張仲達(dá) 張華磊 魯海文

（1.安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南 232000；2.淮北礦業(yè)股份有限公司信湖礦業(yè)，安徽 亳州 236000）

隨著煤炭開采量的增加，提升煤礦安全管理工作質(zhì)量已經(jīng)迫在眉睫?！耙煌ㄈ馈备敲禾堪踩a(chǎn)工作的重中之重。礦井通風(fēng)應(yīng)當(dāng)滿足人員氧氣需求，創(chuàng)造出良好的井下氣候條件和工作環(huán)境[1]，是煤礦安全生產(chǎn)和災(zāi)害防治工作的基礎(chǔ)。針對信湖煤礦通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控不夠高效問題，建立起一套實現(xiàn)對礦井通風(fēng)、瓦斯、頂板、水文、火災(zāi)、粉塵等主要災(zāi)害進(jìn)行全方位實時監(jiān)測及預(yù)控的“一通三防”智能管控體系是關(guān)鍵。

1 智能化通風(fēng)系統(tǒng)

信湖煤礦智能通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)，通過對KJ90X 系統(tǒng)升級改造來完成。系統(tǒng)升級改造后增加礦井智能化通風(fēng)管理輔助決策系統(tǒng)、礦井風(fēng)網(wǎng)解算模塊和通風(fēng)參數(shù)監(jiān)測裝置，實現(xiàn)對風(fēng)門、風(fēng)窗的智能調(diào)控、遠(yuǎn)程控制，對風(fēng)阻、風(fēng)量、風(fēng)壓等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測、智能分析，實時監(jiān)測與解算通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)阻力。同時，建立災(zāi)害預(yù)警專家支持?jǐn)?shù)據(jù)庫，具有對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷與預(yù)警功能[2]。

通風(fēng)系統(tǒng)由地面主通風(fēng)機和井下局部通風(fēng)機組成。系統(tǒng)采用西門子系列PLC，實現(xiàn)風(fēng)機房和調(diào)度室就地、集中遠(yuǎn)程控制方式。

1.1 無人值守和集中遠(yuǎn)程控制

主通風(fēng)機智能化控制系統(tǒng)實現(xiàn)了通風(fēng)機的一鍵啟停、一鍵倒機、雙電源自動切換，做到了通風(fēng)機房無人值守、定期巡檢、調(diào)度控制室集中遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1.2 工況參數(shù)的采集、顯示及故障診斷

在通風(fēng)機電機、風(fēng)門處安裝了溫度、震動、風(fēng)壓等傳感器，在線實時監(jiān)測主通風(fēng)機的功率、風(fēng)量、風(fēng)壓、轉(zhuǎn)速等工況參數(shù)，具有集中采集、顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢和異常報警功能。通風(fēng)機控制系統(tǒng)中可對各種運行參數(shù)設(shè)置報警閾值，傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸至后臺，經(jīng)運算后，系統(tǒng)會自動診斷故障類型并發(fā)出智能報警。

1.3 主通風(fēng)機房設(shè)置

為了確保礦井通風(fēng)機的安全可靠運行，將視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置于控制室和主通風(fēng)機房。

礦井主要通風(fēng)機實現(xiàn)一鍵式啟動、反風(fēng)、倒機功能。工作面的局部通風(fēng)機實現(xiàn)雙風(fēng)機、雙電源，并能自動切換，根據(jù)環(huán)境監(jiān)測結(jié)果實現(xiàn)風(fēng)電閉鎖、瓦斯電閉鎖。三維主通風(fēng)控制系統(tǒng)如圖1。

圖1 三維主通風(fēng)控制系統(tǒng)圖

1.4 局部通風(fēng)機集控系統(tǒng)

局部通風(fēng)機集控系統(tǒng)集成于礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)了煤礦地面遠(yuǎn)程集中狀態(tài)監(jiān)測及控制、智能切換和無人值守。

