王志堅

（山西潞安集團余吾煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046100）

隨著國內(nèi)外人工智能、自動化技術(shù)不斷發(fā)展，利用煤炭的智能化、機器化開采高新技術(shù)用以保障我國煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)已成為行業(yè)發(fā)展關(guān)鍵趨勢[1-3]。礦井通風系統(tǒng)是煤礦重要的生產(chǎn)系統(tǒng)，保證采區(qū)及礦井通風不失效是所有生產(chǎn)礦井重要的任務，一旦通風系統(tǒng)失效，會導致瓦斯積聚，甚至發(fā)生瓦斯爆炸[4-6]。確保礦井通風系統(tǒng)不失效和降低通風系統(tǒng)失效范圍是降低礦井事故的重要技術(shù)，科學合理的通風系統(tǒng)是其最重要的保障。在礦井智能通風系統(tǒng)研究方面，吳楊[7]闡述了煤礦智能通風系統(tǒng)的基本概念，重點探討了智能通風系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，為煤礦智能化建設(shè)提供一定參考；郭煒舟等[8]針對葫蘆素煤礦目前通風監(jiān)測實時性差、通風設(shè)施未實現(xiàn)遠程調(diào)控、風量調(diào)節(jié)過程復雜低效等問題，從智能通風系統(tǒng)組成、原理、功能等方面設(shè)計并建成了葫蘆素煤礦一體化通風智能管控系統(tǒng)，實現(xiàn)了礦井風量實時同步監(jiān)測、風量遠程調(diào)控和通風系統(tǒng)故障診斷；張智韜等[9]從狀態(tài)感知、控制算法和調(diào)控策略3 個方面梳理了智能通風調(diào)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出了以邊緣端“感控一體”為核心的邏輯框架；針對傳統(tǒng)框架中狀態(tài)感知與精準控制算法相對分離，導致風量控制對噪聲敏感的具體問題，提出采用結(jié)合卡爾曼濾波的比例積分微分閉環(huán)控制算法精準追蹤巷道風量，并融入了專家建模、算法尋優(yōu)和設(shè)備聯(lián)動的決策與控制理念；白銘波等[10]構(gòu)建了基于基礎(chǔ)參數(shù)動態(tài)感知、通風設(shè)備智能管控、區(qū)域反風與膠帶火災精準辨識、火災分級預警與管控的智能通風決策管控平臺，形成了測風無人化、調(diào)風自動化、區(qū)域反風智能化、火災防控超前化四項關(guān)鍵技術(shù)，顯著提高了韓家灣煤礦通風系統(tǒng)自動化和智能化水平。綜合文獻分析，智能通風系統(tǒng)建設(shè)對于煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要。

余吾煤業(yè)通風安全管理目前的主要問題在于依據(jù)參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)以定性分析為主體方向，導致通風基礎(chǔ)參數(shù)測算精準度不足，手動配風誤差大、耗時長，傳感器布設(shè)位置區(qū)域不清晰致使通風系統(tǒng)未得到有效監(jiān)測，災變時風流難以調(diào)控，無法通過決策智能調(diào)控動力設(shè)備。合理構(gòu)建智能通風系統(tǒng)以利用可靠通風技術(shù)及高水平管理手段是實現(xiàn)礦井通風系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行的最主要方法[11-12]。因此，通過在余吾煤業(yè)構(gòu)建符合生產(chǎn)實際的智能通風多功能系統(tǒng)平臺并據(jù)此建模分析，進行通風系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整以提高通風系統(tǒng)可靠度，為礦井建立穩(wěn)定、可控、經(jīng)濟的通風系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。

1 智能通風系統(tǒng)總體構(gòu)架

余吾煤業(yè)智能通風系統(tǒng)的優(yōu)化與災害應急調(diào)控，均依賴于智能感知子系統(tǒng)能夠快速精準地獲取通風參數(shù)，對智能模擬風網(wǎng)運行狀態(tài)進行通風網(wǎng)絡(luò)實時解算，礦井通風參數(shù)智能感知子系統(tǒng)通過布設(shè)多區(qū)域傳感器實現(xiàn)對礦井通風參數(shù)及礦井關(guān)鍵路線阻力等在線實時監(jiān)測，實時準確地構(gòu)建風網(wǎng)運行狀態(tài)，不僅為風網(wǎng)實時解算提供精準的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)最大化的高效利用，實現(xiàn)風門、風窗、局部通風機等通風設(shè)施遠程監(jiān)控和智能調(diào)節(jié)。智能通風系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1。

