礦井通風安全智能實時監測與控制系統研制

李玉鵬,劉 平,劉海濤,孫澤雁,張峰華

(1．陜西陜煤集團黃陵建莊礦業有限公司,陜西 延安 727307;2．山西科達自控股份有限公司,山西 太原 030006)

0 引言

礦井通風是煤礦生產的重要環節[1-3],穩定可靠的通風系統是煤礦安全生產的必要條件。一個良好合理的礦井通風系統,不僅要以最經濟的方式提供足夠的新風量,確保井下作業人員的生命安全,還要在災害發生時控制風向和風量,防止災害的發生[4]。因此,需要對煤礦的風量、溫度等參數進行實時監測。此外,需要對采集到的礦井大氣的各個參數進行分析,通過智能終端控制系統對主要通風機、局部通風機、風窗等設備進行調節?？梢?礦井通風安全監測及控制系統的設計與研究已經成為礦井安全生產的重要保障[5-6]。近年來、煤礦自動化、信息化程度有了明顯的提升[7],礦井通風安全監測及控制系統逐漸向智能化發展[8-9]。在監測方面,楊戰旗等[10]研發了一種礦井通風安全智能監測監控系統,該系統可以實時監測、顯示礦井通風安全參數,并可以自動調節風門開閉狀態和開啟程度,以滿足用風地點的供風需求和救災需要。遲煥磊等[11]提出了一種基于數字孿生技術的多元信息驅動智能化工作面三維可視化監控方法,構建了智能化工作面數字孿生三維監測系統。在可視化方面,張珂等[12]以礦井三維巷道模型為基礎,融合了通風設施模型,開發了礦井通風系統三維模型及相應數據庫。

基于以上研究,提出一種礦井通風智能監測及控制系統建設方案,闡述系統的結構與功能,研究礦井通風三維化監測、通風參數分析與模擬、智能終端控制等關鍵技術,用以實現三維模擬通風、礦井通風系統智能分析、智能調風等功能。

1 系統需求與設計

1.1 系統功能分析

通過閱讀前人的文獻,總結前人的研究成果[13-15],結合煤礦總體情況,礦井通風安全智能檢測及控制系統必須實現以下幾方面的功能。一是實現井巷、硐室、工作面、通風設施、通風動力等通風數字建模;二是通過通風阻力在線監測和平差計算,建立通風風阻數據庫;三是根據相關規程以及現場實際情況自動計算需風地點的需風量;四是基于需風點風量和調節點位置,給出最優的風量調節方案;五是主要通風機、局部通風機具備一鍵啟動、倒機功能,增加視頻監控和風機狀態感知傳感器,實現主要通風機、局部通風機遠程啟停和切換;六是風門采用紅外、感光等感應式傳感器和PLC控制技術手段,實現風門的就地和遠程控制,無人值守,主要進回風巷間,采區進回巷間采用自動閉鎖風門,具備感知車輛、人員通風自動開閉功能。此外,所有風門實現聯網并可以遠程監控,具備視頻監控、聲光報警功能;七是實現遠程手動及自動智能調節風窗,實現調節風窗過風面積大小的功能;八是系統應具備故障診斷、預警預報及通風狀態的三維動態可視化功能;九是災變時期自動生成調風、控風方案,輔助決策最佳調風、控風方案。

1.2 系統總體設計

該系統主要由礦井智能通風參數智能感知裝備實時監控系統、地面智能控制分析和決策系統、智能控制終端3個子系統組成。

監測系統是整個系統的基礎,為其他系統提供實時的數據支持。智能控制分析和決策系統是整個項目的核心部分,由分析和決策2個子系統組成。分析子系統通過對自動采集到的礦井大氣的各個參數進行分析,決策系統發出指令,通過控制系統來執行;控制系統通過改變主扇風量和區段風量,改變通風構筑物的通過斷面來實現,借以有效的按需調節各巷道的風量分配。通過計算機分析軟件和通風控制軟件的結合,調節礦井通風,最終實現計算機對礦井通風系統的分析,再根據分析結果,對礦井通風進行智能調節,利用測風系統回饋的數據,智能解算再運算后進一步給出調風策略,從而形成閉環的智能調風網絡。

2 系統總體方案

2.1 系統結構

礦井通風安全智能監測及控制系統結構如圖1所示。系統主要由3個子系統構成:監測系統、模型與分析系統、控制系統。此系統通過監測全礦井通風各子系統相關點的風速、風量、瓦斯等相關參數,并上傳到礦井通風監測中心來控制礦井主通風機、局部通風機、風門、風窗等相關設備和設施,對礦井通風系統進行自動調控,達到按需供風,避免礦井出現風流紊亂、風量不足、過度通風災變時的風流調節及合理地選擇避災路線的目的,實時改變全礦井或局部工作面的通風情況,同時還能對主要通風機、局部通風機、風門、風窗進行故障診斷,對礦井通風區域的風流實施遠程調度與監控。