1.5 通風(fēng)設(shè)施

1）遠(yuǎn)程監(jiān)測風(fēng)門狀態(tài)與報警

將GFK60 礦用本安型風(fēng)門開閉狀態(tài)傳感器安裝在風(fēng)門處，可持續(xù)監(jiān)測井下風(fēng)門的開合狀態(tài)并且具有聲光預(yù)警報警功能。

礦井主要巷道風(fēng)門均安裝了風(fēng)門開關(guān)傳感器，并接入KJ90X 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。風(fēng)門開啟時，風(fēng)門兩邊的聲光報警裝置將提示風(fēng)門開啟；兩扇風(fēng)門一起打開時，自動發(fā)送風(fēng)門同時打開的危險報警信息，地面監(jiān)控隨之報警。

2）通單軌吊機車的風(fēng)門實現(xiàn)自動開啟、關(guān)閉

井下通單軌吊機車的風(fēng)門，單軌吊機車經(jīng)過風(fēng)門前，風(fēng)門紅外線感應(yīng)裝置發(fā)出觸發(fā)信號，通過電控裝置傳輸信號至氣控裝置，風(fēng)門氣壓缸工作，打開風(fēng)門。風(fēng)門上的位置傳感器會在開門時為語音箱提供觸發(fā)信號，語音箱開始語音提示。當(dāng)?shù)谝坏里L(fēng)門打開時，聲光語音箱語音提示注意安全[3]，同時閉鎖第二道風(fēng)門。第二道風(fēng)門打開時，語音提示“請您稍候”。待單軌吊機車最后一節(jié)車輛通過紅外線感應(yīng)裝置后，經(jīng)過適當(dāng)延時（0～10 s，可以根據(jù)需要設(shè)定），第一道門的氣壓缸關(guān)閉風(fēng)門，紅燈關(guān)閉，綠燈常亮。

風(fēng)門自動啟閉控制裝置采用紅外感應(yīng)裝置實現(xiàn)電動控制和氣動控制雙系統(tǒng)控制。雙系統(tǒng)控制可實現(xiàn)無縫切換，即電控、氣控、手動模式的自動切換。智能通風(fēng)系統(tǒng)可實現(xiàn)風(fēng)門的智能防夾功能[4]。員工或礦井運輸設(shè)備尚未完全通行風(fēng)門時，風(fēng)門將一直保持開啟狀態(tài)。

1.6 通風(fēng)解算

通過對二維通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換為三維系統(tǒng)，實現(xiàn)二維系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)解算和三維系統(tǒng)動態(tài)顯示通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)信息。

隨著井田開拓和巷道延伸，井下用風(fēng)地點需風(fēng)量增大時，可由智能綜合管控平臺依據(jù)數(shù)據(jù)模型和大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)主扇變頻、主扇風(fēng)量調(diào)整指令的自動下發(fā)，井下自動風(fēng)窗等通風(fēng)設(shè)施的連鎖控制，最終實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的自動化、智能化動態(tài)調(diào)節(jié)。

模擬分析通風(fēng)狀態(tài)，從理論上得出主通風(fēng)機轉(zhuǎn)速降10%的時候，會帶來28%的功率下降，轉(zhuǎn)速降50%的時候，會帶來87%的功率下降。由于功率的大幅度下降，可獲得顯著的節(jié)電效果[5]。

2 防塵系統(tǒng)

KJ1113 降塵系統(tǒng)圖形及控制終端設(shè)在監(jiān)控機房，通過光纖連接井下交換機，每處智能噴霧點由一臺監(jiān)測分站集中管理。井下分別在81 采區(qū)軌道石門、主運膠帶機巷中部、矸石裝車站、818 機巷小眼口、818 機巷、815 外機巷、815 里機巷共安裝了7 處噴霧點，均采用GUR5 熱釋紅外傳感器監(jiān)測噴霧點是否有人經(jīng)過，有人過時自動停噴，人過恢復(fù)噴灑。其中主運膠帶機巷中部、818 機巷小眼口、818 機巷、815 外機巷、815 里機巷采取ZP-12C 礦用觸控傳感器以及相應(yīng)控制軟件方式控制降塵噴霧，皮帶有煤流時自動噴霧作業(yè)，抑制皮帶揚塵。

