矿井智能通风现状与智能控制系统构建

2023-11-13张景钢王清焱

矿业安全与环保 2023年5期

张景钢,王清焱,何鑫

(1.华北科技学院安全工程学院,河北廊坊 065201; 2.西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安 710054)

矿山开采涵盖了采煤、掘进、机电、运输、通风五大子系统。其中,矿井通风作为煤矿安全生产最重要的技术保障,主要调节井下空气环境,确保煤矿用风地点的空气质量达到规定的标准。在煤矿开采过程中,由于其不断变化的工作环境及地质条件,需采用更加完善的通风系统,保证人员生命安全,做到安全风险防控前移,降低事故的发生概率。

21世纪以来,伴随科学技术的蓬勃发展和矿井设计水平的不断提高,为提高煤矿的安全水平及其核心竞争力,必须融合信息技术发展优势,推动煤炭产业走现代化工业之路。即积极引进国内外领先的技术,全方位提高矿井的智能水平,建立新型智能矿井。2018年,住建部颁布GB/T 51272—2018《煤炭工业智能化矿井设计标准》,确立了煤矿智能化改造和建设的标准[1];2020年,多部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》,明确提出借助先进技术实现“机械化换人、自动化减人、智能化无人”的近期目标[2]。矿井通风作为矿山开采的主要生产辅助系统,加快建设矿井智能通风系统成为了目前矿井智能化建设的重要环节。

笔者基于文献调研分析,阐明矿井智能通风的研究现状,并在其关键技术方面进行创新性探索。在此基础上,对矿井智能通风开展智能模块与系统研究,构建综合性的矿井智能通风与灾变应急控制系统。

1 矿井智能通风理论

随着矿井通风智能化建设的不断推进,多位学者对矿井智能通风的定义和内涵展开了深入探讨。卢新明等[3]指出智能通风技术是根据井下不同的气候参数变化,确保各用风地点的新鲜充足空气供应;邵良杉等[4]认为智能通风系统应基于井下物联网、人员定位等系统,采用系统工程技术等理论,实现风网实时解算,以及风门、风窗、风机的动态实时调整。

结合前人的研究成果及其他领域智能化研究,认为矿井智能通风是指运用互联网的高新科技,工业的自动化、无人化技术,解决矿井智能通风问题,实现矿井风量的自动分配,矿井通风设施的自动调控,灾变时的联动应急调控。其核心思想是将现有的数据收集、处理、控制、通风等技术有机地联动,依据“平战结合”的原则,在正常通风和灾变的情况下,根据不同的情况,进行智能决策和调节,以实现日常通风的自动管理维护与灾变期间对风流的紧急控制[5]。

2 目前矿井智能通风存在的问题

2.1 矿井参数测定问题

1)风网解算参数的测定。该参数涉及风速、风压和巷道断面积等多个方面。现阶段国内众多矿井仍采用传统的人工测定方法,但随着矿井深度的加深和巷道系统的复杂化,人工测定已难以保证零误差,且人工数据测定往往存在滞后,对突发情况无法及时呈现矿井的真实通风状况。

2)矿井灾害参数的测定。矿井灾害参数主要包括矿井瓦斯与矿尘浓度、矿井巷道特殊气体浓度、工作面与采空区温度、矿井水文地质等参数。目前,国内对灾害参数的测定大多依赖人为感知或传统的人工测量,其误差较大。特别是在回风巷的气体组成、工作面与采空区的温度、矿井水文地质的测量方面,因各矿井的实际状况及灾害测定周期的不同,对灾害的精确预测难度较大,往往导致无法及时应对矿井的实际隐患,也显示出明显的滞后性[6]。

2.2 风网实时调节问题

1)风量分配。目前矿井的风量分配依赖于矿井工作面的某些关键参数来进行测算,如温度、湿度、工作人员数量,以及CO2和瓦斯含量等。数据精度的偏差和不恰当的测算方法均可能导致工作面的风量供应不足或浪费。此外,当前矿井的数据测量也存在较大的延迟,使用此数据进行通风网络解算可能对矿井的正常供风造成严重的后果。

