智能通风技术在韩家湾煤矿的研究与应用

白铭波，姚亚虎，罗 广，高军伟

(1.陕西陕北矿业韩家湾煤炭有限公司，陕西 榆林 719000； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；3.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

随着自动化、智能化技术的不断提升，为了有效提高煤矿的生产效率及保障生产作业安全，目前煤炭领域针对煤矿智能化生产系统及设备等纷纷进行了较大程度的升级改造[1-5]。矿井通风作为煤矿安全生产的基础保障，通风系统的智能化升级改造是智能矿山建设的核心内容。当前针对矿井智能通风系统研究方向主要聚焦于通风自动化、无人化，智能化分析与决策，远程控制等方面[6-8]。运用先进的信息集成技术，实现矿井通风参数的精准测定、通风网络动态智能解算、在线式通风隐患排查辨识、二三维一体化动态数图展示、异常预警及联动控制、智能设备管控等功能，形成智能通风及成套装备技术体系，最终达到智能供风、精准配风、智能调节及灾变时智能预警、控灾、降灾等目的[9-17]。结合韩家湾煤矿井下基本通风情况及需求，建立起一套智能通风技术与装备体系，形成测风无人化、调风自动化、区域反风智能化、火灾防控超前化四项关键技术，解决了矿井通风参数的无盲区监测，大幅度提高了韩家湾煤矿通风系统自动化、信息化和智能化水平。该技术研究应用为目前煤矿井下用风点风量无法远程智能调控、灾变时期无法快速反风等难题提供了技术支撑。

1 智能通风系统技术体系

韩家湾煤矿矿井智能通风系统由智能感知、智能决策及管控、多元数据融合平台3个模块组成。

1)智能感知模块：通过通风参数智能感知精测装备，实现全矿井巷道基本参数动态无人化自动精准测定，保证矿井通风网络模型的真实性和可靠性；融合煤矿现有监测监控系统，在靶点加装全量程高精度风速传感器、压差传感器，实现通风系统瞬时动态在线模拟与监控。

2)智能决策及管控模块：基于大数据驱动的智能决策及管控技术，实现通风网络模型快速构建、风网实时监测与动态解算、有毒有害气体异常涌出分析预警、巷道空间有毒有害气体云图生成、通风调控辅助决策，保障矿井通风网络能够在线动态监测、智能分析、实时预警、二三维一体化数图动态分析与远程自动化控制。

3)多元数据融合平台：在上述基础上利用先进的GIS技术建立矿井通风系统底层平台模型；利用多元数据耦合、冗余分析技术，构建矿井网络拓扑关系及实时解算模型，同时，根据矿井用风点要求及风网灵敏度分析，制订通风系统优化方案，建立通风网络动态在线分析及预警平台，进行矿井通风系统信息动态数图直观展示，分析制订通风系统优化方案及井下智能通风设备自适应调节及管控；借助企业局域网，对韩家湾煤矿井下通风系统进行科、矿、局多级在线、全程、全方位监控预警和智能管控。

成套化矿井智能通风装备技术可实现煤矿井下通风系统信息化、精准化、智能化，该技术体系破解了由于人工测算、判识、调控等操作造成的控风决策时效性差、执行准确性低、安全性不足等难题。其体系架构如图1所示。

图1 成套化矿井智能通风装备技术体系架构图

2 智能通风系统建设内容

2.1 智能感知技术

针对巷道风速点监测数据不准确的问题，采用阶梯网格式布点方式进行大量布点(如图2所示)，测量分析巷道断面风速分布规律(如图3所示)，得出巷道平均风速值所在断面位置，做到靶点式安装煤矿井下风速传感器。

图2 阶梯网格法测量巷道风速分布示意图

图3 矩形巷道断面风速分布规律

2.2 风网精准监测优化选址

为满足系统正常运行，需在采掘工作面安装风速和风压传感器，在采区主要进回风巷道联络巷风门两侧安装风压传感器，实时在线监测矿井通风系统风速、风量、风压情况，对全矿井通风网络进行实时解算和分析。通过对通风网络可靠性分析，找出能把控全矿井风量的监测点，基于“传感器少、监测范围广”的原则，对监测点进行综合重要度评价，得到全网络监测传感器布局方法。监控点布置见图4。

(a)采煤工作面 (b)主要进回风巷

(c)角联巷道 (d)回风联络巷

1)主要井巷在线监测。在矿井的主要进、回风及风流波动较大的巷道安装风速传感器，监测风量变化，利用通风网络解算软件动态解析风量的变化对其他巷道的影响，并对供风达不到要求的进行提示报警。

