矿井通风智能化管控系统设计

顾士成 袁树杰 马瑞峰

摘 要：为了研究矿井智能化调风，防治矿井瓦斯危害，现将调风理论与智能化系统通过软件编程结合，设计了一套智能化管控系统，以达到矿井通风系统中减人、省时、降耗等目的。同时，将该矿井通风智能化管控系统应用于山西省潞安集团李村煤矿，验证该系统的有效性。结果表明：该系统的应用，减少了通风系统中相关工作人员的数量，也提高了相关工作效率。

关键词：矿井;智能通风;通风调节

中图分类号：TD724文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）10-0045-03

Design of Intelligent Control System for Local Ventilation in Coal Mine

GU Shicheng1 YUAN Shujie1 MA Ruifeng2

（1.School of Safety Science and Engineering， Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001;2.Hunan Ping'an Mine Safety Technology Co.， Ltd.，Xiangtan Hunan 411100）

Abstract： In order to study the intelligent air regulation of mine and prevent the mine gas hazard， this paper combined the air regulation theory with the intelligent system through software programming， and designed a set of intelligent management and control system， so as to achieve the purpose of reducing people， time and consumption in the mine ventilation system. At the same time， the mine ventilation intelligent management and control system was applied to Lichun Coal Mine of Lu'an Group in Shanxi province to verify the effectiveness of the system. The results show that： the application of the system reduces the number of related staff in the ventilation system， and also improves the related work efficiency.

Keywords： mine;intelligent ventilation;ventilation regulation

我国是能源消耗大国，根据2020年发布的《BP世界能源统计年鉴》可知：煤炭仍然是我国的主要能源物质，其消耗量仍在不断增加，故加强对煤矿安全的研究，具有十分重要的意义。瓦斯灾害事故一直威胁着煤矿安全生产的健康发展，在煤矿安全生产事故中，瓦斯灾害事故占主导地位。为了防治瓦斯事故，加强对通风的研究极为重要。防治瓦斯异常涌出的方法有分源治理、分级分类治理及综合治理等。国内外学者提出了提高瓦斯抽采率及增大瓦斯异常工作面的通风量等措施来防治瓦斯异常涌出[1-2]。李永刚将变频技术与PLC（可编程逻辑控制器）相结合，以实现风机的变频调风，并可在线监测风机的运行状态等参数[3]。陈帅等通过对局部通风远程集中管控系统的设计需求进行分析，设计了系统控制界面、构架以及运行环境，实现了对局部通风机运行状态及环境参数的智能控制和监测，对矿井通风系统的安全稳定具有重要意义。Bascompta Marc等通过对某矿井通风回路温度、风流和巷道长度等实测数据进行分析，建立了矿井通风回路预测模型[5]。本文运用风量调节理论和智能化通风技术，设计了矿井通风智能化管控系统，实现了智能调风功能。

1 通风调节理论

1.1 风量调节原理

当一个通风网络系统中，分支网络所需风量与其分配风量不同时，有

[j=1naijRjQjQj-Hfi-Hpi≠0i=0，1，2，…，m]      （1）

式中：[Rj]表示分支风阻值，N·s2/m8;[Qj]表示分支风量值，m3/s;[Hfi]表示闭合回路中风机风压值，Pa;[Hpi]表示闭合回路中自然风压值，Pa;[m]表示风网中回路数;[n]表示风网中分支数;[aij]表示向量函数值。当[aij]=0时，表示支路不在回路上;当[aij]=1时，表示支路在回路上，且风向相同;当[aij]=-1时，表示支路在回路上，且风向相反。

要使式（1）等号成立，则需要在独立分支回路中增加相对应的风压[ΔH]，如式（2）和式（3）所示：

[j=1naijRjQjQj-Hfi-Hpi-ΔHi=0i=0，1，2…，m]    （2）

[ΔHi=j=1naijRjQjQj-Hfi-Hpii=0，1，2…，m]        （3）

当[ΔH]>0时，表示支路需要增大風阻;当[ΔH]<0时，表示支路需要减小风阻。

1.2 风量调节方法

常见的风量调节方法有通风网络分支风阻调节法、风机调节法及联合调节法。通风网络分支风阻调节法主要通过降阻调节法、增阻调节法以及增压调节法来调控风网中的风量。风机调节法通过调整风机的叶片角度或者改变风机风速来调整风网中的风量。风机调速通常采用变频调节，变频器的工作原理如图1所示。联合调节法是综合上面两种方法进行调节，理论上效果应更优，但实际操作较为复杂、耗时长，故实际对通风系统进行调风时，优选前两种方法。

2 矿井通风智能化管控系统设计

2.1 系统架构及组成

矿井通风智能化管控系统运行的环境配置如下：系统操作平台为Windows Server，采用64位CPU（Central Processing Unit，中央处理器），所配备的系统内存不小于4 GB，并配备一个不小于100 GB的硬盘;数据库平台采用SQL Server 2008数据库;Web服务器采用Tomcat 8.5服务器;运行环境为Java Development Kit 1.8。

