矿井智能化通风控制系统的应用研究

邢玉强，张盛英

（1.国能乌海能源黄白茨矿业有限责任公司，内蒙古 乌海 016040；2.济南嘉宏科技有限责任公司，山东 济南 250010）

随着国家大力推动能源行业智能化政策落地，以华为为代表的科技公司介入煤炭行业，矿井智能化进程已步入推广实施阶段。矿井通风系统是整个煤矿开采中的重点配套系统之一，配备一套智能稳定的矿井通风控制系统，可为井下作业提供一个良好的作业环境[1]。目前，煤炭行业尚未全面开展对矿井通风设施的智能化改造，现有的矿井通风控制系统存在仪器精度较差、数据传输速度较低、危险源监测对象缺乏全面性、调风效率低等问题，无法满足煤矿的智能化需求。2020年8月中国煤炭工业协会发布实现煤矿智能化相关文件，矿井通风系统灾变状态识别及控制技术将作为核心技术攻关任务[2]。对现有矿井通风控制系统进行智能化升级改造显得十分必要。为此，以黄白茨煤矿为工程背景，在分析现有矿井通风控制系统现状基础上，开展了矿井智能通风控制系统的总体方案及关键装备的设计研究，通过该系统测试验证了其可行性，为提高矿井作业的开采效率及安全性提供了重要支撑。

1 矿井现有通风控制系统现状分析

矿井中的通风系统主要负责将外部的新鲜空气输送至煤矿采掘工作面，并将井下有污染的空气排出至井上地面，同时保证矿井作业区具有适宜的氧气浓度、较低瓦斯浓度及较好的空气质量[3]。保证矿井稳定可靠的通风系统是煤矿安全生产的基础。据调研，目前我国通风管理决策仍以定性分析为主；现有安全监控系统风速传感器稳定性差，测量误差大；巷道断面风速分布不均匀，定点传感器无法测得巷道平均风量，人工测风数据闭合性差，无法对井下主要用风地点风量进行有效调控；基于温度、气体异常的火情风险预警方法各自独立，未实现融合；火灾监测没有和灭火系统实现联控，难以在第一时间灭火；通风系统调控智能化严重不足。整套通风控制系统在运行时存在较多的问题及缺陷，在环境恶劣的井下作业区域中，不能有效保证人员及设备的作业安全性。将更加先进的智能化控制技术用来对矿井通风控制系统进行升级设计，已成为当前重要的研究方向和任务。

2 智能化通风控制系统总体方案设计

依据相关标准及规范，以现有通风相关设施为基础，依托智能感知设备，借助互联网、物联网、人工智能、大数据、信息通信和自动化技术，通过对矿井通风数据采集、环境监测数据融合、通风系统诊断预警分析及通风网络解算决策与智能联动调控等方面进行升级设计，开展矿井智能化通风控制系统改进设计。在整套智能化通风控制系统中，匹配了高精度的风速、风压、温湿度传感器及变频主通风机、暖风机等设备，通过CAN总线及RS485通讯将各仪器设备采集的数据传输至监控分站及控制器中，利用光纤通讯及环网交换机的多次信息转换及运算处理。在地面的监控中心设计可视化、数据采集、风量调节、智能控制、故障诊断等功能模块，能分别实现对相关数据的智能化处理与分析，井下相关数据也能通过手机APP及PC端进行远程显示，实现了矿井日常按需供风，保障通风系统日常运行的科学性、先进性及井下作业安全性[4]。同时在灾变条件下根据设定的反风控制模型做到应急通风控制。整套智能化通风控制系统的总体架构如图1所示。

图1 智能化通风控制系统总体架构

3 智能通风系统中关键基础装备设计

3.1 精准风速传感器匹配设计

精准风速传感器属于精准测风装置中的重要仪器，是一款利用超声波在介质中传播时，介质的移动速度加载到超声波的速度上。该设备的主要工作电压为DC12 V，工作电流小于500 mA，风速范围在0.1～15 m/s，传输方式RS485、TCP/IP，最大传输距离5 km[5]。该仪器的监测数据能精确、真实可靠地反应矿井井下实时通风风量，主要用于进回风大巷、采区进回风巷、采煤工作面进回风巷及掘进工作面等关键巷道及用风地点风速和风量测定。其安装如图2所示。

