大尹格莊金礦井下通風環境感知與大數據分析平臺研究開發

于 濤

(招金礦業股份有限公司大尹格莊金礦，山東 煙臺 265400)

我國金屬礦山數量眾多，機械化程度日益提高，在注重優化井下通風網絡的同時，井下空氣質量改善、通風系統智能化管理逐步成為通風系統研究的重點。但大多數礦山空氣質量優化措施效果仍不理想，通風智能化建設也處在摸索階段。構造面向物聯網的井下作業環境感知網絡，實現風量、溫度、濕度、有害氣體濃度等環境信息的動態監測與智能控制，有利于推動我國礦山的安全、健康生產，有助于改善井下工作環境，提高井下采掘安全性[1-2]。礦山大數據分析平臺利用物聯網收集、處理數據并存儲到分布式數據庫中，針對業務實際，運用數學算法、機器學習工具進行數據深度挖掘，達到設備預知性維護、節能提效、優化生產工藝等精細化管理目標[3]。

大尹格莊金礦采用副井、72線風井、北風井進風，主井和輔助斜坡道作為輔助進風，南風井、玉甲風井回風的中央對角抽出式通風系統，在南風井-380 m中段回風聯巷內設置160 kW風機作為1號礦體主扇風機，在玉甲風井-496 m中段回風聯巷內設置560 kW風機作為2號礦體主扇風機。1號礦體開采范圍為-556 m中段、-496 m中段、-431 m中段，開拓范圍為-616 m中段；2號礦體開采范圍為-676 m中段、-616 m中段，開拓范圍為-736 m中段、-796 m中段。目前礦井通風系統自動化設備主要為自動風門、主扇遠程控制系統、自動除塵風機等，近年來積極開展通風大數據分析及通風系統三維建模等工作。

1 井下環境感知技術研究及實現

物聯網技術的出現為采礦技術的信息化、生產安全化提供了新的契機。基于物聯網絡可以對礦山復雜環境下的作業環境、人員和設備狀態更加實時有效地協同管理和控制[4-5]。

1.1 巷道環境感知

對于巷道、溜井等井下常規作業區域，由數據采集傳感器和數據采集分站完成，其中數據采集傳感器實現環境參數(氧氣、一氧化碳、溫度等)數據的采集；數據采集分站負責同一個采集點上的各個采集裝置的初始化、數據濾波、格式變換、數據打包以及判斷環境參數是否超過報警值等。傳感器具有在線標校功能，避免井下有害氣體超標與標校混淆的狀況，保證礦井安全生產。在每個采集點均布置一臺數據采集分站，用于與井下環網的連接進行數據的上傳。目前大尹格莊金礦巷道環境感知系統包含采集服務器1臺，井下采集分站35臺，傳感器164臺，線纜18 000余米。傳感器布置在風量監測點、配電室、風機等位置(圖1)。

圖1 井下環境感知數據采集數據展示Fig.1 Data collection and display of underground environment perception data

1.2 采掘面環境感知

采掘工作面的環境參數采集與井下其它位置的采集有很大不同，主要體現在采掘工作面的工況特別惡劣，包括強振動、大粉塵、空氣質量差等，另外由于采掘面的變動較為頻繁和放炮因素，不適宜大規模布置通信網絡，通常不具備有線和無線網絡。因此，采掘工作面的環境參數采集需單獨應對。

在分析礦山環境監測現狀的基礎上，針對現有單一環境參數監測裝置存在的缺陷，設計了一套綜合的礦井環境監測儀。儀器可以同時采集各種參數，實現實時數據上傳、本地存儲、現場顯示等功能。同時，編寫上位機軟件對儀器發送的數據進行顯示和處理。礦井環境綜合監測儀，實現的功能如下：能夠同時采集溫度、濕度、氧氣、CO、CO2、NO2、粉塵(PM1.0，PM2.5，PM10)多種氣體參數，具有WIFI接口、RS485、網口、藍牙接口，能夠進行多種形式的數據傳輸，上傳周期1～5分鐘可選，同時具有傳感器自動標定、遠程設置、數據現場顯示、參數過限自動聲音報警、數據斷網續傳功能。該監測儀主要包含硬件開發及軟件設計兩部分，具體參數如表1。監測儀實時在線數據顯示見圖2。

