付村煤礦通防智能化建設(shè)實踐與問題探討

＊孟凡平 王偉龍 周新義 劉濤 夏同強,4

（1.棗莊礦業(yè)（集團）付村煤業(yè)有限公司 山東 277605 2.中國礦業(yè)大學 安全工程學院 江蘇 221116 3.華能慶陽煤電有限責任公司核桃峪煤礦 甘肅 745300 4.中國礦業(yè)大學 低碳能源與動力工程學院 江蘇 221116）

礦井“一通三防”是礦井通風、防瓦斯、防塵、防火工作的簡稱。2020年《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》被提出，要求到2025年，我國特大型、危害性較大的礦井基本實現(xiàn)智能化，到2035年，所有類型的礦井都將達到智能化水平，并在此基礎(chǔ)上，提出了深入貫徹落實“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略。

近些年來，煤礦行業(yè)學者對礦井通防智能化建設(shè)方式進行了大量的研究。如今，對于井下通風參數(shù)在線監(jiān)測、人員定位信息，瓦斯等重大環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警以及大型設(shè)備運行參數(shù)監(jiān)測與故障檢測等方面，通過采用安裝各類型傳感器以及4G/5G等技術(shù)實現(xiàn)了在線監(jiān)測診斷[1-2]。盧新明等[3-5]認為對井下通風網(wǎng)絡(luò)實時結(jié)算與遠程調(diào)節(jié)等手段是保障通風穩(wěn)定可靠的重要手段。澳大利亞研究了可用于礦井通風參數(shù)分析及風網(wǎng)解算Ventsim軟件，并在此基礎(chǔ)上可進行災(zāi)害的模擬仿真[6]；魏連江等開發(fā)了礦井通風可視化模擬系統(tǒng)，能夠自動繪制通風系統(tǒng)圖[7-8]。

根據(jù)以往的研究成果還存在一些問題：（1）通防設(shè)備自動化、智能化水平低；（2）通防數(shù)據(jù)不能夠在通防系統(tǒng)中高效利用；（3）通防控制平臺的功能比較單一。付村煤礦現(xiàn)代化智能通防系統(tǒng)建設(shè)是付村煤礦安全高效生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)保障。為實現(xiàn)礦井現(xiàn)代化智能通防，付村煤業(yè)有限公司與中國礦業(yè)大學成立研究團隊進行相關(guān)問題的研究，建立了具有通防參數(shù)精準感知、風網(wǎng)實時解算、通防信息三維可視化與三維仿真、風險分析預(yù)警、故障應(yīng)急診斷與調(diào)控等多功能的礦井智能通防綜合管控系統(tǒng)，使付村煤礦通防信息化、自動化和智能化水平上升了一個新臺階。

1.智能通防的內(nèi)涵與架構(gòu)

礦井智能通防是將信息采集處理技術(shù)、控制技術(shù)與通防系統(tǒng)深度融合，按照“平戰(zhàn)結(jié)合”的理念實現(xiàn)通防信息日常管理、異常診斷、預(yù)警與智能應(yīng)急控制。智能通防與應(yīng)急控制綜合管控平臺是以智能通防理論與信息化為基礎(chǔ)，融合主要通風機等通風設(shè)施、火災(zāi)束管監(jiān)測、粉塵監(jiān)測、人員定位等模塊信息，集成一通三防中的通風、瓦斯、火災(zāi)、粉塵的所有數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)挖掘，聯(lián)立人工智能和通防設(shè)備控制，實現(xiàn)通防安全的日常運維與異常管控。

付村煤礦智能通防安全與應(yīng)急控制綜合管控平臺是在多元傳感器監(jiān)測設(shè)備、環(huán)網(wǎng)交換機等智能通防硬件的基礎(chǔ)上，集成了安全監(jiān)控系統(tǒng)、自動注漿系統(tǒng)、自然發(fā)火監(jiān)測系統(tǒng)等八大子系統(tǒng)，通過精準測定礦井通防參數(shù)，進行風網(wǎng)實時解算，建立三維通風仿真模型與通防信息可視化展示，實現(xiàn)礦井通防參數(shù)實時監(jiān)測和預(yù)警，異常診斷與隱患處理。付村煤礦智能通防建設(shè)過程中形成了“以智能通防設(shè)施為基礎(chǔ)、以礦井通防信息綜合管理與控制平臺為保障、以智能通防隊伍為核心”的通防隱患排查與治理一體化的先進管理理念（圖1），保障了礦井安全生產(chǎn)。

圖1 智能化通防綜合管理平臺組成與結(jié)構(gòu)

2.智能通防系統(tǒng)建設(shè)實踐

(1)礦井智能通風系統(tǒng)

付村煤礦依據(jù)精準阻力測定數(shù)據(jù)，開發(fā)礦井通風網(wǎng)絡(luò)實時解算系統(tǒng)，建立全礦井三維仿真模型（1:1等比例）和VR虛擬仿真模型，支持“一鍵式”導(dǎo)入精細通風阻力測試參數(shù)，通防設(shè)備精準建模，礦井通風網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系自動維護，在線求解通風網(wǎng)絡(luò)所有分支風向和風量數(shù)據(jù)。實現(xiàn)了地面工業(yè)廣場和井下巷道、通風設(shè)施及采掘工作面的仿真模擬。礦井三維模型具備巷道、通風設(shè)施數(shù)據(jù)的查詢功能，實現(xiàn)了通風參數(shù)和設(shè)施的一張圖管理。此外，智能通風系統(tǒng)平臺支持災(zāi)害動態(tài)仿真模擬、避災(zāi)路線的自動生成，平臺通過對風煙流動與風量分析選擇最佳控風方法，并自動搜索可調(diào)風門，結(jié)合風網(wǎng)解算模型進行精準控風。

