李義寶

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

屯蘭礦地處西山煤電古交礦區(qū)，井田占地面積62.26 km2，可采儲(chǔ)量5.54億t?，F(xiàn)開采2#、8#煤層，為Ⅱ類自燃煤層，2#煤層平均厚度2.98 m，8#煤層平均厚度3.33 m。我國煤礦通風(fēng)按照通風(fēng)方式分為礦井通風(fēng)以及工作面通風(fēng)。礦井通風(fēng)具體分為兩翼對(duì)角式、中央并列式、分區(qū)式、混合式；工作面通風(fēng)具體分為U型通風(fēng)、Y型通風(fēng)、W型通風(fēng)、H型通風(fēng)。該礦井通風(fēng)方式主要是中央并列式，工作面通風(fēng)方式主要是U型通風(fēng)方式。該通風(fēng)方式勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致上隅角瓦斯聚集以及采空區(qū)漏風(fēng)的增加。另外，目前井下測(cè)風(fēng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)主要是通過通風(fēng)員利用機(jī)械風(fēng)表和秒表進(jìn)行人工采集，最后將測(cè)量的數(shù)據(jù)帶到井上進(jìn)行匯總分析。該方法存在較大的誤差，且存在分析滯后的問題，而且有的巷道環(huán)境相當(dāng)惡劣，存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，利用智能通風(fēng)系統(tǒng)不僅可以保證通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，還能有效降低通風(fēng)技術(shù)人員的勞動(dòng)量。

本文設(shè)計(jì)的智能通風(fēng)系統(tǒng)由三個(gè)模塊組成，包括礦井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)處理及智能決策模塊、遠(yuǎn)程控制模塊。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度等數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)的解算方法及解算時(shí)間間隔進(jìn)行處理分析，利用PLC進(jìn)行通風(fēng)設(shè)施的遠(yuǎn)程控制，最終實(shí)現(xiàn)智能化通風(fēng)系統(tǒng)[1-5]。

1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制

煤礦井下環(huán)境惡劣，為了保證系統(tǒng)能夠在高塵、高濕的環(huán)境下正常工作，選取PLC系統(tǒng)作為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制的核心。監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集/AD轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)分析與智能決策、遠(yuǎn)程控制模塊組成，其工作原理如圖1。傳感器將采集到的風(fēng)壓、風(fēng)速、瓦斯?jié)舛鹊拳h(huán)境信息通過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量之后通過EM235模塊傳送給PLC，再通過RS485模塊傳送至上位機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。如果有需求可以向下位機(jī)發(fā)送指令，由調(diào)控執(zhí)行模塊進(jìn)行控制?？刂七^程一般采用PID和模糊控制算法，通過對(duì)傳感器采集到的巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)，來調(diào)節(jié)通風(fēng)設(shè)施控制瓦斯?jié)舛仍谠试S范圍內(nèi)。

圖1 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

煤礦井下巷道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，風(fēng)門除了具備遠(yuǎn)程控制功能外，還需要有能夠檢測(cè)到行人或礦車自動(dòng)開閉的功能，以及在特殊情況下手動(dòng)操作控制風(fēng)門打開的功能。在需要調(diào)節(jié)風(fēng)門以及風(fēng)窗開度的時(shí)候，地面人員在上位機(jī)中輸入風(fēng)門風(fēng)窗打開的角度，同時(shí)利用攝像機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確定該風(fēng)門暫無人員或者礦車通過時(shí)，遠(yuǎn)程控制風(fēng)門風(fēng)窗達(dá)到預(yù)設(shè)的角度[6-8]。在正常情況下，風(fēng)門可以自動(dòng)運(yùn)行，傳感器檢測(cè)到行人或者礦車時(shí)可以自動(dòng)開啟；當(dāng)井下停電時(shí)可以通過井下人員手動(dòng)開啟；在緊急情況下，可以通過遠(yuǎn)程控制開啟。遠(yuǎn)程控制自動(dòng)風(fēng)門風(fēng)窗示意圖如圖2、圖3。

圖2 遠(yuǎn)程控制自動(dòng)風(fēng)門示意圖

圖3 遠(yuǎn)程控制自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗示意圖

地面上位機(jī)監(jiān)測(cè)程序使用西門子WinCC組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)，上位機(jī)具有數(shù)據(jù)顯示功能、風(fēng)門開啟角度設(shè)置以及一鍵自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能。在進(jìn)行操作時(shí)，首先使用賬號(hào)密碼登陸該系統(tǒng)，然后輸入風(fēng)門需要開啟的角度，點(diǎn)擊一鍵調(diào)節(jié)按鈕即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制風(fēng)門開啟角度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。在井下發(fā)生緊急狀況時(shí)，通過觀看風(fēng)門的視頻監(jiān)測(cè)畫面確認(rèn)沒有人員和設(shè)備時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)門的緊急關(guān)閉，在緊急狀況解除時(shí)風(fēng)門恢復(fù)正常狀態(tài)。

2 智能決策

2.1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)計(jì)算模型

對(duì)于通風(fēng)節(jié)點(diǎn)而言，流入風(fēng)量與流出風(fēng)量的代數(shù)和為零。對(duì)于回路而言，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中任意回路或者網(wǎng)孔中的風(fēng)流應(yīng)遵守能量守恒定律。用方程表示為：

式中：hj為回路中分支j的通風(fēng)阻力；pj為回路中分支j的通風(fēng)動(dòng)力，包括自然及機(jī)械風(fēng)壓。

基于該原理，可以將非穩(wěn)定狀態(tài)下的巷道風(fēng)流看作一維流體，根據(jù)回路風(fēng)壓平衡定律，可得到巷道i的空氣流動(dòng)方程為：