圖1 智能通風系統(tǒng)總體構(gòu)架圖

2 智能通風系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 主體技術(shù)方案設(shè)計

采用現(xiàn)場測試、軟件開發(fā)等手段進行研究，以全礦井通風系統(tǒng)為研究工程背景，以智能通風系統(tǒng)建設(shè)與分析為主要手段，結(jié)合通風網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析和通風動力所負擔的區(qū)域分析，最終實現(xiàn)該礦通風系統(tǒng)安全可靠、經(jīng)濟合理運行以及便于管理的目標。采用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測試、計算機處理與實驗室仿真、工業(yè)試驗相結(jié)合的方法進行研究與應用。

結(jié)合該智能通風系統(tǒng)建設(shè)目標、技術(shù)服務內(nèi)容及后續(xù)進度安排，確定主體技術(shù)方案：對該通風資料調(diào)查，分析相關(guān)智能通風技術(shù)資料，建立完善該智能通風子系統(tǒng)，利用智能通風子系統(tǒng)建立B/S 架構(gòu)三維礦井通風智能分析決策平臺，形成礦井智能通風綜合管控系統(tǒng)，后對通風系統(tǒng)進行參數(shù)測試。結(jié)合利用智能通風綜合管控系統(tǒng)軟件進行礦井通風系統(tǒng)分析、優(yōu)化改造應用，提高通風系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

2.2 礦井風量遠程定量調(diào)控子系統(tǒng)風量調(diào)控設(shè)計

礦井風量遠程定量調(diào)控子系統(tǒng)風量，調(diào)控設(shè)計利用傳感器重點監(jiān)測用風區(qū)，進行風量參數(shù)監(jiān)測，進行準確監(jiān)測工作面回風風量變化，通過建立風窗漏風面積與風量對應關(guān)系，實現(xiàn)遠程風窗過風面積精確測控，達到風量有效調(diào)節(jié)。

利用通風參數(shù)智能感知子系統(tǒng)獲取通風參數(shù)數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定公式進行網(wǎng)絡(luò)解算，智能導出風量調(diào)控方案，通過礦井風量遠程定量調(diào)控子系統(tǒng)內(nèi)部風窗與風量特性智能調(diào)控，提高礦井通風信息智能管理水平及優(yōu)化精度，提高通風系統(tǒng)運行可靠性、經(jīng)濟性及災害應急穩(wěn)定性，為后續(xù)災變智能調(diào)控提供系統(tǒng)基礎(chǔ)。

2.3 通風災變風門風流調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計

風門作為隔斷進、回風之間風路的主要設(shè)施，在正常生產(chǎn)期間需隔斷風流，方便行人過車，災變時智能調(diào)控快速隔斷或排出有害氣體（如瓦斯、火災煙氣、一氧化碳等）。因此，根據(jù)智能通風系統(tǒng)建設(shè)需要，該礦風門風流調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計可實現(xiàn)災變自動識別與遠程控制災變風流功能目標。針對災變控風功能，設(shè)計火災智能監(jiān)測和風門遠程控制系統(tǒng)，針對排煙控災功能，設(shè)計遠程解鎖自動排煙系統(tǒng)。

通風災變風門風流調(diào)控系統(tǒng)在防止風流短路的基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)了火災時期遠程解除電氣/氣路/機械三重閉鎖，及時打開兩道風門，將煙流引入回風巷，防止有毒有害氣體擴散蔓延，為實現(xiàn)災變調(diào)整風路、反風等提供設(shè)計基礎(chǔ)。

2.4 局部通風機智能控制子系統(tǒng)設(shè)計

針對局部通風機，當正常工作的局部通風機故障時，備用局部通風機能自動啟動，保持掘進工作面正常通風。同時，對局部通風機智能控制子系統(tǒng)設(shè)計時，應根據(jù)礦井通風系統(tǒng)實際情況，正常工作的局部通風機和備用局部通風機的電源必須取自同時帶電的不同母線段的相互獨立的電源。局部通風機智能控制子系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境監(jiān)測結(jié)果通過變頻器與局部通風機聯(lián)合作用，動態(tài)調(diào)整局扇轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)正常通風時按需（迎頭需風量）供風，災變時控風。如瓦斯超限時自動控制局部通風機轉(zhuǎn)速安全高效排放瓦斯，可實現(xiàn)局部分級智能排放瓦斯功能。同時，局部通風機智能控制子系統(tǒng)接入智能通風管控平臺可實現(xiàn)局部通風機工況參數(shù)遠程實時監(jiān)測，具備遠程調(diào)頻及一鍵切換等操作。當正常工作的局部通風機故障，切換到備用局部通風機工作時，能夠智能識別并排查故障，直至恢復到正常工作的局部通風后方可恢復工作。

