礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)設(shè)計

顧士成 袁樹杰 馬瑞峰

摘 要：為了研究礦井智能化調(diào)風(fēng)，防治礦井瓦斯危害，現(xiàn)將調(diào)風(fēng)理論與智能化系統(tǒng)通過軟件編程結(jié)合，設(shè)計了一套智能化管控系統(tǒng)，以達(dá)到礦井通風(fēng)系統(tǒng)中減人、省時、降耗等目的。同時，將該礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)應(yīng)用于山西省潞安集團(tuán)李村煤礦，驗證該系統(tǒng)的有效性。結(jié)果表明：該系統(tǒng)的應(yīng)用，減少了通風(fēng)系統(tǒng)中相關(guān)工作人員的數(shù)量，也提高了相關(guān)工作效率。

關(guān)鍵詞：礦井;智能通風(fēng);通風(fēng)調(diào)節(jié)

中圖分類號：TD724文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）10-0045-03

Design of Intelligent Control System for Local Ventilation in Coal Mine

GU Shicheng1 YUAN Shujie1 MA Ruifeng2

（1.School of Safety Science and Engineering， Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001;2.Hunan Ping'an Mine Safety Technology Co.， Ltd.，Xiangtan Hunan 411100）

Abstract： In order to study the intelligent air regulation of mine and prevent the mine gas hazard， this paper combined the air regulation theory with the intelligent system through software programming， and designed a set of intelligent management and control system， so as to achieve the purpose of reducing people， time and consumption in the mine ventilation system. At the same time， the mine ventilation intelligent management and control system was applied to Lichun Coal Mine of Lu'an Group in Shanxi province to verify the effectiveness of the system. The results show that： the application of the system reduces the number of related staff in the ventilation system， and also improves the related work efficiency.

Keywords： mine;intelligent ventilation;ventilation regulation

我國是能源消耗大國，根據(jù)2020年發(fā)布的《BP世界能源統(tǒng)計年鑒》可知：煤炭仍然是我國的主要能源物質(zhì)，其消耗量仍在不斷增加，故加強對煤礦安全的研究，具有十分重要的意義。瓦斯災(zāi)害事故一直威脅著煤礦安全生產(chǎn)的健康發(fā)展，在煤礦安全生產(chǎn)事故中，瓦斯災(zāi)害事故占主導(dǎo)地位。為了防治瓦斯事故，加強對通風(fēng)的研究極為重要。防治瓦斯異常涌出的方法有分源治理、分級分類治理及綜合治理等。國內(nèi)外學(xué)者提出了提高瓦斯抽采率及增大瓦斯異常工作面的通風(fēng)量等措施來防治瓦斯異常涌出[1-2]。李永剛將變頻技術(shù)與PLC（可編程邏輯控制器）相結(jié)合，以實現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)風(fēng)，并可在線監(jiān)測風(fēng)機(jī)的運行狀態(tài)等參數(shù)[3]。陳帥等通過對局部通風(fēng)遠(yuǎn)程集中管控系統(tǒng)的設(shè)計需求進(jìn)行分析，設(shè)計了系統(tǒng)控制界面、構(gòu)架以及運行環(huán)境，實現(xiàn)了對局部通風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)的智能控制和監(jiān)測，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定具有重要意義。Bascompta Marc等通過對某礦井通風(fēng)回路溫度、風(fēng)流和巷道長度等實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立了礦井通風(fēng)回路預(yù)測模型[5]。本文運用風(fēng)量調(diào)節(jié)理論和智能化通風(fēng)技術(shù)，設(shè)計了礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能調(diào)風(fēng)功能。

1 通風(fēng)調(diào)節(jié)理論

1.1 風(fēng)量調(diào)節(jié)原理

當(dāng)一個通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，分支網(wǎng)絡(luò)所需風(fēng)量與其分配風(fēng)量不同時，有

[j=1naijRjQjQj-Hfi-Hpi≠0i=0，1，2，…，m]? ? ? （1）

式中：[Rj]表示分支風(fēng)阻值，N·s2/m8;[Qj]表示分支風(fēng)量值，m3/s;[Hfi]表示閉合回路中風(fēng)機(jī)風(fēng)壓值，Pa;[Hpi]表示閉合回路中自然風(fēng)壓值，Pa;[m]表示風(fēng)網(wǎng)中回路數(shù);[n]表示風(fēng)網(wǎng)中分支數(shù);[aij]表示向量函數(shù)值。當(dāng)[aij]=0時，表示支路不在回路上;當(dāng)[aij]=1時，表示支路在回路上，且風(fēng)向相同;當(dāng)[aij]=-1時，表示支路在回路上，且風(fēng)向相反。

