邢玉強(qiáng)，張盛英

（1.國能烏海能源黃白茨礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016040；2.濟(jì)南嘉宏科技有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250010）

隨著國家大力推動(dòng)能源行業(yè)智能化政策落地，以華為為代表的科技公司介入煤炭行業(yè)，礦井智能化進(jìn)程已步入推廣實(shí)施階段。礦井通風(fēng)系統(tǒng)是整個(gè)煤礦開采中的重點(diǎn)配套系統(tǒng)之一，配備一套智能穩(wěn)定的礦井通風(fēng)控制系統(tǒng)，可為井下作業(yè)提供一個(gè)良好的作業(yè)環(huán)境[1]。目前，煤炭行業(yè)尚未全面開展對(duì)礦井通風(fēng)設(shè)施的智能化改造，現(xiàn)有的礦井通風(fēng)控制系統(tǒng)存在儀器精度較差、數(shù)據(jù)傳輸速度較低、危險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)對(duì)象缺乏全面性、調(diào)風(fēng)效率低等問題，無法滿足煤礦的智能化需求。2020年8月中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布實(shí)現(xiàn)煤礦智能化相關(guān)文件，礦井通風(fēng)系統(tǒng)災(zāi)變狀態(tài)識(shí)別及控制技術(shù)將作為核心技術(shù)攻關(guān)任務(wù)[2]。對(duì)現(xiàn)有礦井通風(fēng)控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化升級(jí)改造顯得十分必要。為此，以黃白茨煤礦為工程背景，在分析現(xiàn)有礦井通風(fēng)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，開展了礦井智能通風(fēng)控制系統(tǒng)的總體方案及關(guān)鍵裝備的設(shè)計(jì)研究，通過該系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證了其可行性，為提高礦井作業(yè)的開采效率及安全性提供了重要支撐。

1 礦井現(xiàn)有通風(fēng)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

礦井中的通風(fēng)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將外部的新鮮空氣輸送至煤礦采掘工作面，并將井下有污染的空氣排出至井上地面，同時(shí)保證礦井作業(yè)區(qū)具有適宜的氧氣濃度、較低瓦斯?jié)舛燃拜^好的空氣質(zhì)量[3]。保證礦井穩(wěn)定可靠的通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。據(jù)調(diào)研，目前我國通風(fēng)管理決策仍以定性分析為主；現(xiàn)有安全監(jiān)控系統(tǒng)風(fēng)速傳感器穩(wěn)定性差，測(cè)量誤差大；巷道斷面風(fēng)速分布不均勻，定點(diǎn)傳感器無法測(cè)得巷道平均風(fēng)量，人工測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)閉合性差，無法對(duì)井下主要用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量進(jìn)行有效調(diào)控；基于溫度、氣體異常的火情風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法各自獨(dú)立，未實(shí)現(xiàn)融合；火災(zāi)監(jiān)測(cè)沒有和滅火系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)控，難以在第一時(shí)間滅火；通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)控智能化嚴(yán)重不足。整套通風(fēng)控制系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)存在較多的問題及缺陷，在環(huán)境惡劣的井下作業(yè)區(qū)域中，不能有效保證人員及設(shè)備的作業(yè)安全性。將更加先進(jìn)的智能化控制技術(shù)用來對(duì)礦井通風(fēng)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)設(shè)計(jì)，已成為當(dāng)前重要的研究方向和任務(wù)。

2 智能化通風(fēng)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，以現(xiàn)有通風(fēng)相關(guān)設(shè)施為基礎(chǔ)，依托智能感知設(shè)備，借助互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、信息通信和自動(dòng)化技術(shù)，通過對(duì)礦井通風(fēng)數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合、通風(fēng)系統(tǒng)診斷預(yù)警分析及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算決策與智能聯(lián)動(dòng)調(diào)控等方面進(jìn)行升級(jí)設(shè)計(jì)，開展礦井智能化通風(fēng)控制系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)。在整套智能化通風(fēng)控制系統(tǒng)中，匹配了高精度的風(fēng)速、風(fēng)壓、溫濕度傳感器及變頻主通風(fēng)機(jī)、暖風(fēng)機(jī)等設(shè)備，通過CAN總線及RS485通訊將各儀器設(shè)備采集的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控分站及控制器中，利用光纖通訊及環(huán)網(wǎng)交換機(jī)的多次信息轉(zhuǎn)換及運(yùn)算處理。在地面的監(jiān)控中心設(shè)計(jì)可視化、數(shù)據(jù)采集、風(fēng)量調(diào)節(jié)、智能控制、故障診斷等功能模塊，能分別實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的智能化處理與分析，井下相關(guān)數(shù)據(jù)也能通過手機(jī)APP及PC端進(jìn)行遠(yuǎn)程顯示，實(shí)現(xiàn)了礦井日常按需供風(fēng)，保障通風(fēng)系統(tǒng)日常運(yùn)行的科學(xué)性、先進(jìn)性及井下作業(yè)安全性[4]。同時(shí)在災(zāi)變條件下根據(jù)設(shè)定的反風(fēng)控制模型做到應(yīng)急通風(fēng)控制。整套智能化通風(fēng)控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能化通風(fēng)控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

