矿井“一通三防”智能管控系统研究

王振平，闫振国，岳 宁，王伟峰，肖 旸

（1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安710054；2.陕西未来能源化工有限公司 金鸡滩煤矿，陕西 榆林719000）

我国矿山地质条件复杂多变，矿井通风是安全生产的基础，是防治瓦斯、火灾、粉尘最直接有效的手段。矿井通风主要是利用机械通风的方法持续的向井下运输新鲜空气，保证人员呼吸的同时稀释并带出有毒有害气体和浮尘，达到改善矿井环境的目的，良好的通风条件有利于保障矿井安全生产，是灾害防治的基础。在当今大环境下，矿井朝着机械化、智能化方向发展，但矿井通风依然处于人工或半人工操作的状态，不足以支撑矿井智能化的建设[1-6]，矿井通风灾害预警与智能化调控能力明显不足，灾害得不到及时有效地控制。国家8 部委下发有关意见提出利用现代化的智能手段，建立起全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统，实现煤矿智能化运行。一直以来，科技工作者们都在对矿井智能通风开展广泛的研究。1980 年，常心坦[7]赴美留学期间，开发的MFire 至今仍在美国矿业界广泛沿用，回国后将WebGIS 运用到矿井通风系统中，实现了矿井通风系统图的绘制、最佳避灾救灾路线的选择与瓦斯、煤尘爆炸的预测；1990 年，刘泽功[8]运用计算机辅助分析矿井通风系统，通过计算机分析通风系统发生故障的原因与位置，提出运用计算机模拟和仿真技术分析事故的方法；之后，周平等[9]以蒋庄煤矿为研究对象，实现了矿井通风管理系统的可视化；倪景峰等[10]以金川二矿区防尘系统为依托，设计出了矿井通风系统可视化程序。综上所述，取得的这些成就促进了矿井智能通风的巨大进展。目前“一通三防”在矿井智能化应用的形式多样[11-13]，虽在一定程度上达到了智能化，但“一通三防”各系统大都独立运转，对数据汇集的过程中几乎都会采用书面形式进行记录，不仅效率低、偏差大，还使得这些数据难以得到有效利用，为灾害的发生留下了隐患。为此，响应国家有关规定，建立起一套信息实时收集、融合分析、规律提取、科学决策的矿井“一通三防”智能管控体系就显得非常有必要。

1 “一通三防”智能管控体系

矿井“一通三防”智能化建设总体思路如图1。

图1 矿井一通三防智能化建设总体思路图Fig.1 The general idea of intelligent construction of mine“one ventilation three prevention”

在矿井现有通风系统基础上，应用现代计算机智能算法与控制技术，实现“一通三防”管理的科学化、智能化，使其具备防灾、抗灾、减灾能力。以“系统可靠、装备先进、管理科学、决策智能”为目标，“平战结合”为理念，实现以下3 个能力：①在日常的通风管理中，使矿井通风系统一直保持在合理状态，具备防灾能力；②在灾害尚未形成时期，能早期识别灾变信息、预测预警并迅速处理，将隐患消除在萌芽中，具备抗灾能力；③在灾变期为灾害控制提供科学合理的决策方案，具备减灾能力。

结合矿井实际情况，基于矿井安全风险数据链与知识链（数据说话+智能提升），矿井“一通三防”智能化技术研究与建设重点体现在：1 个平台，5 大系统。1 个平台，即矿井“一通三防”综合智能管控平台，是“一通三防”数据采集、分析、共享中心，各系统在平台中获取信息，达到智能管理、控制和决策的目的。5 大系统：通风网络智能优化分析与辅助决策系统；粉尘监测预警与智能管控系统；瓦斯分析预警与智能管控系统；煤自燃监测预警与智能管控系统；外因火灾监测预警与智能管控系统。

2 系统设计

2.1 矿井“一通三防”综合智能管控平台

“一通三防”管控智能平台主要内容如图2。

图2 “一通三防”管控智能平台Fig.2 Intelligent platform of“one-ventilation and three-prevention”

该平台是由5 个系统集合而成，它是“一通三防”数据的采集、分析以及共享中心。该平台建立了4A（AnyOne、AnyTime、AnyWhere、AnyDevice）式煤矿通风安全生产管理新模式和通风安全管理评价，提处理业务的时效性，实现“一通三防”管控的智能化。

1）“一通三防”数据云管家系统。通过该系统可以实现相关系统的数据接入、技术资料云管理以及资料(数据)的上传，实现各个系统之间的数据共享和高效的数据统计分析，为煤矿安全生产资料的日常管理提供便利，确保数据资料的及时更新。

