礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)設(shè)計

李作泉，張應(yīng)芳，馬瑞峰，郭武奎，曹仕學(xué)

（1.甘肅靖遠煤電股份有限公司 大水頭煤礦，甘肅 白銀 730913；2.湖南平安電氣股份有限公司，湖南 湘潭 411100）

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，為了提高煤礦生產(chǎn)的效率及生產(chǎn)過程的安全，煤礦行業(yè)對智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備進行了升級改造[1-4]。礦井通風(fēng)系統(tǒng)作為煤礦的“肺”，其智能化建設(shè)是智能礦山建設(shè)的核心。目前，對于礦井通風(fēng)系統(tǒng)的研究主要集中在通風(fēng)自動化、少人化，智能分析與決策和遠程控制方面[5-7]。

于保才等[8]為解決礦井主要通風(fēng)機在切換過程中需要停機才可完成所引起的井下風(fēng)量波動及瓦斯積聚等安全問題，設(shè)計了1 種基于智能控制的主要通風(fēng)機不停風(fēng)切換系統(tǒng)；胡永立[9]對礦井主要通風(fēng)機進行自動化、智能化的改造，設(shè)定了配備自動化在線監(jiān)測、系統(tǒng)預(yù)警報警、合理電氣保護設(shè)置的主要通風(fēng)機監(jiān)測系統(tǒng)；閆向彤等[10]、顧士成等[11]、余躍等[12]對于局部通風(fēng)機需風(fēng)量預(yù)測、智能化控制等進行了研究；徐圣等[13]設(shè)計了基于身份融合算法的嵌入式風(fēng)門操作系統(tǒng)，其能夠合理控制風(fēng)門打開的時長；蔣成龍等[14]、楊正松等[15]研究了礦井三維可視化模型。

目前，對于礦井通風(fēng)系統(tǒng)智能化技術(shù)的研究多基于單個系統(tǒng)，如：主要通風(fēng)機系統(tǒng)、局部通風(fēng)機系統(tǒng)等，但對于礦井通風(fēng)系統(tǒng)整體智能化系統(tǒng)的研究相對較少。為此，設(shè)計了1 套集主要通風(fēng)機智能化管控系統(tǒng)、局部通風(fēng)機智能化管控系統(tǒng)、自動化風(fēng)門風(fēng)窗智能化管控系統(tǒng)、精準測風(fēng)系統(tǒng)、密閉監(jiān)測系統(tǒng)于一體的三維可視化礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)[16-19]。

1 礦井智能通風(fēng)原理與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)量調(diào)節(jié)原理

礦井智能通風(fēng)是通過計算機智能控制實現(xiàn)井下通風(fēng)系統(tǒng)按需供風(fēng)，安全、穩(wěn)定地向煤礦井下輸送新鮮空氣，供井下作業(yè)人員正常呼吸，并排除井下有毒有害的氣體與粉塵[20]。

對于1 個礦井通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)而言，若其通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中各分支所需求的通風(fēng)量與所分配的通風(fēng)量不同時，則如式（1）：

此時，則可采取調(diào)節(jié)相應(yīng)獨立回路分支的風(fēng)壓△H 方式使式（1）等號成立，如式（2）、式（3）所示：

式中：Rj為分支風(fēng)阻值，（N·s2）/m8；Qj為分支風(fēng)量值，m3/s；Hfi為閉合回路中風(fēng)機風(fēng)壓值，Pa；Hpi為閉合回路中自然風(fēng)壓值，Pa；m 為風(fēng)網(wǎng)中回路數(shù)；n為風(fēng)網(wǎng)中分支數(shù)；aij為向量函數(shù)值；△Hi為獨立回路i 中的阻力調(diào)節(jié)量。

當aij=0 時，表示支路不在回路上；當aij=1 時，表示支路在回路上，且風(fēng)向相同；當aij=－1 時，表示支路在回路上，且風(fēng)向相反。當△H＞0 時，表示支路中需要經(jīng)調(diào)節(jié)來增大風(fēng)阻；當△H＜0 時，表示支路需要經(jīng)調(diào)節(jié)來減小風(fēng)阻。

1.2 風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)

