以實時監控系統為基礎的礦井智能通風系統研究

劉廷方，魏 琦，雷 杰

（陜煤集團神木張家峁礦業有限公司，陜西 神木 719300）

引言

陜西某煤礦4號、5號煤層，經過分析發現該煤層屬于Ⅰ類自燃煤層，其中4號、5號煤層平均厚度分別為3.88 m、5.95 m。通常情況下我國將煤礦的通風形式劃分為：礦井通風、工作面通風兩種方式。其中礦井通風可以細分為兩翼對角形式、分區式、中央并列式、混合式。而對于工作面通風形式可以具體劃分為U型通風、H型通風、Y型通風、W型通風。經過調查發現該礦井的通風形式以分區式為主，而工作面通風采用U型通風方式[1]。該形式的通風形式將引發上隅角瓦斯聚集、采空區漏風等風險。當前井下監測主要借助機械風表以及秒表，經過工作人員采集后將將其反映給井上工作人員，由于該方式具有較大的誤差，從而給井下帶來一定的安全隱患，為此可以開發智能通風系統。

1 實時監測系統與遠程控制

由于井下工況條件復雜，為了能夠更好地防止高塵、高濕的環境對機器的影響，為此選用PLC系統進行實時監測。該監測系統主要包含：數據采集/AD轉換單元、數據分析與智能決策單元、遠程控制單元，如圖1所示。具體工作過程如下[2]：首先由傳感器器采集風壓、風速以及瓦斯行亮等，接著將信息傳輸給A/D轉換單元，并且轉化成數字信號傳輸給EM235單元，將該數據傳輸給PLC控制單元以及通過RS485單元輸送給上位機進行處理。假如判斷需要向下位機傳輸指令，那么將調用執行單元進行控制。其控制過程主要選用PID和模糊控制算法，依據巷道內瓦斯濃度進行動態響應控制，從而可以更好地控制空氣中瓦斯的濃度。

對于風門而言，不僅能夠實現遠程控制，而且還能對行人以及礦車時實現自動開閉的功能，同時在特殊的情況下實現人工控制風門。在對風門開度進行調節時，通常由地面工作人員輸入風門風窗打開的角度，與此同時風門位置的監測裝置可以判斷是否存在人員或者礦車，當處于正常的情況下，風門能夠自動運行。當處于斷電的情況下，可以由人工進行調節。而當在特殊情況下，可以由遠程控制開啟，圖2、下頁圖3分別為遠程自動風門、風窗示意圖。

圖2 遠程控制自動風門示意圖

圖3 遠程控制自動調節風窗示意圖

對于地面上位機監測程序而言，選用西門子WinCC組態軟件進行組態。其中上位機具有顯示數據、風門開啟角度設置功能、一鍵自動調節等功能。具體操作如下：首先由工作人員錄入賬號以及密碼。然后錄入風門需要開啟的角度，接著點擊一鍵調節按鈕，那么系統將會自動調節風門自動控制角度。假如井下發生了緊急情況時，那么首先觀察風門位置是否存在工作人員以及設備，從而能夠緊急關閉風門。

2 智能模塊設計

2.1 拓撲分析模塊

當完成通風系統建模后，必須檢查通風網絡的分支、節點等拓撲關系。其中拓撲關系主要涉及有連通性分析、進回風井分析、通路分析等。

1）連通性分析。主要對通風系統圖連接情況進行分析，這樣可以更好地進行網絡解析以及優化調節。通常可以借助遍歷分析算法將關聯節點加人到節點連通塊中。假如經過分析發現最終僅僅剩下唯一一個結點，那么該通風系統圖處于連通狀態。

2）進回風井分析。主要用來檢測進回風口的網絡情況。從而可以更好地分析進、回風口峰值的風壓平衡情況。

3）通路分析。找到在通風網絡中的所有通風情況，從而可以更好地調節通風系統中的阻力路徑優化，通常選用深度優化檢索法。

2.2 數據檢查模塊

由于礦井下面分支非常多，因此記錄的數據類型相對較多，往往一條巷道需要記錄巷道長度、斷面面積、支護類型、風壓與風速等數據。因此，需要對數據分析歸類檢查，同時需要防止出現數據丟失的現象。

2.3 數據分析模塊

數據分析單元主要從最大阻力路徑方面進行分析。其中最大阻力路線是指在通風網絡中，從進風口到回風口的路線上不含有建筑的基準路線。通風系統優化的過程中，假如供風量不達標，往往可以借助最大阻力路徑進行計算并得出與其他最大阻力路徑的不平衡阻力值。

3 應用效果分析

在對該礦15211工作面進行測試發現，其中測試監測的氣體為二氧化碳，假如發現二氧化碳的濃度超標時，那么系統將會啟動通風設置主要包括主通風機、風門、風窗等，一直持續到氣體濃度達標位為止。在進行實驗的過程中包含四個風門，四個風窗以及相應的主通風機。其中，以1、0為風門風窗的開啟情況（1表示全開，0表示全閉）。表1表示相應的15211工作面氣體試驗結果。假如氣體處于慢速釋放的過程中，這時可以啟動1扇風門、2扇風窗，而相應的主通風機設定為30 Hz。

表1 15211采煤機工作面CO2氣體測試結果