智能通風技術在非煤礦井中的應用

丁明宏,邱水林,王富剛,吳義鑫

(明創慧遠(貴州)技術有限公司,貴州貴陽 550003)

0 引言

礦井通風是礦井生產環節中最基本環節,其在礦井建設和生產中一直占有非常重要的地位。礦井通風系統利用主通風機提供動力,不斷地從地面向井下供給新鮮空氣,并將生產中產生的炮煙、粉塵等有毒有害氣體及時排出。通過配置礦井局部通風機以便向掘進工作面提供新鮮風流,稀釋巷道內有害氣體與粉塵濃度,改善工作面環境。同時礦井通風系統還需配置通風構筑物對礦井通風系統中的風流進行必要的調控,保證風流按生產需要的路線流動。因此,礦井通風系統對保障井下工人安全和身體健康發揮著至關重要的作用。隨著物聯網、新型傳感、人工智能等技術在礦山行業的不斷應用,礦井智能通風已成為礦山智能化建設的重要內容。

目前,國內針對礦井智能通風系統的研究集中在通風智能感知及遠程控制,無人化,三維通風模擬,智能化分析與決策等方面。周福寶等[1]對礦井智能通風原理、關鍵技術及其系統組成進行了研究,并在煤礦現場開展了相關試驗;白怡明[2]通過曹家灘煤礦智能通風系統設計實踐,對礦井智能通風系統組成與原理,智能通風軟件設計,智能通風系統關鍵技術等進行了深入分析;魏連江等[3]研究了超聲波在線測量礦井風速和巷道全斷面風速的測量系統及方法;張浪等[4]針對中煤科工集團研發的VentAnaly 三維礦井通風智能決策軟件、定量調節自動風窗、遠程自動平衡風門、自動測風儀、局部通風機智能控制系統等智能通風裝備及系統進行了詳細闡述。然而,上述研究大多是針對煤礦通風應用場景,國內針對非煤礦井通風場景的智能化研究比較少。非煤礦井通風系統通常具有通風環境無瓦斯,通風網絡比煤礦更復雜,通風裝備無須防爆但須礦安認證等特點,實現智能通風難度更高。因此,針對非煤礦井進行智能通風技術應用研究具有重要意義。

1 礦井智能通風概述

礦井智能通風是運用物聯網技術對礦井通風環境的全息數據進行精準感知,利用流體力學理論,通風工程及人工智能算法等技術實時分析通風系統狀態,在對井下通風網絡實時解算的基礎上下達控制指令,遠程控制通風設施進行精準聯動調控,并即時反饋信息,實現通風設施管控自動化、系統優化常態化、故障診斷精準化及決策方案智能化,最終形成全面感知、實時分析、智能決策、精準調控及自主學習的智能通風模式。

2 礦井智能通風系統構建

礦井智能通風系統通常采用設備感知執行層、傳輸控制層及管理層三層架構(圖1)。各種傳感器、執行器和設備控制裝置構成設備感知執行層;礦井工業環網、PLC 控制柜(箱)及數據采集分站等構成傳輸控制層;監控計算機、服務器、智能通風系統軟件等構成管理層。

礦井智能通風系統首先需對礦井通風設備、設施進行智能化控制改造,地面主通風機配置PLC 控制柜、環境監測、設備狀態監測傳感器;井下局部通風機配置PLC 控制箱、設備狀態監測傳感器;通風構筑物配置數據采集分站、狀態監測傳感器。通過系統化改造可實現對礦井主通風機、井下局部通風機及通風構筑物的集中監測與控制。通常通風設備應具備變頻控制功能。

礦井智能通風系統需采集礦井相關位置的風速、風壓(絕對壓力)、空氣溫度、有害氣體濃度、粉塵濃度及煙霧濃度等環境參數;設備溫度、振動、電流、電壓、開停及風門(風窗)位置等設備、設施狀態參數。需要對風門(風窗)等設施進行自動控制改造,并安裝人車識別裝置、視頻監控系統、聲光報警器等。因此,現場改造應根據礦井實際進行系統化設計,合理配置傳感器、執行器,確保礦井通風信息的的全面感知與控制指令的精準執行。

礦山地面調度指揮中心配置服務器、通風監控電腦等硬件,安裝智能通風數據分析及邏輯控制軟件,軟件通過礦井工業環網系統采集礦井環境監測系統、人員位置監測系統、可編程控制器、傳輸分站中的礦井環境參數、設備設施狀態參數及作業人員位置信息進行實時分析。在對井下通風網絡實時解算的基礎上對風門開度、風窗面積及風機功率進行實時動態調整,以達到各供風點所需風量自動按照最優方式分配的目的,同時保證井下通風系統的穩定性、可靠性和經濟性。

