礦山智能供風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)在大尹格莊金礦的應(yīng)用

于濤 王啟健

摘要：針對大尹格莊金礦供風(fēng)系統(tǒng)人工巡檢工作量大、管路破損發(fā)現(xiàn)不及時、管理數(shù)據(jù)不可見等問題，在供風(fēng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點加設(shè)傳感器，獲取風(fēng)壓、流速、流量等供風(fēng)參數(shù)，在井下布置以太環(huán)網(wǎng)及無線覆蓋網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時上傳，基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，構(gòu)建礦井智能供風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)。通過實時在線監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢、供風(fēng)能耗分析、泄漏檢測等多重手段，實現(xiàn)了對大尹格莊金礦供風(fēng)系統(tǒng)的智能化管理。

關(guān)鍵詞：供風(fēng)系統(tǒng);管路監(jiān)測;傳感器;物聯(lián)網(wǎng);大數(shù)據(jù);智能分析

中圖分類號：TD72文獻標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）04-0051-05doi：10.11792/hj20210411

引 言

金屬礦山鑿巖爆破作業(yè)離不開空壓機供風(fēng)，地表空壓機的管理較為簡單，但井下供風(fēng)管路分支多，延伸范圍廣，當(dāng)管路發(fā)生破損后如何快速精準(zhǔn)定位成為礦山供風(fēng)系統(tǒng)管理的難題。目前，煤礦系統(tǒng)對此方面的研究較多，多通過建立管路實時監(jiān)測系統(tǒng)來解決此類問題[1-2]。

目前，招金礦業(yè)股份有限公司大尹格莊金礦（下稱“大尹格莊金礦”）擁有3處空壓機房，分別為主井、北風(fēng)井、南風(fēng)井空壓機房。其中，主井空壓機房有6臺40 m3空壓機，南風(fēng)井空壓機房有1臺60 m3和2臺40 m3空壓機，北風(fēng)井空壓機房有3臺40 m3空壓機。井下供風(fēng)管路采用D273×8、D219×7、D159×7、D133×5、D114×5多種管徑無縫鋼管。大尹格莊金礦井下生產(chǎn)設(shè)-140 m、-175 m、-210 m、-290 m、-380 m、-431 m、-496 m、-556 m、-616 m和-676 m 10個中段，目前主要在-380 m～-496 m中段采礦，-496 m～-676 m中段開拓，井下供風(fēng)管路通過井筒及斜坡道延伸到2個礦區(qū)的6個主力生產(chǎn)開拓中段。原采用的供風(fēng)系統(tǒng)管理辦法為3處空壓機房安設(shè)人員值守，井筒及巷道供風(fēng)管路無人巡查，當(dāng)供風(fēng)工作面壓力及風(fēng)量不足時安排人員全程巡檢，但管路及井筒管路檢查的復(fù)雜性等導(dǎo)致排查效率低，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。近年來，隨著信息化、智能化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)礦山供風(fēng)系統(tǒng)管路監(jiān)測方法迎來了變革，期望通過傳感器、數(shù)據(jù)傳輸、大數(shù)據(jù)分析等多重手段，構(gòu)筑一套新的礦山供風(fēng)系統(tǒng)管理方法，以減輕人員勞動強度，做好跑漏風(fēng)的監(jiān)測、監(jiān)控，提高礦山生產(chǎn)效率。

1 智能供風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)

大尹格莊金礦智能供風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)是在礦山物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，提取供風(fēng)系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)存儲與加工分析，通過與現(xiàn)場實際生產(chǎn)結(jié)合，在智能終端獲得分析結(jié)論，指導(dǎo)企業(yè)供風(fēng)系統(tǒng)管理，優(yōu)化指標(biāo)，降耗提效。智能供風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測范圍包含地表空壓機系統(tǒng)及井下供風(fēng)管路，監(jiān)測數(shù)據(jù)包含空壓機自動化系統(tǒng)參數(shù)、電能數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)（流量、壓力、溫度），主要功能包含數(shù)據(jù)實時采集監(jiān)控、視頻監(jiān)控、安全預(yù)警、數(shù)據(jù)分析等，系統(tǒng)應(yīng)用后實現(xiàn)了空壓機遠(yuǎn)程控制、能耗分析、井下壓風(fēng)管路泄漏監(jiān)測預(yù)警等。

