李 敏

（山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046102）

0 引 言

近些年隨著以人工智能為導(dǎo)向的數(shù)字技術(shù)在中國(guó)飛速發(fā)展，煤礦作為傳統(tǒng)行業(yè)迎來(lái)了變革，智慧礦山由此提出，井下實(shí)現(xiàn)智能通風(fēng)是智慧礦山發(fā)展的重要一環(huán)。通風(fēng)參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是智能通風(fēng)系統(tǒng)的信息源，作為智能通風(fēng)計(jì)算的基礎(chǔ)和前提，是智能通風(fēng)的重要組成部分。目前煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)量、風(fēng)壓等各項(xiàng)通風(fēng)參數(shù)的采集仍以人工操作為主，人工測(cè)試周期長(zhǎng)，并且不具有實(shí)時(shí)性與連續(xù)性，而監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性與連續(xù)性，能夠?yàn)槭侵悄芡L(fēng)提供實(shí)時(shí)的基礎(chǔ)參數(shù)。

分析當(dāng)前井下智能通風(fēng)現(xiàn)狀，可知目前我國(guó)井下通風(fēng)管理由自動(dòng)化、信息化轉(zhuǎn)向智能化的發(fā)展水平較低，相關(guān)研究相對(duì)較少。劉劍提出構(gòu)造礦井通風(fēng)系統(tǒng)非線性觀測(cè)器是風(fēng)流狀態(tài)重構(gòu)的關(guān)鍵[1]。周福寶等分別從礦井通風(fēng)參數(shù)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、礦井通風(fēng)異常診斷與智能決策平臺(tái)、通風(fēng)動(dòng)力與設(shè)施智能調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)詳細(xì)闡明了礦井智能通風(fēng)功能的實(shí)現(xiàn)路徑[2]。楊帥等通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的通風(fēng)參數(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)中的巷道參數(shù)對(duì)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)解算,應(yīng)用到山金阿爾哈達(dá)井下實(shí)際的通風(fēng)系統(tǒng)中[3]。

本文以山西潞安常村煤礦為應(yīng)用背景，運(yùn)用實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控的方法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，增加通風(fēng)仿真系統(tǒng)與傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一體化計(jì)算功能，通過(guò)建立井下全區(qū)域通風(fēng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，為數(shù)據(jù)挖掘提供基礎(chǔ)，根據(jù)巷道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)解算，為井下通風(fēng)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 監(jiān)測(cè)與仿真一體化數(shù)學(xué)模型

1.1 均值濾波算法

一般來(lái)說(shuō)，傳感數(shù)據(jù)通常是不平滑的，會(huì)對(duì)結(jié)果有較多干擾。因此，大量數(shù)據(jù)在進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、整理前應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理以此減少噪聲帶來(lái)的干擾[4]。

均值濾波算法屬于線性濾波算法。其內(nèi)涵是是用鄰域的平均值來(lái)代替目標(biāo)點(diǎn)數(shù)值。假定這里的數(shù)據(jù)模型為：

經(jīng)鄰域平滑處理，其數(shù)值為：

式中：S為點(diǎn)（i）的鄰域；M為該鄰域下的總點(diǎn)數(shù)。第二項(xiàng)的方差為：

式中：D為運(yùn)算數(shù)據(jù)方差為未經(jīng)鄰域平滑前原數(shù)據(jù)的方差，由于數(shù)據(jù)經(jīng)鄰域平滑處理后，其方差減少了M 倍，因此起到了平滑數(shù)據(jù)的作用。

1.2 最小二乘法修正監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

數(shù)據(jù)擬合能精確地反映變量之間的關(guān)系，使其在某種準(zhǔn)則下最好地接近原數(shù)據(jù)。礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合[5]。

對(duì)給定數(shù)據(jù)（xi，yi），i=1，…，n，設(shè)φi（x），i=0，1，…，m線性無(wú)關(guān)，求使誤差ri=p（x）i-yi，i=1，…，n的平方和最小，即i-yi]2=min，函數(shù)p（x）稱為擬合函數(shù)或最小二乘解。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合處理與數(shù)據(jù)修正，預(yù)處理后的數(shù)據(jù)應(yīng)用在礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)上，并進(jìn)行井下通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真。

1.3 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)節(jié)算法

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)節(jié)的目標(biāo)是：各段巷道風(fēng)量滿足要求的情況下，使得風(fēng)機(jī)的功耗最小。礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)采用的是人工智能DFS 方法尋找出所有通路。

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的通路矩陣為：

式中：w 為網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)路線的總數(shù)。計(jì)算公式如(5)所示：

