基于實時監控系統的煤礦智能通風系統的研究

李義寶

（西山煤電（集團）有限責任公司，山西 太原 030053）

屯蘭礦地處西山煤電古交礦區，井田占地面積62.26 km2，可采儲量5.54億t。現開采2#、8#煤層，為Ⅱ類自燃煤層，2#煤層平均厚度2.98 m，8#煤層平均厚度3.33 m。我國煤礦通風按照通風方式分為礦井通風以及工作面通風。礦井通風具體分為兩翼對角式、中央并列式、分區式、混合式；工作面通風具體分為U型通風、Y型通風、W型通風、H型通風。該礦井通風方式主要是中央并列式，工作面通風方式主要是U型通風方式。該通風方式勢必會導致上隅角瓦斯聚集以及采空區漏風的增加。另外，目前井下測風的監測參數主要是通過通風員利用機械風表和秒表進行人工采集，最后將測量的數據帶到井上進行匯總分析。該方法存在較大的誤差，且存在分析滯后的問題，而且有的巷道環境相當惡劣，存在較大的風險。因此，利用智能通風系統不僅可以保證通風系統實時監測的準確性，還能有效降低通風技術人員的勞動量。

本文設計的智能通風系統由三個模塊組成，包括礦井實時監測模塊、數據處理及智能決策模塊、遠程控制模塊。通過實時監測系統監測通風網絡中瓦斯濃度、風速、風壓、溫度等數據，將采集到的數據按照預設的解算方法及解算時間間隔進行處理分析，利用PLC進行通風設施的遠程控制，最終實現智能化通風系統[1-5]。

1 實時監測系統與遠程控制

煤礦井下環境惡劣，為了保證系統能夠在高塵、高濕的環境下正常工作，選取PLC系統作為實時監測與遠程控制的核心。監控系統主要由數據采集/AD轉換模塊、數據分析與智能決策、遠程控制模塊組成，其工作原理如圖1。傳感器將采集到的風壓、風速、瓦斯濃度等環境信息通過A/D轉換模塊轉換成數字量之后通過EM235模塊傳送給PLC，再通過RS485模塊傳送至上位機中進行數據分析處理。如果有需求可以向下位機發送指令，由調控執行模塊進行控制。控制過程一般采用PID和模糊控制算法，通過對傳感器采集到的巷道內瓦斯濃度進行動態響應，來調節通風設施控制瓦斯濃度在允許范圍內。

圖1 實時監控系統工作原理

煤礦井下巷道結構復雜，風門除了具備遠程控制功能外，還需要有能夠檢測到行人或礦車自動開閉的功能，以及在特殊情況下手動操作控制風門打開的功能。在需要調節風門以及風窗開度的時候，地面人員在上位機中輸入風門風窗打開的角度，同時利用攝像機監測系統確定該風門暫無人員或者礦車通過時，遠程控制風門風窗達到預設的角度[6-8]。在正常情況下，風門可以自動運行，傳感器檢測到行人或者礦車時可以自動開啟；當井下停電時可以通過井下人員手動開啟；在緊急情況下，可以通過遠程控制開啟。遠程控制自動風門風窗示意圖如圖2、圖3。

圖2 遠程控制自動風門示意圖

圖3 遠程控制自動調節風窗示意圖

地面上位機監測程序使用西門子WinCC組態軟件進行組態，上位機具有數據顯示功能、風門開啟角度設置以及一鍵自動調節等功能。在進行操作時，首先使用賬號密碼登陸該系統，然后輸入風門需要開啟的角度，點擊一鍵調節按鈕即可實現遠程控制風門開啟角度的自動調節。在井下發生緊急狀況時，通過觀看風門的視頻監測畫面確認沒有人員和設備時，可以實現風門的緊急關閉，在緊急狀況解除時風門恢復正常狀態。

