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矿井通风管理信息系统开发及其应用

2014-03-30倪景峰

华北科技学院学报 2014年8期
关键词:风井矿井通风

马 恒,倪景峰,刘 剑

(1. 辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院,辽宁 阜新 123000;2. 矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室,辽宁 阜新 123000)

1 矿井通风管理信息系统历程

矿井通风管理信息系统辽宁工程技术大学在2000以前开始研发,2000年成功开发了矿井通风仿真系统(Mine Ventilation Simulation System,简称MVSS),版本为1.0,获得了国家安全生产监督管理局科技成果一等奖。MVSS2.0于2003年12月推出,并于2004年4月29日通过了科技部和国家安全生产监督管理局联合组织的项目验收。2004年底完成了MVSS3.1版本,其整体水平达到国际领先水平,其中拓扑关系自动建立与管理、基于最小调节功耗的网络优化调节通路法、角联自动识别、含有单向回路的网络解算、多级机站通风仿真等成果在国际上是独创的。此外无初值的通风网络解算迭代法、固定半割集下的按需分风等也均达到了国际先进水平[1,2]。

2013年,软件升级为“矿井通风管理信息系统”(MVIS/3D-Net)。通过巷道对象与节点、构筑物、通风动力装置、风流方向对象间相互关系建立数学模型,在无初值迭代算法的基础上又解决了无向图网络解算算法,解决了网络解算与监测监控系统一体化算法,具有计算机联网在线实时通风仿真功能,在视图方面该软件系统方便地实现了二维与三维之间相互转换。二维方式是目前通风技术人员习惯的操作模式,该软件系统提供的二维模式符合现场技术人员的操作。同时实现了通风仿真图与相应的通风网络图一体化自动绘制,通风仿真图改变后,相应的通风网络图将自动改变。彻底实现了通风网络解算工程化的应用。该系统是利用矿井通风仿真技术和计算机网络技术开发出的矿井通风专业化软件。

伴随着矿井通风管理信息系统在各大局矿的实际应用,系统功能逐步得到完善,目前已在全国近100个矿井进行了实际应用,收到了良好的现场应用效果。

2 MVIS结构、算法与主要功能

一个典型的网络版矿井通风管理信息系统由以下三部分组成:1) 通风技术主管客户端;2)服务器端;3)客户端。矿内部通过局域网进行连接,集团公司与各矿之间利用集团公司内部网进行连接。

MVIS的功能主要分为五部分:矿井通风系统的网络化管理、通风网络解算算法、通风系统优化改造仿真、通风系统分析与评价、主要实用功能等。

2.1 矿井通风系统的网络化管理结构

MVIS的服务器、客户端、以及通风管理终端建立连接后即可实现通风系统的实时传输、在线查询、在线管理等功能。特别是个客户端均能进行实时仿真运算,即普通客户端与矿井通风技术主管管理终端(技术主管客户端)具有所有的软件功能,除了上传更新服务器功能以外。

通风系统实时传输:通风技术主管客户端对通风系统所做的所有改变,在各级终端进行实时传输显示,即各级管理终端具有与通风技术主管同样的效果,同步操作,同步显示。

通风系统在线查询:各级终端可以向矿服务器发出请求在线查询通风系统运行情况。主要包括:巷道运行情况、风机运行情况以及各种通风构筑物运行情况。

通风系统在线管理:通过MVIS的强大网络功能,技术人员与管理人员可以同时进行“由下向上的管理”和“由上向下的管理”。

由下向上的管理:由矿井通风技术主管在本矿管理终端(技术主管客户端)进行提前模拟,得到预期的效果,主管领导(矿井客户端、集团公司管理终端)根据预期的效果提出建设性意见,并在自己的客户端随意进行试验,从而达到由下向上的管理与通信交流,进一步完善通风系统改造措施;

由上向下的管理:主管领导如果认为通风系统改造有不合适的方面,可以利用该系统,在系统图上直接修改,将修改后的通风系统提交该矿井的通风通风技术主管(通风技术主管客户端),由通风技术人员进行具体的技术分析与管理。

2.2 通风网络解算算法

在解决了一系列技术难题,形成了目前的通风管理信息系统,主要有以下几方面内容[3-5]:

通风网络解算具有:通风网络拓扑关系自动建立、固定半割集下的按需分风、无初值迭代计算、单向回路自动处理等特点;目前通过巷道对象与节点、构筑物、通风动力装置、风流方向对象间相互关系建立数学模型,在无初值迭代算法的基础上又解决了无向图网络解算算法,彻底实现了通风网络解算工程化的应用。

基于最小功耗的通风网络优化调解:在不增加系统总功耗的前提下对通风系统进行调节;

节点压能驱动调节:基于通路法的节点压能驱动调节法,无需简化,可对任意规模的通风系统进行快速解算,已实现了风路数无限制的网络解算与调节功能;