要使式（1）等號成立，則需要在獨立分支回路中增加相對應(yīng)的風(fēng)壓[ΔH]，如式（2）和式（3）所示：

[j=1naijRjQjQj-Hfi-Hpi-ΔHi=0i=0，1，2…，m]? ? （2）

[ΔHi=j=1naijRjQjQj-Hfi-Hpii=0，1，2…，m]? ? ? ? （3）

當(dāng)[ΔH]>0時，表示支路需要增大風(fēng)阻;當(dāng)[ΔH]<0時，表示支路需要減小風(fēng)阻。

1.2 風(fēng)量調(diào)節(jié)方法

常見的風(fēng)量調(diào)節(jié)方法有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分支風(fēng)阻調(diào)節(jié)法、風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)法及聯(lián)合調(diào)節(jié)法。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分支風(fēng)阻調(diào)節(jié)法主要通過降阻調(diào)節(jié)法、增阻調(diào)節(jié)法以及增壓調(diào)節(jié)法來調(diào)控風(fēng)網(wǎng)中的風(fēng)量。風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)法通過調(diào)整風(fēng)機(jī)的葉片角度或者改變風(fēng)機(jī)風(fēng)速來調(diào)整風(fēng)網(wǎng)中的風(fēng)量。風(fēng)機(jī)調(diào)速通常采用變頻調(diào)節(jié)，變頻器的工作原理如圖1所示。聯(lián)合調(diào)節(jié)法是綜合上面兩種方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，理論上效果應(yīng)更優(yōu)，但實際操作較為復(fù)雜、耗時長，故實際對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)風(fēng)時，優(yōu)選前兩種方法。

2 礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)及組成

礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)運行的環(huán)境配置如下：系統(tǒng)操作平臺為Windows Server，采用64位CPU（Central Processing Unit，中央處理器），所配備的系統(tǒng)內(nèi)存不小于4 GB，并配備一個不小于100 GB的硬盤;數(shù)據(jù)庫平臺采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫;Web服務(wù)器采用Tomcat 8.5服務(wù)器;運行環(huán)境為Java Development Kit 1.8。

礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)的硬件部分包括：智能化采控器（KFAQ02）、礦用分線裝置（JH18）、礦用交換機(jī)、變頻器（BPB2-75/1140F）、智能開關(guān)（QJZ-160/1140（660）F）、聲光報警器、瓦斯和風(fēng)速（量）等參數(shù)測量傳感器、攝像儀、礦用不間斷電源及礦用本安型計算機(jī)等。將上述設(shè)備安裝在井下風(fēng)機(jī)附近的合理位置，組成一套通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)，整體框架如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

將上述設(shè)備安裝在井下通風(fēng)機(jī)附近的合適位置，通過網(wǎng)線、光纖及RS485線連接，使所有設(shè)備均可與采控器通信，并且采控器采集的數(shù)據(jù)及參數(shù)可通過交換機(jī)傳輸至工業(yè)環(huán)網(wǎng)，最后傳輸至地面。

若巷道內(nèi)瓦斯等有毒有害氣體濃度達(dá)到預(yù)警濃度的20%，則聲光報警器、井下管控硐室及地面管控系統(tǒng)開始報警;若巷道內(nèi)瓦斯等有毒有害氣體濃度達(dá)到預(yù)警濃度的50%，則聲光報警器、井下管控硐室及地面管控系統(tǒng)開始報警，且系統(tǒng)會采用風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)法或分支風(fēng)阻調(diào)節(jié)法來增大整個通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的通風(fēng)量，使瓦斯等有毒有害氣體排出礦井;若巷道內(nèi)瓦斯等有毒有害氣體濃度達(dá)到預(yù)警濃度的100%，則聲光報警器、井下管控硐室及地面管控系統(tǒng)開始報警，且系統(tǒng)會使整個通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的風(fēng)機(jī)全部以最大通風(fēng)量工作來增大通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的通風(fēng)量，使瓦斯等有毒有害氣體排出礦井。將上述語言轉(zhuǎn)換成編程語言，燒寫至智能化采控器和井下及地面計算機(jī)中。

整個系統(tǒng)采取三級管控：一級管控是地面管控平臺，主要包括計算機(jī)、管控系統(tǒng)（軟件）、數(shù)據(jù)庫以及大屏幕（顯示器）等;二級管控是指井下管控硐室，主要包括礦用本安型計算機(jī)和管控系統(tǒng)（軟件）等;三級管控是現(xiàn)場管控，主要包括管控系統(tǒng)（軟、硬件）和智能開關(guān)管控程序等。對于整個系統(tǒng)的三級管控，礦方可根據(jù)自身需求自行選擇一級和三級管控、二級和三級管控或者三級管控全選。