2)矿井通风调节设备。矿井风量调节不仅涉及调整主通风机的功率,同时也需对风窗、风门和调压室进行精细的风量调控,确保其定向或定量地流动。目前风窗、风门及其他调压设施仍然依赖人工调节,尚未达到远程、智能、自动及独立的控制标准,存在风量过量或不足、多个设备的矿井风量联合调控等问题[7]。

2.3 风机问题

1)主要通风机。国内众多矿井的主要通风机用电量占据了整体矿井的10%～20%。在矿井通风设计阶段,对通风机设备的选型及其工况点的确定都预留有足够的余量,风机大都处于“大牛拉小车”的状态[8]。

2)局部通风机。局部用风量受工作面的CO2含量、地质构造、瓦斯等因素所影响,而局部通风机的风量输出往往保持恒定,无法根据具体掘进工作面的实时需求来进行风量的调整,更无法实现局部通风机的远程控制。

2.4 灾害预知与应急控制问题

许多矿井在灾害预测和灾变应急控制方面尚处于相对原始的人为操作与控制阶段。矿工和管理者依赖于人工参数测定,或是基于直觉来对潜在的煤矿事故做出预判。值得关注的是,少数具有前瞻性的矿井已经建立了专门针对特定灾害类型的预测系统[9]。

3 矿井智能通风的关键技术

3.1 矿山模型技术

现有煤矿图纸常以CAD图纸与纸质图纸的形式进行使用和保存,部分煤矿已初步采用矿山GIS系统。GIS技术突破了传统2D图纸的空间局限,为复杂的矿山系统提供了三维立体的可视化展示。卢新明等[3]在3D模型基础上,构建了一套矿山4D GIS平台。该平台展现了矿山的三维模型、通风气候、地形、地质、井巷、硐室及工作面的空间和属性数据,同时属性参数能依据矿井实际情况实时动态变化。

本研究将隧道定位技术引入煤矿,即北斗隧道定位信号扩展系统(见图1)。此系统由接收天线、卫星导航接收机、GNSS再生信号源,以及适用于狭窄巷道中的微波漏缆组成[10]。接收天线主要负责捕获北斗信号,经由卫星导航接收器进行信号的放大、滤波及解析,获取卫星的实时数据,然后将该信息传输至GNSS再生信号源生成伪北斗信号,而微波漏缆主要负责将此信号发散出去,确保井下北斗信号的全覆盖。

图1 北斗隧道定位信号扩展系统示意图

3.2 参数精确获取技术

1)风速参数

国内风速传感器存在的精度与波动等问题,文献[4-5]提出了非固定式超声波时差风速测定法。该技术首先考虑传感器的位置,巷道中平均风速为一圈点,风速传感器应布置在距离顶板r的巷道中轴线上,r值应根据巷道断面积、形状等因素,基于大数据理论与机器学习来确定。其次传感器本身,在超声波时差法中引入数字转换芯片(TDC),保证时间的精准性,同时引入湍流扰动抑制解耦算法,降低扰动造成的误差,由此制作的风速高精度测定传感器精度小于0.1 m/s,从而实现井巷风速的在线精确实时测定。鉴于电子设备在矿井恶劣环境下的易损性,传感器的可靠度和准确度可能会受到影响,传感器需使用抗腐蚀材料,具备自我清洁等功能,以确保其持续高效运作。

2)风压参数

针对精密的压力敏感元件进行深入的调研与分析,强调抗腐蚀、抗老化、耐高温潮湿与本质安全化,从中筛选出适合测量风流压力的元件。将其与自适应放大电路连接,实现信号的滤波与放大,整合温湿度参数测量功能,利用神经网络进行非线性校准,减小误差,构建自动补偿高精度传感器,测量精度控制在1 Pa左右[5]。但是针对不规则的巷道,特别是大断面、低风阻的巷道,测量精度可能会有较大偏差,甚至可能超过巷道本身阻力。因此,在特定巷道可结合压差计法进行综合测量,从而确保矿井风压在线精准测定。