单向回路解算与调节:对于有色金属等非煤矿山采用的井下基站通风如金川二矿,容易形成循环风,即通风网络称之为单向回路;煤矿中升压系统容易形成局部小循环系统,如同煤四台矿。对于以上问题该软件系统已很好地解决了此问题。

2.3 通风系统优化改造仿真

随着矿井生产的进行,通风系统需要做适时调整,以适应生产的需要。在调整之前利用MVIS进行仿真,可以预先对多个方案进行分析对比,确定最优方案。

2.3.1 日常通风系统改造模拟

1) 新掘巷道贯通模拟;

2) 巷道打密闭报废模拟;

3) 巷道清理、扩帮等断面积变化模拟;

4) 工作面推进巷道长度变化模拟;

5) 风门位置、风窗调节量模拟。

2.3.2 通风系统优化改造模拟

1) 采区风量调整模拟;

2) 新采区贯通模拟;

3) 主要进回风巷调整模拟;

4) 新掘进风井、回风井模拟;

5) 主要通风机更换模拟。

2.4 通风系统的分析与评价

该系统具有如下对通风系统的分析与评价功能:

(1) 地面主扇选型与多风机联合运转分析;

(2) 矿井功耗分析;

(3) 通风系统调节位置与调节量分析与评价;

(4) 巷道风速分布与评价;

(5) 矿井需风量分析与评价;

(6) 通风系统可靠性分析;

(7) 通风系统灵敏性分析;

(8) 通风系统最大通风能力分析;

(9) 井下空气成分、温度、湿度分析与评价;

(10) 矿井分区通风分析与评价;

以上各项分析评价均能自动生成相应的分析评价报告。

2.5 矿井通风管理信息系统主要实用功能及典型应用矿井

利用该软件系统开发的相关主要实用功能,解决了一系列通风相关问题,矿井通风管理信息系统不仅仅局限于通风系统优化等方面,更为相关研究提供了技术支持[6]。下面对成功应用的主要实用功能进行阐述。

2.5.1 矿井通风管理信息系统与矿井监测系统一体化算法研究与实现

利用煤矿监测监控系统数据库,矿井通风管理信息系统共享监测系统数据库,利用监控系统实时数据,再对监控系统数据进行实时修正,对整个矿井的通风系统进行仿真[7]。

目前霍州煤电三交河煤矿成功实现了矿井通风管理信息系统利用监控系统对矿井风量、负压、开停机等状况实时的监控与仿真,使得矿井的风量、负压、开停机等数据在矿井通风管理信息系统下直接更新、显示,非常直观。

2.5.2 反风模拟分析

根据煤矿安全规程第一百二十二条规定:生产矿井主要通风机必须装有反风设施,并能在10 min内改变巷道中的风流方向;利用该软件系统可以进行灵活方便的反风模拟分析。

典型应用是在潞安常村煤矿实现了中央、西坡、王村风井单独、相互联合反风模拟分析,提出了切实可行的反风方案。

2.5.3 全矿井风流温度实时计算

结合矿井风流网络解算原理,对矿内环境温度进行实时计算与分析。实现了全矿井所有通风巷道的风流温度计算,而不仅仅是某段巷道的计算。具体做法是首先对不同热源进行了分类,确定基本热源热计算公式;然后通过对矿井不同特征点的划分,对不同性质的巷道进行分析,确定巷道热计算公式。为高温矿井的系统开拓、改扩建和通风系统的优化设计提供了理论依据与参考价值。

典型应用是铁煤集团大强煤矿,结合大强煤矿实际生产初步设计,计算并分析了不同通风系统布置条件下矿井风流温度参数。实现了大强煤矿优化设计与通风机选型等问题[8]。

2.5.4 自然风压规律分析

矿井自然风压分析,在工程实际中,自然风压相关参数井巷空气密度的变化往往复杂、繁乱、难以掌握规律,而在工程实际中要求计算自然风压时,要尽可能的反映实际情况,使计算结果精确可信。

典型应用是晋煤集团长平煤业公司,自然风压在不同的通风网络通路中其数值是不同的,找到长平煤业矿井三个回风井中各自有代表性的主要通路,计算相应的四个季节自然风压的仿真结果,再通过数值拟合,绘制出长平煤业矿井三个回风井的四季自然风压变化曲线。从而得出长平煤业矿井各个时期不同回风井自然风压的变化规律。

3 软件系统应用的技术路线

3.1 矿井通风参数采集

为欲建立矿井通风管理信息系统,首先需要进行参数采集,为建立实时通风系统提供可靠的原始技术参数,为日后通风系统改造、通风系统方案模拟提供准确可靠的技术参数。

3.2 基于仿真技术的矿井通风管理信息系统开发与调试

1) 矿井通风管理信息系统的构建与调试,包括通风仿真图的及时更新,通风系统数据的实时计算,结果与矿井通风状态参数相吻合;

