照控制災變及有利救援原則智能控風、調風，并實現(xiàn)三維動態(tài)可視化[5]。

2 井下智能通風系統(tǒng)的應用

漂塘鎢礦采用平窿、豎井、斜井、平窿聯(lián)合的開拓方式規(guī)范開采，歷史上已形成十二個中段，礦山實際采選能力70萬t/a。目前礦區(qū)井下通風系統(tǒng)利用現(xiàn)有的主入風平硐作為主要入風通道，從入風側算起，包括采場所用局扇在內，布置Ⅰ級機站～Ⅳ級機站，形成既有壓入又有抽出的多級機站通風系統(tǒng)。

2.1 通風系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問題

漂塘礦區(qū)由于開采年限比較長，通達地表的井巷多，形成多路進風、多路回風的復雜礦井通風系統(tǒng)。經(jīng)過調查和論證分析，通風系統(tǒng)主要存在的問題包括：①主要通風設備安裝地點分散且聯(lián)合運營，井下采區(qū)范圍大，風流調控設施種類多且布置廣，調節(jié)復雜；②井下通風系統(tǒng)的監(jiān)控主要依靠人工，勞動量大，采集數(shù)據(jù)周期長且不齊全，不能及時反映通風存在的問題；③全礦8個水平中段均有采礦、出礦、掘進作業(yè),加之部分采空區(qū)不能有效密閉，所以給通風系統(tǒng)管理帶來了一定的困難。

由此可見，漂塘礦區(qū)井巷通風的問題主要體現(xiàn)在風阻不均衡，無法實現(xiàn)按需供風。因此，構建一套智能通風系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實意義。

2.2 智能通風系統(tǒng)的構建

針對漂塘鎢礦井下通風的現(xiàn)狀，構建一種適合該礦區(qū)井下實際通風情況的智能通風系統(tǒng)，系統(tǒng)整體架構如圖1所示，主要由數(shù)據(jù)層、業(yè)務層、展示層三個層次組成。數(shù)據(jù)層包含兩部分內容，一方面把采集到傳感器、通風設備設施以及地理信息等多種類型與格式的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，另一方面可以與業(yè)務層進行數(shù)據(jù)業(yè)務交互。業(yè)務層主要負責智能通風系統(tǒng)設備的控制和管理。展示層包括智能通風控制系統(tǒng)電腦端和手機App的各種功能與應用，同時為未來系統(tǒng)功能的改進提供接口。但由于漂塘礦區(qū)礦井巷道結構復雜，目前階段對礦區(qū)整體的智能通風系統(tǒng)搭建實施難度較大，故選定388工作面和448工作面作為試點，成功后推廣到全礦。

圖1 智能通風系統(tǒng)整體架構圖Fig.1 Overall architecture diagram of intelligentventilation system

2.2.1 傳感器的布置

井下智能通風系統(tǒng)的核心信息主要來源于精密的傳感器，主要包括風速傳感器、風向傳感器、溫濕度傳感器、CO濃度傳感器、氣壓傳感器等。為滿足對主要風路和主要用風地點的通風參數(shù)精準感知，傳感器的布置原則如下所述[6]。

1) 通風網(wǎng)絡監(jiān)測在礦井通風網(wǎng)絡中關鍵分支巷道的關鍵點設置風流狀態(tài)傳感器,風流狀態(tài)傳感器主要包括風壓傳感器、風速傳感器、風向傳感器等。

2) 在礦井、采區(qū)的主要進風巷道、回風巷道以及各用風地點的回風巷道等風流狀態(tài)(風量、負壓)變化幅度較大的地方，安裝風速傳感器、風壓傳感器。

3) 采掘工作面回風巷安裝風速傳感器、風向傳感器，通過實時監(jiān)測采掘工作面風量變化,進行后臺對比,可以及時發(fā)現(xiàn)回采工作面、掘進工作面的風流異常情況。安裝溫度傳感器,監(jiān)測采掘工作面溫度。

根據(jù)以上原則，漂塘礦區(qū)傳感器布置方案見表1，安裝實圖如圖2所示。

表1 傳感器布置位置Table 1 Sensor layout position

圖2 448工作面中段北組5線傳感器Fig.2 5-wire sensor of north group in themiddle section of 448 working face

