鐘 彬，張小剛，王 磊，王耀強

1國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017209

2煤科通安 (北京) 智控科技有限公司 北京 100013

3煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司礦山智能通風(fēng)事業(yè)部 北京 100013

4北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心 北京 100013

隨著智能化礦山建設(shè)與 5G 技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在現(xiàn)代化礦井提升機械化水平的基礎(chǔ)上，煤礦正朝向自動化和智能化方向不斷發(fā)展[1-2]。煤礦安全生產(chǎn)的前提條件是必須具備可靠穩(wěn)定的通風(fēng)系統(tǒng)，包括完善的通風(fēng)設(shè)計、通風(fēng)方式、大功率通風(fēng)機及通風(fēng)路線等。相較于傳統(tǒng)通風(fēng)方式，現(xiàn)在的通風(fēng)系統(tǒng)多采用人工定點測風(fēng)站檢測，通過構(gòu)筑通風(fēng)設(shè)施 (如風(fēng)門、風(fēng)障、風(fēng)橋等) 進行風(fēng)量調(diào)節(jié)和風(fēng)路改造。隨著礦井開采規(guī)模增加和通風(fēng)路線增長，依靠人工方式測風(fēng)已經(jīng)不能滿足對特殊地點長時間、連續(xù)測風(fēng)作業(yè)的需求，尤其是具有有毒有害氣體的地點，人員無法及時進行風(fēng)量、風(fēng)流檢測?；诖耍ㄔO(shè)高度自動化的智能通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 智能通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

智能通風(fēng)系統(tǒng)主要運用信息集成技術(shù)實時采集礦井各作業(yè)地點的通風(fēng)參數(shù)，自動計算網(wǎng)絡(luò)動態(tài)和區(qū)域風(fēng)阻，實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)險辨識與隱患排查、多維一體化動圖屏顯、關(guān)聯(lián)報警和聯(lián)動控制等，最終實現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進行智能化自主調(diào)配，在具體應(yīng)用中達到智能預(yù)警、快速調(diào)風(fēng)、高效避險、控風(fēng)減災(zāi)的效果[3]。

結(jié)合某礦通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀，與智能通風(fēng)系統(tǒng)新技術(shù)進行平臺融合，打造無人化測風(fēng)、自動調(diào)風(fēng)、區(qū)域智能反風(fēng)、火災(zāi)預(yù)警防控等功能的智能化技術(shù)體系。投入使用后，該體系可逐漸消除礦井測風(fēng)盲區(qū)，替代人工監(jiān)測盲巷和高濃度有毒有害氣體區(qū)域，進行煤層自燃和有發(fā)火周期的采掘作業(yè)地點風(fēng)量、風(fēng)壓監(jiān)測，針對礦井火災(zāi)可形成快速預(yù)警和反風(fēng)控制機制，最大限度降低災(zāi)害損失。智能通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)主要由自主感知模塊、決策預(yù)警模塊和多元數(shù)控平臺等不同功能模塊融合組成。

1.1 自主感知模塊

通過分析全礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在主要供回風(fēng)地點安裝風(fēng)量、風(fēng)壓傳感器，實時監(jiān)測所有巷道的基本動態(tài)通風(fēng)參數(shù)，確保無人狀態(tài)下所有數(shù)據(jù)的真實性和準(zhǔn)確性。長時間連續(xù)監(jiān)測，便于通過大數(shù)據(jù)比對發(fā)現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的弱點和隱患風(fēng)險，與礦井現(xiàn)有監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)連接，完成通風(fēng)系統(tǒng)的瞬時動態(tài)模擬捕捉與監(jiān)控。

1.2 決策預(yù)警模塊

在網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)技術(shù)基礎(chǔ)上快速構(gòu)建礦井通風(fēng)系統(tǒng)模型，對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的風(fēng)量、風(fēng)壓等參數(shù)實時采集測算。通過各類型傳感器監(jiān)測 CO、CH4等氣體濃度，構(gòu)建礦井采掘地點和井筒、大巷等多維動態(tài)圖。將現(xiàn)場實際安裝的監(jiān)測傳感器與對應(yīng)傳感器采集回傳數(shù)據(jù)相連接，當(dāng)超過設(shè)定上限指標(biāo)時，系統(tǒng)自動報警，形成快速反應(yīng)處置機制，以便通風(fēng)系統(tǒng)自動切換、調(diào)節(jié)風(fēng)流方向，優(yōu)化風(fēng)險地點的供風(fēng)量，實現(xiàn)自動化控制[4]。