3 智能通風(fēng)系統(tǒng)中關(guān)鍵基礎(chǔ)裝備設(shè)計(jì)

3.1 精準(zhǔn)風(fēng)速傳感器匹配設(shè)計(jì)

精準(zhǔn)風(fēng)速傳感器屬于精準(zhǔn)測(cè)風(fēng)裝置中的重要儀器，是一款利用超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)的移動(dòng)速度加載到超聲波的速度上。該設(shè)備的主要工作電壓為DC12 V，工作電流小于500 mA，風(fēng)速范圍在0.1～15 m/s，傳輸方式RS485、TCP/IP，最大傳輸距離5 km[5]。該儀器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能精確、真實(shí)可靠地反應(yīng)礦井井下實(shí)時(shí)通風(fēng)風(fēng)量，主要用于進(jìn)回風(fēng)大巷、采區(qū)進(jìn)回風(fēng)巷、采煤工作面進(jìn)回風(fēng)巷及掘進(jìn)工作面等關(guān)鍵巷道及用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)速和風(fēng)量測(cè)定。其安裝如圖2所示。

圖2 精準(zhǔn)測(cè)風(fēng)傳感器安裝

3.2 智能調(diào)風(fēng)裝置匹配設(shè)計(jì)

（1）遠(yuǎn)程控制風(fēng)門的匹配設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制風(fēng)門是在自動(dòng)風(fēng)門的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步升級(jí)、改造，充分利用自動(dòng)識(shí)別與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在礦井調(diào)度室內(nèi)就能對(duì)井下風(fēng)門的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與智能控制。根據(jù)礦井巷道圖紙?jiān)诳刂破脚_(tái)內(nèi)創(chuàng)建礦井巷道電子地圖，并通過電子地圖遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)門狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程控制風(fēng)門配有KDQ1140-B礦用隔爆型雙電源切換控制箱，當(dāng)風(fēng)門控制裝置斷電時(shí)，自動(dòng)切換到另一路電源供電，確保風(fēng)門監(jiān)控24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。該設(shè)備通過安裝于風(fēng)門外側(cè)的高清攝像儀，在遠(yuǎn)程控制平臺(tái)內(nèi)可隨時(shí)查看風(fēng)門的工作狀態(tài)。其實(shí)物如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程控制風(fēng)門實(shí)物

（2）遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)風(fēng)窗匹配設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)風(fēng)窗是智能通風(fēng)項(xiàng)目建設(shè)中重要的調(diào)風(fēng)設(shè)施。遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)風(fēng)窗主要由控制分站、驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械裝置、遠(yuǎn)程控制平臺(tái)等組成，配置KDQ1140-C礦用隔爆型雙電源切換控制箱，當(dāng)風(fēng)窗控制裝置斷電時(shí)，自動(dòng)切換到另一路電源供電，確保風(fēng)窗監(jiān)控裝置24小時(shí)不間斷供電。調(diào)節(jié)風(fēng)窗設(shè)有互鎖裝置，避免因外力作用導(dǎo)致風(fēng)窗位移，確保礦井通風(fēng)安全。其實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 調(diào)節(jié)風(fēng)窗

（3）主通風(fēng)機(jī)匹配設(shè)計(jì)

