葫蘆素煤礦智能通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

郭煒舟，沈 斌，汪 洋，劉永立，張巖峰，王海濤，李 淵，王振鎖

（1.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司 葫蘆素煤礦，內(nèi)蒙古 烏審旗 017320；2.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022）

煤礦開采發(fā)展過程經(jīng)歷了人工開采、放炮開采、綜合機(jī)械化開采、信息集成化開采，直至今天的智能化開采，煤礦安全管理水平和生產(chǎn)效率也逐漸提高[1]。煤礦生產(chǎn)6 大系統(tǒng)中通風(fēng)系統(tǒng)對于煤礦安全穩(wěn)定生產(chǎn)至關(guān)重要[2-3]。傳統(tǒng)的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)管理模式存在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流分配滯后于礦井不斷變化的開拓系統(tǒng)，不能及時(shí)針對瓦斯等有毒有害氣體體積分?jǐn)?shù)變化而改變，通風(fēng)構(gòu)筑物靠人工完成不能智能化調(diào)節(jié)，通風(fēng)系統(tǒng)已增阻方式調(diào)節(jié)風(fēng)量，極不科學(xué)合理。

針對以上問題眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。程曉之等[4]根據(jù)多傳感器數(shù)據(jù)，提出了局部通風(fēng)參數(shù)計(jì)算方法和功耗分析，通過分析風(fēng)筒阻力分布和功耗，實(shí)現(xiàn)了局部通風(fēng)狀態(tài)及發(fā)展態(tài)勢的研判及預(yù)警；吳新忠等[5]針對煤礦風(fēng)量調(diào)節(jié)無法滿足分支需風(fēng)量的要求，根據(jù)相關(guān)定律和約束條件，建立了煤礦風(fēng)量調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型，再利用改進(jìn)灰狼優(yōu)化算法對模型進(jìn)行求解，提出一種智能風(fēng)量調(diào)節(jié)方案并進(jìn)行驗(yàn)證，取得了良好效果；邵良杉等[6]提出了智能通風(fēng)系統(tǒng)的定義，分析了煤礦智能通風(fēng)關(guān)鍵技術(shù)，后以某煤礦工作面為試驗(yàn)對象，驗(yàn)證了智能通風(fēng)關(guān)鍵技術(shù)的可靠性；劉劍[7]從通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算、智能控風(fēng)、通風(fēng)參數(shù)測試、網(wǎng)絡(luò)與裝備4 個(gè)方面論述了智能通風(fēng)存在的問題，系統(tǒng)的闡述了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)理論、觀測器構(gòu)建、傳感器布設(shè)優(yōu)化、故障診斷、擾動(dòng)識別、災(zāi)變時(shí)期風(fēng)流狀態(tài)等關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題；李偉宏等[8]分析了礦井智能通風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)、邏輯框架和功能架構(gòu)，并介紹了風(fēng)速測量、三維建模、礦井通風(fēng)仿真分析及網(wǎng)絡(luò)解算的原理；白怡明[9]以曹家灘煤礦為例，設(shè)計(jì)應(yīng)用智能通風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了礦用風(fēng)速儀、自動(dòng)風(fēng)門、自動(dòng)風(fēng)窗等設(shè)備，提高了煤礦安全保障能力；王斌等[10]針對王樓煤礦現(xiàn)有通風(fēng)控制系統(tǒng)存在的問題，通過理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法，提出一套基于總線技術(shù)的智能通風(fēng)控制系統(tǒng)，并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，取得了很好應(yīng)用效果；杜斌等[11]為了解決這大斷面巷道風(fēng)量精準(zhǔn)測量問題，以煤礦常見的矩形巷道和半圓拱形巷道為例，借助COMSOL Multiphysics軟件，模擬了巷道入口不同風(fēng)速，巷道斷面中各點(diǎn)瞬時(shí)風(fēng)速的分布情況，確定了斷面中平均風(fēng)速等值線的位置；楊戰(zhàn)旗等[12]為實(shí)現(xiàn)礦井正常生產(chǎn)或救災(zāi)時(shí)風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制，研制了一種礦井通風(fēng)安全智能監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、硬件配置及軟件開發(fā)。

基于以上學(xué)者的研究，為了構(gòu)建智能感知、智能決策、自動(dòng)執(zhí)行的煤礦智能化體系，進(jìn)一步研究精準(zhǔn)測風(fēng)技術(shù)、遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)風(fēng)技術(shù)、增設(shè)智能通風(fēng)設(shè)施，進(jìn)行系統(tǒng)升級改造，建設(shè)智慧通風(fēng)監(jiān)測與控制平臺。設(shè)計(jì)了葫蘆素煤礦全礦井通風(fēng)系統(tǒng)平臺[13-16]，平臺實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理、預(yù)警管理、權(quán)限管理和遠(yuǎn)程控制等功能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Whole structure of system