1.3 多元數(shù)控平臺

利用較成熟的 GIS 技術(shù)搭建礦井通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)格模擬平臺。結(jié)合多元耦合技術(shù)、冗余分析技術(shù)等先進技術(shù)手段，對各點自動采集通風(fēng)參數(shù)信息快速計算解析，形成高效靈敏分析機制。依托礦井局域網(wǎng)絡(luò)，形成智能通風(fēng)裝備與技術(shù)的互通升級。在原有監(jiān)測監(jiān)控各類傳感器、采集器等設(shè)備基礎(chǔ)上，將束管監(jiān)測系統(tǒng)、光纖測溫系統(tǒng)、預(yù)警管控系統(tǒng)、局部風(fēng)機智能調(diào)控系統(tǒng)、工作面應(yīng)急反風(fēng)系統(tǒng)等子系統(tǒng)一同并入多元數(shù)控平臺，形成多個系統(tǒng)集中監(jiān)控調(diào)度的綜合化應(yīng)用平臺，提高監(jiān)控利用率。

2 智能通風(fēng)系統(tǒng)功能分析

2.1 智能優(yōu)化風(fēng)速采集技術(shù)

由于井下各點巷道過風(fēng)斷面大小不一、巷道表面平整度造成的風(fēng)阻大小不一等客觀現(xiàn)象，導(dǎo)致風(fēng)速監(jiān)測時常出現(xiàn)精度誤差[5]。因此，通過改變布點方式，采取階梯網(wǎng)格方式實現(xiàn)密集布點，將原有斷面進行切割細(xì)分，然后分析斷面內(nèi)的風(fēng)流風(fēng)速分布規(guī)律，從而得出相對準(zhǔn)確的平均風(fēng)速在斷面內(nèi)的實際位置。經(jīng)過優(yōu)化后，將風(fēng)速傳感器進行定點安裝，以此提升風(fēng)速采集的準(zhǔn)確性。階梯網(wǎng)格方式分析風(fēng)速分布規(guī)律如圖1 所示，矩形斷面實測風(fēng)速分布如圖2 所示。

圖1 階梯網(wǎng)格方式分析風(fēng)速分布規(guī)律Fig.1 Analyzing wind speed distribution by using a stepwise grid method

圖2 矩形斷面實測風(fēng)速分布Fig.2 Distribution of measured wind speed in rectangular section

2.2 傳感器布局優(yōu)化

為監(jiān)測礦井通風(fēng)系統(tǒng)是否正常穩(wěn)定運行，需要在各個采掘工作面安裝風(fēng)速、風(fēng)壓傳感器，秉持安裝設(shè)備少、監(jiān)控范圍廣的原則，最大限度滿足裝備多用的目的。通過分析風(fēng)流路線、通風(fēng)方式、斷面形狀和面積、供風(fēng)目的等，將風(fēng)壓傳感器 (FY) 和風(fēng)速傳感器 (FS) 按照圖3 所示路線進行布置，發(fā)揮測點最大功能。

圖3 不同通風(fēng)路線的傳感器布置方式Fig.3 Sensor layouts with different ventilation routes

針對井下各地點作業(yè)內(nèi)容與通風(fēng)不同方式，尤其是在繞道車場、分支岔路巷道和聯(lián)絡(luò)巷等地點，需要安裝傳感器進行監(jiān)測。此外，在 Y 形和 U 形通風(fēng)方式的采煤工作面回風(fēng)流側(cè)也容易出現(xiàn)風(fēng)流不穩(wěn)定現(xiàn)象；在主要運輸大巷、掘進工作面設(shè)置有調(diào)節(jié)風(fēng)窗的風(fēng)門前后，由于運輸需要經(jīng)常開啟風(fēng)門，容易導(dǎo)致風(fēng)流擾動影響較大，產(chǎn)生局部風(fēng)速、風(fēng)壓變化。這些地點均需要安裝傳感器加強監(jiān)測。

