金屬礦山智能通風理論與技術

黃 堅,徐 巍,姚宗旭,谷龍飛

(1.銅陵有色集團股份有限公司 冬瓜山銅礦,安徽 銅陵 244000;2.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

0 前言

金屬礦山井下通風是保障礦井安全健康運行的重要技術手段之一[1],主要是利用機械通風的方法持續向礦井輸送新鮮空氣到井下各作業地點,供工作人員呼吸,稀釋并排出井下有害氣體和浮塵,改善礦井氣候條件及救災時控制風流的作業,有利于保障礦井安全生產,是災害防治的基礎[2]。

礦山智能通風技術根據井下各個地點的溫度、濕度、有害氣體和粉塵濃度的變化實時保證供風質量,滿足正常時期和災變時期各用風地點按時按需供風[3]。通風技術在保證礦井工作人員人身安全的同時,還需要具有簡單方便、易于操作、節能環保等優勢,在實際的礦山通風技術與設備選擇過程中,要結合礦山通風的實際所需,在滿足巷道通風要求的同時做到節能環保,使企業獲得最大的經濟效益。

在具體的通風控制中存在很多困難,礦井巷道的風道參數(例如風阻、風壓)都是時變系統[4],這是由于一般大中型礦井的通風系統都由幾百條甚至上千條風道組成的非線性流體網絡,而且地面大氣壓和地溫會隨時變化,以及巷道的變形、掘進工作面和回采工作面的推進、通風設施的狀態改變,各種人員、車輛和設備的擾動等,都會對通風控制的效果產生巨大的影響。

因此,目前礦山通風大多數仍然處于人工或半人工控制階段,難以滿足通風智能化建設的需求。同時礦山通風災害異常預警、應急決策與通風調控智能化能力明顯不足,災變期間預警、應急不及時,災害將難以得到及時有效的控制[5]。

多年來,科技工作者對礦井智能通風系統建設開展了廣泛的研究。劉曉偉[6]分析了通風信息化要求,闡述了智能通風領域的關鍵技術以及系統組成；葛啟發等[7]使用FLUENT軟件進行了數值模擬,研究了采場進路安裝局扇與不安裝局扇時,不同的出礦巷道風速對采場進路風流的影響；王兵[8]分析了掘進面智能通風調節系統功能,對系統提出改進建議；邵良杉等[9]分析了煤礦智能通風關鍵技術,研究了基于礦山檢測監控系統參數的精確獲取算法,建立了基于最小調節功耗的礦井通風網絡自適應優化方法來實現礦井的按需分風；葛啟發等[10]對整個礦山使用按需通風技術,并運用三維通風仿真軟件對全礦區域通風方案進行模擬比較,證明按需通風技術對于改善井下作業環境、降低風機能耗和通風及預熱成本效果顯著；王明龍等[11]分析了現代礦井智能通風系統的使用效果以及應用背景,從而提高礦井中工作的整體質量；馮朋飛[12]針對當前煤礦智能通風系統中普遍存在的PLC控制系統響應速度慢、易出現分析失準等問題,提出了一種以現場總線技術為基礎的煤礦新型智能通風系統；陳翰光[13]提出在礦井采用智能通風與實時監測控制系統,并對該系統地面監控系統、井下監控系統以及智能通風構筑物等進行詳細闡述；葛啟發等[14]針對冬瓜山銅礦西翼礦體兼有深井礦山和緩傾斜中厚難采礦體的特點,對進風—采場—回風系統進行優化和仿真,較好地解決了冬瓜山銅礦采場通風困難問題；李芳[15]在對礦井通風系統隱患進行精確摸排的基礎上,建立數據庫,實時采集通風系統參數,上傳通風系統隱患,結合隱患識別模型,利用網絡解算實現通風系統隱患在線實時監測和預警；薛剛鋒[16]在分析掘進通風系統存在問題的基礎上,總結分析智能化通風控制系統設計和智能化通風控制系統作業原理；魏洋等[17]提出了適應大型煤礦智能化通風系統的主要通風機配置方案；王陽[18]提出采用現場總線技術的智能通風控制系統優化技術措施,設計的智能通風控制系統調節通風系統策略與人工方式一致；陳慶剛等[19]提出了礦山通風系統優化改造方案,并利用Ventsim Visual三維通風仿真系統進行了模擬分析,證明優化改造方案通風管理簡單、通風網絡效率高,并且通風能耗顯著降低；頊利芳[20]對井下智能通風系統自動控制功能做出分析,進而總結了井下智能通風系統設置要點與傳感裝置布設要點。

綜上所述,以往研究成果主要從礦井智能通風的系統組成、PLC控制、通風網絡解算和調控原理等開展了局部研究,對礦井智能通風原理與架構建設論述較少。本文借助礦山物聯網技術、自動化設備和智能軟件系統的技術成果,重點圍繞金屬礦山智能通風的原理、功能展開,系統闡述了智能通風的原理,論述智能通風建設關鍵技術類型以及安全策略,為實現金屬礦山通風智能化和無人化提供借鑒。