大尹格莊金礦智能供風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)包含調(diào)度中心大屏監(jiān)測系統(tǒng)和礦山集成與展示平臺電腦客戶端。

1.1 調(diào)度中心大屏監(jiān)測系統(tǒng)

調(diào)度中心大屏監(jiān)測系統(tǒng)（見圖1）包含3部分：第一部分為空壓機房視頻監(jiān)控，可對空壓機房內(nèi)狀態(tài)進行可視化監(jiān)控;第二部分為供風(fēng)系統(tǒng)實時監(jiān)測界面，可實時觀測各空壓機房空壓機開啟數(shù)量、電流、電壓，停機狀態(tài)空壓機指示圖標(biāo)為黑色，運行時變成綠色，出現(xiàn)報警時變成紅色，同時可實時觀測各監(jiān)測點管路的空氣壓力、流量及流速;第三部分為供風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)看板，可了解當(dāng)日實時供風(fēng)量、日供風(fēng)量趨勢、各空壓機站日供風(fēng)量。

1.2 礦山集成與展示平臺電腦客戶端

礦山集成與展示平臺電腦客戶端包含空壓機歷史數(shù)據(jù)查詢、井下點位歷史數(shù)據(jù)查詢、供風(fēng)能耗查詢、泄漏檢測查詢4部分，各部分?jǐn)?shù)據(jù)查詢均設(shè)置了查詢時段選擇，便于對數(shù)據(jù)的查詢與分析。

1）空壓機歷史數(shù)據(jù)查詢。可查詢地表3處空壓機站各空壓機的電流歷史曲線，通過分析電流曲線，可掌握空壓機運行工況，當(dāng)電流異常時可及時發(fā)現(xiàn)并進行設(shè)備維修。空壓機歷史數(shù)據(jù)查詢界面見圖2。

2）井下點位歷史數(shù)據(jù)查詢。可實現(xiàn)對井下23處供風(fēng)管路監(jiān)測點的數(shù)據(jù)查詢，查詢包含實時流量和實時壓力查詢兩類數(shù)據(jù)，可了解每個監(jiān)測點任意時間段內(nèi)流量、壓力的變化。例如：當(dāng)某監(jiān)測點監(jiān)測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)漏風(fēng)時，實時流量將異常增加;當(dāng)該監(jiān)測點壓力異常減小時，可分析得出監(jiān)測點上游供風(fēng)管路發(fā)生異常，可能存在風(fēng)管破損等情況。井下點位歷史數(shù)據(jù)查詢界面見圖3。

3）供風(fēng)能耗查詢。可查詢地表3處空壓機站每個站點的日供風(fēng)量、日能耗及供風(fēng)單耗，通過數(shù)據(jù)的分析對比，可及時了解各空壓機站的工作情況，便于提高對站點的管理水平。供風(fēng)能耗查詢界面見圖4。

4）泄漏檢測查詢。在較長的一定時間段內(nèi)（可以是連續(xù)幾個月），由于生產(chǎn)情況不會發(fā)生大的變化，生產(chǎn)區(qū)域的用風(fēng)量也不會發(fā)生大的變化。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)相鄰測點測定數(shù)值的邏輯關(guān)系，設(shè)置測點間測定數(shù)值的比值，當(dāng)供風(fēng)泄漏統(tǒng)計表所統(tǒng)計的實時比值偏離預(yù)設(shè)值時，提示當(dāng)前供風(fēng)系統(tǒng)中這2個測點附近區(qū)域存在問題。泄漏檢測查詢界面見圖5。

