芮國(guó)相

（國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

1 前言

近10年來，在國(guó)家“去產(chǎn)能”宏觀調(diào)控的影響下，煤炭行業(yè)發(fā)生了劇烈的變革。不僅如此，隨著國(guó)家“碳中和”和“碳達(dá)峰”發(fā)展目標(biāo)的明確，煤炭行業(yè)的生產(chǎn)模式已逐漸由勞動(dòng)密集型向創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)型轉(zhuǎn)變。其中，智慧礦山和煤炭智能開采已成為現(xiàn)代化礦井建設(shè)的重要方向。智慧礦山建設(shè)確定了以“透徹感知、深度互聯(lián)、高度共享、智能服務(wù)和可視化展現(xiàn)”為基本特征的建設(shè)方向，通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井生產(chǎn)的智能決策。

通風(fēng)系統(tǒng)的智能化是智慧礦山建設(shè)中的重要內(nèi)容，眾多學(xué)者對(duì)礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)建開展了研究。周福保闡釋了礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)定義、內(nèi)涵以及原理和建設(shè)目標(biāo)。基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，楊杰提出了智能通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。臨礦集團(tuán)、宜興煤業(yè)、神東煤炭集團(tuán)等國(guó)內(nèi)礦山企業(yè)也針對(duì)智能通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)備研發(fā)、系統(tǒng)構(gòu)建、智能調(diào)控等內(nèi)容開展了研究和探索。本研究以國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦地質(zhì)和生產(chǎn)條件為背景，探索構(gòu)建“管控一體化”礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)。

2 礦井概況

2.1 地質(zhì)情況

察哈素煤礦的井田范圍走向長(zhǎng)14km，傾斜寬12km，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量為17.2億噸，共有22個(gè)含煤地層。其中，3-1和6-2上為主采煤層，平均厚度分別為4.47m和4.02m。礦井所開采煤層的結(jié)構(gòu)均較簡(jiǎn)單，賦存穩(wěn)定，煤層傾角為1～3°。

2.2 開拓和開采方式

副立井和回風(fēng)立井位于副井工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)，主斜井位于主井工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)，井田被劃分為+931m和+820m兩個(gè)水平。為滿足通風(fēng)和運(yùn)輸需要，掘進(jìn)了輔助運(yùn)輸大巷、帶式輸送機(jī)大巷和回風(fēng)大巷。為達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，設(shè)置了一個(gè)大采高綜采工作面和一個(gè)中厚煤層綜采工作面，同時(shí)，還配備兩個(gè)連采和三個(gè)綜掘工作面。

2.3 通風(fēng)系統(tǒng)

礦井目前采用分區(qū)式、抽出式通風(fēng)，副立井和主斜井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)。根據(jù)井下開采工作面和掘進(jìn)工作面的生產(chǎn)需要，礦井總風(fēng)量為248m3/s。礦井配備了2臺(tái)由1800 kW、10kV、735 r/min的交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的GAF33.5-19-1FC型礦用軸流式通風(fēng)機(jī)，1臺(tái)工作，1臺(tái)備用。

目前，通風(fēng)系統(tǒng)存在的主要問題包括：風(fēng)量監(jiān)測(cè)數(shù)量少，精度低；井下風(fēng)門、風(fēng)窗等通風(fēng)設(shè)施未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；安全監(jiān)控系統(tǒng)不具有分析與預(yù)測(cè)預(yù)警功能；風(fēng)量分配、風(fēng)網(wǎng)解算采用人工手段，效率低、準(zhǔn)確性差等問題?；谝陨祥_采和生產(chǎn)實(shí)際，察哈素煤礦探索構(gòu)建智能通風(fēng)系統(tǒng)。

3 智能通風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)建

3.1 建設(shè)目標(biāo)

根據(jù)國(guó)家能源集團(tuán)《煤礦智能化建設(shè)指南》，礦井智能化通風(fēng)系統(tǒng)劃分為初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)三個(gè)等級(jí)。察哈素煤礦智能通風(fēng)系統(tǒng)按照高級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)“全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、協(xié)同控制”，可與智慧礦山系統(tǒng)深度融合。同時(shí)，系統(tǒng)可完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感知各類通風(fēng)信息，自動(dòng)判別通風(fēng)隱患，動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)通風(fēng)安全狀況，智能決策和調(diào)控風(fēng)量，并且能夠協(xié)同控制通風(fēng)設(shè)備等，最終建成穩(wěn)定性好、可靠性高、抗災(zāi)能力強(qiáng)、系統(tǒng)安全、高效節(jié)能、自動(dòng)化運(yùn)行、減人增效的智能化通風(fēng)系統(tǒng)。