3.3 矿井通风网络的优化调节技术

通风网络的优化调节,不仅要满足矿井的日常通风需求,更要保证灾害发生时能够迅速调整和控制风量,通过文献[11-15]的深入探析,提出了定点优化调节策略。即基于目前矿井巷道的风网参数,利用可调风窗风机或改变主要通风机的叶片角度与频率来实现阻力调节,使巷道风量满足要求,实现矿井通风网络的定点优化[3]。

3.4 矿井灾害的预防技术

灾害发生前往往会出现某些险兆,针对矿井灾害进行总结研究,引入HAZOP-LOPA煤矿安全风险评价方法对矿井灾害的险兆信息进行分析与评价,以期对矿井灾害起到提前评价预防的作用[16]。

图2展示了HAZOP-LOPA煤矿安全风险评价方法的整体流程[16]。该方法对矿井各项数据进行分类,建立涉及水灾、火灾、顶板、突出及爆炸事故险兆数据库。将每一类数据库划分单元节点,针对矿井数据建立偏差,根据偏差所导致的后果,进一步明确灾害可能发生的后果等级。随后通过风险矩阵对可能的后果等级进行处理,如果风险较低,则仅需进行上述的HAZOP分析,将后果等级传至矿井数据分析与决策系统进行调控;若风险较高,则需经过LOPA层层分析,判断风险是否在可接受范围内。

图2 HAZOP-LOPA煤矿安全风险评价方法流程图

3.5 通风设施智能化

通风设施的智能化主要针对风窗和风机的智能调节。大多研究均应用工业PLC,实现矿井通风设施的自动化。井下传感器将测得的数据传输至井上,由矿井数据分析与决策系统进行分析处理,随后再将指令发送至PLC,实现对风窗和风机的调节[17]。

为了进一步提高调控效率和安全性,可在每个风窗风机的控制PLC上植入通风设施辅助决策系统(见图3),实现矿井通风设施的双系统管控(数据分析与决策系统、辅助决策系统)。其中辅助决策系统拥有更高的优先级,同时在遭遇灾害数据分析与决策系统可能失效时,辅助决策系统可以实施自动化的调整措施。

图3 通风设施PLC调控流程图

4 矿井智能通风系统设计

4.1 智能模块研究

为解决矿井通风设备种类多、系统复杂等问题,将矿井不同的设施进行模块化分类,使其具备系统性、协调性。将矿井智能通风模块划分为数据采集、数据传输、数据存储、数据分析与处理、可视化信息等五大模块。

1)数据采集模块。在井下巷道、采空区及硐室有针对性地布置瓦斯传感器、矿井气候参数传感器、气体分析传感器、热成像仪、顶板压力传感器、水文地质传感器,收集井下实时数据;在适当位置布置井下视频监控装置,传输井下视频信息及图像信息;在巷道关键节点布置人员射频定位系统。

2)数据传输模块。选择5G无线传输或有线传输技术,将数据采集模块采集的数据通过多功能智能网关传输至地面矿井数据存储中心。

3)数据存储模块。此模块负责收集和存储矿井参数信息、瓦斯信息、煤层及采空区区域温度信息、气体成分信息、视频信息、定位信息、人员信息、GIS信息、设备信息、其他信息,并进一步构建灾害数据库、风机数据库与风窗风门数据库。

4)数据分析与处理模块。此模块依据数据库的各项参数进行通风网络解算、通风异常诊断与预警、灾变异常诊断与定位、风机运行故障诊断与调节,然后结合数据分析的结果与矿井的实时状况,进行逻辑判断,发出调节指令,经数据传输层到达调节风窗、风机等设施,并将设备执行情况反馈至数据分析与处理模块。

5)可视化信息模块。构建监控中心可视化与室外可视化看板。监控中心可视化在三维矿井图中实时显示井下设备运行状态,巷道风量、瓦斯参数、人员位置信息与灾害预警信息。室外可视化主要对井下的监控进行展示,实时观察井下动态情况。