風(fēng)機調(diào)速是采用調(diào)節(jié)風(fēng)機工作頻率的方式來改變風(fēng)機的供風(fēng)量。他的主要特點是在調(diào)節(jié)時不需要暫停風(fēng)機工作，即在變頻風(fēng)機運行的狀態(tài)下通過改變風(fēng)機工作頻率來控制其轉(zhuǎn)速，從而改變通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的風(fēng)量，使得所研究的通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的風(fēng)量滿足實際要求。同時，若所研究的礦井為單風(fēng)機礦井，采取風(fēng)機風(fēng)速調(diào)節(jié)方法時，不會改變通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中分支的風(fēng)流方向，因此也不會造成其通風(fēng)紊亂[21]。變頻風(fēng)機的變速調(diào)節(jié)風(fēng)量的原理圖如圖1。

圖1 風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)原理圖Fig.1 Principle diagram of fan frequency conversion regulation

通過對變頻風(fēng)機的頻率調(diào)節(jié)使其轉(zhuǎn)速為N1，風(fēng)機工作特性曲線如圖1 中N1曲線，該頻率下的風(fēng)機工況點為b（Qb，Hb）；當?shù)V井根據(jù)實際需求需要增大供風(fēng)量時，調(diào)整風(fēng)機的工作轉(zhuǎn)速到N2，此時風(fēng)機運行時的特性曲線如圖1 中N2曲線，此時風(fēng)機工況點為a（Qa，Ha），此時礦井內(nèi)的通風(fēng)量也會相應(yīng)地增大；當?shù)V井根據(jù)實際需求需要減少供風(fēng)量時，調(diào)整風(fēng)機的工作轉(zhuǎn)速到N3，此時風(fēng)機運行時的特性曲線如圖1 中N3曲線，此時風(fēng)機工況點為c（Qc，Hc），此時礦井內(nèi)的通風(fēng)量也會相應(yīng)地減少。

若當?shù)V井通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的風(fēng)阻由R0增大到R1時，此時工況點b（Qb，Hb）將變?yōu)锽（QB，HB），由圖1 可知，礦井通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的風(fēng)量將減少，這可能導(dǎo)致礦井內(nèi)需風(fēng)處的風(fēng)量達不到要求。此時，可以通過調(diào)節(jié)變頻器使得風(fēng)機的工作轉(zhuǎn)速由N1變成N2，風(fēng)機的工況點也相應(yīng)地由B（QB，HB）變成A（QA，HA），這時礦井的通風(fēng)量將增加，從而滿足通風(fēng)系統(tǒng)的需求。

通過圖1 可以看出：在調(diào)節(jié)變頻器改變風(fēng)量時，不僅可以調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速為N2、N3對應(yīng)的頻率，還可以調(diào)節(jié)成在N1和N2、N1和N3之間的頻率，實現(xiàn)無極調(diào)頻，使得通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)量可以連續(xù)調(diào)節(jié)。同時，通過變頻調(diào)節(jié)調(diào)風(fēng)時，不必停止風(fēng)機運行，實現(xiàn)風(fēng)機的實時調(diào)風(fēng)，這也是智能化通風(fēng)系統(tǒng)中所采取的調(diào)風(fēng)方式。

1.3 礦井智能通風(fēng)關(guān)鍵技術(shù)

礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)主要包含智能感知、智能決策和應(yīng)急調(diào)控技術(shù)，智能感知技術(shù)主要是實時監(jiān)測煤礦井下甲烷濃度等環(huán)境參數(shù)與相關(guān)設(shè)備的運行參數(shù)；智能決策技術(shù)是基于智能感知技術(shù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析，而后做出相應(yīng)的決策；應(yīng)急調(diào)控技術(shù)是當煤礦井下發(fā)生災(zāi)害時，做出相應(yīng)的預(yù)警及預(yù)案。

1）智能感知技術(shù)。智能感知技術(shù)是指通過計算機編程技術(shù)借助傳感器實時感知井下相關(guān)參數(shù)，如：瓦斯?jié)舛取⒁谎趸紳舛取⒎蹓m濃度、氧氣濃度、環(huán)境溫濕度及通風(fēng)機運行參數(shù)等。傳感器與礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)的通信方式主要有4～20 mA 模擬量、RS485 通訊、開關(guān)量信號等。其感知路徑為傳感器通過通信接入系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)控制器通過光纖接入井下環(huán)網(wǎng)交換機，最后上傳至地面的終端機。

2）智能決策技術(shù)。基于智能感知技術(shù)采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，最終匯總在礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)地面管控平臺，基于計算機編程技術(shù)，分析處理所收集的數(shù)據(jù)，并給出相對應(yīng)的決策及動作。以局部通風(fēng)機系統(tǒng)中的風(fēng)筒風(fēng)量傳感器為例，當系統(tǒng)采集到風(fēng)筒風(fēng)量傳感器的數(shù)據(jù)時，將其與系統(tǒng)設(shè)定值比較，若其值大于設(shè)定值時，系統(tǒng)將給予局部通風(fēng)機降低頻率的指令，從而降低風(fēng)筒風(fēng)量傳感器的采集值；反之，則系統(tǒng)給予局部通風(fēng)變頻增風(fēng)的指令。

