胡偉偉

(霍州煤電集團有限責任公司 霍寶干河煤礦，山西 洪洞 041600)

隨著科技的發(fā)展，礦井的開采深度以及范圍較之前都有了很大的延伸，隨之帶來更多的開采安全問題，其中礦井通風最為顯著。霍寶干河煤礦位于山西省臨汾市洪洞縣趙城鎮(zhèn)，地形較為復雜，礦井主要開拓方式為立井開拓，年生產(chǎn)能力為180萬t，為山西焦煤集團的重要礦井之一。該煤礦目前存在的通風問題主要有：礦井開采深度較大，通風阻力較大，存在漏風情況，系統(tǒng)參數(shù)異常頻發(fā)；主風機超負荷運行，故障頻發(fā)；多煤層共同開采，通風網(wǎng)絡(luò)較為復雜，管理困難、維護困難。因此，通常無法及時獲取系統(tǒng)的異常情況，系統(tǒng)得不到及時維護，導致系統(tǒng)失效，從而引發(fā)事故，威脅礦井生產(chǎn)安全。

為了能夠及時獲取系統(tǒng)信息，對系統(tǒng)異常進行自動診斷，選取診斷標準，確定診斷指標，通過視覺仿真系統(tǒng)建立系統(tǒng)異常樣本庫，后對異常進行分析，得出異常原因，最終實現(xiàn)異常的識別與診斷。

1 構(gòu)建礦井通風系統(tǒng)異常樣本庫

1.1 通風系統(tǒng)異常診斷指標體系

通常來講，通風系統(tǒng)異常診斷體系的完善度，會直接影響系統(tǒng)的診斷可靠性，因此在構(gòu)建通風系統(tǒng)的異常診斷功能時，需要先進行異常體系的構(gòu)建。而在構(gòu)建異常診斷體系之前，應(yīng)該先定義通風系統(tǒng)指標，包括：

1)通風動力。礦井通風的動力是各個通風機，當風機發(fā)生故障時，會直接影響礦井的通風系統(tǒng)。而目前存在風機斷電停風、風機老化導致風量不足、風機負壓較大運行不穩(wěn)定等問題。

2)通風網(wǎng)絡(luò)。井下巷道錯綜復雜，因此形成了復雜的通風網(wǎng)絡(luò)，隨著工作面不斷前進，通風網(wǎng)也在不斷變化。目前表現(xiàn)的主要問題：阻力過大導致井下部分位置無風，瓦斯?jié)舛却?；由于地理因素，導致通風航道的部分位置阻力加大，影響風量，威脅安全。

3)通風設(shè)施。由于井下巷道錯綜復雜，通風風流無法實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，因此采用通風設(shè)施用于井下風向風量的調(diào)節(jié)和控制。常出現(xiàn)的失效模式是由于巷道風阻改變，從而導致漏風量增加。

確定與通風動力、通風網(wǎng)絡(luò)、通風設(shè)施此3項準則相關(guān)的8項指標：風量、風壓、喘振、總阻力、巷道風速、用風地點風量、巷道摩擦阻力系數(shù)和通風設(shè)施兩端壓差。建立的通風系統(tǒng)異常診斷指標體系，見圖1.

圖1 礦井通風系統(tǒng)異常診斷指標體系圖

1.2 利用層次分析法確定評價指標權(quán)重

在基于通風物理組成的異常診斷評價指標體系中，由于異常診斷指標體系的指標相對較少，直接對所有三級指標進行統(tǒng)一打分，并建立相應(yīng)矩陣。通過專家打分，構(gòu)建相應(yīng)的判斷矩陣，并進行權(quán)重計算，具體結(jié)果見表1.

表1 礦井通風系統(tǒng)異常診斷指標判斷矩陣表

通過層次分析法對各指標進行計算，最后可以得出按照指標分類的礦井通風系統(tǒng)異常診斷指標權(quán)重，見表2.

表2 礦井通風系統(tǒng)異常診斷指標權(quán)重表

1.3 建立通風系統(tǒng)異常樣本庫

霍寶干河煤礦目前通過運用通風在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)已基本實現(xiàn)井下各巷道風速風量的在線監(jiān)測，但是只能獲取風量的大小卻無法獲取導致風量出現(xiàn)異常的因素。所以現(xiàn)利用礦井通風可視化仿真軟件VSE，以霍寶煤礦為實驗礦井，構(gòu)建現(xiàn)狀仿真模型，分別對所有會出現(xiàn)的異常情況進行模擬，制作大量異常樣本，構(gòu)建異常樣本數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)系統(tǒng)異常原因的識別與匹配，診斷由通風在線監(jiān)測系統(tǒng)提示的系統(tǒng)異常，分析原因以及影響范圍。建立異常樣本庫時，首先將霍寶干河煤礦的礦井巷道數(shù)據(jù)以CAD圖像的形式導入仿真軟件中，錄入后，生成煤礦通風系統(tǒng)圖,見圖2.導入圖像到仿真軟件后，應(yīng)對其進行重要參數(shù)的設(shè)置，包括：在軟件的菜單欄中通過輸入實際的參數(shù)，添加繪制構(gòu)筑物以及風機；通過查詢采掘平面圖并手動輸入巷道節(jié)點以及拐點的標高，準確測算通風阻力；手動輸入系統(tǒng)的通風阻力參數(shù)。