各個傳感器將數(shù)據(jù)上傳到遠程監(jiān)控中心平臺，平臺將收集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，并自動建立臺賬。一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生異常變動，平臺及時將異常情況告知管理維護人員，由維護人員及時處理，提高處理效率。

2.2.2 通風機的變頻改造

普通風機選用風量和風壓要比實際需要高(風量裕量5%～10%，壓力裕量10%～30%)，傳統(tǒng)控制裕量的方法大多采用擋板式閥門或減速器來調節(jié)、節(jié)流，盡管方法簡單，但通過人為增加阻力來達到調節(jié)的目的，既浪費能源，又增加噪聲[7-9]。智能通風系統(tǒng)通過監(jiān)測井下環(huán)境情況，自動調節(jié)變頻風機的工作狀態(tài)，減少風機能耗(初步估計節(jié)能20%)，延長風機壽命20%。對試點輔扇進行變頻改造，改造電機數(shù)量6臺，總功率為89.5 kW。變頻改造風機的型號和功率見表2，風機變頻改造如圖3所示。

表2 變頻改造風機的型號和功率Table 2 Model and power of fan for frequency conversion transformation

圖3 風機變頻改造圖Fig.3 The alteration to frequency conversion for ventilator

改造風機所用的變頻控制器Goodrive200A，主要參數(shù)為輸入頻率(47～63 Hz)和輸出頻率(0～400 Hz)。風機變頻改造后的現(xiàn)場實際應用表明，變頻風機相較于一般的工頻風機啟動更加平穩(wěn)，能夠大大減少啟動時的沖擊電流，延長設備和元件的使用壽命。同時，變頻后風機無需全天運轉，不僅實現(xiàn)按需通風，還減少軸功率的消耗，節(jié)能效果也十分明顯。

2.2.3 智能監(jiān)控平臺的搭建

智能監(jiān)控平臺是通風系統(tǒng)狀態(tài)展示和控制的平臺，包括井下監(jiān)測站點和地面監(jiān)控中心，具有數(shù)據(jù)收集、大數(shù)據(jù)分析、通風方案建議、遠程風機控制和智能反饋等功能(圖4)。該平臺工作時利用監(jiān)測站點對井下環(huán)境參數(shù)(包括風機狀態(tài)的信息、礦井內的風量、風速、溫濕度、CO和O2濃度等)進行數(shù)據(jù)采集與分析[10-12]，并將監(jiān)測結果上傳到地面的監(jiān)控中心，井上的工作人員可以根據(jù)監(jiān)控中心顯示的數(shù)據(jù)對通風設備設施進行遠程監(jiān)測與控制，同時也可通過手機App實時查看井下通風狀態(tài)。

圖4 智能監(jiān)控平臺的結構圖Fig.4 Structure diagram of intelligent monitoring platform

1) 智能通風監(jiān)測站。監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)獲取準確的相關參數(shù)是智能通風系統(tǒng)運行的必要保證，而智能通風監(jiān)測站的主要功能就是信息的采集和數(shù)據(jù)的儲存(圖5)。通風監(jiān)測站的控制面板上可以顯示每一臺風機的工作狀態(tài)和傳感器采集的數(shù)據(jù)，并將這些參數(shù)輸送到遠程控制平臺上，由組態(tài)進行實時數(shù)據(jù)的顯示。傳入平臺的數(shù)據(jù)一份存入數(shù)據(jù)庫作為歷史數(shù)據(jù)，另一份進入運算軟件中進行分析，然后對系統(tǒng)進行安全評判。運算結果回饋給平臺后通過組態(tài)軟件顯示評判的結果，最后再存入數(shù)據(jù)庫，完成對井下通風系統(tǒng)的實時安全評判[13]。