2）多源数据融合与云计算中心。数据多元信息融合系统架构如图3。为了更好地利用5 个系统产生的数据信息，平台搭载了多源数据融合与云计算中心。通过云端数据的融合，深度挖掘数据之间的耦合关系，分析并提取其中蕴含的规律，精准预测、识别并分析灾害征兆。其中的多元信息融合数据库主要是针对矿井“一通三防”灾害的智能分析与判别，通过“一通三防”的有关理论将数据信息转变为辅助决策信息，以图、表、曲线等图形化的表达方式直观展现，为矿井人员安全疏散和救援提供智能化决策支持。在整个矿井“一通三防”综合智能管控平台中，云计算中心就如同中枢神经一般连接着各个系统，彼此间能实现纵向贯通和横向关联，形成统一的整体。

图3 数据多元信息融合系统架构图Fig.3 Architecture diagram of data multiple information fusion system

3）通防安全态势可视化实时分析子系统。该系统借助综合智能管控平台可以有效地整合矿井“一通三防”信息，挖掘其中内在的关联价值，通过明确的评价指标和评价模式形成以配置规则及评分规则为核心的煤矿动态评价指标体系，对煤矿的安全生产状态进行评价，实现分析数据和评价结果的形象、直观和具体化，实时的反应煤矿的安全态势。

4）智能控制系统。该系统主要控制主要通风机、局部通风机以及风门、风窗，实现控制地区无人值守，节省井下的人力物力。其优势在于可实现实时的故障诊断和工况检测，把监测到的信息分析并推送到综合智能管控平台，地面人员通过平台可实时了解井下动态，远程控制风门及风窗的运行状态，智能调节矿井通风量，保持井下通风的稳定，或者根据矿井下的状态，按照井下实时的风量需求供风。若井下发生灾害，操作人员可以远程控制设备的启停，降低灾害带来的风险。

2.2 矿井通风网络智能优化分析与辅助决策系统

矿井通风是安全生产的基石，该系统立足于矿井通风管控需求与现实技术水平，在有效感知现场“一通三防”态势的基础上，实现矿井通风数据的实时跟踪分析、规律提取、科学预警、日常管控、系统抗灾能力分析与辅助决策等功能，实现矿井通风系统高效精准的智能调控。

结合井下巷道的物理参数、具体环境与通风机的运行状态，运用风网智能动态解算算法，建立起矿井通风系统精确的数字化模型。采用多组合传感器同时空感知技术，实时在线监测井下瓦斯、风压、风速、风量等有关通风数据，通过识别和分析数据，确定井下通风是否处于正常状态。若井下通风处于非正常状态，系统会结合通风机的运行工况进行优化调整形成最佳解决方案。

2.3 矿井粉尘智能管控系统

该系统基于矿井现有工业以太网，针对井下各尘源点粉尘实时高精度检测预报，智能传感集控，在电脑终端和移动端形成实时同步的可视化动态更新，实现矿井粉尘浓度智能监测。根据粉尘浓度实时监测、结果分析、上传及超限自动预警，与喷雾除尘装置形成联动控制、智能除尘和远程集中控制。

2.4 瓦斯分析预警与智能管控系统

结合矿井瓦斯涌出特点，构建基于矿井用风点的安全分区，将通风与瓦斯异常有机融合，对监测区域的安全环境状态进行分析。根据现有的风向、风速、风量、温湿度、甲烷、氧气、一氧化碳、二氧化碳、气压、压差等环境监测传感器数据，研究重点场所区域内气流场计算与预警算法；研究重点场所内甲烷、氧气等重点指标气体的实时监测、分布扩散特征及模型；建立重点场所各精细化安全分区区域环境监测安全评价模型，实现矿井通风瓦斯智能分析预警与管理。

2.5 煤自燃监测预警与智能管控系统

结合矿井煤自燃监测系统现状，建立煤自燃危险程度分级预警模型，研发煤自燃监测预警与智能管控系统，构建采空区煤自燃危险区域早期隐患识别、判定和主动防控的技术体系，实现对煤自燃的主动监测和超前预防。

2.6 矿井外因火灾监测预警与智能管控系统

针对矿井变电所等机电设备硐室电气火灾监测预警与联动控制存在的问题，建立火灾烟气流动的区域羽流模型和烟气在巷道网络中运动的非稳态模型，模拟火灾烟气在巷道网络的扩散规律，研发矿井电气火灾监测预警与智能管控系统软件，主要包括：矿井电气火灾无线烟气监测预警子系统、矿井电气火灾红外热像监测预警子系统、矿井胶带火灾视频智能识别子系统、矿井电气火灾自动灭火子系统，实现电气设备场所易燃区域的烟气参数、红外热像和视频图像智能监测、分析，进行智能预测、预警及联动控制。

3 结 语

提出了矿井“一通三防”智能管控体系，研发了矿井“一通三防”智能管控系统，采用人工智能、物联网、大数据等技术手段，实现矿井“一通三防”各系统之间的数据共享与智能联动，通过矿井“一通三防”智能化管控平台与通风多参数精确检测装备，实现对通风、瓦斯、煤尘、防灭火数据的实时动态监测及分析决策，真正做到“一通三防”一体化、智能化，进一步提高矿井“一通三防”的科学化管理水平。