2 智能決策

2.1 通風網絡動態計算模型

對于通風節點而言，流入風量與流出風量的代數和為零。對于回路而言，通風網絡中任意回路或者網孔中的風流應遵守能量守恒定律。用方程表示為：

式中：hj為回路中分支j的通風阻力；pj為回路中分支j的通風動力，包括自然及機械風壓。

基于該原理，可以將非穩定狀態下的巷道風流看作一維流體，根據回路風壓平衡定律，可得到巷道i的空氣流動方程為：

式中：ρi為巷道i內空氣密度，kg/m3；Li為巷道i的長度，m；vi為巷道i內的風速，m/s；Hi為巷道i的通風阻力，Pa；Ri為巷道i的摩擦風阻，N·s2/m8；Qi為巷道i的風量，m3/s；g為重力加速度，9.8 m/s2；Zi為巷道i兩側高度差，m；hfi為巷道i內通風機壓力，m。

令巷道i的慣性系數Ki=ρiLi/Ai，其中Ai為巷道i斷面面積，得出一維流體動量方程：

假設在Δt時間內，巷道i的風量變化是均勻的，Q0i為巷道i初始時刻風量，則（dQi）/dt=（Qi-Q0i）/Δt，代入式（3），根據回路風壓平衡定律，可得非穩態條件下的回路風量修正值：

2.2 礦井通風智能決策主要模塊

2.2.1 拓撲分析模塊

在通風系統建模完成后，需要對通風網絡圖的分支、節點等拓撲關系進行檢查與分析，主要包括連通性分析、進回風井分析、通路分析等。必要的拓撲分析與修正是網絡解算成功的必要條件。

（1）連通性分析。連通性分析用于判斷通風系統圖是否連接，以便進行后續的網絡解算、網絡優化調節。利用遍歷分支算法將關聯節點加入到節點連通塊中，如果最終僅剩下唯一的節點連通塊則此通風系統圖為連通狀態。

（2）進回風井分析。進、回風井分析用于查找通風系統網絡中的進、回風口，以便在網絡解算中對進、回風口分支之間添加相應的虛擬分支以構造風量平衡、壓力平衡的回路。進回風井分析有著十分重要的工程意義。

（3）通路分析。通路分析目的是尋找通風網絡的所有通路，對于通風系統中最大阻力路徑及優化調節有著重要意義，常用的算法為深度優先搜索法。

2.2.2 數據檢查模塊

礦井下分支眾多，巷道環境復雜，需要記錄的數據類型眾多，一條巷道就需要記錄巷道長度、斷面面積、支護類型、風速、風壓等數據。在記錄過程中需要對各種類型的數據進行檢查，防止丟失某些關鍵數據導致后續模擬計算無法進行。

2.2.3 數據分析模塊

數據分析模塊主要用于最大阻力路線分析。最大阻力路線是通風網絡中從進風井至回風井的一條不含有構筑物的基準路徑。在通風系統優化時，如果某地供風量不足，需要利用最大阻力路徑計算其他路徑與最大阻力路徑的不平衡阻力值，在其他路徑增加阻力來使得該地點需風量達到要求。

3 應用

2018年6月在西山煤電屯蘭礦13307工作面進行測試，將試驗監測氣體改為CO2，當監測到試驗氣體濃度超限時，需要啟動相應的通風設施包括主通風機、風門、風窗以控制監測氣體達到正常濃度范圍內。試驗包括四扇風門、四扇風窗以及礦井主通風機，其中風門風窗的開閉狀態用布爾類型表示，1為全開，0為全閉。13307工作面氣體試驗結果見表1。在氣體慢速釋放條件下，開啟1扇風門、2扇風窗，主通風機頻率在30 Hz即可在124 s將試驗氣體濃度稀釋到1924×10-6；在快速條件下，需要提升主通風機頻率為60 Hz，可以在236 s將氣體濃度稀釋到1963×10-6。

表1 13307采煤工作面CO2氣體測試結果

4 結論

針對屯蘭礦內通風系統分散度高，難以實現對各通風單位運行情況進行自動監測的問題，結合該礦的實際情況，將一通三防系統與實時監控系統結合，構建智能化通風系統，實現通風網絡實時在線監測、通風數據智能決策、通風設施遠程控制等功能，有效提升了通風系統的智能化程度，不僅可以減少通風人員的作業強度而且還可以實現對于風量的智能調節。經過在該礦13307工作面進行氣體釋放測試試驗也驗證了該智能通風系統的可行性。