大尹格庄金矿井下通风环境感知与大数据分析平台研究开发

于 涛

(招金矿业股份有限公司大尹格庄金矿，山东 烟台 265400)

我国金属矿山数量众多，机械化程度日益提高，在注重优化井下通风网络的同时，井下空气质量改善、通风系统智能化管理逐步成为通风系统研究的重点。但大多数矿山空气质量优化措施效果仍不理想，通风智能化建设也处在摸索阶段。构造面向物联网的井下作业环境感知网络，实现风量、温度、湿度、有害气体浓度等环境信息的动态监测与智能控制，有利于推动我国矿山的安全、健康生产，有助于改善井下工作环境，提高井下采掘安全性[1-2]。矿山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，达到设备预知性维护、节能提效、优化生产工艺等精细化管理目标[3]。

大尹格庄金矿采用副井、72线风井、北风井进风，主井和辅助斜坡道作为辅助进风，南风井、玉甲风井回风的中央对角抽出式通风系统，在南风井-380 m中段回风联巷内设置160 kW风机作为1号矿体主扇风机，在玉甲风井-496 m中段回风联巷内设置560 kW风机作为2号矿体主扇风机。1号矿体开采范围为-556 m中段、-496 m中段、-431 m中段，开拓范围为-616 m中段；2号矿体开采范围为-676 m中段、-616 m中段，开拓范围为-736 m中段、-796 m中段。目前矿井通风系统自动化设备主要为自动风门、主扇远程控制系统、自动除尘风机等，近年来积极开展通风大数据分析及通风系统三维建模等工作。

1 井下环境感知技术研究及实现

物联网技术的出现为采矿技术的信息化、生产安全化提供了新的契机。基于物联网络可以对矿山复杂环境下的作业环境、人员和设备状态更加实时有效地协同管理和控制[4-5]。

1.1 巷道环境感知

对于巷道、溜井等井下常规作业区域，由数据采集传感器和数据采集分站完成，其中数据采集传感器实现环境参数(氧气、一氧化碳、温度等)数据的采集；数据采集分站负责同一个采集点上的各个采集装置的初始化、数据滤波、格式变换、数据打包以及判断环境参数是否超过报警值等。传感器具有在线标校功能，避免井下有害气体超标与标校混淆的状况，保证矿井安全生产。在每个采集点均布置一台数据采集分站，用于与井下环网的连接进行数据的上传。目前大尹格庄金矿巷道环境感知系统包含采集服务器1台，井下采集分站35台，传感器164台，线缆18 000余米。传感器布置在风量监测点、配电室、风机等位置(图1)。

图1 井下环境感知数据采集数据展示Fig.1 Data collection and display of underground environment perception data

1.2 采掘面环境感知

采掘工作面的环境参数采集与井下其它位置的采集有很大不同，主要体现在采掘工作面的工况特别恶劣，包括强振动、大粉尘、空气质量差等，另外由于采掘面的变动较为频繁和放炮因素，不适宜大规模布置通信网络，通常不具备有线和无线网络。因此，采掘工作面的环境参数采集需单独应对。

在分析矿山环境监测现状的基础上，针对现有单一环境参数监测装置存在的缺陷，设计了一套综合的矿井环境监测仪。仪器可以同时采集各种参数，实现实时数据上传、本地存储、现场显示等功能。同时，编写上位机软件对仪器发送的数据进行显示和处理。矿井环境综合监测仪，实现的功能如下：能够同时采集温度、湿度、氧气、CO、CO2、NO2、粉尘(PM1.0，PM2.5，PM10)多种气体参数，具有WIFI接口、RS485、网口、蓝牙接口，能够进行多种形式的数据传输，上传周期1～5分钟可选，同时具有传感器自动标定、远程设置、数据现场显示、参数过限自动声音报警、数据断网续传功能。该监测仪主要包含硬件开发及软件设计两部分，具体参数如表1。监测仪实时在线数据显示见图2。

表1 矿井环境综合监测仪参数表

图2 监测仪实时在线数据显示Fig.2 Real time and online data display of detector

1.3 智能喷雾降尘

造成矿井粉尘浓度较高的原因有两点：一是矿井进风流中矿石运输、转载过程中产生的粉尘；二是采掘场所由于爆破、采矿工艺产生的粉尘。粉尘的产生不仅严重威胁井下工人的身心健康，还会大大恶化工作条件，加重机械设备的磨损。在必要的地点(行人大巷、岩、矿仓装载点等)用喷雾装置将水成雾状喷出，达到降尘使矿井空气净化的效果。