2.3 應(yīng)用實例

山西省潞安集團(tuán)李村煤礦響應(yīng)國家煤礦智能化的號召，在西輔配電站及西翼進(jìn)風(fēng)巷兩處的風(fēng)機(jī)安裝了智能化管控系統(tǒng)。將上述所有設(shè)備安裝完成，并且將所寫的軟件程序燒寫入采控器及計算機(jī)中，調(diào)試完成后，礦方可以實現(xiàn)如下功能：①礦井西輔配電站及西翼進(jìn)風(fēng)巷兩處通風(fēng)系統(tǒng)可以實現(xiàn)三維顯示及動態(tài)監(jiān)測;②實現(xiàn)礦井西輔配電站及西翼進(jìn)風(fēng)巷兩處通風(fēng)系統(tǒng)中饋電開關(guān)、智能開關(guān)、風(fēng)機(jī)、各類傳感器等所有設(shè)備的集中管理;③實現(xiàn)與西輔配電站及西翼進(jìn)風(fēng)巷兩處通風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備及其他系統(tǒng)的無人值守和故障診斷與分析;④根據(jù)智能管控系統(tǒng)采集的瓦斯?jié)舛鹊认嚓P(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能變頻調(diào)風(fēng);⑤關(guān)聯(lián)礦井其他系統(tǒng)，如安全控制系統(tǒng)等，進(jìn)行整體分析;⑥留有融合其他系統(tǒng)的備用接口，為實現(xiàn)全礦智能化管控奠定基礎(chǔ)。通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)井下及地面管控平臺顯示畫面如圖3所示。

山西省潞安集團(tuán)李村煤礦通過Admin的賬號及123456的密碼在如圖4所示的登錄界面進(jìn)行登錄。登錄成功后，即可進(jìn)入管理首頁，如圖5所示。管理首頁可顯示西輔配電點及西翼進(jìn)風(fēng)巷兩處有關(guān)通風(fēng)機(jī)的瓦斯?jié)舛?、風(fēng)機(jī)溫度及振動等相關(guān)信息。在該頁面點擊“昨日信息”，即可進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)備忘錄，查看風(fēng)機(jī)的昨日相關(guān)數(shù)據(jù)，點擊“返回”，即可回到首頁。

3 結(jié)論

①礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)通過軟件編程，將通風(fēng)調(diào)節(jié)理論和智能化管控系統(tǒng)相結(jié)合，可以實現(xiàn)根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中各區(qū)域瓦斯等有毒有害氣體濃度進(jìn)行智能化調(diào)風(fēng)的目標(biāo)，使礦井內(nèi)瓦斯等有毒有害氣體始終控制在安全范圍內(nèi)。此外，還減少了通風(fēng)系統(tǒng)工作人員的數(shù)量和工作量，滿足國家提出的“機(jī)械化換人、自動化減人”和“五型四化”的號召。

②通過智能化系統(tǒng)的研究與建設(shè)，可以實現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)與數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與顯示、集中管理通風(fēng)系統(tǒng)中的所有設(shè)備以及根據(jù)瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)進(jìn)行實時智能調(diào)風(fēng)等功能。

③山西省潞安集團(tuán)李村煤礦通過在西輔配電站及西翼進(jìn)風(fēng)巷兩處建立礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)智能化管理這兩處的多臺風(fēng)機(jī)，減少了通風(fēng)系統(tǒng)中相關(guān)工作人員的數(shù)量，也提高了相關(guān)工作效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯少杰.煤礦瓦斯治理過程控制理論及應(yīng)用研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2010：1-189.

[2]胡利明.煤礦復(fù)雜風(fēng)網(wǎng)“瓦斯異常涌出—變頻調(diào)風(fēng)稀釋”自動控制理論及方法研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2014：1-168.

[3]李永剛.基于PLC控制的變頻調(diào)速通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)[D].太原：太原理工大學(xué)，2012：1-92.

[4]陳帥，袁樹杰，馬瑞峰.局部通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程集中管控系統(tǒng)研究[J].中國金屬通報，2020（9）：67-68.

[5]MARC B，JOSEP M R，LLU?S S，et al. Temperature Prediction Model in the Main Ventilation System of an Underground Mine[J].Applied Sciences，2020（20）：7238-7248.