3 礦井智能通風系統具備的主要功能

1)智能通風系統軟件能夠根據礦山實際,建立可編輯的礦井三維通風系統模型。井下巷道、采場、通風設備、通風構筑物及其他主要機電設備設施均可實現數字空間的三維建模,快速生成三維通風立體圖、二維通風網絡圖及二/三維風速流量圖等[5]。從而為通風系統管控提供二/三維仿真工具。

2)利用多通道超聲波測速等新型傳感器精確測量風速,實時獲取井下風量、風速、風壓等數據,智能分析礦井通風網絡阻力分布情況,分析影響礦井通風效率的主要因素,發現異常及時預警。同時可顯示系統的報警信息、故障信息,并可按單位、類型、持續時間、間隔和日期等進行組合查詢。

3)智能通風系統軟件能采集包括測量類空間數據、井巷工程屬性數據、通風設備設施數據、環境監測及人員位置監測等各類業務數據。通過風網實時解算和對多元數據進行深度分析,給出主通風機、局部通風機、風門、風窗等設備設施調節方案,實現礦井通風智能調節。同時,可實現自然分風、按需分風、逃生模擬及風門開關模擬等功能。還可以任意設定風路固定風量及風壓,實現風流按需分配解算和動態模擬[5],如圖2 所示。

圖2 網絡解算軟件風量模擬分析

4)能動態模擬井下有害氣體濃度、擴散路徑和擴散時間,輔助進行災害預案制定和緊急情況下人員撤退路徑分析。

5)具有自檢和聯機診斷校驗的能力,以便于準確、快速進行故障定位,保證系統的運行平穩。井下系統具備自我控制能力,在地面信號中斷的情況下,也能正常運行。

6)具有對主通風機等系統主要設備進行遠程在線監控和故障診斷功能。通過采集設備關鍵節點的振動、電流、聲音、溫度等信號,并結合設備的運行時間、故障記錄等信息進行大數據分析,建立設備故障機理模型,實現設備故障預警與壽命評估。

7)通過建立通風動力裝置數據庫模型,進行選型與運行工況點分析,實現調速、反風計算與決策,對礦井通風系統進行優化和測風分析。

8)具備統計分析功能。實現對礦井通風各類數據的綜合統計分析,并以圖表、圖形、曲線、記錄等方式實時展示各類數據之間的關聯關系,為礦井通風效率分析及關聯因素分析提供決策依據。

4 智能通風系統常用技術與應用

4.1 通風系統智能感知技術

通風系統信息智能精準感知是礦井智能通風的基礎,現場實施除風速、風壓、溫度、一氧化碳、二氧化碳及粉塵等傳感器的配置數量和位置應滿足精確測風和環境狀態識別的需要外,還要考慮井下實際環境以及傳感器適用性等問題。否則,測量結果難以反映現場真實情況,數據可靠性較低。

為有效解決以上問題,應考慮從新型傳感器選用、傳感器布置方式和通風參數數據處理三方面進行系統方案優化,實現智能通風參數實時精準監測。以測量風速為例,關鍵測風點可以選用多通道超聲波測速傳感器,改“點風速”測風方式為“面風速”。改變傳統測風方法下出現的巷道內風速測量值片面、偏差大等現象,提高測風精度,多通道超聲波測速傳感器測風原理與設備如圖3所示。在對通風參數的數據處理方面,可通過改進相關算法,對異常監測數據進行處理優化,結合現場實際分析風速、風量、風壓之間的規律等措施進行改善。

圖3 超聲波傳感器測風原理及設備

4.2 礦井通風網絡實時解算

通風網絡解算是智能通風與控制的底層核心技術。盧新明等[6]從風網的拓撲結構和狀態方程入手,已對自然分風、按需供風計算和風阻調節等理論難題進行了深入探索,并將風網解算方法廣泛應用于按需調風優化、均壓、聯合調節、在線閉環調控、測風優化布置、通風狀態超前預測、通風系統故障診斷、通風設施調控等智能通風領域,為智能通風理論的突破提供了科學依據與可行方法[2]。同時許多礦業軟件提供了礦井通風網絡仿真實時解算模塊,國內許多智能通風系統方案解決商可提供整體解決方案。

4.3 礦井通風系統故障診斷

礦井通風系統故障的快速準確診斷是保證通風系統智能化穩定運行和實現風流智能調控的關鍵。礦井通風故障診斷主要是利用礦井通風系統實時監測數據及礦井通風可視化仿真,利用神經網絡技術綜合分析通風動力設備、通風網絡及通風構筑物等方面故障。對系統故障、設備設施故障及時發出報警信息并準確判斷故障源。