2 工程應(yīng)用及效果

2.1 監(jiān)測點設(shè)計及傳感器安裝

2.1.1 監(jiān)測點設(shè)計

監(jiān)測點位的選擇是構(gòu)建監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的前提，選擇時應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)情況考慮井上、井下管路的關(guān)鍵節(jié)點，避免無效監(jiān)測點位。大尹格莊金礦智能供風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)施工點位覆蓋主要生產(chǎn)區(qū)域，共實施了23處供風(fēng)點位的數(shù)據(jù)采集，其中井上3處，井下20處（見圖6）。后期可根據(jù)生產(chǎn)情況及時調(diào)整監(jiān)測點位，確保監(jiān)測點位有效、合理。

2.1.2 監(jiān)測參數(shù)

空壓機房監(jiān)測參數(shù)主要為空壓機電流、電壓，根據(jù)電流、電壓的變化趨勢可以分析空壓機開停、運轉(zhuǎn)工況，該項監(jiān)測參數(shù)可直接通過電能數(shù)據(jù)獲得。

供風(fēng)管路監(jiān)測參數(shù)包含2項，分別為管路流量和壓力，通過分析監(jiān)測點流量和壓力判斷供風(fēng)管路中的風(fēng)流狀態(tài)。管路流量通過熱式流量計測量，熱式流量計采用熱擴散原理，將2個溫度傳感器置于介質(zhì)中時，其中一個溫度傳感器被加熱到環(huán)境溫度以上，另一個溫度傳感器用于感應(yīng)介質(zhì)溫度，介質(zhì)流速增加，介質(zhì)帶走的熱量增多，2個溫度傳感器的溫度差隨介質(zhì)的流速變化而變化，根據(jù)溫度差與介質(zhì)流速的比例關(guān)系，可得出流體的流量（Q）。管路壓力通過STN2B壓力變送器測量，壓力變送器主要由測壓元件傳感器、測量電路和過程連接件3部分組成，能將測壓元件傳感器感受到的氣體、液體等物理壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電信號。

2.1.3 傳感器安裝

傳感器測量參數(shù)的準(zhǔn)確性很大程度上由安裝的規(guī)范性決定，尤其是熱式流量計的安裝。熱式流量計的傳感器須按照指示的特定方向安裝。這些流量元件都是按特定的流向進行標(biāo)定的，安裝時必須使流向箭頭與管道中的流體流向一致。安裝儀表時應(yīng)遠(yuǎn)離彎頭、障礙物、變徑、閥門，以保證流場穩(wěn)定，一般要求有較長的上限直管道，前直管道長大于10倍管徑，后直管道長大于5倍管徑。為確保流量計正常工作，安裝時應(yīng)使流量元件端部超過管道中心線6.35 mm。設(shè)備標(biāo)定時嚴(yán)格按照中心線要求進行標(biāo)定。

2.2 數(shù)據(jù)采集及傳輸

智能供風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集采用工業(yè)智能采集終端，用網(wǎng)線通過LAN從PLC獲取數(shù)據(jù)或通過OPC協(xié)議直接獲取供風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)接口集成開發(fā)。

大尹格莊金礦智能供風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通過在井下布置以太環(huán)網(wǎng)及無線覆蓋網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時上傳[3]。主干網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)，主干網(wǎng)傳輸介質(zhì)為光纖，采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機進行數(shù)據(jù)交換。地面、井下連接成一個光纖環(huán)網(wǎng)，在控制中心機房通過高性能的工業(yè)級核心交換機連接起來，構(gòu)成一個統(tǒng)一的礦井監(jiān)控信息子網(wǎng)，該子網(wǎng)在一個相對獨立的網(wǎng)段中運行，通過隔離網(wǎng)閘與建立的礦山企業(yè)網(wǎng)（即信息網(wǎng)絡(luò)）隔離。礦用無線通信系統(tǒng)是基于工業(yè)以太網(wǎng)的井下通訊系統(tǒng)，以光纜為主干，無線網(wǎng)絡(luò)為延伸，在井下設(shè)立若干基站，通過無線局域網(wǎng)絡(luò)覆蓋井下巷道，在井下建立有線與無線混合型局域網(wǎng)。在調(diào)度中心機房安裝1臺無線AC控制器，用來管理所有無線AP并進行配置信息的下發(fā)和無線用戶的管理。大尹格莊金礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)拓?fù)鋱D見圖7。