3 智能通風系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

通過對該礦通風資料調(diào)查，分析相關(guān)智能通風技術(shù)資料，建立完善該礦智能通風子系統(tǒng)，利用智能通風子系統(tǒng)建立B/S 架構(gòu)三維礦井通風智能分析決策平臺，形成礦井智能通風綜合管控系統(tǒng)，并利用智能通風綜合管控系統(tǒng)軟件進行礦井通風系統(tǒng)分析及優(yōu)化改造應用，提高通風系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。關(guān)鍵技術(shù)主要包括：通風監(jiān)測數(shù)據(jù)智能管控技術(shù)、地面主要通風機智能控制技術(shù)、三維礦井通風智能分析決策平臺構(gòu)建及通風系統(tǒng)全局優(yōu)化改造方法。

3.1 通風監(jiān)測數(shù)據(jù)智能管控技術(shù)

為了實現(xiàn)該礦對通風系統(tǒng)的智能化管理，需要建立通風監(jiān)測大數(shù)據(jù)庫，對主要的數(shù)據(jù)包括傳感器識別各種參數(shù)以及攝像頭實時監(jiān)測圖像進行存儲。對于數(shù)據(jù)采集方面，井下布設(shè)的所有傳感器是系統(tǒng)中新布設(shè)的傳感器，可保證每20 s 采集一次數(shù)據(jù)，單個傳感器每天最多可采集2880 條數(shù)據(jù)，并存儲在數(shù)據(jù)庫中。大數(shù)據(jù)庫的作用主要是為監(jiān)測數(shù)據(jù)判別與分析、通風系統(tǒng)數(shù)值仿真與模擬、通風系統(tǒng)異常預警提供重要的支撐參數(shù)；通過監(jiān)測攝像頭的圖像存儲，可以實時動態(tài)地對井下通風環(huán)境進行智能識別。

通過對數(shù)據(jù)庫中存儲的各類傳感器識別的數(shù)據(jù)參數(shù)所呈現(xiàn)的波動曲線進行分析，可以準確獲得整個通風系統(tǒng)中主要參數(shù)隨采掘進行的變化規(guī)律，一旦識別出參數(shù)異常波動情況可以及時進行預警。智能通風監(jiān)測大數(shù)據(jù)庫如圖2。

圖2 智能通風監(jiān)測大數(shù)據(jù)庫

3.2 地面主通風機智能控制技術(shù)

1）地面主通風機風險辨識

在礦井主通風機在線監(jiān)測技術(shù)基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)分析工具對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析、建模、比較，得到設(shè)備的運行狀態(tài)信息，并進行健康評估和風險辨識，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在的風險，并給出可能的解決方案。系統(tǒng)把計算結(jié)果、監(jiān)測狀態(tài)結(jié)果推送至智能監(jiān)測平臺、客戶桌面端或移動APP 端，為中控值班人員、現(xiàn)場巡視人員、設(shè)備維保人員、管理人員提供智能決策，這樣可以對主要通風機監(jiān)控系統(tǒng)的可靠運行提供保障。

2）主通風機遠程調(diào)風功能實現(xiàn)

建立主通風機性能特性曲線數(shù)據(jù)庫，實測地面主通風機性能特性曲線，建立以風量、葉片角度、頻率為自變量的地面主通風機特性曲線數(shù)據(jù)庫；構(gòu)建地面主通風機目標工況決策算法，實現(xiàn)礦井通風阻力特性曲線與主要通風機特性曲線數(shù)據(jù)庫進行實時動態(tài)匹配，分析節(jié)能效果，實現(xiàn)主通風機目標工況智能調(diào)控。礦井主通風機性能特性曲線如圖3。

圖3 主通風機性能特性曲線

3.3 三維礦井通風智能分析決策平臺構(gòu)建

基于該礦實際通風狀態(tài)資料，建立基于云計算的三維礦井通風智能決策軟件平臺。智能通風軟件邏輯框架如圖4。云端后臺服務器采用MySQL 數(shù)據(jù)庫存儲所有圖形數(shù)據(jù)及礦井通風數(shù)據(jù)。表單服務程序負責與前端交互，礦井通風網(wǎng)絡(luò)分析程序負責提供礦井通風網(wǎng)絡(luò)解算與智能分析決策服務。

