察哈素煤礦通風(fēng)系統(tǒng)智能化改造方案研究

芮國(guó)相

(國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)煤炭行業(yè)經(jīng)歷了幾十年的高速發(fā)展，在生產(chǎn)理念、技術(shù)裝備和開(kāi)采能力等方面形成了巨大的突破。信息技術(shù)和裝備的高速發(fā)展使智能化建設(shè)成為我國(guó)煤礦發(fā)展的重要趨勢(shì)。以科技水平的提升助力生產(chǎn)工藝的改進(jìn)是現(xiàn)代化礦山建設(shè)的必由之路[1]。安全監(jiān)管總局確定的“機(jī)械化換人，自動(dòng)化減人，智能化無(wú)人”的發(fā)展目標(biāo)為智慧礦山的建設(shè)指明了方向[2-3]。

智慧礦山建設(shè)是將集合煤炭各個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)于一體，并將其數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化和智能化[4-5]。礦山的智慧化建設(shè)包含基礎(chǔ)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用、礦山安全與智能采礦的設(shè)計(jì)、煤礦安全避險(xiǎn)六大系統(tǒng)的智能化升級(jí)改造等方面[6]，所涉及的核心技術(shù)包括生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、開(kāi)采裝備群的智能協(xié)同控制、系統(tǒng)運(yùn)行健康狀態(tài)診斷與維護(hù)等。如何將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)深度地與礦山生產(chǎn)系統(tǒng)的深度融合是開(kāi)展智慧礦山建設(shè)的關(guān)鍵[7]。目前，我國(guó)仍處于煤礦智能化發(fā)展的初級(jí)階段，智能化系統(tǒng)的架構(gòu)及軟硬件實(shí)施方案是現(xiàn)階段需要解決的主要問(wèn)題。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦井安全生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)，智能通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)建是智慧礦山體系中的重要組成部分。通風(fēng)系統(tǒng)的智能化是將信息處理技術(shù)和控制技術(shù)融入通風(fēng)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)按需供風(fēng)，在異常和災(zāi)變條件下資助決策和調(diào)控[8-9]。察哈素煤礦結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際和現(xiàn)有設(shè)備水平，針對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的智能化改造開(kāi)展了技術(shù)攻關(guān)和方案設(shè)計(jì)。

1 智能通風(fēng)系統(tǒng)總體架構(gòu)

智能通風(fēng)系統(tǒng)可與智慧礦山深度融合，可實(shí)現(xiàn)通風(fēng)信息監(jiān)測(cè)感知、通風(fēng)隱患自動(dòng)判識(shí)、通風(fēng)安全動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、通風(fēng)調(diào)控智能決策和通風(fēng)設(shè)備協(xié)同自動(dòng)控制等功能。察哈素煤礦已建立了較為可靠的通風(fēng)系統(tǒng)，但未實(shí)現(xiàn)智能化控制，存在的問(wèn)題包括礦井風(fēng)量監(jiān)測(cè)數(shù)量少、精度不足，井下風(fēng)門和風(fēng)窗等通風(fēng)設(shè)施無(wú)法遠(yuǎn)程控制；安全監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)主動(dòng)分析和預(yù)警功能；風(fēng)量分配、風(fēng)網(wǎng)解算采用人工手段，效率低、準(zhǔn)確性差；通風(fēng)圖紙不能實(shí)時(shí)自動(dòng)生成等。

基于三維透明煤礦綜合分析系統(tǒng)，以礦井井巷、硐室、設(shè)備等信息為基礎(chǔ)，建立礦井通風(fēng)三維模型和三維可視化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)分析與決策的智能化。采用超聲波、遙測(cè)感應(yīng)等技術(shù)對(duì)所有通風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)速、壓力、溫度、相對(duì)濕度等參數(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)精確測(cè)定，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化幅度超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)，調(diào)度中心自動(dòng)進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警，向礦井通風(fēng)智能決策管控平臺(tái)發(fā)送報(bào)警地點(diǎn)、原因等基本信息。最終實(shí)現(xiàn)“信息監(jiān)測(cè)—狀態(tài)識(shí)別—風(fēng)網(wǎng)解算—通風(fēng)優(yōu)化—遠(yuǎn)程控制—信息監(jiān)測(cè)”的礦井通風(fēng)高度自動(dòng)化的閉環(huán)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)的智能化。

2 通風(fēng)系統(tǒng)主要設(shè)備的智能化

2.1 主通風(fēng)機(jī)