通路阻力矩陣為：

在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)平衡的狀態(tài)下，通過(guò)同一主要通風(fēng)機(jī)的所有通路的阻力值是一樣的。如式（7）所示：

式中：Hfi為第i 臺(tái)風(fēng)機(jī)的任意一條通路的總阻力；Qfi為第i 臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量；k為處于運(yùn)行狀態(tài)下主要通風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)，由于井下滿足獨(dú)立通風(fēng)，此處假設(shè)風(fēng)井?dāng)?shù)為1。ri第i條風(fēng)路的風(fēng)阻，qi第i條風(fēng)路的風(fēng)量。

礦井通風(fēng)總功耗非平衡狀態(tài)下時(shí)：

礦井最大阻力非平衡狀態(tài)時(shí)：

礦井最小功耗是主要通風(fēng)機(jī)的最大阻力值Hmax與風(fēng)機(jī)總風(fēng)量Qf的乘積。通路法的內(nèi)涵為調(diào)節(jié)順序的確定，礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整最大通路的優(yōu)先次序，不斷調(diào)節(jié)每一次的最大阻力通路，直至通路不可調(diào)為止。

通路不可調(diào)時(shí)礦井最小功耗和調(diào)節(jié)量分別如下式（10）、（11）所示：

2 通風(fēng)監(jiān)測(cè)與仿真一體化應(yīng)用

2.1 傳感器的布設(shè)

《煤礦安全規(guī)程》要求采區(qū)回風(fēng)巷、一翼回風(fēng)巷、總回風(fēng)巷的測(cè)風(fēng)站需安裝風(fēng)速傳感器。風(fēng)速傳感器的布置原則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)一條通過(guò)工作面的最大阻力路線上各主要巷道的風(fēng)壓、風(fēng)速、干濕溫度等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，可監(jiān)測(cè)主要用風(fēng)地點(diǎn)與主要風(fēng)路的通風(fēng)參數(shù)[2]。

常村煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，全礦井共布設(shè)風(fēng)速傳感器65 處。利用遼寧工程技術(shù)大學(xué)開(kāi)發(fā)的礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)，在仿真圖上確定其具體位置，增加傳感器標(biāo)識(shí)，通過(guò)傳感器ID 號(hào)進(jìn)行唯一性識(shí)別[6]。之后進(jìn)行井下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)器IP 地址、讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔等相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置。仿真圖布設(shè)傳感器操作如圖2 所示。

圖2 通風(fēng)管理信息系統(tǒng)布設(shè)傳感器操作

2.2 基于數(shù)據(jù)挖掘的通風(fēng)參數(shù)研究

數(shù)據(jù)挖掘的本質(zhì)是利用各種分析工具尋找數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)間的關(guān)系，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘提取出輔助決策的重要數(shù)據(jù)并尋找數(shù)據(jù)中隱藏的重要信息[7-9]。

通過(guò)全礦井的通風(fēng)系統(tǒng)普查，將井下主要風(fēng)門之間的壓差和主要用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量錄入通風(fēng)管理信息系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，得到誤差符合要求的仿真風(fēng)量。利用井下監(jiān)控分站中傳感器監(jiān)控得到的監(jiān)測(cè)風(fēng)量、風(fēng)壓，在礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)上進(jìn)行模擬仿真。隨后對(duì)仿真風(fēng)量和監(jiān)測(cè)風(fēng)量進(jìn)行對(duì)比分析，列出相對(duì)誤差大于5%的巷道?？烧{(diào)取監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中臨近巷道的通風(fēng)參數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，映射出風(fēng)量-風(fēng)阻、風(fēng)量-風(fēng)壓復(fù)雜的非線性關(guān)系[10]。通過(guò)大量數(shù)據(jù)對(duì)誤差較大巷道風(fēng)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并進(jìn)行誤差分析，若為風(fēng)速傳感器造成的誤差，修正為實(shí)際數(shù)據(jù)或更換對(duì)應(yīng)的風(fēng)速傳感器；若為仿真系統(tǒng)帶來(lái)的誤差，對(duì)仿真系統(tǒng)繼續(xù)調(diào)試，直到仿真數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)一致。

調(diào)試后的通風(fēng)仿真系統(tǒng)可用于日常通風(fēng)管理與通風(fēng)系統(tǒng)改造、優(yōu)化方案仿真風(fēng)量預(yù)測(cè)。數(shù)據(jù)挖掘通風(fēng)參數(shù)程序框圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)挖掘通風(fēng)參數(shù)程序框圖