圖2 煤礦通風系統(tǒng)圖

為了保證仿真準確度，視覺VSE使用風壓閉合差和解算誤差作為參考標準。在該標準下，仿真系統(tǒng)解算一次，參數(shù)便會重生成一次。用來表征模擬效果真實度的參數(shù)閉合差每次運算過后都會以彈窗的形式進行顯示，且數(shù)值越小效果越好，通過彈窗數(shù)值直觀地展現(xiàn)仿真的準確度。隨后將前期收集的礦井參數(shù)以及處理數(shù)據(jù)導入模擬系統(tǒng)，在礦井現(xiàn)實狀態(tài)的基礎(chǔ)上，模擬有可能出現(xiàn)的異常，獲取相應(yīng)的異常數(shù)據(jù)，為精準診斷提供數(shù)據(jù)支持。

2 礦井通風系統(tǒng)異常診斷分析

由于通風系統(tǒng)的工作環(huán)境復雜，工作參數(shù)隨機，導致其系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，在自身以及外部環(huán)境的作用下容易造成系統(tǒng)異常情況產(chǎn)生?，F(xiàn)以在線監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)采集的實際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過樹狀圖的方法，對異常原因進行分析，以實現(xiàn)系統(tǒng)的異常診斷功能。在分析過程中，從可能出現(xiàn)的異常問題出發(fā)，結(jié)合系統(tǒng)出現(xiàn)故障的部位以及容易發(fā)生問題的地點，綜合分析研究異常出現(xiàn)的原因。

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，導致系統(tǒng)出現(xiàn)異常的原因可以總結(jié)為5類，且每個異常原因的程度以及范圍等都存在差異。系統(tǒng)異常故障分析圖見圖3.

圖3 系統(tǒng)異常故障分析圖

通過數(shù)據(jù)分析得出，通風系統(tǒng)的5類異常，發(fā)生概率較大的3大地點主要是：1)通風構(gòu)筑物的巷道。由于風機等設(shè)備出現(xiàn)異常，導致風阻減小，出現(xiàn)風量異常。2)主要通風巷道。將通風網(wǎng)絡(luò)中主要的通風巷道作為優(yōu)先一級的診斷位置。3)通風巷道交接位置。由于位于通風巷道的拐點位置，其風量易受來自兩側(cè)巷道的影響，當兩側(cè)風向一致時，阻力增大會導致拐點分支風量減小，而當兩側(cè)風向相反時，風阻增加，拐點分支風量反會增加，加大系統(tǒng)風量的不穩(wěn)定，屬于薄弱環(huán)節(jié)。

圖3中，當系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，除了需要定位異常，更重要的是識別異常的原因，關(guān)于異常原因的識別難易程度是不相同的，有的可以從數(shù)據(jù)進行推理，而有的卻需要進行更細致地分析。作為系統(tǒng)心臟的風機異常，其風壓和風量均會受到影響，其異常是可以通過監(jiān)測傳感器識別，容易進行判斷；網(wǎng)絡(luò)以及設(shè)備異常時，難以準確識別，原因在于井下巷道之間相互交錯，無法確定異常源，因此需要在設(shè)備以及通風網(wǎng)絡(luò)進出口位置中均勻布置數(shù)臺風速風量傳感器，通過計算巷道差值，分析異常源所在；自然風壓等導致的異常屬于不可控的因素，且可以靠自身調(diào)節(jié)恢復，不進行贅述。

3 結(jié) 語

通過現(xiàn)有的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)對井下通風數(shù)據(jù)進行采集，確定通風系統(tǒng)異常診斷指標體系以及評價指標權(quán)重，通過可視化仿真軟件VSE獲取建立煤礦的異常樣本庫，結(jié)合系統(tǒng)特征，分析得出造成井下通風系統(tǒng)異常的5大類因素，并對系統(tǒng)異常進行診斷。當系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，會將異常數(shù)據(jù)與樣本庫中的數(shù)據(jù)進行對比，并將異常執(zhí)行分類定位，后通過樣本庫數(shù)據(jù)分析，確定異常源所在，執(zhí)行相對應(yīng)的措施，對異常進行精確定位以及精準的診斷分析，縮短了異常分析解決時間，確保了煤礦的安全生產(chǎn)。