2.3 智能決策與控制功能

在構(gòu)建智能通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)前，通過對礦井所有巷道進行通風(fēng)參數(shù)和有害氣體實測采集，根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容分類與功能需要，可在預(yù)警系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定安全指標(biāo)的上限預(yù)警值。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警指標(biāo)時，按照自動化控制指令進行程序化操作，分級下達諸如自動反風(fēng)、開閉風(fēng)門、調(diào)整調(diào)節(jié)風(fēng)窗扇葉角度、火災(zāi)信息監(jiān)控報警等智能化操作，實現(xiàn)危險作業(yè)地點自動、無人化監(jiān)管。

3 智能通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

3.1 工程概況

某礦核定生產(chǎn)能力為 150 萬 t/a，屬于高瓦斯礦井。水文地質(zhì)條件中等，井田范圍內(nèi)呈單一向斜構(gòu)造，延伸方向為北向西，煤層整體為近水平，賦存傾角為 3°～4°，屬多煤層開采方式。自上而下可采煤層為 1-2 上煤組、1-2 煤組、2-2 煤組、2-3 煤組、3-1 煤組和 4-2 煤組。其中 3-1 煤組和 4-2 煤組為全井田范圍可采煤層，賦存穩(wěn)定，煤層厚度為 3.7～6.8 m，平均煤厚 5.2 m；1-2 上煤組、1-2 煤組、2-2 煤組、2-3 煤組僅一采區(qū)和三采區(qū)可采，煤層賦存不穩(wěn)定，平均煤厚 2.9 m。礦井采用一采一備布置方式，共 5 條掘進巷道。工作面煤層自下而上逐層開采煤層群，形成下保護層工作面。通風(fēng)方式為中央并列抽出式，其中主副斜井為供風(fēng)巷道，回風(fēng)斜井為主要回風(fēng)巷道。地面風(fēng)機廣場安裝有 FBCDZ-8No30/2×630型對旋軸流通風(fēng)機 2 臺，可提供 140～286 m3/s 的額定風(fēng)量，一用一備，接入雙回路雙電源供電。目前，經(jīng)過通風(fēng)阻力測定和實際風(fēng)量核定，礦井擁有 8 321 m3/min 的總進風(fēng)量和 8 413 m3/min 的總回風(fēng)量，風(fēng)機負(fù)壓為 1 830 Pa。

3.2 升級需求

為打造智能化礦山和高產(chǎn)高效礦井，需對現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)和監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進行升級改造。結(jié)合礦井現(xiàn)有條件，需要解決如下問題：①依靠人工監(jiān)測方式效率低下，實測數(shù)據(jù)精度低，無法實現(xiàn)通風(fēng)參數(shù)動態(tài)變化條件下的連續(xù)觀測，反饋信息不及時，統(tǒng)計分析周期較長，不能滿足數(shù)據(jù)參數(shù)的可視化工作要求；②無法有效掌握全流程、全網(wǎng)絡(luò)各地點路線的通風(fēng)系統(tǒng)情況，存在監(jiān)控盲區(qū)和漏檢區(qū)域，尤其是安裝有局部通風(fēng)機的地區(qū)，可能存在串聯(lián)通風(fēng)和局部渦流循環(huán)風(fēng)等現(xiàn)象，具有較高安全隱患；③通防部門技術(shù)管理人員無法準(zhǔn)確掌握全部井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，在制定調(diào)風(fēng)優(yōu)化方案時考慮不全面，存在計劃失真，通風(fēng)線路不合理，盲巷和通風(fēng)阻力較大，影響系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整，甚至有些巷道不能按照生產(chǎn)需求進行合理調(diào)配風(fēng)量，造成瓦斯積聚和風(fēng)量不足現(xiàn)象；④ 在供配電硐室和車場配電點等安裝有多組機電設(shè)備的區(qū)域，需要安排專職瓦檢員或者以定點巡查方式進行瓦斯監(jiān)測，既浪費人力，也無法確保在發(fā)生機電設(shè)備過載、短路引起火災(zāi)等災(zāi)變時，瓦檢人員能夠快速調(diào)度抵達現(xiàn)場；⑤ 當(dāng)需要對配風(fēng)地點進行調(diào)風(fēng)時，仍需人工調(diào)整調(diào)節(jié)風(fēng)窗和過風(fēng)斷面，無法實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。