2)采掘工作面通风在线监测。在回采工作面布置相关传感器，进行通风参数监测，研究通风监测参数的变化规律，如采掘、运输、行人、开关风门与巷道风阻、风量、风压的变化等关系，利用这些规律和监测数据对工作面通风安全状况进行评价。

3)关键点监测。根据实际生产需要，在全矿井范围内选取关键点安装风压传感器，对这些处于非采掘工作面区域的关键风门风压进行监测。

2.3 智能通风决策与控制平台建设

开发一套集通风网络在线监测、风流按需分配模拟、有毒有害气体云分布与分级预警、巷道玻璃体半透明展示、掘进工作面高浓度瓦斯排放、通风网络二三维动态展示为一体的通风网络在线实时监测与灾变智能辨识系统,并将研发的变频局部通风机、自动风门、自动风窗、自动测风装置等智能控制装备融入系统；构建以区域反风与胶带火灾控制、矿井火灾分级预警与管控为核心的通风火灾信息集成平台；最终通过平台实现远程测风、风门控制、调风、区域反风等无人化、少人化目标[18-21]。

3 智能通风技术现场应用

3.1 矿井概况

韩家湾煤矿设计生产能力为60万t/a，2012年矿井核定生产能力提升为400万t/a，2016年 10月矿井核定生产能力调整为300万t/a。矿井地质条件简单，矿井地质构造形态为单一向西倾斜的近水平构造，地层产状平缓，倾角1°左右。井田内未发现断层、褶皱，亦无岩浆活动，属近水平煤层群开采。自上而下为1-2上、1-2、2-2、3-1、4-2煤层，3-1和4-2煤层为全井田可采煤层，煤层厚度稳定，现主采 3-1煤层。矿井现有一个综采工作面、一个备采工作面(一采一备)，3个掘进工作面。矿井采用高强度机械化煤层群开采方式，致使工作面粉尘浓度较高，煤层火灾的防治难度大；矿井通风方式为中央并列抽出式，其中主斜井、2#副斜井进风，1#副斜井和回风斜井回风。地面安装2台FBCDZ-8-№30/2×630型防爆对旋轴流式通风机，额定风量120～274 m3/s，一运一备。目前，矿井总进风量8 211 m3/min，总回风量8 304 m3/min，负压1 820 Pa，矿井有效风量占比93.96%。

3.2 韩家湾煤矿智能通风需求

韩家湾煤矿作为我国典型高产高效煤矿，用矿山数字化技术打造本质安全型的现代化绿色矿山已成为企业追求的目标。如何实现韩家湾煤矿矿井通风自动化、信息化、智能化协同管理，切实推进矿井通风技术与管理工作，增强矿井的安全风险预控管理能力是当前亟待解决的问题。

构建韩家湾煤矿矿井智能通风系统，需解决以下难点：①通风日常测量工作繁重、测量精度较差、实际运作成本高、反馈信息数据不及时、通风系统效率精确度低、实现系统局部或整体的可控性和可视化困难；②矿井通风系统是一个复杂的动态流体网络结构，目前的点监测很难让通风管理部门及时对整个矿井的通风情况有全局的掌控，局部通风系统可能存在供风不足、串联通风、污风循环、漏风率高等安全隐患；③矿井通风管理部门对整个通风系统的稳定性及合理性无法做出准确评判与分析，导致通风系统优化方案难以制订，甚至出现通风系统调节失败的情况，部分用风地点风量难以达到需求标准；④智能通风调节方案与通风设施设备脱节，通风设施设备停留在单个风门的自动开闭，局部通风机变频等局部设施设备的控制，未与通风系统优化方案制订与执行及灾变情况下通风系统自动适应调节相关联；⑤如何借助现代化、自动化的手段实现测风的少人、无人化，掘进工作面长距离通风，停风后复产的瓦斯及其他有毒有害气体安全高效排放等存在困难。

3.3 智能通风方案设计与实施

根据韩家湾煤矿矿井现场条件及满足通风系统应急调节需求，为实现局部智能配风、灾变应急控制，设计如下控制方案：

1)213107采煤工作面区域反风设计方案

213107采煤工作面设置3道自动风门及2套自动调节风门。正常通风时期，2～4号风门打开，1号、5号风门关闭；风流由213106辅运巷经过采煤工作面至213107胶带巷后进入回风巷；应急情况下工作面反风，则打开1号、5号风门，关闭2～4号风门，实现213107工作面反风。反风设计方案如图5 所示。