3.2 智能通風(fēng)系統(tǒng)架構(gòu)

察哈素煤礦構(gòu)建的智能通風(fēng)系統(tǒng)是基于三維透明煤礦綜合分析系統(tǒng)，以礦井井巷、硐室、設(shè)備等信息為基礎(chǔ)，建立礦井通風(fēng)三維模型，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)和工作狀態(tài)的三維可視化?；谌S通風(fēng)仿真系統(tǒng)、礦井通風(fēng)分析與決策、通風(fēng)參數(shù)監(jiān)測(cè)及災(zāi)變預(yù)警等子系統(tǒng)的建設(shè)，最終實(shí)現(xiàn)“信息監(jiān)測(cè)—狀態(tài)識(shí)別—風(fēng)網(wǎng)解算—通風(fēng)優(yōu)化—遠(yuǎn)程控制—信息監(jiān)測(cè)”的礦井通風(fēng)高度自動(dòng)化的閉環(huán)調(diào)控，如圖1所示。

圖1 智能通風(fēng)系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)。利用架構(gòu)設(shè)計(jì)視圖，從底層研發(fā)面向空間的三維采礦GIS平臺(tái)，在此平臺(tái)上可輸入三維坐標(biāo)點(diǎn)自動(dòng)成圖，也可以自由繪制圖形，同時(shí)兼容支持各種dxf文件導(dǎo)入成圖，并在此平臺(tái)上構(gòu)建1:1的真三維通風(fēng)模型。（2）礦井通風(fēng)分析與決策。此模塊包括礦井通風(fēng)三維模型、通風(fēng)數(shù)據(jù)報(bào)表管理、通風(fēng)設(shè)施管理、通風(fēng)圖形管理、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算、風(fēng)網(wǎng)智能控制等功能。（3）通風(fēng)參數(shù)監(jiān)測(cè)及災(zāi)變預(yù)警。采用超聲波、遙測(cè)感應(yīng)等技術(shù)對(duì)所有通風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)速、壓力、溫度、相對(duì)濕度等參數(shù)，以及采煤工作面進(jìn)、回風(fēng)順槽通風(fēng)斷面積進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)精確測(cè)定。當(dāng)通風(fēng)參數(shù)的變化幅度超出預(yù)設(shè)值時(shí)，或檢測(cè)出風(fēng)流反向、循環(huán)風(fēng)等情況時(shí)，調(diào)度中心自動(dòng)進(jìn)行語音報(bào)警，向礦井通風(fēng)智能決策管控平臺(tái)發(fā)送報(bào)警地點(diǎn)、原因等基本信息。（4）風(fēng)機(jī)及風(fēng)門遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及控制。礦井的主通風(fēng)機(jī)、局部風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制指令計(jì)算機(jī)輸出、執(zhí)行功能，可接入智能化通風(fēng)系統(tǒng)，用于風(fēng)機(jī)的在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控。局部風(fēng)機(jī)加裝具備可變頻調(diào)速功能的礦用隔爆型變頻器。風(fēng)門和封窗采用電動(dòng)或氣動(dòng)控制，并加裝遠(yuǎn)程控制裝置，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)節(jié)。（5）其他安全子系統(tǒng)的融合。以安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)傳感器所采集數(shù)據(jù)和人員定位系統(tǒng)中的人員分布信息為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線采集。同時(shí)，該數(shù)據(jù)也實(shí)時(shí)接入智能通風(fēng)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)礦井大數(shù)據(jù)的共享與分析。

3.3 通風(fēng)設(shè)施自動(dòng)控制

在智能通風(fēng)系統(tǒng)中，通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)施監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可解算通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，輸出通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)變化分析曲線和反風(fēng)仿真演示結(jié)果。井下電動(dòng)風(fēng)門和風(fēng)窗的開閉狀態(tài)通過集中控制平臺(tái)遠(yuǎn)程操控。依據(jù)風(fēng)量傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的信息，通過風(fēng)量變頻自動(dòng)調(diào)節(jié)和風(fēng)葉動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功能遠(yuǎn)程調(diào)整局扇、風(fēng)門等設(shè)備和設(shè)施，調(diào)整巷道風(fēng)量，控制風(fēng)量供給，并同時(shí)自動(dòng)反饋給工作人員。此外，在系統(tǒng)中還可以預(yù)設(shè)預(yù)警機(jī)制，當(dāng)通風(fēng)異常時(shí)，系統(tǒng)超前預(yù)警并遠(yuǎn)程控制管控平臺(tái)各生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備和設(shè)施，消除或限制事故的發(fā)生。