葫蘆素煤礦智能通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)，是對現(xiàn)有礦井通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)的完善與實(shí)踐，系統(tǒng)采用B/S 結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)+APP 端訪問。智能通風(fēng)系統(tǒng)由監(jiān)測終端（包含超聲波風(fēng)速傳感器、風(fēng)壓傳感器、智能測風(fēng)裝置、溫濕度傳感器）、控制終端（包括風(fēng)門、風(fēng)窗、風(fēng)機(jī)和回風(fēng)井防爆井蓋）、工業(yè)環(huán)網(wǎng)和地面監(jiān)控中心組成。

監(jiān)測終端主要布置于在礦井總進(jìn)風(fēng)巷、總回風(fēng)巷、盤區(qū)進(jìn)風(fēng)巷、盤區(qū)回風(fēng)巷等主要通風(fēng)巷道，以及采、掘工作面等主要用風(fēng)地點(diǎn)，對全礦井主要通風(fēng)巷道及用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線、精準(zhǔn)監(jiān)測和數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行維護(hù)和更新，保證通風(fēng)系統(tǒng)模型真實(shí)可靠；控制終端是遠(yuǎn)程控制的輸出端口，根據(jù)完成的解算數(shù)據(jù)，形成決策方案；有線傳輸網(wǎng)絡(luò)采用現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)監(jiān)控中心完成控制終端指令，并根據(jù)相關(guān)定位地址碼確定各具體地點(diǎn)的風(fēng)量情況，由此實(shí)現(xiàn)異常聲光報(bào)警及閉鎖控制。地面監(jiān)控中心主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、可視化、分析預(yù)警、風(fēng)網(wǎng)解算、風(fēng)量調(diào)控等功能。

2 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)

風(fēng)量調(diào)控采用“用風(fēng)地點(diǎn)-盤區(qū)-礦井”三級調(diào)控的方式。礦井掘進(jìn)工作面風(fēng)量通過調(diào)整局部風(fēng)功率及掘進(jìn)工作面回風(fēng)側(cè)的調(diào)節(jié)風(fēng)窗來實(shí)現(xiàn)調(diào)控；采煤工作面風(fēng)量通過工作面的并聯(lián)風(fēng)道或工作面回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷的調(diào)節(jié)風(fēng)窗實(shí)現(xiàn)調(diào)控；礦井盤區(qū)整體風(fēng)量調(diào)控，通過風(fēng)機(jī)或在并聯(lián)盤區(qū)總回風(fēng)道中的調(diào)節(jié)風(fēng)窗來實(shí)現(xiàn)。

1）精準(zhǔn)測風(fēng)傳感器。是利用超聲波在空氣中傳播的時(shí)間差來測量風(fēng)速。依據(jù)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，根據(jù)礦井風(fēng)量分配計(jì)算方法，確定布置點(diǎn)位；在固定點(diǎn)位，選取風(fēng)流穩(wěn)定位置，以45°斜對角方式布置超聲風(fēng)波風(fēng)速傳感器，并根據(jù)特定巷道內(nèi)的風(fēng)流程分布特征提出風(fēng)量校準(zhǔn)方法。從而實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵巷道及用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量的精準(zhǔn)測定，提升在線風(fēng)速檢測準(zhǔn)確度和精度，改變傳統(tǒng)的“以點(diǎn)代面”的局限性。

2）全斷面智能測風(fēng)。通過地面上位機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)下發(fā)指令到地下控制裝置，利用動(dòng)力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)精準(zhǔn)測風(fēng)傳感器，在保持統(tǒng)一水平面上進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)，通過環(huán)網(wǎng)將測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至軟件平臺，并且可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)測風(fēng)站同時(shí)測量軟件平臺統(tǒng)一分析展示通風(fēng)巷風(fēng)速、風(fēng)量數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)巷道全斷面智能無人精準(zhǔn)測風(fēng)。

3）遠(yuǎn)程控制風(fēng)門。遠(yuǎn)程控制風(fēng)門是在傳統(tǒng)自動(dòng)風(fēng)門的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步升級、具有就地手動(dòng)、遠(yuǎn)程自動(dòng)、全自動(dòng)控制3 種運(yùn)行模式，各種模式可進(jìn)行自主切換，且每組風(fēng)門可單獨(dú)設(shè)定工作模式，互不影響。在遠(yuǎn)程控制平臺內(nèi)可隨時(shí)查看風(fēng)門的工作狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)門通信中斷或傳感器故障時(shí)，需要向管理平臺發(fā)出警示。根據(jù)巷道圖紙?jiān)诳刂破脚_內(nèi)創(chuàng)建礦井巷道電子地圖，井下檢測傳感器、風(fēng)門地理位置標(biāo)示清晰，并實(shí)現(xiàn)一鍵鏈接。數(shù)據(jù)支持傳輸至管理平臺，用于生成報(bào)表或曲線圖。

