葫蘆素煤礦智能通風系統(tǒng)建設(shè)與應用

郭煒舟，沈 斌，汪 洋，劉永立，張巖峰，王海濤，李 淵，王振鎖

（1.中天合創(chuàng)能源有限責任公司 葫蘆素煤礦，內(nèi)蒙古 烏審旗 017320；2.黑龍江科技大學 安全工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022）

煤礦開采發(fā)展過程經(jīng)歷了人工開采、放炮開采、綜合機械化開采、信息集成化開采，直至今天的智能化開采，煤礦安全管理水平和生產(chǎn)效率也逐漸提高[1]。煤礦生產(chǎn)6 大系統(tǒng)中通風系統(tǒng)對于煤礦安全穩(wěn)定生產(chǎn)至關(guān)重要[2-3]。傳統(tǒng)的煤礦通風系統(tǒng)管理模式存在通風網(wǎng)絡(luò)風流分配滯后于礦井不斷變化的開拓系統(tǒng)，不能及時針對瓦斯等有毒有害氣體體積分數(shù)變化而改變，通風構(gòu)筑物靠人工完成不能智能化調(diào)節(jié)，通風系統(tǒng)已增阻方式調(diào)節(jié)風量，極不科學合理。

針對以上問題眾多學者進行了大量研究。程曉之等[4]根據(jù)多傳感器數(shù)據(jù)，提出了局部通風參數(shù)計算方法和功耗分析，通過分析風筒阻力分布和功耗，實現(xiàn)了局部通風狀態(tài)及發(fā)展態(tài)勢的研判及預警；吳新忠等[5]針對煤礦風量調(diào)節(jié)無法滿足分支需風量的要求，根據(jù)相關(guān)定律和約束條件，建立了煤礦風量調(diào)節(jié)數(shù)學模型，再利用改進灰狼優(yōu)化算法對模型進行求解，提出一種智能風量調(diào)節(jié)方案并進行驗證，取得了良好效果；邵良杉等[6]提出了智能通風系統(tǒng)的定義，分析了煤礦智能通風關(guān)鍵技術(shù)，后以某煤礦工作面為試驗對象，驗證了智能通風關(guān)鍵技術(shù)的可靠性；劉劍[7]從通風網(wǎng)絡(luò)解算、智能控風、通風參數(shù)測試、網(wǎng)絡(luò)與裝備4 個方面論述了智能通風存在的問題，系統(tǒng)的闡述了通風網(wǎng)絡(luò)理論、觀測器構(gòu)建、傳感器布設(shè)優(yōu)化、故障診斷、擾動識別、災變時期風流狀態(tài)等關(guān)鍵科學技術(shù)問題；李偉宏等[8]分析了礦井智能通風控制系統(tǒng)的設(shè)計目標、邏輯框架和功能架構(gòu)，并介紹了風速測量、三維建模、礦井通風仿真分析及網(wǎng)絡(luò)解算的原理；白怡明[9]以曹家灘煤礦為例，設(shè)計應用智能通風系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了礦用風速儀、自動風門、自動風窗等設(shè)備，提高了煤礦安全保障能力；王斌等[10]針對王樓煤礦現(xiàn)有通風控制系統(tǒng)存在的問題，通過理論分析和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，提出一套基于總線技術(shù)的智能通風控制系統(tǒng)，并進行現(xiàn)場應用，取得了很好應用效果；杜斌等[11]為了解決這大斷面巷道風量精準測量問題，以煤礦常見的矩形巷道和半圓拱形巷道為例，借助COMSOL Multiphysics軟件，模擬了巷道入口不同風速，巷道斷面中各點瞬時風速的分布情況，確定了斷面中平均風速等值線的位置；楊戰(zhàn)旗等[12]為實現(xiàn)礦井正常生產(chǎn)或救災時風量自動調(diào)節(jié)與控制，研制了一種礦井通風安全智能監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、硬件配置及軟件開發(fā)。