圖1 礦井通風智能監測與通風系統結構Fig.1 Intelligent monitor and system structure of mine ventilation

2.2 系統功能

提出的系統以動態監測子系統為基礎,構建三維可視化通風網絡,同時通過對礦井監測得到數據進行計算、模擬、分析,從而控制主扇通風機、局部通風機、風門、風窗等通風設施進行微量調風,使通風系統處于最優化的通風狀態,實現風網故障預警與分析、按需自主供風、災變控風、熱塵模擬等其它的功能。

2.2.1 井下通風狀態的三維動態可視化

在真實坐標空間內建立巷道、節點、風機、風門、風窗、風筒三維模型。利用先進技術實現風流、煙流、有毒有害氣體擴散動畫模擬和阻力3區、災變分級劃分、風速、標高的巷道數據、顏色梯度展示。利用礦井三維通風系統模型快速建立技術,實現通風系統圖自動導入建模。根據全斷面精準測風及多參數數據,實時進行風網解算,提供控風決策。

2.2.2 反映通風設施的運行狀態

智能通風大數據監測平臺,以礦井通風系統圖為基礎,描繪出各地點、各位置處的通風設施,反映通風設施的運行狀態。針對通風設施多、分散,系統設計設施查詢,輸入相關類型設備或某地點設施,查詢后能顯示出該地點設備信息、運行狀態、數據、以及視頻畫面。實現瓦斯濃度、風壓、風速、風量等參數的智能聯動、一鍵測風以及智能調風。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。

2.2.3 通風系統智能調控

以礦井監測數據為基礎,控制礦井主通風機、局部通風機、風門、風窗等相關設備和設施,對礦井通風系統進行自動調控,達到按需供風,避免礦井出現風流紊亂、風量不足,過度通風災變時的風流調節及合理的選擇避災路線可實時改變全礦井或局部工作面的通風情況。同時,還能對主要通風機、局部通風機、風門、風窗進行故障診斷,對礦井通風區域的風流實施遠程調度與監控。

3 系統關鍵技術

3.1 監測系統

監測系統為模型與分析系統、控制系統以及系統聯動提供數據支持,是整個系統的基礎。通過在各個測風點安裝不同類型的傳感器(如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、風速傳感器),同時利用本安分站將采集的通風數據上傳至地面控制室,使其具備實時監測以及報警功能。

監測系統的可視化是以礦井通風系統圖為基礎,描繪出各地點、各位置處的通風設施,反應通風設施的運行狀態,如主扇運轉情況、局扇開停、風門開關狀態、風窗開度等。實時顯示各測風點通風主要參數,如風量、溫度、壓力等,并以三維圖模型展示。

3.2 控制系統

3.2.1 智能控制主要通風機

實現風量、風壓、溫度、振動、頻率等數據的在線監測功能,增加視頻監控和風機狀態感知傳感器,具有遠程變頻控制功能的主通風機,實現通風參數監測、自適應變頻調節風量;實現通風機遠程控制功能,具有“一鍵啟?！薄耙绘I倒機”“一鍵反風”等控制功能。根據風網監測數據及解算結果調控主要風機在最優狀態運行;根據風機狀態監測及解算結果實現主扇風機故障預警和維檢推送;有監測數據和智能解算,主通風機可以高效安全供風,避免浪費。

3.2.2 井下風門智能控制

采用PLC控制技術和工業以太網通訊技術,并具有485通信接口,對井下各處風門進行無人值守自動控制。利用上位機對運行狀態實時顯示及遠程控制,可以達到相關數據的實時監測及報警功能。利用工業以太網將數據傳送到地面生產調度中心,極大地提高了響應時間。

系統通過檢測人員車輛和相關傳感器參數,控制風門啟閉,同時配有語音燈光告警提示,合理調度各風門運行。系統通過上位機監控系統以圖形、圖像、數據、文字等方式,直觀、形象、實時地反映系統工作狀態。可以將瓦斯濃度、風速、風壓等參數通過PLC系統中的通信模塊接入以太網及上位機,與監控主機實現數據交換。該系統具有運行可靠、操作方便、自動化程度高等特點,并可以與全礦井自動化平臺實現對接,具有直觀、操作簡單、形象逼真的動態畫面和中文顯示功能,實現實時報警監視、數據采集、處理、顯示及打印功能,并具有安全確認機制以及歷史數據記錄功能。