4）遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)風(fēng)窗。均為全斷面調(diào)控，設(shè)置行人門，由框體以及通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸布置在框體內(nèi)的若干組扇葉，通過平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)與執(zhí)行器的連接，執(zhí)行器固定在框體上，包括集成設(shè)置的執(zhí)行元件和通信模塊，執(zhí)行元件通過通信模塊接收外部的調(diào)節(jié)控制信號，實(shí)現(xiàn)風(fēng)窗的開度調(diào)節(jié)。風(fēng)窗控制主機(jī)具有就地手動(dòng)、遠(yuǎn)程自動(dòng)、全自動(dòng)控制模式自主切換模式。風(fēng)窗需具有斷電自鎖、自動(dòng)修正、外力閉鎖、停電放壓等功能。具有語音報(bào)警提示功能，配備支持AI 學(xué)習(xí)與控制功能的攝像儀，實(shí)時(shí)狀態(tài)通過環(huán)網(wǎng)傳送給地面智能通風(fēng)監(jiān)控平臺。調(diào)節(jié)風(fēng)窗是智能通風(fēng)項(xiàng)目建設(shè)中重要的調(diào)風(fēng)設(shè)施，通過地面控制平臺調(diào)節(jié)風(fēng)窗的開度，改變巷道通風(fēng)截面積實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

3 數(shù)據(jù)傳輸

煤礦大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)如圖2。

圖2 煤礦大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)Fig.2 Coal mine big data platform architecture

針對現(xiàn)有煤礦通風(fēng)和安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)相互獨(dú)立、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、信息傳輸困難不易共享等問題，煤礦智能通風(fēng)系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)采集平臺、大數(shù)據(jù)平臺、煤礦數(shù)據(jù)交換等服務(wù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享。

數(shù)據(jù)采集平臺按照統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化的模式采集生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，使用的通用協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)主要有EIP、OPC UA、Socket，GB28181 等，部分?jǐn)?shù)據(jù)采用Kafka 消息隊(duì)列交互。大數(shù)據(jù)平臺包括數(shù)據(jù)源、基礎(chǔ)平臺和數(shù)據(jù)中臺：數(shù)據(jù)源是指煤礦各類傳感器收集的數(shù)據(jù)信息；基礎(chǔ)平臺能夠做到多源異構(gòu)數(shù)據(jù)接入，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)離線并存；數(shù)據(jù)中臺能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一規(guī)范，細(xì)化分析指標(biāo)。煤礦數(shù)據(jù)交換打破煤礦之間數(shù)據(jù)孤島，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享，能夠滿足客戶端主動(dòng)獲取數(shù)據(jù)的需求，也能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)推送給客戶端。

4 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能界面如圖3。

圖3 系統(tǒng)功能界面Fig.3 System functions

煤礦智能通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的三維顯示和動(dòng)態(tài)監(jiān)測，礦井通風(fēng)系統(tǒng)所有設(shè)備集中管理，解決了礦井通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的信息孤島，實(shí)現(xiàn)了無人值守和故障診斷，減少勞動(dòng)量，提升了通風(fēng)系統(tǒng)管理的穩(wěn)定性、及時(shí)性、整體性和經(jīng)濟(jì)性。實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析和管理的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史記錄本地存儲并發(fā)布到上級公司，建立起分級管控權(quán)限體系。根據(jù)長期的數(shù)據(jù)采集和分析，形成礦井特有的通風(fēng)系統(tǒng)模型，為通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整、方案模擬、礦井規(guī)劃等，提供理論支持和結(jié)果分析。

1）環(huán)境監(jiān)測功能。系統(tǒng)具備集成現(xiàn)有的安全監(jiān)測系統(tǒng)或新增各類氣體傳感設(shè)備功能?？蓪?shí)現(xiàn)將甲烷、一氧化碳、硫化氫、二氧化碳等有害、有毒氣體體積分?jǐn)?shù)接入智能通風(fēng)平臺，實(shí)現(xiàn)礦井環(huán)境參數(shù)的精準(zhǔn)分析、把控各類毒害超標(biāo)預(yù)警。為因毒害氣體引起的災(zāi)變應(yīng)急，做出合理控風(fēng)策略、提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持和分析依據(jù)。