3）應(yīng)急調(diào)控技術(shù)。應(yīng)急調(diào)控技術(shù)是指當系統(tǒng)感知到煤礦井下發(fā)生災(zāi)害時，此時系統(tǒng)將做出相應(yīng)的預(yù)警與預(yù)案，為礦方處理災(zāi)害和控制災(zāi)害提供一定的指導(dǎo)。

2 礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)需求

通過現(xiàn)場調(diào)研以及國家相關(guān)文件的閱讀與分析可知，礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)有如下需求：①系統(tǒng)可三維動態(tài)顯示煤礦通風(fēng)系統(tǒng)；②系統(tǒng)應(yīng)具有完善的通風(fēng)參數(shù)監(jiān)測裝置和完善的通風(fēng)參數(shù)分析系統(tǒng)，并對通風(fēng)系統(tǒng)進行故障診斷與預(yù)測、預(yù)警；③主要通風(fēng)機可實現(xiàn)一鍵啟停、一鍵倒機、一鍵反風(fēng)功能；④局部通風(fēng)機可實現(xiàn)在線監(jiān)測巷道參數(shù)及風(fēng)機運行參數(shù)，并具備瓦斯電閉鎖、風(fēng)電閉鎖、一鍵啟停、一鍵倒機和變頻調(diào)風(fēng)功能；⑤主要行人、行車風(fēng)門實現(xiàn)自動開關(guān)，并配備視頻傳感器與聲光報警器；⑥關(guān)鍵節(jié)點的風(fēng)窗應(yīng)具備遠程調(diào)節(jié)功能。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

本研究所設(shè)計的礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)運行所需要的環(huán)境配置如下：系統(tǒng)操作平臺為Windows Server，采用64 位CPU，所配備的系統(tǒng)內(nèi)存不小于4G，數(shù)據(jù)庫平臺采用SQL Server 2012 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。

2.2.1 礦井通風(fēng)三維決策輔助系統(tǒng)

設(shè)計的礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)融合了澳大利亞開發(fā)的礦井三維通風(fēng)軟件Ventsim，以實現(xiàn)三維動態(tài)顯示礦井通風(fēng)系統(tǒng)。Ventsim 可以通過鼠標手繪或?qū)牖诿旱V通風(fēng)系統(tǒng)繪制的CAD 文件構(gòu)建通風(fēng)模型，該軟件具有如下功能：礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量模擬、污染物模擬、熱模擬、火災(zāi)情景模擬、多種氣體模擬及最短路徑分析等。

2.2.2 主要通風(fēng)機智能化管控系統(tǒng)

主要通風(fēng)機智能化管控系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2。主要通風(fēng)機智能化管控系統(tǒng)是由控制器、分線裝置、聲光報警器及相關(guān)傳感器組成。

圖2 主要通風(fēng)機智能化管控系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Architecture diagram of intelligent control system of main fans

控制器通過A、B 2 個分線裝置，感知主要通風(fēng)機的相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)通過感知的數(shù)據(jù)做出決策，而后通過控制器下發(fā)到相應(yīng)的設(shè)備，使其做出相應(yīng)的動作。系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能：①一鍵開啟或關(guān)閉主要通風(fēng)機；②主要通風(fēng)機的主備風(fēng)機一鍵切換；③結(jié)合防爆蓋設(shè)計，實現(xiàn)一鍵反風(fēng)；④實時監(jiān)測主要通風(fēng)機周圍的環(huán)境參數(shù)與風(fēng)機的運行參數(shù)。

2.2.3 局部通風(fēng)機智能化管控系統(tǒng)

局部通風(fēng)機智能化管控系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3。局部通風(fēng)機智能化管控系統(tǒng)是由局部通風(fēng)機成套設(shè)備、控制器、分線裝置、礦用本安型攝像儀、聲光報警器及相關(guān)傳感器組成。

圖3 局部通風(fēng)機智能化管控系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.3 Architecture diagram of intelligent control system of local fans