表1 礦井環境綜合監測儀參數表

圖2 監測儀實時在線數據顯示Fig.2 Real time and online data display of detector

1.3 智能噴霧降塵

造成礦井粉塵濃度較高的原因有兩點：一是礦井進風流中礦石運輸、轉載過程中產生的粉塵；二是采掘場所由于爆破、采礦工藝產生的粉塵。粉塵的產生不僅嚴重威脅井下工人的身心健康，還會大大惡化工作條件，加重機械設備的磨損。在必要的地點(行人大巷、巖、礦倉裝載點等)用噴霧裝置將水成霧狀噴出，達到降塵使礦井空氣凈化的效果。

目前在井下粉塵濃度較高區域推廣應用智能降粉塵噴霧系統，該系統采用PLC控制，輸入輸出為數字量信號(圖3)。系統的一個循環工作為噴霧30 s，排污10 s。系統的觸發條件有兩種，一種為人工手動觸發，當人為按下噴霧功能按鍵后，系統一直執行工作循環；另一種觸發條件為傳感器自動觸發，當前環境的粉塵濃度大于粉塵傳感器的設定閾值后，粉塵傳感器一直輸出高電平，PLC輸入由于一直處于被觸發狀態，所以系統一直循環執行噴霧、排污。當粉塵濃度降低至允許范圍后，PLC無輸入觸發，不工作，系統處于待機狀態。在噴霧期間若有人或車需穿越噴霧區域時，按下暫停鍵，若系統處于噴霧工作，則立即中斷，暫停30 s后，重新開始噴霧；若系統處于排污狀態，則繼續排污10 s，結束后待機20 s，系統重新開始噴霧。

圖3 噴霧啟動圖Fig.3 Spray starting diagram

2 通風系統大數據分析平臺

智能管控平臺借助大數據分析，從首頁、設備、產量、分析、能源、查詢、監控等多個維度，幫助礦山管理層及車間及時掌握通風系統各關鍵指標的實時生產狀態、歷史趨勢及風機運行情況(見表2)，為生產管理、生產計劃制定提供依據。

表2 場景分布整體說明

2.1 通風系統首頁

總覽界面設計包含兩部分，一部分為各進風井、回風井、主扇風機的實時風量和累計風量，以及主扇風機的啟停狀態顯示及實時頻率、電流值，另一部分為每日進、回風量的實時及累計值動態顯示。通過總覽界面可直接掌控當日的通風系統動態變化，對異常情況及時判斷處理。數據指標描述如表3所示。

表3 首頁數據指標描述

2.2 設備維度

通風設備智能管理重點包括對風機、風速傳感器、氣體傳感器、自動風門的管理。其中，風機工況參數監控包括電壓、電流、風速、風壓、頻率、功率、軸溫、振動。通過將設備置于通風系統示意圖中，可迅速了解風流運動及動力設備工況。部分數據指標描述如表4所示。

表4 設備維度數據指標描述

2.3 產量維度

產量維度主要從總進、回風量數據進行管控，一是可直接查詢任意時間段內累計總進、回風量及該時間段內的日平均風量值；二是可查詢到每日總進、回風量的柱狀對比圖，了解當日總進、回風量差值，便于對總進、回風量進行調整。數據指標描述如表5所示。

表5 產量維度數據指標描述

2.4 分析維度

分析維度從風機運行監測、回風量監測、進風量監測分析三方面展開。風機運行監測可了解當日該風機各項監控參數的實時變化及變化幅度；回風量監測可了解任意時間段南風井、玉甲風井-496 m水平各主回風側的風量累計及風量占比；進風量監測可了解當日斜坡道、72線風井、副井、主井、北風井各主進風側的風量累計及風量占比。

2.5 能源維度

通風系統能源消耗主要為風機電能消耗，其中主扇電能消耗占比最大。能源消耗維度從主扇總用電量、分項用電量、峰平谷分時間段電費統計等方面監控，可及時了解風機電能消耗情況，判斷風機工況。數據指標描述如表6所示。

表6 能源維度數據指標描述

2.6 查詢及監控

查詢功能可同時查詢任意時間段內的2項指標，同時也可對自動風門的開關記錄進行詳查。監控功能可對所有與通風系統相關的監控進行實時調取。查詢功能數據指標描述如表7所示。

表7 查詢維度數據指標描述

3 結論

基于構建的井下物聯網實現了巷道環境參數的實時監測；設計研發了一套綜合的礦井環境監測儀，實現采掘面多參數實時數據上傳、本地存儲、現場顯示等功能；通過安裝智能噴霧降塵系統，皮帶道、卸載站等產塵區域粉塵濃度均到達安全標準；通風系統大數據分析平臺搭建了首頁、設備、產量、分析、能源、查詢、監控等多個維度，通過大數據分析一定程度實現了對通風系統的智能管控。