3.2.3 井下風窗智能調控

系統采用了可調風窗、氣動驅動裝置、隔爆兼本安型PLC控制箱、傳感器、攝像儀等硬件,實現風窗智能化監測、調控。動力驅動裝置通過減速機連接風窗旋轉機構,帶動百葉風窗,實現開度變化。隔爆兼本安型PLC控制箱檢測傳感器信號,分析判斷,輸出信號控制動力驅動裝置,進而控制風窗開度變化,實現調控現場風量大小的目的。整個系統為閉環控制系統,有輸入設定、有反饋,內部運算控制邏輯,實現系統智能控制。配置防爆攝像儀,實現對井下風窗的遠程監視,另外,系統配置工業以太網傳輸接口,通過與井下環網連接,實現地面集控、調度的統一管控。

3.3 模擬與分析系統

模擬與分析子系統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,制定井下和井上通風設施、設備的聯動調控策略,協同集控執行并反饋決策方案,最大限度地縮小災害影響范圍。

3.3.1 工況點計算

基于需風量的計算和主通風機性能數據庫,輔助決策主通風機運行頻率或葉片角度,確定最佳工況點。對基于需風量的計算和局部通風機性能數據庫,輔助決策局部通風機運行頻率,確定最佳工況點?；谛栾L點風量和調節點位置,給出最優的風量調節方案。

3.3.2 可靠度計算

計算每條巷道的靈敏度、可靠度以及通風系統可靠度,評價風流的穩定性。根據靈敏度和可靠度計算結果進行布局,滿足通風系統的可測性和可控性。

3.3.3 風機數據模擬

準確輸入風機各種工況點反映風量和負壓的風機曲線有利于模擬更加準確。風機數據庫可以編輯、添加和刪除模型中所有風機數據,還支持在線互聯網查找風機,動態顯示風機運行曲線及數據。此外還可以模擬礦井風網中主通風機不同風量、負壓下的運行情況,模擬風機變頻、不同葉片角度下礦井通網絡的運行情況。

3.3.4 災變模擬

模擬災變煙流的擴散和蔓延過程,動態分析災害影響區域和范圍,能快速進行反風模擬計算,可快速生成最佳避災與救災路線。災變時期自動生成調風、控風方案,輔助決策最佳調風、控風方案。

4 系統應用

4.1 礦井概況

陜煤蒲白礦業有限公司建莊礦業公司某礦井的通風方式為中央分列式。設置主斜井、副斜井2個個進風井,設置一個回風立井。回風立井安裝2臺FCZ№25.0/1250(Ⅰ)型防爆對旋軸流式通風機。井下各掘進頭采用對旋軸流壓入式局部通風機。礦井瓦斯等級為低瓦斯,煤層自燃傾向性為Ⅱ類自燃煤層,煤塵具有爆炸性。通風自動化控制系統現狀為已實現主通風在線監測及遠程集控功能,井下局部通風機實現地面遠程監測功能。

4.2 系統實施

根據礦井的通風自動化控制現狀以及滿足智能化監控與控制要求,通過布置各種類型傳感器收集礦井下的實時數據,并通過模擬與分析系統實現風網實時結算、災害預警等功能,智能控制終端實時采集數據服務器數據,包括各通風子系統數據、風網解算結果數據,智能控制軟件整合各子系統,進行分析、判斷,生成報表、曲線統計信息,礦井通風預警信息,智能控制調節風窗、風門信息,傳到數據服務器,控制各子系統設備,整體方案融為一體,集數據采集、風網解算、智能控制于一體,建成礦井通風智能監測及控制系統。主要分為監測、模擬與分析、控制3部分。監測部分主要功能如圖2所示,控制系統主要功能如圖3～5所示,模擬與分析主要功能如圖6、圖7所示。

圖2 礦井通風網絡在線監測三維圖Fig.2 Three dimension of mine ventilation network online monitor

圖3 主要通風機控制界面Fig.3 Control interface of main ventilation fan

圖4 智能風門控制系統Fig.4 Control system of intelligent damper

圖5 風窗控制界面Fig.5 Control interface of wind window

圖6 風機數據模擬界面Fig.6 Simulation interface of fan data

圖7 災變模擬Fig.7 Disaster simulation

5 結論

(1)礦井通風是煤礦生產的重要環節,通過總結前人的研究成果,并結合現場實際情況,系統闡述了礦井通風安全智能實時監測、控制與模擬系統的功能需求以及總體框架。

(2)詳細闡釋了監測系統、模擬與分析系統、控制系統的關鍵技術。監測系統實時監測礦井大氣中的各個參數,并以三維圖像的方式展現出來,模擬與分析系統通過對監測系統提供的數據進行分析,為礦井的災害預警以及風量實時調節提供了依據。控制系統通過對風門、風窗、通風機的遠程控制,實時調節礦井中各個需風地點的風量。

(3)將該系統用于建莊礦業公司某礦井中,提高了該礦的智能化水平,為實時監測井下大氣數據以及調控井下風量提供了有效的技術手段,對于建莊礦業公司安全生產起到重要作用。