4.2 智能系统研究

1)矿井三维立体图系统

基于矿井地形地貌、等高线、断层、水文地质、矿井界限等信息,矿井三维立体图系统为工程师提供清晰的可视化平台。工程师研究决定挖掘方向与宽度,向掘进机或采煤机发送精准的指令进行作业。该系统能实时接收掘进机或采煤机的推进状况和位置数据,为井下巷道或采空区的三维模型建立提供准确的基础数据。

2)风网实时解算系统

该系统依据巷道传感器返回的风压、风速、断面积等实时数据,解算得出各巷道所需风量,再将计算结果传输至通风数据分析与决策系统进行判断决策。风网实时解算系统可实现实时分析解算,确保巷道所需风量的正常供应。

3)通风数据分析与决策系统

正常通风时,进行曲线数据维护与仿真、算法及误差分析、拓扑关系维护及问题诊断,最后形成正常时期的通风方案,将风量调节指令发至通风设施,进行远程调控。同时该系统具备灾害预警与控制功能,通过与事故数据对比,设定预警参数,以提前调整通风设施,确保通风正常,最大程度地降低事故风险[18]。

当井下发生灾害时,根据灾害预警和通风设施失效位置,确定故障源,划分灾害影响范围,确定逃生路线,并进行井下广播通知。通风数据分析与决策系统重新对矿井的通风现状进行快速分析,调动未失效的通风设施进行快速应急控制,防止事故再扩大[19]。

4)可视化展示系统

可视化展示系统基于矿井三维立体图,集成了矿井通风设施、人员定位、巷道动态风流及参数可视化、灾害预警与控制等信息,系统展示内容包括:①井下员工实时位置;②通风机、风窗、风门等运行状况;③巷道风流流动方向及巷道预定风量与实际风量;④井下的风速、风压、瓦斯浓度、矿尘浓度和温度等参数及分布情况;⑤灾害预警、撤离路线、调控通风设施运转情况。

5)通风仿真模拟系统

通风仿真模拟系统以矿井三维立体图系统为基础,将风网实时解算系统的数据、通风数据分析与决策系统的指令进行模拟运行。此系统为通风网络的优化、阻力的调节和通风设施调整提供了依据[20]。通风仿真模拟系统具备以下功能:①通风系统拓扑网络建模;②巷道风流模拟解算;③通风系统网络优化调节;④通风设施智能调控。

4.3 矿井智能通风与灾变应急控制系统

为了进一步提升矿井的系统化管理水平,在深入研究智能模块与系统的基础上,构建了一个综合性的矿井智能通风与灾变应急控制系统,如图4所示。

图4 智能通风与灾变应急控制系统流程示意图

该系统从数据收集模块将人员定位信息、矿井信息、通风设施信息经由数据传输模块传至矿井数据存储中心;矿井数据存储中心对数据按不同要求进行分类,经过整理后的数据被传输至数据分析与处理模块进行进一步的分析与决策,并发出调控指令或预警信号[21];将系统数据分析与处理模块的调控信息与矿井数据存储中心的实际信息用可视化的方式展示出来。其中,矿井三维立体图系统根据掘进与采煤位置绘制出精确的三维立体图,风网实时解算系统则对巷道风量进行实时解算,通风数据分析与决策系统对当前矿井的状态进行细致分析,为灾害信息发出预警,并调节通风网络,以确保其高效稳定运行。

智能通风与灾变应急控制系统的核心功能包括:

1)三维模型创建:在三维空间中实时创建和编辑图形,解决三维绘图中如投影、定位等一系列难题。

2)多视图展示与信息浏览:利用优化的三维模型,具备通风系统图、防尘图、瓦斯抽放图和注浆图等的分层显示,同时清晰展示矿井监控、通风设施、传感器及人员定位信息。

3)风量智能分配:对全矿井通风状况进行实时解算,并根据风速传感器进行风速校验,通过控制通风设施,实现风量自动分配。

4)灾害预警与控制:在灾害发生前,能够通过对井下数据的深入分析发出预警信息。灾害发生时,系统会迅速确定故障源和受影响的范围,并进行设备联动控制。

5)救灾路线:系统结合了服务器端救灾路线求解技术及矿井专家救灾路径库,为实际救援提供精准的参考路径。