(2)通防參數(shù)可視化平臺

通防參數(shù)可視化平臺把通防設(shè)施遠程控制、礦井安全監(jiān)控、人員位置監(jiān)測、自動注漿、束管監(jiān)測等系統(tǒng)結(jié)合，通過安裝智能通防設(shè)施，實現(xiàn)了各種通防參數(shù)的在線智能分析，關(guān)鍵通防設(shè)施布置見表1。

表1 智能通防設(shè)施布置

礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)通過每個傳感器所采集到的數(shù)據(jù)進行集成統(tǒng)一管理，通過對傳感器數(shù)據(jù)的挖掘?qū)崿F(xiàn)對風險的判識，預(yù)警、并具備告警與歷史記錄查詢的功能。如KJ70X安全監(jiān)控系統(tǒng)在井下采煤工作面及其回風巷和回風隅角、掘進工作面等地點安設(shè)了瓦斯傳感器，實現(xiàn)了對井下主要作業(yè)環(huán)境瓦斯?jié)舛茸兓膶崟r在線監(jiān)測，根據(jù)瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)對瓦斯積聚區(qū)進行智能預(yù)警、超限區(qū)域的智能斷電，實現(xiàn)了瓦斯災(zāi)害的智能防治。

人員位置監(jiān)測模塊通過井下人員佩戴設(shè)備將位置以列表等形式展現(xiàn)出來，可實時查看井下人員總數(shù)及各區(qū)域人員總數(shù)，展示所有人員的當前信息在通風設(shè)施、局部通風機、主要通風機控制模塊，付村煤礦通過南、北風井安裝防爆蓋自動閉鎖裝置、主通風機控制系統(tǒng)，中央風井安裝電動剎車裝置，實現(xiàn)了南北風井主要通風機運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控和在線變頻調(diào)速功能，具備一鍵啟動及反風、倒機功能。在關(guān)鍵通風節(jié)點安裝了4套智能風門和4套智能風窗實現(xiàn)了現(xiàn)場風門的智能感知以及遠程可視化控制，通過遠程控制風窗固定角度，可以更精準的現(xiàn)場調(diào)風。井下遠程控制通風設(shè)施協(xié)同控制系統(tǒng)實現(xiàn)了常態(tài)遠程控制+異常自主決策雙保險的聯(lián)動控制如圖2所示。

圖2 通防設(shè)備集成

防塵遠程控制模塊通過對噴霧降塵裝置的數(shù)據(jù)進行獲取，實現(xiàn)噴霧裝置的運行狀態(tài)的動態(tài)展示，并按照現(xiàn)場需要對防塵設(shè)備運行狀態(tài)進行遠程控制實現(xiàn)了井下煤流識別噴霧，皮帶起動噴霧和粉塵超限噴霧等功能。

束管監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對井下采空區(qū)自然發(fā)火情況的監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析及上傳。通過對火災(zāi)參數(shù)智能監(jiān)測，實現(xiàn)井下發(fā)火智能預(yù)警。并且設(shè)有完善的防滅火系統(tǒng)，保證了井下火災(zāi)的智能防治，如圖3所示。

圖3 智能化注漿系統(tǒng)

3.智能通防建設(shè)中的問題探討

在付村煤礦智能通防的建設(shè)過程中仍然存在一些問題需要后續(xù)的改進：

（1）通風網(wǎng)絡(luò)實時解算是礦井智能通防的核心，其實驗過程與傳感器的數(shù)量和精度有很大的關(guān)系，而付村煤礦現(xiàn)有傳感器數(shù)量較少，影響實時解算的結(jié)果，為后續(xù)工作造成困難。

（2）礦井智能通防系統(tǒng)隨著礦井采掘接續(xù)的變化，通防系統(tǒng)需要進行不斷的更新，雖然現(xiàn)有的開發(fā)平臺已經(jīng)具有方便的人機交互功能，但通風網(wǎng)絡(luò)實時解算模型維護工作量仍然很大，需要進一步調(diào)控解算算法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自融洽功能。

（3）智能通防系統(tǒng)目前在數(shù)據(jù)集成與日常運維方面積累的大量的數(shù)據(jù)，目前數(shù)據(jù)的智能挖掘、故障智能診斷與預(yù)測預(yù)警功能尚有更大的研究空間，特別是發(fā)生重特大災(zāi)害時，井下信號中斷，災(zāi)害影響方法智能確定與應(yīng)急方案智能制定還需要大量的研究工作。

4.結(jié)語

（1）依托付村煤礦智能通防系統(tǒng)建設(shè)實踐，提出了付村煤礦智能通防的建設(shè)內(nèi)涵和架構(gòu)，以智能通風系統(tǒng)為基礎(chǔ)，集成了安全監(jiān)控系統(tǒng)、束管監(jiān)測系統(tǒng)等八大子系統(tǒng)。

（2）智能通防系統(tǒng)具備通防隱患排查與治理一體化、通防參數(shù)可視化展示和趨勢分析、通防裝備智能診斷預(yù)警、通防一體化成套技術(shù)與裝備等功能，為其他礦井的智能通防建設(shè)提供借鑒。