矿山智能供风监测系统在大尹格庄金矿的应用

于涛 王启健

摘要：针对大尹格庄金矿供风系统人工巡检工作量大、管路破损发现不及时、管理数据不可见等问题，在供风网络关键节点加设传感器，获取风压、流速、流量等供风参数，在井下布置以太环网及无线覆盖网络，实现监测数据的实时上传，基于物联网和大数据分析技术，构建矿井智能供风监测系统。通过实时在线监测、历史数据查询、供风能耗分析、泄漏检测等多重手段，实现了对大尹格庄金矿供风系统的智能化管理。

关键词：供风系统;管路监测;传感器;物联网;大数据;智能分析

中图分类号：TD72文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2021）04-0051-05doi：10.11792/hj20210411

引 言

金属矿山凿岩爆破作业离不开空压机供风，地表空压机的管理较为简单，但井下供风管路分支多，延伸范围广，当管路发生破损后如何快速精准定位成为矿山供风系统管理的难题。目前，煤矿系统对此方面的研究较多，多通过建立管路实时监测系统来解决此类问题[1-2]。

目前，招金矿业股份有限公司大尹格庄金矿（下称“大尹格庄金矿”）拥有3处空压机房，分别为主井、北风井、南风井空压机房。其中，主井空压机房有6台40 m3空压机，南风井空压机房有1台60 m3和2台40 m3空压机，北风井空压机房有3台40 m3空压机。井下供风管路采用D273×8、D219×7、D159×7、D133×5、D114×5多种管径无缝钢管。大尹格庄金矿井下生产设-140 m、-175 m、-210 m、-290 m、-380 m、-431 m、-496 m、-556 m、-616 m和-676 m 10个中段，目前主要在-380 m～-496 m中段采矿，-496 m～-676 m中段开拓，井下供风管路通过井筒及斜坡道延伸到2个矿区的6个主力生产开拓中段。原采用的供风系统管理办法为3处空压机房安设人员值守，井筒及巷道供风管路无人巡查，当供风工作面压力及风量不足时安排人员全程巡检，但管路及井筒管路检查的复杂性等导致排查效率低，严重影响正常生产。近年来，随着信息化、智能化技术的发展，传统矿山供风系统管路监测方法迎来了变革，期望通过传感器、数据传输、大数据分析等多重手段，构筑一套新的矿山供风系统管理方法，以减轻人员劳動强度，做好跑漏风的监测、监控，提高矿山生产效率。

1 智能供风监测系统

大尹格庄金矿智能供风监测系统是在矿山物联网的基础上，提取供风系统管理数据，进行数据存储与加工分析，通过与现场实际生产结合，在智能终端获得分析结论，指导企业供风系统管理，优化指标，降耗提效。智能供风监测系统监测范围包含地表空压机系统及井下供风管路，监测数据包含空压机自动化系统参数、电能数据、传感器数据（流量、压力、温度），主要功能包含数据实时采集监控、视频监控、安全预警、数据分析等，系统应用后实现了空压机远程控制、能耗分析、井下压风管路泄漏监测预警等。

大尹格庄金矿智能供风监测系统包含调度中心大屏监测系统和矿山集成与展示平台电脑客户端。

1.1 调度中心大屏监测系统

调度中心大屏监测系统（见图1）包含3部分：第一部分为空压机房视频监控，可对空压机房内状态进行可视化监控;第二部分为供风系统实时监测界面，可实时观测各空压机房空压机开启数量、电流、电压，停机状态空压机指示图标为黑色，运行时变成绿色，出现报警时变成红色，同时可实时观测各监测点管路的空气压力、流量及流速;第三部分为供风系统数据看板，可了解当日实时供风量、日供风量趋势、各空压机站日供风量。

1.2 矿山集成与展示平台电脑客户端

矿山集成与展示平台电脑客户端包含空压机历史数据查询、井下点位历史数据查询、供风能耗查询、泄漏检测查询4部分，各部分数据查询均设置了查询时段选择，便于对数据的查询与分析。

1）空压机历史数据查询。可查询地表3处空压机站各空压机的电流历史曲线，通过分析电流曲线，可掌握空压机运行工况，当电流异常时可及时发现并进行设备维修。空压机历史数据查询界面见图2。

2）井下点位历史数据查询。可实现对井下23处供风管路监测点的数据查询，查询包含实时流量和实时压力查询两类数据，可了解每个监测点任意时间段内流量、压力的变化。例如：当某监测点监测区域内出现漏风时，实时流量将异常增加;当该监测点压力异常减小时，可分析得出监测点上游供风管路发生异常，可能存在风管破损等情况。井下点位历史数据查询界面见图3。

3）供风能耗查询。可查询地表3处空压机站每个站点的日供风量、日能耗及供风单耗，通过数据的分析对比，可及时了解各空压机站的工作情况，便于提高对站点的管理水平。供风能耗查询界面见图4。

4）泄漏检测查询。在较长的一定时间段内（可以是连续几个月），由于生产情况不会发生大的变化，生产区域的用风量也不会发生大的变化。在此基础上，根据相邻测点测定数值的逻辑关系，设置测点间测定数值的比值，当供风泄漏统计表所统计的实时比值偏离预设值时，提示当前供风系统中这2个测点附近区域存在问题。泄漏检测查询界面见图5。

2 工程应用及效果

2.1 监测点设计及传感器安装

2.1.1 监测点设计

监测点位的选择是构建监测网络的前提，选择时应结合生产情况考虑井上、井下管路的关键节点，避免无效监测点位。大尹格庄金矿智能供风监测系统施工点位覆盖主要生产区域，共实施了23处供风点位的数据采集，其中井上3处，井下20处（见图6）。后期可根据生产情况及时调整监测点位，确保监测点位有效、合理。