噴霧方式采用環(huán)保節(jié)能的風(fēng)水聯(lián)動干霧抑塵降塵技術(shù)，霧化效果比普通噴霧好，達(dá)到節(jié)約用水、霧化降塵徹底的目的。為了信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性，干線網(wǎng)絡(luò)連接方式為光纖傳輸，系統(tǒng)容量大、接線方便[6]。

1）粉塵濃度的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及超限報警系統(tǒng)采用多臺KJ1113-F 礦用本安型監(jiān)測分站構(gòu)成井下多個除塵系統(tǒng)單元，分站連接粉塵傳感器，實時監(jiān)控環(huán)境粉塵濃度，并對粉塵濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在粉塵濃度超限時自動報警，并聯(lián)動噴霧系統(tǒng)，實現(xiàn)自動噴霧功能。

2）采煤工作面根據(jù)采煤機的位置和支架動作實現(xiàn)割煤、降柱、移架或者放煤時同步自動噴霧。支架噴霧根據(jù)采煤機位置和支架動作實現(xiàn)割煤、降柱、移架、放煤時同步自動噴霧。機風(fēng)巷配備除塵裝置，滿足現(xiàn)場除塵要求。

3）采掘工作面安裝的智能降塵系統(tǒng)，通過粉塵濃度傳感器實時監(jiān)測巷道風(fēng)流中的粉塵濃度，測定超過規(guī)定值后，噴霧自動開啟。在有皮帶運行的巷道中，皮帶運行時，皮帶上的煤流啟動觸控傳感器，噴霧開啟。在噴霧開啟狀態(tài)下，巷道內(nèi)人員通過，紅外感應(yīng)裝置感知，自動停止灑水，防止淋濕人員，人員通過后，設(shè)置一定時間噴霧自動開啟[7]。

3 防滅火系統(tǒng)

3.1 防火在線監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測機房能實時在線監(jiān)測井下采空區(qū)、巷道及工作面等關(guān)鍵區(qū)域環(huán)境參數(shù)，智能分析變化趨勢并及時預(yù)警。

防火在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r在線監(jiān)測井下采空區(qū)的溫度、CO、CH4等數(shù)據(jù)，生成曲線圖。并根據(jù)變化的趨勢進(jìn)行實時預(yù)警。

3.2 注漿站實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控

地面灌漿站安裝有高清攝像頭，實時監(jiān)控現(xiàn)場畫面，對每日的制漿情況進(jìn)行實時監(jiān)測。DM-5000地面移動式膜分離制氮裝置，為采空區(qū)及回采工作面提供計劃性灌注氮氣保障，有效防止采空區(qū)及回采工作面發(fā)生火災(zāi)。

在監(jiān)測機房設(shè)置組態(tài)畫面，通過現(xiàn)場視頻監(jiān)控可實現(xiàn)無人值守、遠(yuǎn)程控制。

4 防治瓦斯系統(tǒng)

1）瓦斯抽采混合量和純瓦斯量的累計量監(jiān)測、顯示。防治瓦斯系統(tǒng)實現(xiàn)智能監(jiān)測礦井瓦斯?jié)舛燃肮艿缐毫?、管道溫度等管道參?shù)；根據(jù)管道參數(shù)自動計算出管道標(biāo)況瓦斯純流量，并統(tǒng)計出管道標(biāo)況混合流量和管道標(biāo)況瓦斯純流量的年、月、日累計量。