基于以上學者的研究，為了構(gòu)建智能感知、智能決策、自動執(zhí)行的煤礦智能化體系，進一步研究精準測風技術(shù)、遠程自動調(diào)風技術(shù)、增設(shè)智能通風設(shè)施，進行系統(tǒng)升級改造，建設(shè)智慧通風監(jiān)測與控制平臺。設(shè)計了葫蘆素煤礦全礦井通風系統(tǒng)平臺[13-16]，平臺實現(xiàn)了通風設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理、預警管理、權(quán)限管理和遠程控制等功能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Whole structure of system

葫蘆素煤礦智能通風系統(tǒng)建設(shè)，是對現(xiàn)有礦井通風監(jiān)測系統(tǒng)的完善與實踐，系統(tǒng)采用B/S 結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)+APP 端訪問。智能通風系統(tǒng)由監(jiān)測終端（包含超聲波風速傳感器、風壓傳感器、智能測風裝置、溫濕度傳感器）、控制終端（包括風門、風窗、風機和回風井防爆井蓋）、工業(yè)環(huán)網(wǎng)和地面監(jiān)控中心組成。

監(jiān)測終端主要布置于在礦井總進風巷、總回風巷、盤區(qū)進風巷、盤區(qū)回風巷等主要通風巷道，以及采、掘工作面等主要用風地點，對全礦井主要通風巷道及用風地點的風量進行實時、在線、精準監(jiān)測和數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)采集數(shù)據(jù)實時對數(shù)據(jù)庫進行維護和更新，保證通風系統(tǒng)模型真實可靠；控制終端是遠程控制的輸出端口，根據(jù)完成的解算數(shù)據(jù)，形成決策方案；有線傳輸網(wǎng)絡(luò)采用現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)監(jiān)控中心完成控制終端指令，并根據(jù)相關(guān)定位地址碼確定各具體地點的風量情況，由此實現(xiàn)異常聲光報警及閉鎖控制。地面監(jiān)控中心主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、可視化、分析預警、風網(wǎng)解算、風量調(diào)控等功能。

2 通風系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計

風量調(diào)控采用“用風地點-盤區(qū)-礦井”三級調(diào)控的方式。礦井掘進工作面風量通過調(diào)整局部風功率及掘進工作面回風側(cè)的調(diào)節(jié)風窗來實現(xiàn)調(diào)控；采煤工作面風量通過工作面的并聯(lián)風道或工作面回風聯(lián)絡(luò)巷的調(diào)節(jié)風窗實現(xiàn)調(diào)控；礦井盤區(qū)整體風量調(diào)控，通過風機或在并聯(lián)盤區(qū)總回風道中的調(diào)節(jié)風窗來實現(xiàn)。

1）精準測風傳感器。是利用超聲波在空氣中傳播的時間差來測量風速。依據(jù)礦井通風網(wǎng)絡(luò)圖，根據(jù)礦井風量分配計算方法，確定布置點位；在固定點位，選取風流穩(wěn)定位置，以45°斜對角方式布置超聲風波風速傳感器，并根據(jù)特定巷道內(nèi)的風流程分布特征提出風量校準方法。從而實現(xiàn)關(guān)鍵巷道及用風地點風量的精準測定，提升在線風速檢測準確度和精度，改變傳統(tǒng)的“以點代面”的局限性。

2）全斷面智能測風。通過地面上位機遠程控制系統(tǒng)下發(fā)指令到地下控制裝置，利用動力機構(gòu)驅(qū)動精準測風傳感器，在保持統(tǒng)一水平面上進行垂直運動，通過環(huán)網(wǎng)將測量數(shù)據(jù)實時上傳至軟件平臺，并且可以實現(xiàn)多個測風站同時測量軟件平臺統(tǒng)一分析展示通風巷風速、風量數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)巷道全斷面智能無人精準測風。

3）遠程控制風門。遠程控制風門是在傳統(tǒng)自動風門的基礎(chǔ)上，進一步升級、具有就地手動、遠程自動、全自動控制3 種運行模式，各種模式可進行自主切換，且每組風門可單獨設(shè)定工作模式，互不影響。在遠程控制平臺內(nèi)可隨時查看風門的工作狀態(tài)。當風門通信中斷或傳感器故障時，需要向管理平臺發(fā)出警示。根據(jù)巷道圖紙在控制平臺內(nèi)創(chuàng)建礦井巷道電子地圖，井下檢測傳感器、風門地理位置標示清晰，并實現(xiàn)一鍵鏈接。數(shù)據(jù)支持傳輸至管理平臺，用于生成報表或曲線圖。