控制器通過A、B 2 個分線裝置，感知局部通風(fēng)機的相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)通過感知的數(shù)據(jù)做出決策，而后通過控制器下發(fā)到相應(yīng)的設(shè)備，使其做出相應(yīng)的動作。該系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能：①一鍵開啟或關(guān)閉局部通風(fēng)機；②局部通風(fēng)機的主備風(fēng)機一鍵切換；③具備瓦斯電閉鎖、風(fēng)電閉鎖功能；④實時監(jiān)測局部通風(fēng)機周圍的環(huán)境參數(shù)與風(fēng)機的運行參數(shù)；⑤結(jié)合甲烷傳感器，實現(xiàn)智能排瓦斯功能；⑥結(jié)合風(fēng)量傳感器，實現(xiàn)智能調(diào)風(fēng)功能。

2.2.4 自動化風(fēng)門風(fēng)窗智能化管控系統(tǒng)

自動化風(fēng)門智能化管控系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖4。自動化風(fēng)門智能化管控系統(tǒng)主要包括：自動化風(fēng)門主體、驅(qū)動裝置、漏風(fēng)傳感器、位置傳感器、礦用本安型傳感器及聲光報警器等。

圖4 自動化風(fēng)門智能化管控系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.4 Architecture diagram of intelligent control system of automatic air door

控制器通過A 分線裝置，感知自動化風(fēng)門的相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)通過感知的數(shù)據(jù)做出決策，而后通過控制器下發(fā)到相應(yīng)的設(shè)備，使其做出相應(yīng)的動作。該系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能：①實現(xiàn)就地自動開啟與關(guān)閉功能；②可實時監(jiān)測風(fēng)門的漏風(fēng)量；③可實現(xiàn)人車識別功能；④可實現(xiàn)遠程控制風(fēng)門的開啟和關(guān)閉；⑤具備閉鎖功能，正常情況下，僅能開啟一扇風(fēng)門，災(zāi)害時，可解除閉鎖。

由于風(fēng)窗智能化管控系統(tǒng)與自動化風(fēng)門智能化管控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能類似，故本文不在單獨論述。

2.2.5 精準測風(fēng)系統(tǒng)

精準測風(fēng)系統(tǒng)改變了以點帶面的測風(fēng)方式，以大距離超聲測風(fēng)技術(shù)測量巷道中線風(fēng)速來代表整個巷道的平均風(fēng)速，極大地提高了巷道風(fēng)速測量的準確性和實時性。

超聲波測風(fēng)示意圖如圖5。超聲波風(fēng)速儀采用時差超聲測速原理，利用聲波在流體中順流、逆流傳播相同距離時存在時間差，而傳播時間的差異與被測流體的流動速度有關(guān)系，由此測出時間的差異而得出流體的流速。傳感器通過2 個超聲波探頭對風(fēng)速進行信號采集，再經(jīng)過主控板分析處理及計算，得出具體風(fēng)速。

圖5 超聲波測風(fēng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of ultrasonic wind measurement

風(fēng)速V 計算如式（4）：

式中：L 為超聲波的路徑，m；α 為超風(fēng)波方向與風(fēng)流方向的夾角,（°）；tab為超聲波從探頭A 到探頭B 的時間，s；tba為超聲波從探頭B 到探頭A 的時間，s。

精準測風(fēng)系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖6。精準測風(fēng)系統(tǒng)的組成包括：超聲波傳感器、控制器、分線裝置、聲光報警器和LED 顯示屏等。

圖6 精準測風(fēng)系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.6 Architecture diagram of precision wind measurement system

精準測風(fēng)系統(tǒng)解決了如下問題：①井下不同測風(fēng)站或測風(fēng)點的測風(fēng)不同時問題，避免了系統(tǒng)風(fēng)量不收斂問題；②避免不同測風(fēng)人員由于測風(fēng)技術(shù)水平而造成的測量誤差問題。

2.2.6 專家?guī)煜到y(tǒng)

專家?guī)煜到y(tǒng)是系統(tǒng)應(yīng)急調(diào)控技術(shù)的體現(xiàn)。專家?guī)齑鎯α嗣旱V井下常見的災(zāi)害類型及對應(yīng)應(yīng)急預(yù)案，當井下發(fā)生災(zāi)害時，系統(tǒng)將根據(jù)相關(guān)參數(shù)判定災(zāi)害類型，而后系統(tǒng)從專家?guī)熘谐槿?yīng)的應(yīng)急預(yù)案展示在系統(tǒng)主界面。