圖4 智能通風軟件邏輯框架

1）通風系統(tǒng)狀態(tài)識別

通過通風多源信息集成系統(tǒng)對通風數(shù)據(jù)的實時收集，能夠?qū)︼L網(wǎng)數(shù)據(jù)進行匯總分析，經(jīng)匯總處理后的數(shù)據(jù)通過智能通風決策及控制系統(tǒng)實現(xiàn)對風網(wǎng)的在線監(jiān)測。

2）通風網(wǎng)絡(luò)實時解算

對全通風系統(tǒng)通風阻力與風量進行實時解算，進而消除了監(jiān)控系統(tǒng)的風量監(jiān)控盲區(qū)，實現(xiàn)對全礦井通風網(wǎng)絡(luò)所有巷道分支風量的準確監(jiān)測。

3）通風網(wǎng)絡(luò)智能管理模塊

軟件系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，服務器布置在機房，不僅可以通過瀏覽器還可以通過手機APP 瀏覽三維通風模型，控制風門、風窗、測風裝置和主要通風機等通風設(shè)施，還可以利用三維礦井通風可視化對回采工作面通風系統(tǒng)進行智能管控。

4）通風故障智能診斷

運用通風多源信息集成系統(tǒng)對井下監(jiān)測監(jiān)控、風速、風壓、風量等數(shù)據(jù)的收集，實時監(jiān)控風網(wǎng)運行情況。一旦井下出現(xiàn)風網(wǎng)異常，如風流短路或斷路，根據(jù)反饋數(shù)據(jù)的差異迅速報警，實現(xiàn)風網(wǎng)的異常提醒，并準確識別出故障主要發(fā)生的部位。

3.4 礦井通風系統(tǒng)測試及軟件建模

通過制定通風阻力測定方案、進行精準阻力測定、對阻力測定數(shù)據(jù)進行處理、校對與計算，得到礦井阻力測定分布情況，為通風系統(tǒng)優(yōu)調(diào)與優(yōu)控提供精準可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

在測試的基礎(chǔ)上，進行測定數(shù)據(jù)處理與風量、風壓平差算法實現(xiàn)，阻力測定數(shù)據(jù)處理與平差計算系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)阻力測定數(shù)據(jù)的錄入、修改和刪除等操作，并可以進行計算，同時提供阻力測定數(shù)據(jù)平差計算的功能，最大限度地降低測風誤差。

3.5 通風系統(tǒng)全局優(yōu)化改造方法

余吾煤業(yè)屬于一個以上風井井口，多臺主要通風機運行條件，通過對余吾煤業(yè)通風網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點，進行通風動力有效利用。礦井通風動力分析如圖5 所示。

圖5 礦井通風動力分析圖

對主要生產(chǎn)采區(qū)的通風系統(tǒng)阻力分布及主要通風機性能進行分析，全面掌握礦井通風系統(tǒng)壓能參數(shù)分布及主要通風機性能狀況，實現(xiàn)通風動力與通風網(wǎng)絡(luò)合理匹配。通過通風系統(tǒng)預測與分析，提出通風系統(tǒng)整體調(diào)整與優(yōu)化方案，提高礦井整體通風能力，提高礦井有效風量率，保障通風系統(tǒng)可靠運行的同時，使整體功耗達到最小，實現(xiàn)礦井節(jié)能減排。

4 結(jié)語

針對余吾煤業(yè)礦井智能通風系統(tǒng)建設(shè)需要，通過構(gòu)建智能通風系統(tǒng)，可提升礦井通風網(wǎng)絡(luò)化管理水平，從根本上改變了管理思維和理念，特別是對通風系統(tǒng)優(yōu)化改造設(shè)計將起到積極的輔助決策作用，將能夠進一步提高技術(shù)人員的礦井通風安全整體管理水平，為智慧礦山建設(shè)、智能通風系統(tǒng)安全調(diào)控、通風動力與通風阻力合理匹配及通風系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整提供了技術(shù)支持，可提高通風系統(tǒng)抗災變能力。隨著智能通風系統(tǒng)及智能分析決策軟件平臺的建設(shè)，通過對實際礦井參數(shù)測試獲得基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)完善軟件建模，利用軟件平臺進行相應的通風系統(tǒng)優(yōu)化方案模擬，實現(xiàn)了礦井通風系統(tǒng)安全可靠、經(jīng)濟合理運行以及便于管理的目標。