王振平，閆振國，岳 寧，王偉峰，肖 旸

（1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安710054；2.陜西未來能源化工有限公司 金雞灘煤礦，陜西 榆林719000）

我國礦山地質(zhì)條件復雜多變，礦井通風是安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是防治瓦斯、火災、粉塵最直接有效的手段。礦井通風主要是利用機械通風的方法持續(xù)的向井下運輸新鮮空氣，保證人員呼吸的同時稀釋并帶出有毒有害氣體和浮塵，達到改善礦井環(huán)境的目的，良好的通風條件有利于保障礦井安全生產(chǎn)，是災害防治的基礎(chǔ)。在當今大環(huán)境下，礦井朝著機械化、智能化方向發(fā)展，但礦井通風依然處于人工或半人工操作的狀態(tài)，不足以支撐礦井智能化的建設[1-6]，礦井通風災害預警與智能化調(diào)控能力明顯不足，災害得不到及時有效地控制。國家8 部委下發(fā)有關(guān)意見提出利用現(xiàn)代化的智能手段，建立起全面感知、實時互聯(lián)、分析決策、自主學習、動態(tài)預測、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)，實現(xiàn)煤礦智能化運行。一直以來，科技工作者們都在對礦井智能通風開展廣泛的研究。1980 年，常心坦[7]赴美留學期間，開發(fā)的MFire 至今仍在美國礦業(yè)界廣泛沿用，回國后將WebGIS 運用到礦井通風系統(tǒng)中，實現(xiàn)了礦井通風系統(tǒng)圖的繪制、最佳避災救災路線的選擇與瓦斯、煤塵爆炸的預測；1990 年，劉澤功[8]運用計算機輔助分析礦井通風系統(tǒng)，通過計算機分析通風系統(tǒng)發(fā)生故障的原因與位置，提出運用計算機模擬和仿真技術(shù)分析事故的方法；之后，周平等[9]以蔣莊煤礦為研究對象，實現(xiàn)了礦井通風管理系統(tǒng)的可視化；倪景峰等[10]以金川二礦區(qū)防塵系統(tǒng)為依托，設計出了礦井通風系統(tǒng)可視化程序。綜上所述，取得的這些成就促進了礦井智能通風的巨大進展。目前“一通三防”在礦井智能化應用的形式多樣[11-13]，雖在一定程度上達到了智能化，但“一通三防”各系統(tǒng)大都獨立運轉(zhuǎn)，對數(shù)據(jù)匯集的過程中幾乎都會采用書面形式進行記錄，不僅效率低、偏差大，還使得這些數(shù)據(jù)難以得到有效利用，為災害的發(fā)生留下了隱患。為此，響應國家有關(guān)規(guī)定，建立起一套信息實時收集、融合分析、規(guī)律提取、科學決策的礦井“一通三防”智能管控體系就顯得非常有必要。

1 “一通三防”智能管控體系

礦井“一通三防”智能化建設總體思路如圖1。

圖1 礦井一通三防智能化建設總體思路圖Fig.1 The general idea of intelligent construction of mine“one ventilation three prevention”

在礦井現(xiàn)有通風系統(tǒng)基礎(chǔ)上，應用現(xiàn)代計算機智能算法與控制技術(shù)，實現(xiàn)“一通三防”管理的科學化、智能化，使其具備防災、抗災、減災能力。以“系統(tǒng)可靠、裝備先進、管理科學、決策智能”為目標，“平戰(zhàn)結(jié)合”為理念，實現(xiàn)以下3 個能力：①在日常的通風管理中，使礦井通風系統(tǒng)一直保持在合理狀態(tài)，具備防災能力；②在災害尚未形成時期，能早期識別災變信息、預測預警并迅速處理，將隱患消除在萌芽中，具備抗災能力；③在災變期為災害控制提供科學合理的決策方案，具備減災能力。

結(jié)合礦井實際情況，基于礦井安全風險數(shù)據(jù)鏈與知識鏈（數(shù)據(jù)說話+智能提升），礦井“一通三防”智能化技術(shù)研究與建設重點體現(xiàn)在：1 個平臺，5 大系統(tǒng)。1 個平臺，即礦井“一通三防”綜合智能管控平臺，是“一通三防”數(shù)據(jù)采集、分析、共享中心，各系統(tǒng)在平臺中獲取信息，達到智能管理、控制和決策的目的。5 大系統(tǒng)：通風網(wǎng)絡智能優(yōu)化分析與輔助決策系統(tǒng)；粉塵監(jiān)測預警與智能管控系統(tǒng)；瓦斯分析預警與智能管控系統(tǒng)；煤自燃監(jiān)測預警與智能管控系統(tǒng)；外因火災監(jiān)測預警與智能管控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設計