3.4 管控一體化平臺(tái)系統(tǒng)

（1）管控平臺(tái)硬件架構(gòu)。管控平臺(tái)的硬件集控系統(tǒng)由集控室上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)等組成，如圖2所示。集控室設(shè)置集控計(jì)算機(jī)，毫秒級(jí)切換，提高監(jiān)控可靠性。集控計(jì)算機(jī)可通過多網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)與辦公網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，礦辦公網(wǎng)內(nèi)的其他具有授權(quán)的用戶都可以通過網(wǎng)絡(luò)IP地址登陸訪問上位機(jī)發(fā)布的通風(fēng)參數(shù)及通風(fēng)設(shè)施監(jiān)視界面。

圖2 管控一體化平臺(tái)架構(gòu)圖

（2）管控平臺(tái)軟件架構(gòu)。管控平臺(tái)軟件架構(gòu)基于模塊化設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 管控平臺(tái)軟件架構(gòu)

提供組態(tài)配置工具以便最終用戶和系統(tǒng)集成人員進(jìn)行工程維護(hù)，并且在此基礎(chǔ)上構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)。此外，利用這些配置工具也可以創(chuàng)建演示和仿真系統(tǒng)，提供模塊之間的透明訪問。同一臺(tái)機(jī)器或者網(wǎng)絡(luò)上不同的機(jī)器上運(yùn)行的模塊之間都能夠進(jìn)行基于TCP/IP實(shí)現(xiàn)無縫通訊。系統(tǒng)軟件各部分接口和通信協(xié)議具有規(guī)范性，通過開放的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（如Modbus、TCP/IP、Profibus、電力規(guī)約、IEC61850、IEC104、DNP3、OPC、ODBC等）的使用，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和互聯(lián)互通。

（3）管控平臺(tái)的功能集成。管控平臺(tái)基于組態(tài)軟件開發(fā)，以智能風(fēng)窗就地及遠(yuǎn)程控制為基礎(chǔ)按需分風(fēng)，完成智能風(fēng)量和通風(fēng)系統(tǒng)的并行調(diào)節(jié)，以及各個(gè)控制設(shè)備之間的區(qū)域聯(lián)動(dòng)。多類子系統(tǒng)通過現(xiàn)代信息和通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成、功能集成和業(yè)務(wù)集成。在一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)間的可視調(diào)度、分級(jí)別智能協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)和綜合信息展示。

管控平臺(tái)由9大模塊組成，包括1個(gè)基礎(chǔ)模塊和8個(gè)功能模塊，分別為全風(fēng)網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與報(bào)警功能模塊、分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫模塊、風(fēng)窗遠(yuǎn)程調(diào)控模塊、礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)解算模塊、風(fēng)網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)三維可視化展示模塊接口、風(fēng)網(wǎng)智能按需分風(fēng)與優(yōu)化控制并行調(diào)控模塊接口、風(fēng)網(wǎng)異常診斷與區(qū)域聯(lián)動(dòng)控制模塊接口。其中，安全管理、日志記錄和參數(shù)配置等是基礎(chǔ)模塊的主要功能，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、設(shè)備遠(yuǎn)程控制、接口兼容等為功能模塊的主要功能。

4 結(jié)語

本研究針對(duì)察哈素煤礦生產(chǎn)實(shí)際，以“全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、協(xié)同控制”為目標(biāo)，探索構(gòu)建了“管控一體化”礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)，明確了系統(tǒng)中三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)、礦井通風(fēng)分析與決策、通風(fēng)參數(shù)監(jiān)測(cè)及災(zāi)變預(yù)警、風(fēng)機(jī)及風(fēng)門遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及控制、其他安全子系統(tǒng)的具體功能，形成了“信息監(jiān)測(cè)—狀態(tài)識(shí)別—風(fēng)網(wǎng)解算—通風(fēng)優(yōu)化—遠(yuǎn)程控制—信息監(jiān)測(cè)”的礦井通風(fēng)高度自動(dòng)化的閉環(huán)調(diào)控，確定了管控平臺(tái)1個(gè)基礎(chǔ)模塊和8個(gè)功能模塊的軟硬件集控系統(tǒng)。