基于智慧礦山體系下的煤礦智能化通風系統的構建與應用

王錦鵬

(柳林縣安全生產應急救援指揮中心,山西 柳林 033300)

煤礦通風系統作為煤礦井下重要保障系統其主要功能是向井下輸送空氣,以保障工人呼吸所需。有效控制礦井中的風流,稀釋和排出煤礦開采過程中的各種有毒有害氣體、粉塵等,防止事故發生,是井下工作人員提供安全的通風作業環境的必要條件。隨著5G通信網絡技術的出現與發展,物聯網技術不斷更新迭代。基于“智慧礦山”體系去構建智能化通風系統,將先進的物聯網技術、數字化技術、智能化技術應用到煤礦通風系統中,正在逐步成為現實[1-3]。

1 現代化煤礦對智能化通風系統的需求

1.1 行業變革使煤礦智能化成為剛需

“機械化減人、自動化換人”和煤礦綠色、安全、高效生產的發展趨勢,以及5G通信網絡技術更新推動了煤礦智能化建設。山西省政府多部門聯合出臺《山西省煤礦智能化建設實施意見》明確了要從2020年到2022年推動10座智能化示范煤礦和50個智能化綜采示范工作面建設,并制定了規范化標準,同時對智能化子系統做出明確規范要求。煤礦實現智能化已成為必然,煤礦通風系統作為煤礦的重要組成部分也將加入這一趨勢[4]。

1.2 煤礦自身發展的需要

我國傳統中小型煤礦采用的是傳統的高壓直啟和簡單的在線監測組合的控制方式。礦井主要設置風門、風窗來實現為工作面配風。井下通風系統監測基站多布置在井底車場附近,設備啟動在井下就地操作,用配電柜來控制設備的啟停,系統的在線監測由簡單的幾個傳感器組成。回采工作面是采用“U”型通風方式,這種通風系統自動化水平較低,控制模式原始且簡單,存在嚴重的安全隱患,已經不能適應新時期煤礦發展的需求。而很多大型煤礦采用的是在傳統的高壓直啟模式上增加在線監測和PLC后臺組合控制。系統可以通過PLC實現計算機控制及遠程操作,可采集設備啟停開關量及在線運行模擬量數據,并能將設備數據上傳調度中心,但此系統的弊端在于在井下情況發生改變且超出計算機可控參數范圍時,必須人工調整風量控制模塊的計算機控制程序才能實現風量輸送調整,不能滿足煤礦無人化、自適應調風、智能化控制需求。

2 基于智慧礦山體系下的煤礦智能化通風系統

煤礦智慧礦山是將物聯網、云計算、大數據、人工智能、自動控制、工業互聯網、機器人裝備等技術深度融合,形成礦山全面感知、實時互聯、分析決策、自主學習、動態預測、協同控制的完整智能系統,實現礦井采掘、運輸、生產等智能化運行[5-6]。智慧礦山的“大腦”是中央管控中心,煤礦智能化通風系統作為智慧礦山的子系統之一,必須保證子系統與主系統的兼容性,以及各系統和技術相互銜接與融合。一個完整的智慧礦山系統如圖1所示,包括了智能采掘系統、智能地質勘測系統、智能主輔運輸系統、智能綜合安全保障系統(包含智能通風系統、智能排水系統、智能供電系統)。其中智能化通風系統是屬于煤礦井下智能綜合安全保障系統的子系統之一,需要與主系統聯網,實時傳輸與共享數據。因此，要確保主系統在調配各系統資源設備運行時,能夠充分利用和參考通風系統的參數,實現煤礦井下各子系統資源的高效協同利用。

圖1 智慧礦山體系架構圖

3 煤礦智能化通風系統的構建與應用

近年來,煤礦紛紛進行通風系統技術升級改造,如在山西、山東、陜西等大型高瓦斯煤礦礦井,采用了新型PLC控制系統和在線監測組合方式,硬件系統采用軟件遠程啟動控制,以專用通訊方式與PLC和控制部分上位機相連,實現了控制、拖動、在線監測一體化。通過采集模塊獲得現場數據,包括供電系統數據、設備運行監測數據、通風工藝數據等,并將所有數據傳輸給控制系統PLC和上位機,系統集成化程度高,使整個系統有機融合,無縫銜接。這種控制方式屬于現有煤礦自動化最為先進的控制方式之一,系統的自動化程度高,控制量與在線監測量多,其在技術裝備、軟件系統、人員素質等基礎條件上,為構建煤礦智能化通風系統奠定了堅實的基礎。

在智慧礦山體系下構建煤礦智能化通風系統,主要包括(如圖2所示)高速網絡傳輸系統、智能分析與調控系統、高精準感知技術裝備系統、風網監測與隱患辨識預警系統等4大核心應用系統。

圖2 煤礦智能化通風系統架構圖

3.1 高速網絡傳輸系統

傳統網絡傳輸系統,在實際控制中從發出指令到設備調整具有較長延時,往往在延時的幾秒鐘,事故已發生,因此智能化煤礦需要提供遠程超低延時控制，以實現地面井下的低延時或無延時通訊,快速得出最新實時需風量,迅速完成對用風量和用風點的提前計算和調控。5G網絡的出現,與高速光纖環網及其延伸礦用設備的出現使網絡實時傳輸成為可能,能夠實現低延時甚至無延時傳輸數據信號。例如，山西塔山煤礦,在煤礦建設5G通信基站,利用礦用通信電纜組成礦井光纖子網絡,與煤礦人員定位網絡交換機跨級連接,借助人員定位環網,同時配合使用井下高精度傳感器,可以實時傳輸給地面智能管控工作臺。