2.1 礦井“一通三防”綜合智能管控平臺

“一通三防”管控智能平臺主要內(nèi)容如圖2。

圖2 “一通三防”管控智能平臺Fig.2 Intelligent platform of“one-ventilation and three-prevention”

該平臺是由5 個系統(tǒng)集合而成，它是“一通三防”數(shù)據(jù)的采集、分析以及共享中心。該平臺建立了4A（AnyOne、AnyTime、AnyWhere、AnyDevice）式煤礦通風安全生產(chǎn)管理新模式和通風安全管理評價，提處理業(yè)務的時效性，實現(xiàn)“一通三防”管控的智能化。

1）“一通三防”數(shù)據(jù)云管家系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入、技術(shù)資料云管理以及資料(數(shù)據(jù))的上傳，實現(xiàn)各個系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和高效的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，為煤礦安全生產(chǎn)資料的日常管理提供便利，確保數(shù)據(jù)資料的及時更新。

2）多源數(shù)據(jù)融合與云計算中心。數(shù)據(jù)多元信息融合系統(tǒng)架構(gòu)如圖3。為了更好地利用5 個系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，平臺搭載了多源數(shù)據(jù)融合與云計算中心。通過云端數(shù)據(jù)的融合，深度挖掘數(shù)據(jù)之間的耦合關(guān)系，分析并提取其中蘊含的規(guī)律，精準預測、識別并分析災害征兆。其中的多元信息融合數(shù)據(jù)庫主要是針對礦井“一通三防”災害的智能分析與判別，通過“一通三防”的有關(guān)理論將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)變?yōu)檩o助決策信息，以圖、表、曲線等圖形化的表達方式直觀展現(xiàn)，為礦井人員安全疏散和救援提供智能化決策支持。在整個礦井“一通三防”綜合智能管控平臺中，云計算中心就如同中樞神經(jīng)一般連接著各個系統(tǒng)，彼此間能實現(xiàn)縱向貫通和橫向關(guān)聯(lián)，形成統(tǒng)一的整體。

圖3 數(shù)據(jù)多元信息融合系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.3 Architecture diagram of data multiple information fusion system

3）通防安全態(tài)勢可視化實時分析子系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助綜合智能管控平臺可以有效地整合礦井“一通三防”信息，挖掘其中內(nèi)在的關(guān)聯(lián)價值，通過明確的評價指標和評價模式形成以配置規(guī)則及評分規(guī)則為核心的煤礦動態(tài)評價指標體系，對煤礦的安全生產(chǎn)狀態(tài)進行評價，實現(xiàn)分析數(shù)據(jù)和評價結(jié)果的形象、直觀和具體化，實時的反應煤礦的安全態(tài)勢。

4）智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要控制主要通風機、局部通風機以及風門、風窗，實現(xiàn)控制地區(qū)無人值守，節(jié)省井下的人力物力。其優(yōu)勢在于可實現(xiàn)實時的故障診斷和工況檢測，把監(jiān)測到的信息分析并推送到綜合智能管控平臺，地面人員通過平臺可實時了解井下動態(tài)，遠程控制風門及風窗的運行狀態(tài)，智能調(diào)節(jié)礦井通風量，保持井下通風的穩(wěn)定，或者根據(jù)礦井下的狀態(tài)，按照井下實時的風量需求供風。若井下發(fā)生災害，操作人員可以遠程控制設備的啟停，降低災害帶來的風險。

2.2 礦井通風網(wǎng)絡智能優(yōu)化分析與輔助決策系統(tǒng)

礦井通風是安全生產(chǎn)的基石，該系統(tǒng)立足于礦井通風管控需求與現(xiàn)實技術(shù)水平，在有效感知現(xiàn)場“一通三防”態(tài)勢的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)礦井通風數(shù)據(jù)的實時跟蹤分析、規(guī)律提取、科學預警、日常管控、系統(tǒng)抗災能力分析與輔助決策等功能，實現(xiàn)礦井通風系統(tǒng)高效精準的智能調(diào)控。