目前在井下粉尘浓度较高区域推广应用智能降粉尘喷雾系统，该系统采用PLC控制，输入输出为数字量信号(图3)。系统的一个循环工作为喷雾30 s，排污10 s。系统的触发条件有两种，一种为人工手动触发，当人为按下喷雾功能按键后，系统一直执行工作循环；另一种触发条件为传感器自动触发，当前环境的粉尘浓度大于粉尘传感器的设定阈值后，粉尘传感器一直输出高电平，PLC输入由于一直处于被触发状态，所以系统一直循环执行喷雾、排污。当粉尘浓度降低至允许范围后，PLC无输入触发，不工作，系统处于待机状态。在喷雾期间若有人或车需穿越喷雾区域时，按下暂停键，若系统处于喷雾工作，则立即中断，暂停30 s后，重新开始喷雾；若系统处于排污状态，则继续排污10 s，结束后待机20 s，系统重新开始喷雾。

图3 喷雾启动图Fig.3 Spray starting diagram

2 通风系统大数据分析平台

智能管控平台借助大数据分析，从首页、设备、产量、分析、能源、查询、监控等多个维度，帮助矿山管理层及车间及时掌握通风系统各关键指标的实时生产状态、历史趋势及风机运行情况(见表2)，为生产管理、生产计划制定提供依据。

表2 场景分布整体说明

2.1 通风系统首页

总览界面设计包含两部分，一部分为各进风井、回风井、主扇风机的实时风量和累计风量，以及主扇风机的启停状态显示及实时频率、电流值，另一部分为每日进、回风量的实时及累计值动态显示。通过总览界面可直接掌控当日的通风系统动态变化，对异常情况及时判断处理。数据指标描述如表3所示。

表3 首页数据指标描述

2.2 设备维度

通风设备智能管理重点包括对风机、风速传感器、气体传感器、自动风门的管理。其中，风机工况参数监控包括电压、电流、风速、风压、频率、功率、轴温、振动。通过将设备置于通风系统示意图中，可迅速了解风流运动及动力设备工况。部分数据指标描述如表4所示。

表4 设备维度数据指标描述

2.3 产量维度

产量维度主要从总进、回风量数据进行管控，一是可直接查询任意时间段内累计总进、回风量及该时间段内的日平均风量值；二是可查询到每日总进、回风量的柱状对比图，了解当日总进、回风量差值，便于对总进、回风量进行调整。数据指标描述如表5所示。

表5 产量维度数据指标描述

2.4 分析维度

分析维度从风机运行监测、回风量监测、进风量监测分析三方面展开。风机运行监测可了解当日该风机各项监控参数的实时变化及变化幅度；回风量监测可了解任意时间段南风井、玉甲风井-496 m水平各主回风侧的风量累计及风量占比；进风量监测可了解当日斜坡道、72线风井、副井、主井、北风井各主进风侧的风量累计及风量占比。

2.5 能源维度

通风系统能源消耗主要为风机电能消耗，其中主扇电能消耗占比最大。能源消耗维度从主扇总用电量、分项用电量、峰平谷分时间段电费统计等方面监控，可及时了解风机电能消耗情况，判断风机工况。数据指标描述如表6所示。

表6 能源维度数据指标描述

2.6 查询及监控

查询功能可同时查询任意时间段内的2项指标，同时也可对自动风门的开关记录进行详查。监控功能可对所有与通风系统相关的监控进行实时调取。查询功能数据指标描述如表7所示。

表7 查询维度数据指标描述

3 结论

基于构建的井下物联网实现了巷道环境参数的实时监测；设计研发了一套综合的矿井环境监测仪，实现采掘面多参数实时数据上传、本地存储、现场显示等功能；通过安装智能喷雾降尘系统，皮带道、卸载站等产尘区域粉尘浓度均到达安全标准；通风系统大数据分析平台搭建了首页、设备、产量、分析、能源、查询、监控等多个维度，通过大数据分析一定程度实现了对通风系统的智能管控。