2.1.2 监测参数

空压机房监测参数主要为空压机电流、电压，根据电流、电压的变化趋势可以分析空压机开停、运转工况，该项监测参数可直接通过电能数据获得。

供风管路监测参数包含2项，分别为管路流量和压力，通过分析监测点流量和压力判断供风管路中的风流状态。管路流量通过热式流量计测量，热式流量计采用热扩散原理，将2个温度传感器置于介质中时，其中一个温度传感器被加热到环境温度以上，另一个溫度传感器用于感应介质温度，介质流速增加，介质带走的热量增多，2个温度传感器的温度差随介质的流速变化而变化，根据温度差与介质流速的比例关系，可得出流体的流量（Q）。管路压力通过STN2B压力变送器测量，压力变送器主要由测压元件传感器、测量电路和过程连接件3部分组成，能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号。

2.1.3 传感器安装

传感器测量参数的准确性很大程度上由安装的规范性决定，尤其是热式流量计的安装。热式流量计的传感器须按照指示的特定方向安装。这些流量元件都是按特定的流向进行标定的，安装时必须使流向箭头与管道中的流体流向一致。安装仪表时应远离弯头、障碍物、变径、阀门，以保证流场稳定，一般要求有较长的上限直管道，前直管道长大于10倍管径，后直管道长大于5倍管径。为确保流量计正常工作，安装时应使流量元件端部超过管道中心线6.35 mm。设备标定时严格按照中心线要求进行标定。

2.2 数据采集及传输

智能供风监测系统数据采集采用工业智能采集终端，用网线通过LAN从PLC获取数据或通过OPC协议直接获取供风系统内的数据，通过系统接口集成开发。

大尹格庄金矿智能供风监测系统的数据传输通过在井下布置以太环网及无线覆盖网络，实现监测数据的实时上传[3]。主干网结构采用环形工业以太网，主干网传输介质为光纤，采用工业以太网交换机进行数据交换。地面、井下连接成一个光纤环网，在控制中心机房通过高性能的工业级核心交换机连接起来，构成一个统一的矿井监控信息子网，该子网在一个相对独立的网段中运行，通过隔离网闸与建立的矿山企业网（即信息网络）隔离。矿用无线通信系统是基于工业以太网的井下通讯系统，以光缆为主干，无线网络为延伸，在井下设立若干基站，通过无线局域网络覆盖井下巷道，在井下建立有线与无线混合型局域网。在调度中心机房安装1台无线AC控制器，用来管理所有无线AP并进行配置信息的下发和无线用户的管理。大尹格庄金矿工业环网拓扑图见图7。

2.3 数据分析平台

矿山大数据分析平台分为数据存储、治理平台，数据可视化平台和数据挖掘管理平台4种类型。大数据分析平台利用物联网收集、处理数据并存储到分布式数据库中，针对业务实际，运用数学算法、机器学习工具进行数据深度挖掘，达到设备预知必维护、节能提效、优化生产工艺等精细化管理目标。

通过建立大数据分析平台实现供风系统数据分析决策服务，对矿山供风系统数据信息进行专题分析与大数据分析，发现隐形问题、发展趋势与相互关系等有价值的规律，找出最有价值的应用关键点，确保供风管理不断优化升级，实现矿山的透明与精细化管理[4-5]。

2.4 应用效果

目前通过供风管路流量监测，借助泄漏统计报表（见表1），发现3项泄漏预警。

通过对3处异常区域排查共发现管路泄漏点5处，通过及时组织对管路的维修，极大地减少跑风量，有效保证了钻机施工作业，减少的漏风量降低了购气量，可直接转化为经济效益。

3 结 语

借助矿山物联网及大数据分析，通过实时在线监测、历史数据查询、供风能耗分析、泄漏检测等多重手段，实现了对井上、井下供风监测系统的有效监测，提高了大尹格庄金矿供风系统管理的智能化水平，解决了人工排查的工艺难点。智能供风系统建设需注意测点设置、传感器安装、报警逻辑判断等关键环节。

[参 考 文 献]

[1]崔亚仲，白明亮，李波.智能矿山大数据关键技术与发展研究[J].煤炭科学技术，2019，47（3）：66-74.

[2]贾砚成，牛新建.煤矿井下供水供风系统在线监测技术研究与应用[J].科技信息，2011（31）：292-293.

[3]马强.基于无线组网的煤矿井下数据传输方案[J].矿业装备，2019（3）：28-29.

[4]朱瑞环，刘修成，邹芳伟.大数据背景下矿山企业的信息化建设[J].中国有色金属，2018，21（7）：66-67.

[5]武选.煤矿井下供风及供水管路监测系统的应用[J].矿业装备，2015（9）：78-80.

Application of intelligent mine air supply monitoring system in Dayingezhuang Gold Mine

Yu Tao，Wang Qijian

（Dayingezhuang Gold Mine，Zhaojin Gold Industry Co.，Ltd.）

Abstract：In view of the heavy workload of manual patrol inspection，the untimely discovery of pipeline damage and the invisibility of management data in the air supply system of Dayingezhuang Gold Mine，sensors are installed at the key nodes of the air supply network to obtain wind pressure，velocity，flow and other air supply parameters.The ethernet ring network and wireless coverage network are arranged underground to realize the real time upload of monitoring data.Based on the internet of things and big data analysis technology，the intelligent mine air supply monitoring system is constructed.The intelligent management of the air supply system of Dayingezhuang Gold Mine is realized by means of real time on line monitoring，historical data query，air supply energy consumption analysis，leakage detection and so on.

Keywords：air supply system;pipeline monitoring;sensor;internet of things;big data;intelligent analysis