結(jié)合井下巷道的物理參數(shù)、具體環(huán)境與通風機的運行狀態(tài)，運用風網(wǎng)智能動態(tài)解算算法，建立起礦井通風系統(tǒng)精確的數(shù)字化模型。采用多組合傳感器同時空感知技術(shù)，實時在線監(jiān)測井下瓦斯、風壓、風速、風量等有關(guān)通風數(shù)據(jù)，通過識別和分析數(shù)據(jù)，確定井下通風是否處于正常狀態(tài)。若井下通風處于非正常狀態(tài)，系統(tǒng)會結(jié)合通風機的運行工況進行優(yōu)化調(diào)整形成最佳解決方案。

2.3 礦井粉塵智能管控系統(tǒng)

該系統(tǒng)基于礦井現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)，針對井下各塵源點粉塵實時高精度檢測預報，智能傳感集控，在電腦終端和移動端形成實時同步的可視化動態(tài)更新，實現(xiàn)礦井粉塵濃度智能監(jiān)測。根據(jù)粉塵濃度實時監(jiān)測、結(jié)果分析、上傳及超限自動預警，與噴霧除塵裝置形成聯(lián)動控制、智能除塵和遠程集中控制。

2.4 瓦斯分析預警與智能管控系統(tǒng)

結(jié)合礦井瓦斯涌出特點，構(gòu)建基于礦井用風點的安全分區(qū)，將通風與瓦斯異常有機融合，對監(jiān)測區(qū)域的安全環(huán)境狀態(tài)進行分析。根據(jù)現(xiàn)有的風向、風速、風量、溫濕度、甲烷、氧氣、一氧化碳、二氧化碳、氣壓、壓差等環(huán)境監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)，研究重點場所區(qū)域內(nèi)氣流場計算與預警算法；研究重點場所內(nèi)甲烷、氧氣等重點指標氣體的實時監(jiān)測、分布擴散特征及模型；建立重點場所各精細化安全分區(qū)區(qū)域環(huán)境監(jiān)測安全評價模型，實現(xiàn)礦井通風瓦斯智能分析預警與管理。

2.5 煤自燃監(jiān)測預警與智能管控系統(tǒng)

結(jié)合礦井煤自燃監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀，建立煤自燃危險程度分級預警模型，研發(fā)煤自燃監(jiān)測預警與智能管控系統(tǒng)，構(gòu)建采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域早期隱患識別、判定和主動防控的技術(shù)體系，實現(xiàn)對煤自燃的主動監(jiān)測和超前預防。

2.6 礦井外因火災監(jiān)測預警與智能管控系統(tǒng)

針對礦井變電所等機電設備硐室電氣火災監(jiān)測預警與聯(lián)動控制存在的問題，建立火災煙氣流動的區(qū)域羽流模型和煙氣在巷道網(wǎng)絡中運動的非穩(wěn)態(tài)模型，模擬火災煙氣在巷道網(wǎng)絡的擴散規(guī)律，研發(fā)礦井電氣火災監(jiān)測預警與智能管控系統(tǒng)軟件，主要包括：礦井電氣火災無線煙氣監(jiān)測預警子系統(tǒng)、礦井電氣火災紅外熱像監(jiān)測預警子系統(tǒng)、礦井膠帶火災視頻智能識別子系統(tǒng)、礦井電氣火災自動滅火子系統(tǒng)，實現(xiàn)電氣設備場所易燃區(qū)域的煙氣參數(shù)、紅外熱像和視頻圖像智能監(jiān)測、分析，進行智能預測、預警及聯(lián)動控制。

3 結(jié) 語

提出了礦井“一通三防”智能管控體系，研發(fā)了礦井“一通三防”智能管控系統(tǒng)，采用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，實現(xiàn)礦井“一通三防”各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享與智能聯(lián)動，通過礦井“一通三防”智能化管控平臺與通風多參數(shù)精確檢測裝備，實現(xiàn)對通風、瓦斯、煤塵、防滅火數(shù)據(jù)的實時動態(tài)監(jiān)測及分析決策，真正做到“一通三防”一體化、智能化，進一步提高礦井“一通三防”的科學化管理水平。