1 原理

1.1 概念

金屬礦山智能通風的內涵是將信息采集處理技術、控制技術與通風系統深度融合,按照“平戰結合”的理念實現按需供風及異常災變狀態下的智能決策與應急調控,既滿足日常通風的自動化管理與維護,又實現災變時期的應急控風有效抑制災情演化[21]。其主要功能包括：

(1)礦山通風系統經濟可靠與災情預警,達到安全、經濟的目標,保障通風系統日常運行的可靠性與經濟性,生產過程中風量做到按需供風,滿足通風異常的自動感知、診斷與預警。

(2)礦山通風系統的全程自動化,達到智能調控目標,運用互聯網、物聯網、人工智能、大數據、新材料,先進制造,信息通信和自動化技術,建設智慧礦山通風系統,實現分析決策與聯動調控,災變條件下能夠實現防災、減災、控災和主動救災等全過程的自動化與智能化。

1.2 控風模型

假設通風網絡中有n條分支、m個節點,獨立回路b=n-m+1,其節點風量平衡與回路風壓平衡方程為：

式中,i,j分別為節點和分支,bij=0,1,-1分別為節點i與分支j不相連、分支j風流流出節點i、分支j風流流入節點i；cij=0,1,-1分別為分支j不在回路i中、在回路i中與回路i同向、在回路i中與回路i反向；Rj為分支j的風阻；qj為分支j的風量；hfj為分支j的風機風壓。

礦井智能通風系統進行風量調節時,需要事先確定按需分風優化調節方案,即在滿足按需分風要求下,通風機功耗和調節設施數量越小越好,兩者的量綱和數量級均不同,但需要建立相互結合的最優化目標函數。

1.3 單元模塊

礦山智能通風系統精確感知通風與氣體環境參數、通風設施與動力裝備狀態,基于信息處理與決策平臺,運用風網智能調控軟件系統、可調風機、可控通風設施,實現按需經濟供風的智能化調節,在通風系統出現異常時,能夠精準診斷異常或災變關鍵影響因子,及時預警、智能給出調控方案,快速修復通風系統,保障通風系統安全、可靠、經濟運行。據此,礦井智能通風系統由可調通風動力、可控通風設施、通風網絡和智能調控系統組成,按照礦井多元信息智能感知、高效可靠信息傳輸、通風狀態智能分析與決策、通風設施/動力智能調控指令分發、執行及效果反饋的工作流程,實現通風系統的智能聯動調控。主要的控制模塊如下：

(1)通風信息感知模塊。礦山智能通風系統核心信息來源的感知神經主要包括精密風量、風速、溫度、CO含量、NOx含量、粉塵質量濃度、壓力等參數傳感器；通風設施與通風機參數狀態反饋傳感器；防爆門數據監測傳感器。

(2)信息交互傳輸模塊。礦山智能通風系統信息交互的神經網絡,主要包括井下多源信息交互傳輸算法、工業以太網絡、防爆交換機、傳輸分站、傳輸線纜等。

(3)數據分析與智能決策模塊。礦山智能通風系統的大腦,能通過數據挖掘準確判識通風異常狀態、原因與位置,實時預警、研判異常致災的時效性影響范圍與災害程度,融合井下人員定位系統與逃生行為等多元信息,制定井下和井上通風設施、設備的聯動調控策略,并通過協同集控執行并反饋決策方案,從而最大限度的縮小災害影響范圍。因此,它主要包括通風網絡在線解算、通風狀態異常在線診斷與預警、災變預測及演變過程仿真,以及防災/減災、抗災、救災決策等子模塊。

(4)通風聯動調控模塊。礦井智能通風系統的執行層,主要包括風機智能變頻調控裝置、井下自動風門、井下自動可調風窗、區域聯動控風裝置、井上防爆門快速泄壓復位裝置、井下遠程控制抗爆密閉裝置等。

2 技術類型

2.1 多風機多級基站技術

在礦山通風系統中,應用多風機多級基站技術可以提升通風工作的效率,有效節約通風過程的電力資源消耗,既高效又節能,因此值得在礦山通風工作中廣泛應用。多風機多級基站技術利用對兩級或兩級以上的風基站,將礦井外部的新鮮空氣輸送到礦井之中,并把礦井中的被污染空氣輸送到礦井之外,實現礦井內的空氣凈化,使礦井作業更加安全。通風基站運行過程中無需調節風窗大小來增加或減少通風量,只需要對風機產生的風量進行控制就可以保證礦井內通風系統的正常運行。利用多風機多級基站技術對礦井進行通風換氣工作,操作簡單、節能環保、能更好地滿足礦井的通風需求,因此值得在礦山通風中大力推廣。