矿井通风智能化管控系统的硬件部分包括：智能化采控器（KFAQ02）、矿用分线装置（JH18）、矿用交换机、变频器（BPB2-75/1140F）、智能开关（QJZ-160/1140（660）F）、声光报警器、瓦斯和风速（量）等参数测量传感器、摄像仪、矿用不间断电源及矿用本安型计算机等。将上述设备安装在井下风机附近的合理位置，组成一套通风智能化管控系统，整体框架如图2所示。

2.2 系统功能实现

将上述设备安装在井下通风机附近的合适位置，通过网线、光纤及RS485线连接，使所有设备均可与采控器通信，并且采控器采集的数据及参数可通过交换机传输至工业环网，最后传输至地面。

若巷道内瓦斯等有毒有害气体浓度达到预警浓度的20%，则声光报警器、井下管控硐室及地面管控系统开始报警;若巷道内瓦斯等有毒有害气体浓度达到预警浓度的50%，则声光报警器、井下管控硐室及地面管控系统开始报警，且系统会采用风机调节法或分支风阻调节法来增大整个通风网络中的通风量，使瓦斯等有毒有害气体排出矿井;若巷道内瓦斯等有毒有害气体浓度达到预警浓度的100%，则声光报警器、井下管控硐室及地面管控系统开始报警，且系统会使整个通风网络中的风机全部以最大通风量工作来增大通风网络中的通风量，使瓦斯等有毒有害气体排出矿井。将上述语言转换成编程语言，烧写至智能化采控器和井下及地面计算机中。

整个系统采取三级管控：一级管控是地面管控平台，主要包括计算机、管控系统（软件）、数据库以及大屏幕（显示器）等;二级管控是指井下管控硐室，主要包括矿用本安型计算机和管控系统（软件）等;三级管控是现场管控，主要包括管控系统（软、硬件）和智能开关管控程序等。对于整个系统的三级管控，矿方可根据自身需求自行选择一级和三级管控、二级和三级管控或者三级管控全选。

2.3 应用实例

山西省潞安集团李村煤矿响应国家煤矿智能化的号召，在西辅配电站及西翼进风巷两处的风机安装了智能化管控系统。将上述所有设备安装完成，并且将所写的软件程序烧写入采控器及计算机中，调试完成后，矿方可以实现如下功能：①矿井西辅配电站及西翼进风巷两处通风系统可以实现三维显示及动态监测;②实现矿井西辅配电站及西翼进风巷两处通风系统中馈电开关、智能开关、风机、各类传感器等所有设备的集中管理;③实现与西辅配电站及西翼进风巷两处通风系统相关的设备及其他系统的无人值守和故障诊断与分析;④根据智能管控系统采集的瓦斯浓度等相关数据进行智能变频调风;⑤关联矿井其他系统，如安全控制系统等，进行整体分析;⑥留有融合其他系统的备用接口，为实现全矿智能化管控奠定基础。通风智能化管控系统井下及地面管控平台显示画面如图3所示。

山西省潞安集团李村煤矿通过Admin的账号及123456的密码在如图4所示的登录界面进行登录。登录成功后，即可进入管理首页，如图5所示。管理首页可显示西辅配电点及西翼进风巷两处有关通风机的瓦斯浓度、风机温度及振动等相关信息。在该页面点击“昨日信息”，即可进入历史数据备忘录，查看风机的昨日相关数据，点击“返回”，即可回到首页。

3 结论

①矿井通风智能化管控系统通过软件编程，将通风调节理论和智能化管控系统相结合，可以实现根据通风网络中各区域瓦斯等有毒有害气体浓度进行智能化调风的目标，使矿井内瓦斯等有毒有害气体始终控制在安全范围内。此外，还减少了通风系统工作人员的数量和工作量，满足国家提出的“机械化换人、自动化减人”和“五型四化”的号召。

②通過智能化系统的研究与建设，可以实现矿井通风系统相关参数与数据的实时监测与显示、集中管理通风系统中的所有设备以及根据瓦斯浓度等参数进行实时智能调风等功能。

③山西省潞安集团李村煤矿通过在西辅配电站及西翼进风巷两处建立矿井通风智能化管控系统，可以实现智能化管理这两处的多台风机，减少了通风系统中相关工作人员的数量，也提高了相关工作效率。

参考文献：

[1]侯少杰.煤矿瓦斯治理过程控制理论及应用研究[D].徐州：中国矿业大学，2010：1-189.

[2]胡利明.煤矿复杂风网“瓦斯异常涌出—变频调风稀释”自动控制理论及方法研究[D].徐州：中国矿业大学，2014：1-168.

[3]李永刚.基于PLC控制的变频调速通风机系统[D].太原：太原理工大学，2012：1-92.

[4]陈帅，袁树杰，马瑞峰.局部通风机远程集中管控系统研究[J].中国金属通报，2020（9）：67-68.

[5]MARC B，JOSEP M R，LLU?S S，et al. Temperature Prediction Model in the Main Ventilation System of an Underground Mine[J].Applied Sciences，2020（20）：7238-7248.