圖5 智能通風監(jiān)測站Fig.5 Monitoring station of intelligent ventilation

2) 遠程監(jiān)控平臺。遠程調度室的計算機作為數(shù)據(jù)服務器，安裝通風機專用的監(jiān)控軟件，用于實時監(jiān)測和記錄風機的工況狀態(tài)和參數(shù)，實現(xiàn)通風設備的遠程監(jiān)控。通過該監(jiān)控平臺可以實現(xiàn)賬戶管理、后臺礦區(qū)管理、數(shù)據(jù)展示與查詢、變頻器控制管理、故障報警等功能(圖6)，同時可以完成對通風機的遠程控制，如通風機的啟動和停止，通風機的變頻和工頻運行，可節(jié)省通風用電，實現(xiàn)礦井通風節(jié)能降耗，還能加強對井下通風系統(tǒng)風機的控制和安全管理[14-15]。為監(jiān)控平臺增加登錄和控制風機的密碼保護，防止人員的錯誤操作和不當操作。當通風機的狀態(tài)參數(shù)出現(xiàn)異常時，啟動自動報警和故障保護，系統(tǒng)的冗余設計可實現(xiàn)上位機的集中控制和手動控制相結合的控制方式。

圖6 遠程監(jiān)控平臺Fig.6 Remote monitoring platform

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，388工作面通風機在運行過程中轉速為1 500 r/min與實際轉速相符，運行時風機風量為0.34 m3/s，與實際測量偏差約為1.16%，風壓為0.39 kPa，與實際測量偏差約為1.33%，遠程監(jiān)控平臺操作人員發(fā)出調節(jié)指令后井下風機反應的時間約為2.3 s，與其他試點通風機基本相同，由此可知該遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的監(jiān)測精度。

3) App軟件。管理人員通過手機App軟件實時查看井下通風狀態(tài) (圖7)，包括各個監(jiān)測站的實時環(huán)境質量和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)。為收集到的數(shù)據(jù)建立三級告警機制，當監(jiān)測點的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時能主動告知維護和管理人員，提高管理效率。三級告警機制是當系統(tǒng)檢測出對人體有危害的有毒氣體超過一定含量后，觸發(fā)警報并發(fā)送給相關人員的報警機制。首先，管理員打開告警開關和短信推送開關，并在平臺的傳感器設置界面設置該傳感器的安全值、一級預警值和二級預警值，這三個數(shù)值分別對應的是提醒告警、重要告警和緊急告警三種級別，其中，緊急告警為最高級別，手機App端也有相應三種告警級別的顯示。當告警級別達到重要告警和緊急告警時，手機App端和平臺PC端會向管理員及工程人員推送告警信息,同時管理員及工程人員會收到一則告警短信。

2.3 智能通風系統(tǒng)應用的成效

1) 在試點的各個工作層和各個工作面布置傳感器，可實時監(jiān)測巷道內的風量、氣壓、溫濕度和有害氣體情況，為生產(chǎn)管理提供實時有效的數(shù)據(jù)，大幅度減少人工數(shù)據(jù)采集工作量，解決人員不足和信息數(shù)據(jù)不及時的問題。

2) 試點變頻改造的六臺輔扇總功率為89.5 kW。 采用傳統(tǒng)的通風模式，所有輔扇風機全部開啟，每天耗電量為2 148 kW·h，每年耗電量約78.4萬kW·h。智能通風系統(tǒng)可根據(jù)井下情況自動調整風機工作狀態(tài)，實現(xiàn)按需通風，每年可節(jié)省能耗20%，約15.7萬kW·h電，按0.5元/kW·h計算，每年可節(jié)省費用約7.8萬元。

3) 全天候的通風系統(tǒng)檢測，提高井下空氣質量，減少職業(yè)健康危害，有利于井下工作人員的身體健康，提高員工的工作滿意度。

4) 智能通風系統(tǒng)構建完成后可為礦區(qū)培養(yǎng)一批熟悉物聯(lián)網(wǎng)、通信、物聯(lián)傳感等的相關技術骨干，能夠承擔系統(tǒng)的運營維護管理工作，為實現(xiàn)智能化礦山儲備人才。

除此之外，此次試點工作也對其他金屬礦山起到示范作用，對智能通風系統(tǒng)應用推廣有較大影響，具有一定的社會效益。

3 結 語

金屬礦山通風系統(tǒng)的智能化是科技進步的體現(xiàn)，也是未來發(fā)展的必然趨勢。隨著人工智能的飛速發(fā)展，智能通風系統(tǒng)也會日益完善，而其作為礦山新基建的一種典型，勢必也會推動智慧礦山的建設。未來智能通風系統(tǒng)的廣泛應用，將會進一步提高礦山整體的安全性。