為響應(yīng)國家能源集團(tuán)智能通風(fēng)建設(shè)號(hào)召，提高礦井主通風(fēng)機(jī)的工作效率，實(shí)現(xiàn)按需供風(fēng)及節(jié)能降耗，結(jié)合黃白茨煤礦中通風(fēng)現(xiàn)狀，對(duì)主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速及節(jié)能改造。通過增加遠(yuǎn)程可控變頻器及PLC控制器，利用RS485協(xié)議與上位機(jī)平臺(tái)對(duì)接。上位機(jī)軟件平臺(tái)根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的風(fēng)速、風(fēng)壓數(shù)據(jù)，風(fēng)量的解算及有害氣體分析，智能調(diào)整主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)按需供風(fēng)。在進(jìn)風(fēng)井口、井筒、井底車場(chǎng)等處發(fā)生火災(zāi)或瓦斯、煤塵爆炸時(shí)，在確保供給風(fēng)量不小于正常風(fēng)量的40%情況下，上位機(jī)發(fā)送指令到控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“一鍵反風(fēng)”，防止有毒、有害氣體進(jìn)入工作面，危及井下人員的生命安全。

3.3 軟件部分

（1）智能決策功能設(shè)計(jì)

基于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)解算風(fēng)量，利用人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)手段，對(duì)井下風(fēng)流按需分配模擬決策、日常通風(fēng)隱患及異常變化預(yù)警、災(zāi)情快速研判、災(zāi)變通風(fēng)應(yīng)急控制等提供智能決策及建議，并結(jié)合通風(fēng)調(diào)節(jié)設(shè)施與應(yīng)急裝備制定災(zāi)情演化－人員逃生一體化控風(fēng)預(yù)案庫，形成調(diào)控建議報(bào)告，智能快速確定最佳風(fēng)流調(diào)控方案，為風(fēng)流智能調(diào)控奠定基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)礦井“決策智能化、調(diào)控?zé)o人化、通風(fēng)管理智能化”。系統(tǒng)的調(diào)控建議界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)調(diào)控建議界面

（2）智能可視化系統(tǒng)

基于融合的通風(fēng)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、工況數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析、智能計(jì)算及計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，結(jié)合關(guān)聯(lián)分析、空間分析和多維分析等多種分析手段，挖掘?qū)?yīng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)算法模型，最終將通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖、煤礦3D全景圖、2D/3D巷道圖、毒害氣體云圖分布通過可視化界面進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)智能通風(fēng)場(chǎng)景模擬，全面提高決策層數(shù)據(jù)可視化、信息化水平。

4 智能化通風(fēng)控制系統(tǒng)測(cè)試分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)智能化通風(fēng)控制系統(tǒng)整體運(yùn)行效果，對(duì)該系統(tǒng)在黃白茨煤礦中進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試，測(cè)試周期3個(gè)月。測(cè)試過程中，整體系統(tǒng)運(yùn)行正常，實(shí)現(xiàn)了礦井中主通風(fēng)機(jī)風(fēng)門、主通風(fēng)機(jī)風(fēng)扇等部位的自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制及風(fēng)量監(jiān)測(cè)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)上。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)動(dòng)力、通風(fēng)設(shè)施智能調(diào)控。在此控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，能將巷道中通風(fēng)運(yùn)行情況、本月通風(fēng)異常情況、近六個(gè)月通風(fēng)異常次數(shù)等信息進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，并詳細(xì)地將異常發(fā)生時(shí)間、發(fā)生原因、次數(shù)值、每月比例等信息進(jìn)行全面顯示，最終可形成通風(fēng)效果檢測(cè)報(bào)告，如圖6所示。該系統(tǒng)測(cè)試期間，無需人員干涉及操作，達(dá)到了智能化控制的目標(biāo)。該智能化通風(fēng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，使得整個(gè)礦井中通風(fēng)量增加了30%以上，電費(fèi)降低30%以上，設(shè)備故障率大幅降低，減輕了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖6 通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行報(bào)告

5 結(jié)語

在分析礦井現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了智能化通風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)確定及設(shè)計(jì)方案，并從測(cè)風(fēng)傳感器、智能調(diào)風(fēng)裝置、軟件等部分開展了通風(fēng)控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。通過將通風(fēng)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，得出：該通風(fēng)控制系統(tǒng)運(yùn)行正常，各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)了智能化，能更加全面地對(duì)通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行智能化遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)收集存儲(chǔ)，并能通過可視化監(jiān)控界面將設(shè)備的 運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行前后對(duì)比、數(shù)據(jù)處理及分析。新系統(tǒng)在黃白茨煤礦應(yīng)用后，通風(fēng)系統(tǒng)的故障率、消耗電費(fèi)、人員數(shù)量及勞動(dòng)強(qiáng)度也顯著降低，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行達(dá)到了預(yù)期效果。這對(duì)提高通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行效率及安全性具有重要意義，且有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。