3.2 智能分析與調控系統

傳統計算機程序與人工智能的區別在于,傳統計算機程序是按設定的數學模型及輸入參數得出相應結果,但井下環境是復雜多變的,一旦出現非常規問題,例如非標準形式輸入的異常參數,計算機會輸出“錯誤”報警,無法生成其程序控制以外的應急情況的指令。人工智能因其強大的自我學習能力,在面臨突發情況和非常規問題時,系統可以像人一樣學習進步,通過對數據的分析，做出最正確的應急處置決策。智能分析與調控系統是智能化通風系統的大腦,目前已有中煤科工集團重慶研究院、中國礦業大學、華北科技學院等多家科研院所參與研發,可對煤礦通風系統各種問題和常規通風系統任務進行分析處理,并對通風命令加以優化。例如，當監測數據偏離預設風量時,修正模塊進行調整;當監測數據提示風量不符合實際需要時,應用風網計算軟件進行計算,重新調整巷道預設風量值,并啟動調風。對井下不同開采煤層、開采區域、采掘工作面之間風量合理調配,以保障極限風量條件下的產量安全、合理調控。

3.3 高精準感知技術與裝備系統

高精準感知技術與裝備系統是實現通風系統智能化的載體。目前，中煤科工集團重慶研究院在裝備技術上較為領先，并為陜煤化工集團黃陵礦業安裝了該系統。其智能化通風系統安裝有傳感器裝備，運用物聯網技術可將傳感器鏈接至控制中心網絡組中以實現傳感器數據的實時傳輸。同時，采用高靈敏度電容式大氣壓力測量元件以實現壓差、溫度、濕度參數同步精測；利用自動化通風裝置、高精度風速傳感器以及智能化安全監控機器人實現數據的精準獲取。此外，該系統具有風阻類比數據庫和通風參數自校準功能，有通風二維、三維一體化及有毒氣體全時域動態分析功能。該系統在陜煤化工集團黃陵礦的監測準確率可達到95%。

3.4 風網監測與隱患辨識預警系統

風網監測與隱患辨識預警系統所具有的功能主要在于利用靜、動態通風參數，通過通風網絡動態分析，達到對所有巷道通風參數實時監測。并且實現與地測、采掘、運輸、監控等系統聯動運行，可繪制通風網絡系統圖和通風系統立體示意圖。該系統可以通過對風機選型與調節、自然分風、按需分風等數據的分析運算得到礦方所需要的巷道通風系統最優設計與改造方案、風量最優調節與控制計劃、風網及風機的最優管理、通風系統故障的最準確診斷等一系列最優解，并可無縫對接瓦斯監測系統。該系統可通過大數據分析井下實時動態監測數據(這些數據包括串風通風、風速超限、風流短路或斷路、循環風等)對安全隱患進行自動識別，當安全隱患出現時該系統可自動報警。

3.5 智慧礦山體系下構建智能化通風系統

以山西焦煤集團馬蘭礦為例。馬蘭礦是高瓦斯礦井,采用智能通風與實施監測控制系統后,井上控制室能夠實時監控馬蘭礦18506工作面的回風量。其智慧礦山中央管控中心將井下瓦斯監測系統與控制中心實時聯網,實現跨系統實時聯動。馬蘭礦將工業環網升級改造,井下鋪設5G專網,建成了井下高速網絡傳輸系統,井下情況實現實時傳輸,井下參數可實時上傳至地面2D桌面系統上,形成可視化動態圖顯,礦井瓦斯抽采過程實現可視化動態管理。在智能分析與調控系統方面,計算機軟硬件系統整體升級,導入智能AI大數據庫和自適應調控模塊,運用大數據AI分析技術,對煤礦井下通風風量需求進行超前預判，對事故隱患精準預警。馬蘭礦在高精準感知技術裝備上,使用智能無人化“智能巡檢機器人”,具有自動避障和人機對話功能,24 h無人化不間斷巡視,對巡檢范圍的瓦斯濃度、氧氣含量等采集、分析,檢測到異常情況立即報警、控制停機,極大地減少了人力投入。馬蘭礦通過通風智能化建設,實現了減人提效,減少了事故隱患,避免了煤礦通風事故造成的災害,提高了企業的經濟效益,成為山西智能化工作面建設的示范煤礦。

4 結論

在智慧礦山體系下構建智能化通風系統，將為煤礦帶來更多、更長遠的利益。在智慧礦山整體框架下構建的智能化通風系統,會具有更強的系統和數據兼容性,更有利于煤礦的智能化整體升級改造,減少煤礦企業重復建立系統的資金投入。智能化通風系統能夠實現24 h不間斷實時在線監控與智能調控,極大提高通風系統的工作效率。其次,智能通風系統的建成也將會減少人員值班,實現井下減人,降低了煤礦安全事故的危害,從而更好地為煤礦提高經濟效益。