3.3 設(shè)計方案優(yōu)化

結(jié)合礦井現(xiàn)有通風(fēng)條件和系統(tǒng)優(yōu)化需求，制定改進方案。

3.3.1 采煤工作面優(yōu)化方案

以213107 工作面為例，分別在 213106 輔運巷安裝 2 道風(fēng)門，213107 膠帶巷安裝 1 道風(fēng)門，在 213107輔運巷及專回各安裝 1 道風(fēng)門。采煤工作面風(fēng)流優(yōu)化系統(tǒng)如圖4 所示。其中編號 1、3、4 為自吸風(fēng)門；編號 2、5 為自調(diào)節(jié)風(fēng)門。正常通風(fēng)時，打開 2、3、4 等風(fēng)門，形成 U 形全負(fù)壓通風(fēng)，關(guān)閉 1、5 風(fēng)門形成閉合回路；發(fā)生災(zāi)變需要反風(fēng)時，則打開關(guān)閉的 1、5風(fēng)門，形成風(fēng)向逆流，由 1 號風(fēng)門進風(fēng)，5 號風(fēng)門回風(fēng)，其余 2、3、4 號風(fēng)門關(guān)閉，可實現(xiàn)反風(fēng)效果。

圖4 采煤工作面風(fēng)流優(yōu)化系統(tǒng)Fig.4 Air flow optimization system of coal mining face

3.3.2 開拓大巷災(zāi)變條件下優(yōu)化方案

當(dāng)開拓大巷某一地點發(fā)生火災(zāi)等事故時，由于明火存在火風(fēng)壓，在自然通風(fēng)條件下，明火與有毒有害氣體會隨風(fēng)流向下游區(qū)域蔓延。為準(zhǔn)確監(jiān)測災(zāi)變后的氣體特征，需要安裝煙霧和 CO 報警傳感器。當(dāng)監(jiān)測氣樣指標(biāo)超限時，系統(tǒng)自動打開膠回聯(lián)巷處的 2 道風(fēng)門，實現(xiàn)局部巷道的風(fēng)流短路，改變供風(fēng)方向，切斷向下游蔓延的氣體擴散通道，從而達到保護下風(fēng)側(cè)作業(yè)人員生命安全的效果。風(fēng)流短路調(diào)控路線如圖5所示。

圖5 風(fēng)流短路調(diào)控路線Fig.5 Control route for short circuit of air flow

3.3.3 掘進工作面優(yōu)化方案

在掘進工作面新鮮風(fēng)流進風(fēng)側(cè)安裝有 2 臺變頻軸流式局部通風(fēng)機，在巷道風(fēng)門里正頭、專回口安裝有甲烷傳感器。對風(fēng)筒安裝風(fēng)壓傳感器，結(jié)合掘進期間實際瓦斯涌出量和濃度指標(biāo)，系統(tǒng)自行計算供風(fēng)量是否滿足風(fēng)排瓦斯需求，通過變頻實現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)。掘進工作面優(yōu)化布置如圖6 所示。

圖6 掘進工作面優(yōu)化布置Fig.6 Optimal layout of excavation face

3.4 構(gòu)建智能通風(fēng)系統(tǒng)

經(jīng)過分析礦井通風(fēng)能力與現(xiàn)狀，針對現(xiàn)有通風(fēng)條件與優(yōu)化升級要求，構(gòu)建智能化通風(fēng)系統(tǒng)平臺。