图2 精准测风传感器安装

3.2 智能调风装置匹配设计

（1）远程控制风门的匹配设计

远程控制风门是在自动风门的基础上，进一步升级、改造，充分利用自动识别与控制系统实现在矿井调度室内就能对井下风门的远程监测与智能控制。根据矿井巷道图纸在控制平台内创建矿井巷道电子地图，并通过电子地图远程调节控制器实现对风门状态的远程控制。远程控制风门配有KDQ1140-B矿用隔爆型双电源切换控制箱，当风门控制装置断电时，自动切换到另一路电源供电，确保风门监控24小时连续运行。该设备通过安装于风门外侧的高清摄像仪，在远程控制平台内可随时查看风门的工作状态。其实物如图3所示。

图3 远程控制风门实物

（2）远程调节风窗匹配设计

调节风窗是智能通风项目建设中重要的调风设施。远程调节风窗主要由控制分站、驱动装置、机械装置、远程控制平台等组成，配置KDQ1140-C矿用隔爆型双电源切换控制箱，当风窗控制装置断电时，自动切换到另一路电源供电，确保风窗监控装置24小时不间断供电。调节风窗设有互锁装置，避免因外力作用导致风窗位移，确保矿井通风安全。其实物图如图4所示。

图4 调节风窗

（3）主通风机匹配设计

为响应国家能源集团智能通风建设号召，提高矿井主通风机的工作效率，实现按需供风及节能降耗，结合黄白茨煤矿中通风现状，对主通风机进行变频调速及节能改造。通过增加远程可控变频器及PLC控制器，利用RS485协议与上位机平台对接。上位机软件平台根据实时采集到的风速、风压数据，风量的解算及有害气体分析，智能调整主通风机运行频率，实现按需供风。在进风井口、井筒、井底车场等处发生火灾或瓦斯、煤尘爆炸时，在确保供给风量不小于正常风量的40%情况下，上位机发送指令到控制系统，实现“一键反风”，防止有毒、有害气体进入工作面，危及井下人员的生命安全。

3.3 软件部分

（1）智能决策功能设计

基于通风网络实时监测与通风网络动态解算风量，利用人工智能、机器学习等技术手段，对井下风流按需分配模拟决策、日常通风隐患及异常变化预警、灾情快速研判、灾变通风应急控制等提供智能决策及建议，并结合通风调节设施与应急装备制定灾情演化－人员逃生一体化控风预案库，形成调控建议报告，智能快速确定最佳风流调控方案，为风流智能调控奠定基础。实现矿井“决策智能化、调控无人化、通风管理智能化”。系统的调控建议界面如图5所示。

图5 系统调控建议界面

（2）智能可视化系统

基于融合的通风数据、环境数据、设备运行数据、工况数据，利用大数据分析、智能计算及计算机视觉技术，结合关联分析、空间分析和多维分析等多种分析手段，挖掘对应数据业务算法模型，最终将通风网络图、煤矿3D全景图、2D/3D巷道图、毒害气体云图分布通过可视化界面进行展示，实现智能通风场景模拟，全面提高决策层数据可视化、信息化水平。

4 智能化通风控制系统测试分析

为进一步验证所设计智能化通风控制系统整体运行效果，对该系统在黄白茨煤矿中进行了应用测试，测试周期3个月。测试过程中，整体系统运行正常，实现了矿井中主通风机风门、主通风机风扇等部位的自动化远程控制及风量监测，并将相关数据传输至可视化远程监控平台上。同时，实现了通风动力、通风设施智能调控。在此控制系统运行过程中，能将巷道中通风运行情况、本月通风异常情况、近六个月通风异常次数等信息进行分类统计，并详细地将异常发生时间、发生原因、次数值、每月比例等信息进行全面显示，最终可形成通风效果检测报告，如图6所示。该系统测试期间，无需人员干涉及操作，达到了智能化控制的目标。该智能化通风控制系统的应用，使得整个矿井中通风量增加了30%以上，电费降低30%以上，设备故障率大幅降低，减轻了人员的劳动强度。

图6 通风系统运行报告

5 结语

在分析矿井现有通风系统基础上，进行了智能化通风控制系统的设计目标确定及设计方案，并从测风传感器、智能调风装置、软件等部分开展了通风控制系统的详细设计。通过将通风控制系统进行实际应用测试，得出：该通风控制系统运行正常，各项功能实现了智能化，能更加全面地对通风设备进行智能化远程控制及数据收集存储，并能通过可视化监控界面将设备的 运行参数进行前后对比、数据处理及分析。新系统在黄白茨煤矿应用后，通风系统的故障率、消耗电费、人员数量及劳动强度也显著降低，整个系统的运行达到了预期效果。这对提高通风系统的运行效率及安全性具有重要意义，且有很好的实际应用价值。