图5 213107采煤工作面区域反风设计方案

2)2-2煤层胶带大巷火灾风流应急控制方案

2-2煤层胶带大巷与回风大巷存在联络巷，并设置自动风门、烟雾传感器及一氧化传感器。当传感器监测数据异常，经管控平台分析确定胶带大巷发生火灾，为保证下游用风区域安全，管控平台将发出命令并经人工确认后远程自动打开联络巷风门，使风流短路，烟尘及有毒有害气体快速从回风大巷排出，保证下游用风区人员安全。风流应急控制方案如图6所示。

图6 2-2煤层胶带大巷火灾风流应急控制方案

3)214205胶运掘进工作面智能通风设计方案

214205胶运掘进工作面安装智能变频局部通风机(加设智能变频控制系统)、甲烷传感器、风筒风量传感器。智能控制系统通过风筒监测的甲烷浓度及风速，实时计算工作面的需风量，智能变频。智能通风设计方案见图7。

3.4 韩家湾煤矿智能通风系统建设

根据对韩家湾煤矿通风参数感知、通风辅助决策、风量调配控制3个方面的自动化和智能化需求考察，提出了成套化矿井通风智能通风装备及技术体系解决方案：

1)基于通风参数精测装备、风速传感器靶点布置、风速传感器有效性监测考察、风量远程无人测控技术，形成一套集通风网络在线监测、风流按需分配模拟、有毒有害气体云分布与分级预警、巷道玻璃体半透明展示、掘进工作面高浓度瓦斯排放、通风网络二三维数图动态展示为一体的通风网络在线实时监测与灾变智能辨识系统，与矿井安全监控系统连接，实现通风网络数字化智能在线解算、自动测风和正反向通风，彻底实现测风无人化，自动读取井下风流传感器实时监测数据，同时可自动决策监测位置。通风网络数字化在线监测及动态展示界面见图8。

图8 通风网络数字化在线监测及动态展示界面

2)开发局部通风机远程监测与变频控制系统联动控制软件及实现风门风窗远程控制的通风智能控制技术与装备，实现风门井下自动感应开闭，风窗高精度风速监测联动调控，并可通过地面远程控制软件进行远程操作。通风设施智能远程控制界面见图9。

图9 通风设施智能远程控制界面

3)设计一套区域反风与胶带火灾控制系统，开发一套以矿井火灾分级预警与管控为核心的通风火灾监测信息集成平台，集成监测监控、风机监测、束管监测、光纤测温系统，通过大屏幕进行展示，实现多源数据融合信息集成与管理，其平台界面如图10 所示。

图10 多源数据融合信息集成与管理平台界面

通风在线实时监测与灾变智能辨识系统集成韩家湾煤矿煤自燃动态监测预警及防控技术研究成果，提取主采煤层自然发火预警指标体系及临界参数，开发相应的模块，对CO、温度、压差等数据进行集成(集成系统界面如图11所示)，综合分析采空区火灾隐患，动态发布预警信息，最终实现了韩家湾矿井通风智能化分析与灾变决策、远程无人化控制的目标。

4 结语

1)依托韩家湾煤矿现有的监测监控系统、主要通风机监控系统、光纤测温系统、束管监测系统，构建了通风在线监测及智能决策控制系统平台；完成了矿井巷道条件的风速分布规律研究，构建了集通风参数精准感知、通风参数精测、通风系统在线监测与分析、风流按需分配模拟、有毒有害气体云分布与分级评价、巷道玻璃体半透明展示、通风网络能量耗散分布与分级评价、掘进工作面高浓度瓦斯排放、通风网络二三维展示为一体的智能通风辅助决策平台，从而实现了矿井通风自动化、信息化、智能化的管理。

2)建设了包括局部通风机远程监测与变频控制、井下风门远程控制的通风智能控制系统；形成了具有韩家湾矿井特色的“测风无人化”“调风无人化”“区域反风无人化”“火灾防控超前化”四项关键技术。

3)韩家湾矿井智能通风技术现场应用，替代了传统人工机械测风、调风、控风方式，改变了传统的通风数据和有毒有害气体纸质台账统计和分析方法，数图化动态展示了井下通风系统；对矿井通风数据进行了辅助分析、灾变预警和决策，解决了矿井通风“监而不控、控而不及”的问题。对预防和减少通风安全事故、提高煤矿通风安全技术水平具有重要意义。