(1) 經(jīng)過對礦井各巷道坐標(biāo)參數(shù)進行采集，建立數(shù)字化礦井模型，更加直觀展現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的多維動態(tài)系統(tǒng)；經(jīng)過對巷道主要測站安裝傳感器，實時監(jiān)測采集通風(fēng)數(shù)據(jù)，將鼠標(biāo)點擊在巷道模型任一點上進行多角度旋轉(zhuǎn)觀測，屏幕上會自動出現(xiàn)對應(yīng)地點傳感器的所有回傳信息，如傳感器編號、運行狀態(tài)、是否報警、安裝位置名稱、監(jiān)測風(fēng)速指標(biāo)、最大預(yù)警指標(biāo)和甲烷、一氧化碳等氣體濃度，可供管理技術(shù)人員進行綜合分析評價，實現(xiàn)礦井通風(fēng)的可視化、數(shù)字化管理。巷道數(shù)字化模型效果如圖7 所示。

圖7 巷道數(shù)字化模型效果Fig.7 Effect of digitization model of roadway

(2) 通風(fēng)設(shè)施風(fēng)門自動調(diào)控。通過在配電點安裝視頻攝像裝置監(jiān)控風(fēng)門開閉狀態(tài)，聯(lián)網(wǎng)并入多元遠程控制系統(tǒng)，在屏幕上可顯示風(fēng)門狀態(tài)、安裝位置、局部通風(fēng)機變頻功率、風(fēng)速、風(fēng)量以及風(fēng)門異常開啟持續(xù)時長等參數(shù)。當(dāng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)異常，需要立即作出調(diào)控時，可通過風(fēng)門調(diào)節(jié)遠程自控系統(tǒng)改變風(fēng)門的開閉狀態(tài)；同時實時監(jiān)測過風(fēng)門風(fēng)量變化參數(shù)，滿足調(diào)控要求后自動停止風(fēng)門移動。風(fēng)門調(diào)節(jié)遠程自控系統(tǒng)顯示界面如圖8 所示。

圖8 風(fēng)門調(diào)節(jié)遠程自控系統(tǒng)顯示界面Fig.8 Display interface of remote automatic control system for air door adjustment

(3) 為提升防災(zāi)抗災(zāi)應(yīng)急能力，系統(tǒng)開發(fā)了火災(zāi)氣體異常監(jiān)測報警系統(tǒng)，作為子系統(tǒng)可并入多元數(shù)控平臺，與智能通風(fēng)模塊、監(jiān)測監(jiān)控模塊、束管監(jiān)測模塊和風(fēng)機檢測模塊等功能模塊一起使用。其主要監(jiān)測內(nèi)容包括主通風(fēng)機供風(fēng)量、壓差，各采掘地點的供、回風(fēng)量數(shù)據(jù)，束管監(jiān)測到的 CO、CO2指標(biāo)、傳感器監(jiān)測的 CH4指標(biāo)，各地點異常高溫的火災(zāi)響應(yīng)預(yù)警級別等。通過對相關(guān)信息進行系統(tǒng)性綜合分析，得出科學(xué)災(zāi)害評估結(jié)論，利用實時反饋信息，制定合理應(yīng)急救援方案。多元數(shù)控平臺和監(jiān)控如圖9 所示。

圖9 多元數(shù)控平臺和監(jiān)控Fig.9 Multi-component CNC platform and monitoring

4 結(jié)語

通過對礦井現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀進行評估，指出存在人工監(jiān)測工效低、持續(xù)時間短、易產(chǎn)生巡檢盲區(qū)、有漏檢可能等弊端，體現(xiàn)出對通風(fēng)系統(tǒng)升級改造的迫切性需求。對智能通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)主要功能和技術(shù)特點進行分析，結(jié)合礦井自身現(xiàn)有條件，針對采煤工作面、掘進工作面和易發(fā)生災(zāi)變的開拓大巷等地點制定優(yōu)化調(diào)風(fēng)方案，提高通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過優(yōu)化升級后的智能化通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)投入運行，礦井在生產(chǎn)期間能夠更直觀分析調(diào)整各地點需風(fēng)量，有利于礦井通風(fēng)安全和高效調(diào)度，有效避免了火災(zāi)等事故發(fā)生，為實現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效和本質(zhì)安全奠定了基礎(chǔ)。