主通風機是礦井通風系統的心臟,建立主通風機在線監測與故障診斷系統,在對主風機運行溫度、振動及電流等重要參數進行實時監測的基礎上,根據設備的故障特征庫建立預警機制,通過智能預警策略進行智能預警,提醒運行維護人員進行設備檢修與維護。

智能通風系統軟件通過分析得出風速、風量、風壓指標可以較好地進行礦井通風系統故障診斷。

4.4 AI 智能化視頻識別技術

利用人工智能視頻識別技術,建立算法模型并進行深度學習,實現對礦井通風系統設備及構筑物狀態的自動識別,周邊風險及人員違章行為的實時監控、聯動和預警是礦井智能通風系統的重要組成部分。

目前,基于深度學習的目標檢測算法在煤礦不同應用場景已獲得深度應用。非煤礦井智能通風系統應建立AI 智能化視頻識別平臺,對通風系統風門、風窗的開關狀態、風機的運轉狀態及周邊環境等進行實時檢測。智能識別風門長時間打開、未關嚴、風機運轉異常;人員、車輛違章通過風門;人員違章操作風機及通風構筑物等事件。當監控視頻中出現上述安全隱患事件時,平臺軟件能立刻分析、保存數據并聯動發出警報,通知就近工作人員及時處理,有效預防安全事故。

5 非煤礦井智能通風系統建設的關鍵環節

5.1 礦井通風網絡評估與整改

非煤礦山特別是有色金屬礦山一般采用豎井多中段開拓,采場布置分散、通風路線長及通風網絡復雜。一些生產礦井由于開采時間長,井下采空區多、廢棄巷道多。對此類礦井在實施智能通風系統建設前需對礦井通風網絡進行全面評估和整改。

通過現場調研,了解礦井通風網絡現狀及各用風點通風需求,對風量、風壓、有毒有害氣體濃度等參數進行現場檢測與試驗。在現場檢測試驗的基礎上通過封堵、改道、加裝通風構筑物等方式,優化礦井通風網絡,減少通風阻力。

對評估與整改后的通風系統進行現場通風數據的檢測與試驗,構建通風系統需風量計算模型,利用系統軟件進行三維通風仿真動態模擬,為實際供風量調控提供依據。

5.2 礦井通風機變頻調速

礦山智能通風系統以“動調+變頻”模式為核心,礦井主通風機須配置變頻器或進行變頻改造,系統根據需要對通風機運行頻率進行調節,達到節能高效效果;井下局部通風機選用智能變頻風機或進行變頻改造,系統根據需要通過調整變頻開關或變頻器的運行頻率來調整局部通風機工況參數,從而達到調整供風量的目的,使作業面風量維持在較為理想的數值。

與傳統的局部通風機相比,變頻風機的使用可根據需要精確地調整巷道供風量,既能保證風量需求,又避免了資源的浪費,實現較為理想的精準供風狀態,節約電力消耗,保證了通風系統穩定及作業面安全。

5.3 風門、風窗自動控制與調節

風門應采用自動電、氣混合式風門,具備電動、氣動自動控制和純氣動手動控制功能,雙系統控制交互使用時,具備互鎖功能,在電控系統停電或故障狀態下,可使用純氣動控制裝置啟閉風門。同時應具有紅外線(光控)傳感器開門功能,當行人或者車輛由巷道的任一方向進入時,風門自動裝置自動打開風門,同時觸發語音聲光報警。風窗一般采用電磁閥進行窗葉面積調節。

風門控制安全可靠是智能通風系統項目成功實施的關鍵,應作為系統方案設計的首要原則。現場實施時根據應用場景可設置如下保障措施。

1)規定時間內相關傳感器無信號時風門自動關閉。

2)設計人車防夾系統。

3)正常通行時人員走小門,車輛行大門,災變時人員可通過小門逃生。

4)風門二側設置手動控制開關,與自動控制冗余配置,手動開關可控制大、小門啟閉和急停等。

5)緊急情況時可人工遠程干預風門啟閉。

6 結語

礦山建設智能通風系統不僅能可持續為礦山的安全生產保駕護航,而且能通過系統軟件平臺的智能控制策略,自動控制變頻器實時調節風機功率、風門開閉及風窗開啟面積,實現按需通風,從而降低礦井通風能耗。同時,可實現礦井通風系統全流程智能運行,減少人工成本,開創礦井“智能通風無人化管理”的安全高效新模式,具有重要的推廣與應用價值。