4）遠程控制調(diào)節(jié)風窗。均為全斷面調(diào)控，設(shè)置行人門，由框體以及通過轉(zhuǎn)動軸布置在框體內(nèi)的若干組扇葉，通過平行四邊形連桿機構(gòu)與執(zhí)行器的連接，執(zhí)行器固定在框體上，包括集成設(shè)置的執(zhí)行元件和通信模塊，執(zhí)行元件通過通信模塊接收外部的調(diào)節(jié)控制信號，實現(xiàn)風窗的開度調(diào)節(jié)。風窗控制主機具有就地手動、遠程自動、全自動控制模式自主切換模式。風窗需具有斷電自鎖、自動修正、外力閉鎖、停電放壓等功能。具有語音報警提示功能，配備支持AI 學習與控制功能的攝像儀，實時狀態(tài)通過環(huán)網(wǎng)傳送給地面智能通風監(jiān)控平臺。調(diào)節(jié)風窗是智能通風項目建設(shè)中重要的調(diào)風設(shè)施，通過地面控制平臺調(diào)節(jié)風窗的開度，改變巷道通風截面積實現(xiàn)風量的精準調(diào)節(jié)。

3 數(shù)據(jù)傳輸

煤礦大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)如圖2。

圖2 煤礦大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)Fig.2 Coal mine big data platform architecture

針對現(xiàn)有煤礦通風和安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)相互獨立、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、信息傳輸困難不易共享等問題，煤礦智能通風系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)采集平臺、大數(shù)據(jù)平臺、煤礦數(shù)據(jù)交換等服務，實現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享。

數(shù)據(jù)采集平臺按照統(tǒng)一化、標準化的模式采集生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，使用的通用協(xié)議和標準主要有EIP、OPC UA、Socket，GB28181 等，部分數(shù)據(jù)采用Kafka 消息隊列交互。大數(shù)據(jù)平臺包括數(shù)據(jù)源、基礎(chǔ)平臺和數(shù)據(jù)中臺：數(shù)據(jù)源是指煤礦各類傳感器收集的數(shù)據(jù)信息；基礎(chǔ)平臺能夠做到多源異構(gòu)數(shù)據(jù)接入，數(shù)據(jù)實時離線并存；數(shù)據(jù)中臺能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一規(guī)范，細化分析指標。煤礦數(shù)據(jù)交換打破煤礦之間數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享，能夠滿足客戶端主動獲取數(shù)據(jù)的需求，也能夠?qū)?shù)據(jù)實時推送給客戶端。

4 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

系統(tǒng)功能界面如圖3。

圖3 系統(tǒng)功能界面Fig.3 System functions

煤礦智能通風系統(tǒng)實現(xiàn)了礦井通風系統(tǒng)的三維顯示和動態(tài)監(jiān)測，礦井通風系統(tǒng)所有設(shè)備集中管理，解決了礦井通風系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的信息孤島，實現(xiàn)了無人值守和故障診斷，減少勞動量，提升了通風系統(tǒng)管理的穩(wěn)定性、及時性、整體性和經(jīng)濟性。實現(xiàn)了通風系統(tǒng)動態(tài)分析和管理的實時性、準確性，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史記錄本地存儲并發(fā)布到上級公司，建立起分級管控權(quán)限體系。根據(jù)長期的數(shù)據(jù)采集和分析，形成礦井特有的通風系統(tǒng)模型，為通風系統(tǒng)調(diào)整、方案模擬、礦井規(guī)劃等，提供理論支持和結(jié)果分析。

