余吾煤業(yè)智能通風系統構建方法及其關鍵技術研究

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）

隨著國內外人工智能、自動化技術不斷發(fā)展，利用煤炭的智能化、機器化開采高新技術用以保障我國煤礦企業(yè)的安全生產已成為行業(yè)發(fā)展關鍵趨勢[1-3]。礦井通風系統是煤礦重要的生產系統，保證采區(qū)及礦井通風不失效是所有生產礦井重要的任務，一旦通風系統失效，會導致瓦斯積聚，甚至發(fā)生瓦斯爆炸[4-6]。確保礦井通風系統不失效和降低通風系統失效范圍是降低礦井事故的重要技術，科學合理的通風系統是其最重要的保障。在礦井智能通風系統研究方面，吳楊[7]闡述了煤礦智能通風系統的基本概念，重點探討了智能通風系統實現的關鍵技術，為煤礦智能化建設提供一定參考；郭煒舟等[8]針對葫蘆素煤礦目前通風監(jiān)測實時性差、通風設施未實現遠程調控、風量調節(jié)過程復雜低效等問題，從智能通風系統組成、原理、功能等方面設計并建成了葫蘆素煤礦一體化通風智能管控系統，實現了礦井風量實時同步監(jiān)測、風量遠程調控和通風系統故障診斷；張智韜等[9]從狀態(tài)感知、控制算法和調控策略3 個方面梳理了智能通風調控系統的現狀，提出了以邊緣端“感控一體”為核心的邏輯框架；針對傳統框架中狀態(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)和設備聯動的決策與控制理念；白銘波等[10]構建了基于基礎參數動態(tài)感知、通風設備智能管控、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、調風自動化、區(qū)域反風智能化、火災防控超前化四項關鍵技術，顯著提高了韓家灣煤礦通風系統自動化和智能化水平。綜合文獻分析，智能通風系統建設對于煤礦安全生產至關重要。

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

1 智能通風系統總體構架

余吾煤業(yè)智能通風系統的優(yōu)化與災害應急調控，均依賴于智能感知子系統能夠快速精準地獲取通風參數，對智能模擬風網運行狀態(tài)進行通風網絡實時解算，礦井通風參數智能感知子系統通過布設多區(qū)域傳感器實現對礦井通風參數及礦井關鍵路線阻力等在線實時監(jiān)測，實時準確地構建風網運行狀態(tài)，不僅為風網實時解算提供精準的數據基礎，也實現監(jiān)控數據最大化的高效利用，實現風門、風窗、局部通風機等通風設施遠程監(jiān)控和智能調節(jié)。智能通風系統總體構架如圖1。

圖1 智能通風系統總體構架圖

2 智能通風系統設計方案

2.1 主體技術方案設計

采用現場測試、軟件開發(fā)等手段進行研究，以全礦井通風系統為研究工程背景，以智能通風系統建設與分析為主要手段，結合通風網絡結構分析和通風動力所負擔的區(qū)域分析，最終實現該礦通風系統安全可靠、經濟合理運行以及便于管理的目標。采用基礎數據測試、計算機處理與實驗室仿真、工業(yè)試驗相結合的方法進行研究與應用。

結合該智能通風系統建設目標、技術服務內容及后續(xù)進度安排，確定主體技術方案：對該通風資料調查，分析相關智能通風技術資料，建立完善該智能通風子系統，利用智能通風子系統建立B/S 架構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，后對通風系統進行參數測試。結合利用智能通風綜合管控系統軟件進行礦井通風系統分析、優(yōu)化改造應用，提高通風系統的可靠性與穩(wěn)定性。

2.2 礦井風量遠程定量調控子系統風量調控設計

礦井風量遠程定量調控子系統風量，調控設計利用傳感器重點監(jiān)測用風區(qū)，進行風量參數監(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系，實現遠程風窗過風面積精確測控，達到風量有效調節(jié)。

利用通風參數智能感知子系統獲取通風參數數據，根據設定公式進行網絡解算，智能導出風量調控方案，通過礦井風量遠程定量調控子系統內部風窗與風量特性智能調控，提高礦井通風信息智能管理水平及優(yōu)化精度，提高通風系統運行可靠性、經濟性及災害應急穩(wěn)定性，為后續(xù)災變智能調控提供系統基礎。