2）智能分析功能。以感知通風(fēng)參數(shù)、環(huán)境監(jiān)測參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測參數(shù)為基礎(chǔ)，以平臺預(yù)設(shè)預(yù)警閾值為對比依據(jù)，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)及大數(shù)據(jù)分析比對等手段，對通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)的風(fēng)速超量、風(fēng)量不足、循環(huán)風(fēng)、風(fēng)流逆變、風(fēng)流短路、供需失衡、環(huán)境監(jiān)測各類氣體體積分?jǐn)?shù)超限及通風(fēng)設(shè)施故障等隱患以及通風(fēng)監(jiān)測預(yù)警，形成智能決策調(diào)控方案及調(diào)控建議報(bào)告。

3）智能控制功能。對調(diào)控中涉及的風(fēng)門、風(fēng)窗等進(jìn)行人工干預(yù)調(diào)控或一鍵智能調(diào)控。保證調(diào)控過程視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控。其次遠(yuǎn)程控制頁面配有動(dòng)畫模擬，模擬量需要通風(fēng)設(shè)備開關(guān)量狀態(tài)保持一致，方便地面工作站可視化控制。

4）智能決策功能?；谕L(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)解算風(fēng)量，利用人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)手段，對井下風(fēng)流按需分配模擬決策、日常通風(fēng)隱患及異常變化預(yù)警、災(zāi)情快速研判、災(zāi)變通風(fēng)應(yīng)急控制等提供智能決策及建議，并結(jié)合通風(fēng)調(diào)節(jié)設(shè)施與應(yīng)急裝備制定預(yù)案庫，形成調(diào)控建議報(bào)告。同時(shí)對采煤工作面區(qū)域智能快速確定最佳風(fēng)流調(diào)控方案，并自動(dòng)調(diào)控風(fēng)流。調(diào)控結(jié)束后，調(diào)控建議報(bào)告與調(diào)控結(jié)果報(bào)告上傳至智能通風(fēng)平臺。

5）手機(jī)APP 功能。支持安卓系統(tǒng)的移動(dòng)端APP，展示設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、發(fā)布系統(tǒng)決策建議、提供系統(tǒng)智能控制過程與結(jié)果、推送系統(tǒng)各級別預(yù)警與報(bào)警。

6）攝像機(jī)AI 學(xué)習(xí)控制功能。視頻識別行人、車輛、風(fēng)門開啟、關(guān)閉狀態(tài)，識別風(fēng)門裝置附近異常狀態(tài)、車輛頂撞風(fēng)門、行人通行走大風(fēng)門，同時(shí)開啟2道風(fēng)門等違規(guī)行為。2 道智能控制風(fēng)門自動(dòng)閉鎖功能。當(dāng)井下發(fā)生災(zāi)變時(shí)，可解除智能控制風(fēng)門的互鎖功能。智能控制風(fēng)門的防夾功能。視頻圖像、運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警、違章記錄上傳至地面平臺。

7）主通風(fēng)機(jī)接入功能。智能通風(fēng)系統(tǒng)平臺預(yù)留主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)接入接口，展示主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、負(fù)壓、全壓、風(fēng)機(jī)效率、電機(jī)溫度、電流、功率、甲烷體積分?jǐn)?shù)、一氧化碳體積分?jǐn)?shù)、風(fēng)機(jī)開停信號、正反風(fēng)信號等數(shù)據(jù)，并根據(jù)運(yùn)行情況可實(shí)時(shí)輸出各種特性曲線。智能通風(fēng)系統(tǒng)平臺實(shí)現(xiàn)礦井主通風(fēng)機(jī)的“一鍵啟動(dòng)”、“一鍵自動(dòng)反風(fēng)”等功能。平臺可根據(jù)全礦供風(fēng)情況選擇預(yù)設(shè)的主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式，將模式切換建議發(fā)送給相關(guān)管理人員。

5 結(jié) 語

選取中天合創(chuàng)葫蘆素煤礦作為智能通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)對象，整體構(gòu)建關(guān)鍵區(qū)域通風(fēng)阻力在線監(jiān)測和采區(qū)風(fēng)量遠(yuǎn)程調(diào)控的智能通風(fēng)監(jiān)測與控制平臺，實(shí)現(xiàn)了礦井巷道風(fēng)量實(shí)時(shí)同步測量、用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量遠(yuǎn)程調(diào)控、通風(fēng)系統(tǒng)異常實(shí)時(shí)診斷，有效提升礦井通風(fēng)管理水平，推進(jìn)了礦山智能化建設(shè)。