1）環(huán)境監(jiān)測功能。系統(tǒng)具備集成現(xiàn)有的安全監(jiān)測系統(tǒng)或新增各類氣體傳感設(shè)備功能。可實現(xiàn)將甲烷、一氧化碳、硫化氫、二氧化碳等有害、有毒氣體體積分數(shù)接入智能通風平臺，實現(xiàn)礦井環(huán)境參數(shù)的精準分析、把控各類毒害超標預警。為因毒害氣體引起的災變應急，做出合理控風策略、提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持和分析依據(jù)。

2）智能分析功能。以感知通風參數(shù)、環(huán)境監(jiān)測參數(shù)、設(shè)備運行監(jiān)測參數(shù)為基礎(chǔ)，以平臺預設(shè)預警閾值為對比依據(jù)，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機器學習及大數(shù)據(jù)分析比對等手段，對通風系統(tǒng)出現(xiàn)的風速超量、風量不足、循環(huán)風、風流逆變、風流短路、供需失衡、環(huán)境監(jiān)測各類氣體體積分數(shù)超限及通風設(shè)施故障等隱患以及通風監(jiān)測預警，形成智能決策調(diào)控方案及調(diào)控建議報告。

3）智能控制功能。對調(diào)控中涉及的風門、風窗等進行人工干預調(diào)控或一鍵智能調(diào)控。保證調(diào)控過程視頻實時監(jiān)控。其次遠程控制頁面配有動畫模擬，模擬量需要通風設(shè)備開關(guān)量狀態(tài)保持一致，方便地面工作站可視化控制。

4）智能決策功能。基于通風網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測與通風網(wǎng)絡(luò)動態(tài)解算風量，利用人工智能、機器學習等技術(shù)手段，對井下風流按需分配模擬決策、日常通風隱患及異常變化預警、災情快速研判、災變通風應急控制等提供智能決策及建議，并結(jié)合通風調(diào)節(jié)設(shè)施與應急裝備制定預案庫，形成調(diào)控建議報告。同時對采煤工作面區(qū)域智能快速確定最佳風流調(diào)控方案，并自動調(diào)控風流。調(diào)控結(jié)束后，調(diào)控建議報告與調(diào)控結(jié)果報告上傳至智能通風平臺。

5）手機APP 功能。支持安卓系統(tǒng)的移動端APP，展示設(shè)備運行參數(shù)、發(fā)布系統(tǒng)決策建議、提供系統(tǒng)智能控制過程與結(jié)果、推送系統(tǒng)各級別預警與報警。

6）攝像機AI 學習控制功能。視頻識別行人、車輛、風門開啟、關(guān)閉狀態(tài)，識別風門裝置附近異常狀態(tài)、車輛頂撞風門、行人通行走大風門，同時開啟2道風門等違規(guī)行為。2 道智能控制風門自動閉鎖功能。當井下發(fā)生災變時，可解除智能控制風門的互鎖功能。智能控制風門的防夾功能。視頻圖像、運行狀態(tài)、故障報警、違章記錄上傳至地面平臺。

7）主通風機接入功能。智能通風系統(tǒng)平臺預留主通風機監(jiān)控系統(tǒng)接入接口，展示主通風機的風量、負壓、全壓、風機效率、電機溫度、電流、功率、甲烷體積分數(shù)、一氧化碳體積分數(shù)、風機開停信號、正反風信號等數(shù)據(jù)，并根據(jù)運行情況可實時輸出各種特性曲線。智能通風系統(tǒng)平臺實現(xiàn)礦井主通風機的“一鍵啟動”、“一鍵自動反風”等功能。平臺可根據(jù)全礦供風情況選擇預設(shè)的主通風機運行模式，將模式切換建議發(fā)送給相關(guān)管理人員。

5 結(jié) 語

選取中天合創(chuàng)葫蘆素煤礦作為智能通風系統(tǒng)建設(shè)對象，整體構(gòu)建關(guān)鍵區(qū)域通風阻力在線監(jiān)測和采區(qū)風量遠程調(diào)控的智能通風監(jiān)測與控制平臺，實現(xiàn)了礦井巷道風量實時同步測量、用風地點風量遠程調(diào)控、通風系統(tǒng)異常實時診斷，有效提升礦井通風管理水平，推進了礦山智能化建設(shè)。