2) 实现矿井通风管理信息系统的维护;

3) 矿井各级管理终端,利用集团公司内部网络,实现矿井的通风系统显示、通风状况查询、生成各种报告、报表等功能。并进行实际仿真操作。

3.3 进行通风系统方案仿真

在现场工业实验,通过改变构筑物的状态等参数,对矿井通风系统进行实时模拟,得出与现场实际相吻合的结果,以此来检验矿井通风管理信息系统的可靠性与准确性。以此为依据,根据矿井生产实际需要,给出后期通风系统改造的各种方案,利用该软件系统进行科学的仿真。通过比较,从理论上提出可靠的切实可行的改造方案。

3.4 进行通风拓展方向研究

在实际矿井中根据生产需要,利用该软件系统扩展的实用功能,解决通风相关问题。根据需要可以方便地增加其他相关的通风技术问题的功能,前提是需要再解决其相应的数学模型的基础上进行开发。

4 矿井通风管理信息系统实际应用

4.1 矿井通风管理信息系统总体实际应用

矿井通风管理信息系统已在辽宁省沈阳煤业集团;铁煤集团的四大四小(晓)矿井;阜矿集团;吉林通化;黑龙江鸡西;河北开滦精煤;河南永煤集团;淮南潘三矿;金川有色金属公司;山西晋煤集团;霍州煤电、同煤集团;潞安集团;中煤集团等局矿局矿进行了推广应用,均取得显著的社会与经济效益。

下面以其中几个较典型的矿井应用进行说明。

典型实例1:长距离超复杂通风系统仿真

开滦集团公司范各庄矿业公司通风网络复杂,全矿井共有4个开采水平,巷道数量多,达到1300多条,通风巷道总长度为172057.7 m,成功地应用了矿井通风管理信息系统。通过研究实现了网络边数无限制网络算法并进行了成功应用。

典型实例2:多风井联合局部升压的通风系统仿真

同煤集团四台矿原为八进五回通风系统,成功的利用了矿井通风管理信息系统,解决了井下工作面局部升压防灭火的通风系统调整。利用矿井通风管理信息系统成功地将412盘区并到了整个矿井,形成了九进六回通风系统。

最终实现了地面主要通风机与井下局部升压风机联合运转分析。使得矿井通风管理信息系统在超复杂网络多风机联合的四台矿能够成功应用。

典型实例3:高产矿井扩能改造与分区通风

晋城成庄矿利用矿井通风管理信息系统成功解决了以下问题:1)新2#风井投运,成功解决了风机喘振问题;2)二盘区、四盘区成功实现了分区通风;3)三、五盘区成功实现了分区通风。

典型实例4:水采改综采通风系统调整

开滦集团公司吕家坨矿业公司利用矿井通风管理信息系统成功实现了水采改综采通风系统调整。新风经过主井、副井和混合井进入各个用风地点,污风经过各个回风水平到达矿井的西对角风井,排入地面。

典型实例5:矿井通风系统风流温度预测分析

针对辽宁铁煤集团长城窝堡煤矿主要需要解决以下问题:

一是长城窝堡煤矿属于高温矿井,特别需要对投产后各巷道特别是工作面的风流温度进行预测,为下一步风机选型以及降温系统的确立提供参考。

二是建井初期掘进通风也是亟待解决的问题,如何将地面的局部通风机移到井下,从而实现通风系统的顺利过渡。

利用该软件系统成功解决了以上问题,实现了不同巷道布置情况下全矿井温度实时计算、通风对风流温度实时影响分析,为长城窝堡煤矿制冷技术提供了依据。为下一步千米以下矿井的高温热害治理奠定了理论与技术基础。

典型实例6:煤矿通风系统联网建立矿山安全通风智能网络管理系统

通过应用该软件系统,实现了辽宁铁煤集团四大四小(晓)所有矿井的通风系统网络(Internet)交互式智能化管理。

解决了通风管理系统网络信息传输关键问题,首次提出了矿井通风系统网络化管理模式,实现了通风技术员层、矿领导管理层、集团公司管理层对于通风管理交互的通风系统网络信息化智能化管理。对矿井安全生产救灾决策系统的制定具有积极的辅助作用。

类似应用还有,吉林辽源集团梅河煤矿多井口通风系统管理的联合应用。

典型实例7:通风系统改造达到节能减排

河南煤化永煤陈四楼煤矿系统改造:通过分析论证停运了中央回风井,改造为进风井。由两进三回改造为三进两回通风系统;而整个中央风井的风机停运后,中央风井不再消耗功耗,中央风井减少373 kW; 北风井几乎不变。从而使整个系统减小总功耗约为312 kW,节约大量的通风费用,达到了节能减排的目的。并成功解决了以下通风问题:

1) 十六采区增加生产,十四采区形成后的采区风量不足问题;2) 对后期十八采区、六采区、八采区开采时的通风系统状况进行了优化设计;3) 南翼通风系统随着南五采区的延伸,用风量增大;九采区开采时,通风线路较长,其通风阻力增大的问题都得以顺利解决。

典型实例8:高瓦斯特大型通风系统应用

对于山西国阳二矿特大型通风系统特点——风路数多(1800条)、风井多(十进五回)、用风地点多(九个工作面、五个准备面、二十个掘进面),进行了成功应用。利用通风管理信息系统,成功解决了以下通风问题:

各采区的联合通风与分区问题,矿井主要通风机与矿井通风网络匹配问题;通风机联合高效运转问题;对后期通风系统改造、优化设计进行问题。

典型实例9:通风管理信息系统与矿井监测系统一体化研究与应用

山西焦煤集团霍州煤电集团三交河煤矿对开展相关研究提供了试验支持,三交河煤矿矿井通风管理信息信息成功接入矿井通风监测监控系统,矿井通风管理信息系统共享监测系统数据库,在监控数据进行滤波预处理分析基础上,利用数据拟合对监控系统数据进行修正;利用监控系统传感器实时更新修正得到的数据对整个矿井的通风系统进行仿真,从而实现了矿井通风管理信息系统与矿井监测系统一体化技术应用,在此基础上首次实现了通风系统在线实时仿真。

最终实现了与三交河煤矿数字化矿山管理平台进行数据共享。

典型实例10:高瓦斯大风量矿井成功实现降阻工程及风井投运

潞安集团常村煤矿如何降低矿井通风阻力,降低矿井通风功耗,保证矿井通风系统的风量及风流的稳定性,实现矿井通风系统的合理化是该矿井迫切需要解决的问题。采用矿井通风管理信息系统对矿井通风系统进行多种方案模拟,进行了相应的通风系统优化改造,实现了以下目标:

中央风井风量保持23000 m3/min,则负压由4700 Pa降低为3700 Pa;

西坡风井风量保持17100 m3/min,则负压由3600 Pa降低为2920 Pa。

S3采区分风顺利实现,S3由中央和西坡风井共同负担改造为由中央风井单独负担。

王村回风系统成功投运后,王村风井回风控制在9000 m3/min,到后期调整到15000 m3/min、1800 m3/min,顺利实现了风机投运及各阶段通风系统调整。

5 结论

1) 经过近十五年的不断完善,解决了一系列算法与技术难题,目前已形成功能强大、操作方便、适于应用推广的矿井通风管理信息系统;

2) 提出了网络化的矿井通风管理概念,首次实现了全矿所有计算机终端均可模拟仿真运算的功能,彻底从根本上改变了管理思维和理念;

3) 通过该软件系统,为研究制定矿井救灾决策系统,制定救灾决策系统预案,提供了有力的科学技术手段,可节约宝贵的救灾时间,提高了矿井的抗灾救灾能力;

4) 完善的反风演习功能,可掌握全矿主要通风机反风后系统巷道风量分布状况,制定矿井主要通风机反风情况下井下人员及通风系统管理方案;

5) 外围延伸扩展功能,使得矿井通风管理信息系统不仅仅局限于通风系统优化等方面,更为相关研究提供了技术支持。

6) 通过矿井通风管理信息系统在全国进行了推广应用,取得了显著的社会效益,得到了工程技术人员和安全管理人员的认可与好评。

[1] 刘剑, 贾进章, 郑丹. 流体网络理论[M]. 北京:煤炭工业出版社, 2002.

[2] 苏清政, 刘剑. 矿井通风仿真理论与实践[M]. 北京:煤炭工业出版社,2006.

[3] 倪景峰, 刘剑. 矿井通风管理信息系统数据库设计[J]. 辽宁工程技术大学学报,2004,23(5):463-466.

[4] 贾进章, 马恒, 刘剑. 影响角联风路稳定性的相关风路研究[J]. 辽宁工程技术大学学报, 2002,21(3): 267-270.

[5] 马恒, 徐超, 李宗翔, 等. 矿井通风摩擦风阻的计算与研究[J]. 安全与环境学报, 2011,11(5):172-174.

[6] 马恒, 林露露, 刘尹霞. 矿井突水路径搜索算法及突水范围预测[J]. 辽宁工程技术大学, 2014,33(9):450-454.

[7] 黄序桢. 基于监测数据的矿井通风仿真系统研究与应用[J]. 辽宁工程技术大学, 2014.

[8] 马恒, 尹彬, 刘剑. 矿井风流温度预测分析研究[J]. 中国安全科学学报,2010,20(11):91-95.

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