3 常村煤礦礦井通風(fēng)管理實(shí)時(shí)仿真

3.1 常村煤礦一體化算法實(shí)時(shí)仿真

山西潞安常村煤礦所使用的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)是KJ95 型監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)可以反應(yīng)實(shí)時(shí)的風(fēng)速傳感器監(jiān)測(cè)值，其他巷道的風(fēng)量滿足節(jié)點(diǎn)風(fēng)量平衡實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。設(shè)置井下65 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)讀取風(fēng)速值每次5s。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后采用修正公式進(jìn)行修正，然后計(jì)算出實(shí)時(shí)風(fēng)量，并利用常村煤礦礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)解算出其他巷道的風(fēng)量值。以監(jiān)測(cè)點(diǎn)（ID:3108 S5 車場(chǎng)測(cè)風(fēng)站）為例，該處風(fēng)速傳感器修正公式為y=1.16x+1.38，斷面積為15.4 m2，其它傳感器的修正方法與S5 車場(chǎng)測(cè)風(fēng)站傳感器相同。其附近巷道的風(fēng)量變化見(jiàn)表1。

表1 S5 車場(chǎng)測(cè)風(fēng)站及其附近巷道風(fēng)量實(shí)時(shí)變化

3.2 風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)災(zāi)變時(shí)期通風(fēng)系統(tǒng)分析

煤炭工業(yè)智能化礦井設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T51272-2018) 提出監(jiān)控全礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和主要通風(fēng)機(jī)工況模擬解算。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行通風(fēng)仿真，可預(yù)測(cè)通風(fēng)系統(tǒng)失效后礦井通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)變后的各風(fēng)機(jī)工況情況，可以為控風(fēng)決策提供依據(jù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，進(jìn)行仿真運(yùn)算。假設(shè)在礦井發(fā)生不可預(yù)知事故，地面主要通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)常村煤礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)分析。對(duì)中央風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)停運(yùn)其他各風(fēng)井進(jìn)行風(fēng)量預(yù)測(cè)。災(zāi)變時(shí)期中央風(fēng)井停運(yùn)各風(fēng)井風(fēng)量預(yù)測(cè)見(jiàn)表1，風(fēng)量變化對(duì)照柱狀圖如圖3 所示。

表1 災(zāi)變時(shí)期中央風(fēng)井停運(yùn)各風(fēng)井風(fēng)量預(yù)測(cè)

圖3 災(zāi)變時(shí)期各風(fēng)井風(fēng)量變化對(duì)照?qǐng)D

如果中央回風(fēng)井發(fā)生故障停止運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)法啟動(dòng)，礦井由機(jī)械通風(fēng)轉(zhuǎn)為自然風(fēng)壓通風(fēng)。實(shí)時(shí)仿真結(jié)果表明：中央回風(fēng)井變?yōu)檫M(jìn)風(fēng)井，進(jìn)風(fēng)量為5 463 m3/min。對(duì)于其他風(fēng)井，主井和王村進(jìn)風(fēng)井風(fēng)量降低，西坡回風(fēng)井、西坡進(jìn)風(fēng)井、王村回風(fēng)井風(fēng)量增加。其中西坡回風(fēng)井和王村回風(fēng)井風(fēng)量不大，說(shuō)明中央回風(fēng)井風(fēng)機(jī)停機(jī)對(duì)二者影響不大。

4 結(jié) 論

提出了通風(fēng)仿真與傳感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)一體化算法，并結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，為井下通風(fēng)日常管理與災(zāi)變時(shí)期實(shí)時(shí)決策提供理論依據(jù)，研究成果對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)工作平穩(wěn)運(yùn)行具有極其重要的意義。

1）運(yùn)用均值濾波算法對(duì)監(jiān)測(cè)的通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行去噪處理，處理后的數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行擬合，完成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)預(yù)處理。對(duì)于井下傳感器監(jiān)測(cè)與仿真系統(tǒng)風(fēng)量誤差較大的異常數(shù)據(jù)，通過(guò)建立監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，利用數(shù)據(jù)挖掘算法對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷。

2）礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)利用井下通風(fēng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，能夠完成通風(fēng)實(shí)時(shí)仿真，并滿足誤差要求，對(duì)于井下通風(fēng)安全日常管理有實(shí)際意義。

3）利用山西潞安常村煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)通風(fēng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了常村煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)解算，成功進(jìn)行了大型煤礦通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線仿真。同時(shí)分析了災(zāi)變時(shí)期通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)，采用實(shí)時(shí)仿真對(duì)各風(fēng)井風(fēng)量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，應(yīng)用效果較好。