式中：ρi為巷道i內(nèi)空氣密度，kg/m3；Li為巷道i的長(zhǎng)度，m；vi為巷道i內(nèi)的風(fēng)速，m/s；Hi為巷道i的通風(fēng)阻力，Pa；Ri為巷道i的摩擦風(fēng)阻，N·s2/m8；Qi為巷道i的風(fēng)量，m3/s；g為重力加速度，9.8 m/s2；Zi為巷道i兩側(cè)高度差，m；hfi為巷道i內(nèi)通風(fēng)機(jī)壓力，m。

令巷道i的慣性系數(shù)Ki=ρiLi/Ai，其中Ai為巷道i斷面面積，得出一維流體動(dòng)量方程：

假設(shè)在Δt時(shí)間內(nèi)，巷道i的風(fēng)量變化是均勻的，Q0i為巷道i初始時(shí)刻風(fēng)量，則（dQi）/dt=（Qi-Q0i）/Δt，代入式（3），根據(jù)回路風(fēng)壓平衡定律，可得非穩(wěn)態(tài)條件下的回路風(fēng)量修正值：

2.2 礦井通風(fēng)智能決策主要模塊

2.2.1 拓?fù)浞治瞿K

在通風(fēng)系統(tǒng)建模完成后，需要對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖的分支、節(jié)點(diǎn)等拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行檢查與分析，主要包括連通性分析、進(jìn)回風(fēng)井分析、通路分析等。必要的拓?fù)浞治雠c修正是網(wǎng)絡(luò)解算成功的必要條件。

（1）連通性分析。連通性分析用于判斷通風(fēng)系統(tǒng)圖是否連接，以便進(jìn)行后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)解算、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)節(jié)。利用遍歷分支算法將關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)加入到節(jié)點(diǎn)連通塊中，如果最終僅剩下唯一的節(jié)點(diǎn)連通塊則此通風(fēng)系統(tǒng)圖為連通狀態(tài)。

（2）進(jìn)回風(fēng)井分析。進(jìn)、回風(fēng)井分析用于查找通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)、回風(fēng)口，以便在網(wǎng)絡(luò)解算中對(duì)進(jìn)、回風(fēng)口分支之間添加相應(yīng)的虛擬分支以構(gòu)造風(fēng)量平衡、壓力平衡的回路。進(jìn)回風(fēng)井分析有著十分重要的工程意義。

（3）通路分析。通路分析目的是尋找通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的所有通路，對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)中最大阻力路徑及優(yōu)化調(diào)節(jié)有著重要意義，常用的算法為深度優(yōu)先搜索法。

2.2.2 數(shù)據(jù)檢查模塊

礦井下分支眾多，巷道環(huán)境復(fù)雜，需要記錄的數(shù)據(jù)類型眾多，一條巷道就需要記錄巷道長(zhǎng)度、斷面面積、支護(hù)類型、風(fēng)速、風(fēng)壓等數(shù)據(jù)。在記錄過程中需要對(duì)各種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，防止丟失某些關(guān)鍵數(shù)據(jù)導(dǎo)致后續(xù)模擬計(jì)算無法進(jìn)行。

2.2.3 數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊主要用于最大阻力路線分析。最大阻力路線是通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中從進(jìn)風(fēng)井至回風(fēng)井的一條不含有構(gòu)筑物的基準(zhǔn)路徑。在通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)，如果某地供風(fēng)量不足，需要利用最大阻力路徑計(jì)算其他路徑與最大阻力路徑的不平衡阻力值，在其他路徑增加阻力來使得該地點(diǎn)需風(fēng)量達(dá)到要求。

3 應(yīng)用

2018年6月在西山煤電屯蘭礦13307工作面進(jìn)行測(cè)試，將試驗(yàn)監(jiān)測(cè)氣體改為CO2，當(dāng)監(jiān)測(cè)到試驗(yàn)氣體濃度超限時(shí)，需要啟動(dòng)相應(yīng)的通風(fēng)設(shè)施包括主通風(fēng)機(jī)、風(fēng)門、風(fēng)窗以控制監(jiān)測(cè)氣體達(dá)到正常濃度范圍內(nèi)。試驗(yàn)包括四扇風(fēng)門、四扇風(fēng)窗以及礦井主通風(fēng)機(jī)，其中風(fēng)門風(fēng)窗的開閉狀態(tài)用布爾類型表示，1為全開，0為全閉。13307工作面氣體試驗(yàn)結(jié)果見表1。在氣體慢速釋放條件下，開啟1扇風(fēng)門、2扇風(fēng)窗，主通風(fēng)機(jī)頻率在30 Hz即可在124 s將試驗(yàn)氣體濃度稀釋到1924×10-6；在快速條件下，需要提升主通風(fēng)機(jī)頻率為60 Hz，可以在236 s將氣體濃度稀釋到1963×10-6。

表1 13307采煤工作面CO2氣體測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

針對(duì)屯蘭礦內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)分散度高，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)各通風(fēng)單位運(yùn)行情況進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)的問題，結(jié)合該礦的實(shí)際情況，將一通三防系統(tǒng)與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合，構(gòu)建智能化通風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、通風(fēng)數(shù)據(jù)智能決策、通風(fēng)設(shè)施遠(yuǎn)程控制等功能，有效提升了通風(fēng)系統(tǒng)的智能化程度，不僅可以減少通風(fēng)人員的作業(yè)強(qiáng)度而且還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于風(fēng)量的智能調(diào)節(jié)。經(jīng)過在該礦13307工作面進(jìn)行氣體釋放測(cè)試試驗(yàn)也驗(yàn)證了該智能通風(fēng)系統(tǒng)的可行性。