2）瓦斯抽采系統(tǒng)集中控制，在線監(jiān)測抽采泵的運行參數(shù)。實時監(jiān)測抽采泵的開停、抽采泵真空度、冷卻塔開停、水泵開停、防回火裝置兩端壓差；電機軸溫度、電機三相繞組溫度、閥門工作狀態(tài)（開、停、開到位、關(guān)到位、開度）等工況參數(shù)。各數(shù)據(jù)可實時上傳。

3）抽采泵啟停一鍵式操作。通過遠(yuǎn)程、集中、就地控制方式，實現(xiàn)抽采泵站電機的啟停控制，相關(guān)閥門的啟停、開度控制，冷卻塔的啟停，循環(huán)水泵的啟停等控制。通過工藝控制，實現(xiàn)智能化抽采系統(tǒng)的自動運行、無人值守。

泵站監(jiān)控系統(tǒng)全面感知泵站環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)參數(shù)、抽采參數(shù)、供電參數(shù)、其他配套設(shè)施參數(shù)；通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常，對設(shè)備進(jìn)行故障診斷，及時發(fā)出報警、預(yù)警并自動啟動相應(yīng)閉鎖、聯(lián)動控制流程；根據(jù)需求實現(xiàn)一鍵啟停、一鍵輪換、故障輪換、設(shè)備檢修等預(yù)設(shè)自動控制流程；具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)展示、視頻監(jiān)視、人員出入管理等功能；可遠(yuǎn)程操控泵站所有被控設(shè)備，實現(xiàn)抽采泵站遠(yuǎn)程全掌控[8]。

4）抽采數(shù)據(jù)、設(shè)備工況的數(shù)據(jù)采集、分析預(yù)警。瓦斯抽采泵房設(shè)置視頻監(jiān)控瓦斯泵站集控系統(tǒng)，實現(xiàn)對瓦斯泵開停狀態(tài)、進(jìn)/出氣蝶閥開閉狀態(tài)、進(jìn)/出水閘閥開閉狀態(tài)、瓦斯泵負(fù)壓、電機電流/電壓、瓦斯泵前軸/后軸承溫度、減速器油溫、電機前軸/后軸/定子溫度、瓦斯泵水平及垂直振動、減速器水平及垂直振動、電機水平及垂直振動、瓦斯泵進(jìn)水狀態(tài)（是否缺水）、循環(huán)水泵工作狀態(tài)、循環(huán)水池水位、冷卻塔工作狀態(tài)、水處理系統(tǒng)工作狀態(tài)、補水泵工作狀態(tài)、補水箱水位高低的在線監(jiān)控與控制，實現(xiàn)甲烷等超限聲光報警，通過系統(tǒng)軟件實現(xiàn)瓦斯泵站遠(yuǎn)程集中控制，具備在線實時監(jiān)測設(shè)備運行情況及相關(guān)數(shù)據(jù)、分析和超限報警的功能。輔助以視頻監(jiān)控，實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。

5 安全監(jiān)控系統(tǒng)

1）各類傳感器和分站之間的數(shù)字信號傳輸。傳感器到分站支持RS-485、CAN 等總線方式與無線方式的數(shù)字化傳輸；分站到主干網(wǎng)絡(luò)支持RS-485、CAN、RJ45、光纖等數(shù)字化傳輸[9]。采用CAN 和RS-485 總線通信把傳感器升級改造為數(shù)字化傳導(dǎo)，將安全監(jiān)控系統(tǒng)從傳統(tǒng)的人工操作監(jiān)控改造升級為數(shù)字化智能傳輸監(jiān)測。

2）系統(tǒng)自診斷和自評估。安全監(jiān)控系統(tǒng)包含智能診斷、智能評估及故障保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時報警系統(tǒng)將及時發(fā)出聲光報警信號。系統(tǒng)具備工作面類型關(guān)聯(lián)和傳感器類型關(guān)聯(lián)功能和故障查詢功能,當(dāng)某一采掘工作面定義的傳感器不符合規(guī)程要求時，能自動檢驗出該采掘工作面缺失的傳感器個數(shù)及類型，同時能自動檢驗出設(shè)置的報警值、斷電值、復(fù)電值是否符合規(guī)范要求，斷電控制口及饋電傳感器是否有效定義等[10]。