察哈素煤礦的主通風(fēng)機(jī)為GAF33.5-19-1FC礦用軸流式通風(fēng)機(jī)，1臺(tái)工作，1臺(tái)備用。為實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)的智能化，本方案選用了以西門子系列PLC作為控制核心的風(fēng)機(jī)性能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可隨時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制、報(bào)警及顯示，實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)、一鍵停止、一鍵復(fù)位等功能，如圖1所示。

圖1 主通風(fēng)機(jī)PLC在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)可提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障，并給出可能的解決方案，系統(tǒng)把計(jì)算結(jié)果、監(jiān)測(cè)狀態(tài)結(jié)果推送至智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)、客戶桌面端或移動(dòng)APP端，為中控值班人員、現(xiàn)場(chǎng)巡視人員、設(shè)備維保人員、管理人員提供智能決策(如圖2所示)。

圖2 通風(fēng)系統(tǒng)故障診斷

智能控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)主要通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程開(kāi)、停切換控制，并能同步完成主要通風(fēng)機(jī)開(kāi)啟時(shí)附屬閘門、插板門自動(dòng)聯(lián)鎖的控制，如圖3所示。通過(guò)設(shè)置監(jiān)控分站、伺服電機(jī)等方式，實(shí)現(xiàn)風(fēng)硐的閘板門遠(yuǎn)程控制。井下發(fā)生火災(zāi)時(shí)，智能決策反風(fēng)方案，自動(dòng)打開(kāi)風(fēng)井防爆門，控制風(fēng)機(jī)翻轉(zhuǎn)，并根據(jù)井下實(shí)際情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)頻率，使反風(fēng)量達(dá)到安全要求。

圖3 主通風(fēng)機(jī)的智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 局部通風(fēng)機(jī)

察哈素煤礦共配備5個(gè)掘進(jìn)工作面，2個(gè)連采工作面的局部通風(fēng)機(jī)型號(hào)為FBDNo6.3/2×30；3個(gè)綜掘工作面局部通風(fēng)機(jī)型號(hào)為FBDYNo6.7/2×37。在局部通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口、風(fēng)筒出風(fēng)口安設(shè)變頻器和風(fēng)速傳感器如圖4所示。

圖4 局部風(fēng)機(jī)變頻器和風(fēng)筒風(fēng)速傳感器

風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)采用PLC通過(guò)Modbus通訊協(xié)議與變頻器組成的控制系統(tǒng)與局部風(fēng)機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)調(diào)控。調(diào)控內(nèi)容包括掘進(jìn)工作面按需供風(fēng)、自動(dòng)排放瓦斯、主備風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換和遠(yuǎn)程無(wú)人啟動(dòng)等。其中，當(dāng)局部風(fēng)機(jī)需要啟動(dòng)時(shí)，首先檢查局部風(fēng)機(jī)附近瓦斯?jié)舛?，如果濃度在允許范圍內(nèi)，可通過(guò)遠(yuǎn)程送電啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，如圖5所示。

圖5 局部通風(fēng)機(jī)PLC智能調(diào)控系統(tǒng)

2.3 風(fēng)門和風(fēng)窗

根據(jù)智能通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)需要，將已有風(fēng)門和風(fēng)窗升級(jí)為遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)型。遠(yuǎn)程控制具有“自動(dòng)”、“手動(dòng)”、“遠(yuǎn)程”三種運(yùn)行模式，各種模式可進(jìn)行自主切換，且每組風(fēng)門可單獨(dú)設(shè)定工作模式，互不影響。通過(guò)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)。

3 通風(fēng)參數(shù)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)

礦井通風(fēng)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)將有助于實(shí)時(shí)掌握礦井通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)情況，變?nèi)斯ざㄆ跍y(cè)量為在線實(shí)時(shí)測(cè)量，數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，減少測(cè)風(fēng)人員數(shù)量，有利于提高礦井安全管理水平和自動(dòng)化水平。

3.1 多參數(shù)大氣壓傳感器

巷道的阻力監(jiān)測(cè)，需要對(duì)應(yīng)通風(fēng)巷道的始末節(jié)點(diǎn)分別采集對(duì)應(yīng)的風(fēng)速、絕對(duì)壓力、溫度和濕度，必需配置多參數(shù)大氣壓傳感器。通風(fēng)阻力測(cè)量可以采用壓差計(jì)法和氣壓計(jì)同步法，但壓差計(jì)法需要現(xiàn)場(chǎng)安裝取壓管，存在取壓困難、漏風(fēng)、后期維護(hù)困難的問(wèn)題。氣壓計(jì)同步法與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)全礦井的所有通風(fēng)參數(shù)準(zhǔn)同步測(cè)量，精度較高。氣壓計(jì)同步法對(duì)大氣壓傳感器的精度提出了非常高的要求，服務(wù)于氣壓計(jì)同步法做通風(fēng)精準(zhǔn)測(cè)量，需要使用多參數(shù)大氣壓傳感器。