2.3 通風災變風門風流調控系統設計

風門作為隔斷進、回風之間風路的主要設施，在正常生產期間需隔斷風流，方便行人過車，災變時智能調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，根據智能通風系統建設需要，該礦風門風流調控系統設計可實現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，設計火災智能監(jiān)測和風門遠程控制系統，針對排煙控災功能，設計遠程解鎖自動排煙系統。

通風災變風門風流調控系統在防止風流短路的基礎上，進一步實現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，為實現災變調整風路、反風等提供設計基礎。

2.4 局部通風機智能控制子系統設計

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設計時，應根據礦井通風系統實際情況，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可根據環(huán)境監(jiān)測結果通過變頻器與局部通風機聯合作用，動態(tài)調整局扇轉速，實現正常通風時按需（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速安全高效排放瓦斯，可實現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接入智能通風管控平臺可實現局部通風機工況參數遠程實時監(jiān)測，具備遠程調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 智能通風系統關鍵技術

通過對該礦通風資料調查，分析相關智能通風技術資料，建立完善該礦智能通風子系統，利用智能通風子系統建立B/S 架構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，并利用智能通風綜合管控系統軟件進行礦井通風系統分析及優(yōu)化改造應用，提高通風系統的可靠性與穩(wěn)定性。關鍵技術主要包括：通風監(jiān)測數據智能管控技術、地面主要通風機智能控制技術、三維礦井通風智能分析決策平臺構建及通風系統全局優(yōu)化改造方法。

3.1 通風監(jiān)測數據智能管控技術

為了實現該礦對通風系統的智能化管理，需要建立通風監(jiān)測大數據庫，對主要的數據包括傳感器識別各種參數以及攝像頭實時監(jiān)測圖像進行存儲。對于數據采集方面，井下布設的所有傳感器是系統中新布設的傳感器，可保證每20 s 采集一次數據，單個傳感器每天最多可采集2880 條數據，并存儲在數據庫中。大數據庫的作用主要是為監(jiān)測數據判別與分析、通風系統數值仿真與模擬、通風系統異常預警提供重要的支撐參數；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。

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

圖2 智能通風監(jiān)測大數據庫

3.2 地面主通風機智能控制技術

1）地面主通風機風險辨識

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

2）主通風機遠程調風功能實現

建立主通風機性能特性曲線數據庫，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據庫；構建地面主通風機目標工況決策算法，實現礦井通風阻力特性曲線與主要通風機特性曲線數據庫進行實時動態(tài)匹配，分析節(jié)能效果，實現主通風機目標工況智能調控。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 數據庫存儲所有圖形數據及礦井通風數據。表單服務程序負責與前端交互，礦井通風網絡分析程序負責提供礦井通風網絡解算與智能分析決策服務。

圖4 智能通風軟件邏輯框架

1）通風系統狀態(tài)識別

通過通風多源信息集成系統對通風數據的實時收集，能夠對風網數據進行匯總分析，經匯總處理后的數據通過智能通風決策及控制系統實現對風網的在線監(jiān)測。

2）通風網絡實時解算

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

3）通風網絡智能管理模塊

軟件系統采用B/S 架構，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對井下監(jiān)測監(jiān)控、風速、風壓、風量等數據的收集，實時監(jiān)控風網運行情況。一旦井下出現風網異常，如風流短路或斷路，根據反饋數據的差異迅速報警，實現風網的異常提醒，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、對阻力測定數據進行處理、校對與計算，得到礦井阻力測定分布情況，為通風系統優(yōu)調與優(yōu)控提供精準可靠的數據基礎。

在測試的基礎上，進行測定數據處理與風量、風壓平差算法實現，阻力測定數據處理與平差計算系統能夠實現阻力測定數據的錄入、修改和刪除等操作，并可以進行計算，同時提供阻力測定數據平差計算的功能，最大限度地降低測風誤差。

3.5 通風系統全局優(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)通風網絡結構分析，結合網絡結構的特點，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

對主要生產采區(qū)的通風系統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壓能參數分布及主要通風機性能狀況，實現通風動力與通風網絡合理匹配。通過通風系統預測與分析，提出通風系統整體調整與優(yōu)化方案，提高礦井整體通風能力，提高礦井有效風量率，保障通風系統可靠運行的同時，使整體功耗達到最小，實現礦井節(jié)能減排。

4 結語

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