煤礦礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)的能效優(yōu)化與應(yīng)用實踐

摘要：本文選取某煤礦典型礦區(qū)水文監(jiān)測作為研究對象，剖析監(jiān)測系統(tǒng)各子模塊的能耗分布特點，辨別出井下設(shè)備運行冗余、數(shù)據(jù)采集機(jī)制單一等典型能效瓶頸。基于此，提出低功耗終端替代、采樣頻率分級響應(yīng)、邊緣計算與智能平臺協(xié)同聯(lián)動的優(yōu)化策略。經(jīng)改造實踐，系統(tǒng)年綜合能耗降低，年電費節(jié)省。同時，監(jiān)測精度與響應(yīng)能力都有提升。

煤礦礦井水文地質(zhì)信息工程是礦山生產(chǎn)中直接影響煤礦安全、投資巨大的一項工程。建立多參數(shù)水文動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的目的是通過對礦井水位、水壓、水溫、流量的監(jiān)測，及時對水害的發(fā)生做出評估和預(yù)警，避免水害的發(fā)生，保障煤礦的安全生產(chǎn)[]。

近年來，隨著5G通信、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以及邊緣計算等新技術(shù)在煤炭行業(yè)的推廣運用，礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)逐漸朝著“精準(zhǔn)感知一高效傳輸一智能決策”的方向發(fā)展。怎樣在保證監(jiān)測靈敏度以及響應(yīng)能力的基礎(chǔ)上，合理配置監(jiān)測設(shè)備，優(yōu)化采集頻率以及數(shù)據(jù)調(diào)度邏輯，實現(xiàn)低能耗、高穩(wěn)定運行，成為煤礦水文系統(tǒng)升級過程中的關(guān)鍵議題。

一、煤礦礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)運行現(xiàn)狀分析

（一）系統(tǒng)構(gòu)成與運行特征

煤礦礦井的水文監(jiān)測系統(tǒng)一般由井下感知終端、信號傳輸網(wǎng)絡(luò)、地面數(shù)據(jù)處理平臺以及調(diào)度指揮中心這四個部分組成。它的核心功能有對地下水位、水壓、水溫、水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，還可以自動預(yù)警上報突發(fā)的異常數(shù)據(jù)。當(dāng)下多數(shù)礦區(qū)已經(jīng)設(shè)立了水文監(jiān)測點，這些監(jiān)測點覆蓋了主排水巷道、重點采掘工作面以及老空區(qū)，達(dá)成了對井下水文環(huán)境的基礎(chǔ)感知[2]。

（二）能耗分布與系統(tǒng)瓶頸分析

為了明確能效優(yōu)化的具體方向，本文依據(jù)某典型礦區(qū)2023年度礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)的用電實際狀況，對各子系統(tǒng)平均功耗占比展開了詳細(xì)統(tǒng)計。從表1可明顯看出，井下傳感終端以及通信設(shè)備在總功耗中所占比例達(dá)到54.7% ，此環(huán)節(jié)成為耗能最高的部分，地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)占比為 28.1%_c

從表1可知，水文監(jiān)測系統(tǒng)的主要能源消耗集中在井下設(shè)備持續(xù)運行方面。在傳統(tǒng)電纜供電模式之下，終端設(shè)備一般功率較大且效率較低，容易造成能源的浪費。

（三）典型問題與能效浪費表現(xiàn)

雖然多數(shù)煤礦都已構(gòu)建起較為完備的水文監(jiān)測系統(tǒng)，然而因長期欠缺系統(tǒng)層面的能耗優(yōu)化觀念，在實際運行過程中依舊存在著諸多能源浪費的狀況。其系統(tǒng)一般運用“全時段等頻率采集”的策略，沒有依據(jù)晝夜周期以及地質(zhì)風(fēng)險等級的不同來施行動態(tài)采集調(diào)度，致使夜間處于低風(fēng)險時段時持續(xù)運行產(chǎn)生了冗余能耗[3]。

二、能效優(yōu)化策略與技術(shù)路徑

（一）系統(tǒng)能耗優(yōu)化的核心思路

當(dāng)前煤礦礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)存在“高能耗一低效率”運行問題，以“源頭降耗 + 過程管控 + 智能調(diào)度”為導(dǎo)向的能效優(yōu)化策略。此策略核心有三點：其一，運用低功耗傳感技術(shù)替換傳統(tǒng)高頻在線設(shè)備，采用NB一IoT協(xié)議的電池供能水位計、水壓計等，可達(dá)成微功率長周期穩(wěn)定運行。其二，構(gòu)建數(shù)據(jù)采集分級響應(yīng)機(jī)制，針對低風(fēng)險區(qū)域設(shè)定低頻采樣閾值，僅對重點監(jiān)測區(qū)維持高頻率采集并實時預(yù)警。其三，優(yōu)化地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的算法邏輯，削減冗余數(shù)據(jù)處理時間以及CPU負(fù)荷，降低系統(tǒng)運行能耗。