通過設(shè)置傳感器調(diào)校間隔時間，實現(xiàn)維護(hù)與定期標(biāo)校自動提示?？赏ㄟ^多個分組，每個分組不同的調(diào)校間隔時間來實現(xiàn)各種類型傳感器調(diào)校周期不同。

系統(tǒng)具有雙機熱備心跳中斷提示功能，當(dāng)主備機網(wǎng)絡(luò)中斷或者系統(tǒng)異常時，雙機熱備會實時提示心跳中斷。系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)庫異常監(jiān)測功能，當(dāng)數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)服務(wù)停止、網(wǎng)絡(luò)不通、空間不足、權(quán)限錯誤等異常時，系統(tǒng)會自動提示數(shù)據(jù)庫異常并實時報警。系統(tǒng)具有模塊通信監(jiān)測功能，當(dāng)出現(xiàn)模塊中斷時，系統(tǒng)會自動彈出異常顯示窗進(jìn)行實時報警。

3）系統(tǒng)能夠智能統(tǒng)計報警、斷電、故障、突變等異常次數(shù)與持續(xù)時長，形成各類專題圖表，相關(guān)信息可按設(shè)備、異常次數(shù)、異常時長進(jìn)行組層鉆取分析，并調(diào)閱出相關(guān)異常時間段的實時采樣數(shù)據(jù)，實現(xiàn)關(guān)鍵信息精準(zhǔn)分析。

設(shè)置分級報警，對瓦斯超限時間和瓦斯?jié)舛却笮∽罡呖稍O(shè)置為五級，各級別的報警濃度、持續(xù)時間任意設(shè)置。當(dāng)瓦斯超限，達(dá)到設(shè)置的分級報警條件后，系統(tǒng)主界面會自動顯示報警的相關(guān)信息，并對報警級別以不同顏色區(qū)分顯示。

系統(tǒng)自動統(tǒng)計報警、斷電、故障、突變等異常次數(shù)與持續(xù)時長，分析同比與環(huán)比升降趨勢，形成各類專題圖表，相關(guān)信息可按設(shè)備、異常次數(shù)、異常時長進(jìn)行組層鉆取分析，并調(diào)閱出相關(guān)異常時間段的實時采樣數(shù)據(jù)，實現(xiàn)關(guān)鍵信息精準(zhǔn)分析。

4）系統(tǒng)聯(lián)動。能夠?qū)崿F(xiàn)通信、員工定位、應(yīng)急廣播、GIS 一張圖、視頻監(jiān)控的聯(lián)動，包括有人員實時位置、超限人員報警、區(qū)域超員報警、人員呼叫報警、人員工作異常報警。

6 結(jié)論

1）建設(shè)災(zāi)害智能分析管控系統(tǒng)，對礦井瓦斯、頂板、水文、火災(zāi)、粉塵等主要災(zāi)害進(jìn)行全方位實時智能監(jiān)測及預(yù)控。

2）通過對礦井多種監(jiān)測數(shù)據(jù)集中傳輸、采集和分類存儲，實現(xiàn)災(zāi)害數(shù)據(jù)在控制平臺中的高度融合、迅速聯(lián)動。

3）實現(xiàn)智能監(jiān)測煤環(huán)境參數(shù)、實現(xiàn)智能評估及預(yù)警礦井井下重點區(qū)域安全狀態(tài)，實現(xiàn)避災(zāi)路線自動規(guī)劃及語音播報等功能。

4）建立災(zāi)害監(jiān)測大數(shù)據(jù)分析及智能化區(qū)域災(zāi)害評估模型，對安全狀態(tài)進(jìn)行實時評估，自動制定相應(yīng)的災(zāi)害防治措施。