2.2 礦山通風網絡動態優化技術

在礦山通風工作中,如果可以利用自然通風技術,天然的風資源對礦井中的空氣進行凈化,不僅能提高礦山通風的工作效率,還更加節能環保。但是目前這種技術在我國還處于研究和探索階段,一旦研究成功投入使用,將能極大地節約礦井工作在通風中的能源損耗,因此具有較強的研究和實踐意義,未來也具有十分可觀的應用前景。無論是對哪種通風技術進行研究,最終為了形成礦山通風網絡動態優化技術,但是由于在實際工作中,有諸多因素會影響礦山通風,因此還需要研究人員根據不同礦山的井下作業情況,對礦山通風系統進行調整,使礦山通風技術能夠滿足礦井對通風的要求。

2.3 主輔扇同時作業通風節能技術

主輔扇同時作業通風也可以有效節約能源,通過對主輔扇同時作業技術的研究,發現該技術在確保礦井內風量不變的情況下,可以有效控制礦井內作業區的有害氣體含量,因此具有一定的節約能源作用,值得在礦山通風工作中廣泛應用。

3 安全策略

3.1 科學設置礦井的通風系統

礦山通風系統主要是將礦井外的新鮮空氣輸入礦井內的作業地點,然后將礦井內的有害氣體與粉塵排放到礦井以外,所以科學地設置礦山通風系統,對于保證礦井作業安全具有十分重要的作用。礦井的通風方式根據進風井與回風井布置方式的不同,分為對角式、中央式以及混合式三種類型,而通風系統根據主扇地點以及主扇的工作方式又分為抽出式、壓入式以及混合式三種。在具體的設計過程中,要結合礦井的實際情況進行分析,根據礦井的地形和深度對通風系統進行合理設計。針對一些地形比較復雜的礦井,一定要同時安裝一套備用的通風設備,確保一套設備出現故障以后,能夠有另一套設備立即投入使用。針對一些比較深的礦井,在通風系統的設置上一定要適當增加主扇的功率,使其能夠滿足深井的通風需要。在通風系統的設置上,還要考慮不同地區的氣候條件對礦山通風的影響,將通風系統做出合理的調整。

3.2 維護礦山通風設施

對礦山的通風設施進行維護,也是保證礦山安全作業的手段之一。礦山內的通風系統在長時間的工作過程中內部零件會有所損耗,由于受到工作環境的影響,也會導致通風設備的損耗,如果得不到及時的維修與養護,有可能出現通風系統漏風現象,影響礦井內有害氣體以及粉塵的排出,造成礦井工作的安全隱患,危及礦井工作人員的人身安全。風橋、風門、擋風墻、調節窗都是礦山通風常用的設備,設備是否正常運行直接影響礦井的通風質量、礦井工作人員的人身安全,因此需要設備檢修人員不定時的對通風設備進行檢修與維護。礦井工作人員也要加強自身的安全意識,注意觀察通風設備的運行情況,一旦發現設備問題,要及時報技術人員維修,共同維護礦井作業的安全。

3.3 合理調整礦井風量

風量的大小與巷道的風阻有關系,在實際的通風工作中,要根據巷道風阻的大小對通風設備的風量進行調節,使通風設備能滿足巷道的通風需求。

3.3.1 總體調整

總體調整相對來說比較簡單,只需要改變主扇風機性能或改變礦井的總風阻就可以起到總體調整的作用。

3.3.2 局部調整

局部調整相對來說難一些,首先技術人員可以利用增加風阻的方法調節礦井的風量,在礦山通風中選擇風力阻值比較小的巷道增大風阻,使各巷道的風阻能達到同一阻力水平,在實際的操作過程中,通過調節風門來實現增大局部巷道風阻。其次,技術人員還可以利用降低風阻的方法來調節礦井的風量,通過增加巷道橫截面積以及新的并聯巷道等降低巷道內的風阻,該方法能有效降低風機的耗電量,從而實現節能環保。

3.3.3 輔助風機調整方法

在風阻較大的巷道,利用輔助風機使巷道內的風阻與輔助風機的風壓相互抵消,從而使巷道內的并聯風阻趨于平衡,輔助風機調整法比降低風阻法操作起來更方便、簡單,但是安全性能比較差,因此最好與其他方法結合使用。

4 結論

通過對金屬礦山控風模型的研究,可以將通風系統分為可調通風動力、可控通風設施、通風網絡和智能調控系統,按照礦山多元信息智能感知、高效可靠信息傳輸、通風狀態智能分析與決策、通風設施/動力智能調控指令分發、執行及效果反饋的工作流程,可以實現通風系統的智能聯動調控。同時對金屬礦山通風技術類型、通風安全策略進行討論,以探索更好的礦山通風技術,滿足不同礦山通風的要求,為最終實現智慧礦山的目標而打下基礎。