（二）節(jié)能改造實踐與成效評估

按照上述思路，該礦區(qū)在2023年開展了系統(tǒng)節(jié)能升級改造工作。主要采取的措施有：一是把42個井下傳感器更換成內(nèi)置電池型的低功耗設(shè)備。二是在主排水通道以及老空區(qū)增添邊緣處理模塊，以此達(dá)成現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理和動態(tài)調(diào)度控制。三是開發(fā)并部署水文風(fēng)險等級算法，針對監(jiān)測區(qū)域開展風(fēng)險分類調(diào)度。

從表2可看出，經(jīng)過改造之后，系統(tǒng)每年的綜合能耗降低了大概23.9% ，在這當(dāng)中井下設(shè)備的功耗下降幅度是最大的。值得一提的是，系統(tǒng)處于節(jié)能狀態(tài)時，其監(jiān)測靈敏度以及預(yù)警可靠性并沒有降低，相反因為數(shù)據(jù)處理以及響應(yīng)鏈路得到了簡化。部分關(guān)鍵監(jiān)測點的數(shù)據(jù)傳輸延時從改造之前的平均8秒降低到了3秒，系統(tǒng)的響應(yīng)效率提高了大約62.5% 。

改造之后還發(fā)現(xiàn)，設(shè)備出現(xiàn)故障的概率降低，原本每一個季度都需要進(jìn)行檢修的電纜以及傳感器，其報修的頻次減少了將近 40% ，在一定程度上降低了維護(hù)所需的成本以及對于人工干預(yù)的需求。憑借對系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性以及可維護(hù)性的提升，可推動整個煤礦水文安全監(jiān)測體系朝著現(xiàn)代化的方向發(fā)展[4]。

（三）智能化平臺聯(lián)動與遠(yuǎn)程管理機(jī)制

在進(jìn)行能效優(yōu)化工作時，單靠終端設(shè)備的升級以及數(shù)據(jù)策略的調(diào)整，是無法形成完整的閉環(huán)控制體系的，構(gòu)建一個“端一邊一云”一體化的智能管控平臺，才是提升系統(tǒng)能效以及運維水平的關(guān)鍵做法。在實際操作中，礦區(qū)于地面服務(wù)器和井下邊緣計算節(jié)點之間，布置了專門的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)中臺，接入AI算法模型，對采集到的數(shù)據(jù)展開初步篩選，并進(jìn)行風(fēng)險等級的預(yù)判，有預(yù)警上報、遠(yuǎn)程調(diào)參以及自學(xué)習(xí)調(diào)度等功能[5。這個平臺可依據(jù)歷史數(shù)據(jù)的趨勢，動態(tài)調(diào)整監(jiān)測頻率與數(shù)據(jù)傳輸頻次，達(dá)成“低風(fēng)險點低頻采樣、高風(fēng)險點高頻響應(yīng)”的智能調(diào)控，最大程度減少無效數(shù)據(jù)的收集與處理，節(jié)約能耗。

平臺聯(lián)動可達(dá)成對井下設(shè)備運行狀態(tài)的可視化監(jiān)控，可預(yù)測設(shè)備故障、能耗異常等狀況，削減不必要的人工巡檢次數(shù)以及重復(fù)作業(yè)，在惡劣工況下有著關(guān)鍵價值。比如2023年該礦區(qū)運用遠(yuǎn)程運維模塊后，巡檢次數(shù)降低了 36% ，人力成本降低了18.4% ，輔助供電與照明能耗平均每月節(jié)約了約740千瓦時。平臺還有跨區(qū)域調(diào)度功能，方便多礦區(qū)協(xié)同管理、數(shù)據(jù)互通，促使整體礦井水文安全管理水平朝著精細(xì)化、數(shù)字化、綠色化方向提升。

三、結(jié)束語

煤礦礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)是保障井下作業(yè)安全的關(guān)鍵支撐，其能效高低關(guān)乎礦井能源成本的控制情況，又對系統(tǒng)的實時性和可靠性有著直接影響。本文選取典型礦區(qū)進(jìn)行研究，梳理該礦區(qū)系統(tǒng)能耗結(jié)構(gòu)，找出存在的冗余運行以及調(diào)度僵化等問題，并從采用低功耗設(shè)備替代、建立分級調(diào)控機(jī)制、實現(xiàn)智能平臺聯(lián)動等方面探尋優(yōu)化路徑。結(jié)果顯示，這類節(jié)能改造措施可讓系統(tǒng)年能耗降低 23.9% ，節(jié)省電費3萬多元，還可以提升響應(yīng)效率以及運行穩(wěn)定性。相關(guān)經(jīng)驗在保證水文監(jiān)測功能完整的基礎(chǔ)上，促使系統(tǒng)朝著綠色、高效的方向發(fā)展，有較好的推廣價值和現(xiàn)實意義。匪

參考文獻(xiàn)：

[1]姜鵬、葉錦嬌、李健。煤礦井上下一體化水文監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].煤炭工程，2021，53 （07）：21-25.

[2]牛崽?；诠饫w傳感技術(shù)的煤礦井下水文監(jiān)測系統(tǒng)［J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2021，（11）：19-20.

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[4]李磊、張強(qiáng)。煤礦水文監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].煤礦現(xiàn)代化，2020，（05）：149-150+153.

[5]石巖、王博、李旭。煤礦水文監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展方向展望[J].電子測試，2016，（15）：10-11.作者單位：中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司