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)主界面如圖7。本研究所設(shè)計的礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)在甘肅省大水頭煤礦進行了現(xiàn)場應(yīng)用，實現(xiàn)了礦井通風(fēng)系統(tǒng)智能化管控和專人巡檢運行，提高了礦井通風(fēng)的安全性、可靠性和風(fēng)量調(diào)控的精準性，降低了通風(fēng)能耗，減少了通風(fēng)管理人員工作量。

圖7 礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)主界面Fig.7 The main interface of mine ventilation intelligent control system

大水頭煤礦依據(jù)系統(tǒng)建設(shè)方案建設(shè)了礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)，主要包括主要通風(fēng)機智能化管控系統(tǒng)、局部通風(fēng)機智能化管控系統(tǒng)、自動風(fēng)門與調(diào)節(jié)風(fēng)窗智能化系統(tǒng)及精準測風(fēng)智能化系統(tǒng)等。

1）從人員數(shù)量來看。大水頭煤礦在建設(shè)礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)后節(jié)約了大量的人員。以1 套局部通風(fēng)機為例，系統(tǒng)前需要服務(wù)人員5 人左右，而系統(tǒng)建設(shè)后僅需2 人巡檢。綜合整個礦井通風(fēng)智能化系統(tǒng)來看，可以為大水頭煤礦節(jié)省約一半的通風(fēng)系統(tǒng)管理人員。

2）從能源消耗來看。大水頭煤礦在建設(shè)礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)后節(jié)約了大量的能耗。以局部通風(fēng)機為例，在未實現(xiàn)智能化系統(tǒng)之前，局部通風(fēng)機多以最大工頻長時間運行，導(dǎo)致浪費了大量的電能，經(jīng)過測算，1 個工作面局部通風(fēng)機在實現(xiàn)智能化后可節(jié)約電能約15 000 kW·h。若全礦均實現(xiàn)智能化后，一年至少可節(jié)約電能100 000 kW·h 以上。

3）從礦井通風(fēng)系統(tǒng)日常管理來看。大水頭煤礦在建設(shè)礦井通風(fēng)智能化系統(tǒng)之前，報表多采用人工測量與填寫，系統(tǒng)建設(shè)后，可依據(jù)需要進行相應(yīng)的選擇，最后一鍵生成所需要的報表，省時省力。

4）從災(zāi)害防治與預(yù)案方面來看。礦井通風(fēng)智能化系統(tǒng)實時監(jiān)測井下通風(fēng)系統(tǒng)的狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的故障進行預(yù)警，可把災(zāi)害遏制在萌芽之中，大大增加了通風(fēng)系統(tǒng)的安全性。若災(zāi)害發(fā)生，系統(tǒng)可依據(jù)專家?guī)煜到y(tǒng)及時做出最有效的措施，把災(zāi)害控制在最小損失范圍內(nèi)。

3 結(jié) 語

1）開發(fā)了礦井通風(fēng)智能化管控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有6 大功能，可以實現(xiàn)礦井各需風(fēng)點的需風(fēng)量預(yù)測，便于通風(fēng)機完成自動調(diào)速，實現(xiàn)按需供風(fēng)，降低通風(fēng)機能耗。

2）采用C 語言編程技術(shù)和變頻技術(shù)對局部通風(fēng)機實現(xiàn)智能調(diào)風(fēng)功能，提高了局部通風(fēng)機的工作穩(wěn)定性、可靠性與工作效率。局部通風(fēng)機智能化管控系統(tǒng)在大水頭煤礦得到了成功應(yīng)用，經(jīng)過現(xiàn)場運行測算應(yīng)用該系統(tǒng)1 個工作面1 年可節(jié)約電能約70 000 kW·h。

3）自動化風(fēng)門系統(tǒng)的應(yīng)用方便了大水頭煤礦的行人行車，也增大了風(fēng)門使用的安全性，防夾功能的增加，避免了夾人夾車事故的發(fā)生。

4）調(diào)節(jié)風(fēng)窗系統(tǒng)的應(yīng)用方便了礦井通風(fēng)系統(tǒng)管理人員的調(diào)風(fēng)工作，節(jié)約了大量人工成本。

5）精準測風(fēng)系統(tǒng)為礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)提供了數(shù)據(jù)參考，使得礦井風(fēng)量調(diào)節(jié)更加準確；同時還便于礦井通風(fēng)系統(tǒng)管理人員出具數(shù)字報表，可一鍵生成打印。

6）在災(zāi)害發(fā)生時，系統(tǒng)可實現(xiàn)一鍵反風(fēng)、智能調(diào)風(fēng)等操作，把災(zāi)害控制在最小損失范圍內(nèi)。