2.3 數(shù)據(jù)分析平臺

礦山大數(shù)據(jù)分析平臺分為數(shù)據(jù)存儲、治理平臺，數(shù)據(jù)可視化平臺和數(shù)據(jù)挖掘管理平臺4種類型。大數(shù)據(jù)分析平臺利用物聯(lián)網(wǎng)收集、處理數(shù)據(jù)并存儲到分布式數(shù)據(jù)庫中，針對業(yè)務(wù)實際，運用數(shù)學(xué)算法、機器學(xué)習(xí)工具進行數(shù)據(jù)深度挖掘，達(dá)到設(shè)備預(yù)知必維護、節(jié)能提效、優(yōu)化生產(chǎn)工藝等精細(xì)化管理目標(biāo)。

通過建立大數(shù)據(jù)分析平臺實現(xiàn)供風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析決策服務(wù)，對礦山供風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息進行專題分析與大數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)隱形問題、發(fā)展趨勢與相互關(guān)系等有價值的規(guī)律，找出最有價值的應(yīng)用關(guān)鍵點，確保供風(fēng)管理不斷優(yōu)化升級，實現(xiàn)礦山的透明與精細(xì)化管理[4-5]。

2.4 應(yīng)用效果

目前通過供風(fēng)管路流量監(jiān)測，借助泄漏統(tǒng)計報表（見表1），發(fā)現(xiàn)3項泄漏預(yù)警。

通過對3處異常區(qū)域排查共發(fā)現(xiàn)管路泄漏點5處，通過及時組織對管路的維修，極大地減少跑風(fēng)量，有效保證了鉆機施工作業(yè)，減少的漏風(fēng)量降低了購氣量，可直接轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟效益。

3 結(jié) 語

借助礦山物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)分析，通過實時在線監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢、供風(fēng)能耗分析、泄漏檢測等多重手段，實現(xiàn)了對井上、井下供風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)的有效監(jiān)測，提高了大尹格莊金礦供風(fēng)系統(tǒng)管理的智能化水平，解決了人工排查的工藝難點。智能供風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)需注意測點設(shè)置、傳感器安裝、報警邏輯判斷等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

[參 考 文 獻]

[1]崔亞仲，白明亮，李波.智能礦山大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2019，47（3）：66-74.

[2]賈硯成，牛新建.煤礦井下供水供風(fēng)系統(tǒng)在線監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用[J].科技信息，2011（31）：292-293.

[3]馬強.基于無線組網(wǎng)的煤礦井下數(shù)據(jù)傳輸方案[J].礦業(yè)裝備，2019（3）：28-29.

[4]朱瑞環(huán)，劉修成，鄒芳偉.大數(shù)據(jù)背景下礦山企業(yè)的信息化建設(shè)[J].中國有色金屬，2018，21（7）：66-67.

[5]武選.煤礦井下供風(fēng)及供水管路監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用[J].礦業(yè)裝備，2015（9）：78-80.

Application of intelligent mine air supply monitoring system in Dayingezhuang Gold Mine

Yu Tao，Wang Qijian

（Dayingezhuang Gold Mine，Zhaojin Gold Industry Co.，Ltd.）

Abstract：In view of the heavy workload of manual patrol inspection，the untimely discovery of pipeline damage and the invisibility of management data in the air supply system of Dayingezhuang Gold Mine，sensors are installed at the key nodes of the air supply network to obtain wind pressure，velocity，flow and other air supply parameters.The ethernet ring network and wireless coverage network are arranged underground to realize the real time upload of monitoring data.Based on the internet of things and big data analysis technology，the intelligent mine air supply monitoring system is constructed.The intelligent management of the air supply system of Dayingezhuang Gold Mine is realized by means of real time on line monitoring，historical data query，air supply energy consumption analysis，leakage detection and so on.

Keywords：air supply system;pipeline monitoring;sensor;internet of things;big data;intelligent analysis