3.2 超聲波風(fēng)速儀

礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)準(zhǔn)確計(jì)算的前提是通風(fēng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)以采用大距離超聲測(cè)風(fēng)技術(shù)，以中線風(fēng)速代表巷道平均風(fēng)速，巷道風(fēng)速測(cè)量的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性明顯得到了提高。超聲波風(fēng)速儀是采用時(shí)差超聲測(cè)速原理，以兩個(gè)超聲波探頭采集的風(fēng)速信號(hào)為基礎(chǔ)，利用主控板計(jì)算并得出具體風(fēng)速，通過(guò)RS485信號(hào)方式直接或通過(guò)其它通信分站傳輸至地面，如圖6所示。

圖6 超聲波風(fēng)速儀

3.3 全斷面精準(zhǔn)測(cè)風(fēng)裝置

通過(guò)地面遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)下發(fā)指令到地下控制裝置，利用動(dòng)力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)精準(zhǔn)測(cè)風(fēng)傳感器，在保持統(tǒng)一水平面上進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)，借助分站，通過(guò)環(huán)網(wǎng)將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至軟件平臺(tái)，經(jīng)計(jì)算得到實(shí)時(shí)風(fēng)量。最終實(shí)現(xiàn)巷道全斷面智能無(wú)人精準(zhǔn)測(cè)風(fēng)，全斷面精準(zhǔn)測(cè)風(fēng)裝置在巷道內(nèi)的布設(shè)如圖7所示。

3.4 通風(fēng)阻力精準(zhǔn)測(cè)定

借助超聲波風(fēng)速傳感設(shè)備和礦用高精度氣壓計(jì)對(duì)大氣壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)測(cè)量出各條巷道的斷面尺寸、風(fēng)量、風(fēng)阻、摩擦阻力系數(shù)等數(shù)據(jù)及礦井通風(fēng)設(shè)施的通風(fēng)阻力數(shù)據(jù)，計(jì)算得出通風(fēng)設(shè)施風(fēng)阻，進(jìn)行誤差校驗(yàn)。最終實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)參數(shù)的精準(zhǔn)把控，為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建、通風(fēng)解算、井下調(diào)風(fēng)、系統(tǒng)優(yōu)化等提供真實(shí)可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。在關(guān)鍵井巷測(cè)風(fēng)站布置多點(diǎn)測(cè)風(fēng)裝置，即可組成全自動(dòng)高效測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，5 min內(nèi)完成全礦井自動(dòng)測(cè)風(fēng)，自動(dòng)計(jì)算測(cè)風(fēng)結(jié)果，自動(dòng)生成測(cè)風(fēng)報(bào)表，自動(dòng)完成測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)上圖；提高測(cè)風(fēng)精度，提高測(cè)風(fēng)風(fēng)量數(shù)據(jù)閉合性；降低測(cè)風(fēng)員工作強(qiáng)度；縮短全面測(cè)風(fēng)周期。

4 結(jié)論

(1) 本研究以察哈素煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的智能化架構(gòu)為目標(biāo)，針對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)、局部風(fēng)機(jī)、風(fēng)門、風(fēng)窗等主要通風(fēng)裝置的改造升級(jí)和實(shí)時(shí)在線平臺(tái)的搭建實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的智能化。

(2) 對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)加裝風(fēng)機(jī)性能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控，主要通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程開(kāi)、停切換控制，并接入智能化通風(fēng)系統(tǒng)。對(duì)于局部通風(fēng)機(jī)，在吸風(fēng)口、風(fēng)筒出風(fēng)口安設(shè)變頻器和風(fēng)速傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)局部風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)調(diào)控。

(3) 構(gòu)建了礦井通風(fēng)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用多參數(shù)大氣壓傳感器、超聲波風(fēng)速儀、全斷面精準(zhǔn)測(cè)風(fēng)裝置實(shí)現(xiàn)通風(fēng)阻力的精準(zhǔn)測(cè)定，為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建、通風(fēng)解算、井下調(diào)風(fēng)、系統(tǒng)優(yōu)化等提供真實(shí)可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。