建庄煤矿智能通风系统研究与优化

王 越,王 斌,孙刘咏,王盛永,孙泽雁

(1.陕西建新煤化有限责任公司,陕西 延安 716000;2.山西科达自控股份有限公司,太原 030006)

随着国家的不断发展,煤炭需求量越来越大,2020年我国煤炭消费占一次能源消费比例为56.7%左右[1]。煤矿开采也逐渐由地面开采转为地下开采,随着开采深度增加,开采环境也变得复杂,对通风安全的要求越来越严格,煤矿的智能通风系统研究也逐渐成为井下安全生产的重要组成部分[2-4]。

随着计算机技术不断发展,煤矿智能化开采技术不断提升,煤矿开采由人工、放炮、机械化、信息化到今天的智能化开采,安全水平以及开采效率也随之提高[5]。周福宝等[6]针对我国现代化矿井通风发展的重大需求,系统研究了矿井智能通风原理、关键技术及系统组成。张庆华等[7]从通风参数测定与监测、通风网络分析与决策、通风调控技术与装备进行梳理与总结,指出实现智能通风需解决的4大难题,为矿井智能化通风建设建立了理论基础,但未应用到实际生产中。王斌等[8]基于文献分析,综述了煤矿智能决策与远程控制系统研究的主要成果,并以王楼煤矿为研究对象,分析了王楼煤矿智能化通风系统的实际作用及意义。王学芳[9]针对传统的以PLC为核心的煤矿通风系统处置速度慢、易受环境影响等问题,提出了基于总线为主网络的煤矿智能通风控制系统,保障了井下的通风安全,但对于远程控制与监测等应用的优化较少。栾王鹏[10]以马兰矿为研究对象,介绍了矿井智能通风与实时监测控制系统,该系统基于物联网的矿井通风参数测定系统、百叶式自动风窗及其控制系统、抗火灾远程自动控制风门组成等,系统建设较为完善,但对于主要及局部通风机的监测与控制能力较弱。张水平等[11]针对漂塘钨矿通风系统主要存在的风阻不均衡,无法实现按需通风的问题,调整传感器的布置位置,变频改造风机和搭建智能通风管理平台,实现了对试点通风系统的智能化管理,但对于井下通风系统的远程监控及可视化优化较差。闫玉山等[12]针对赵楼煤矿智能化矿井建设需要,构建了智能通风集成管控平台,集成了矿井主要通风机远程控制和一键倒机一键反风、风井防爆帽自动控制、智能风门设施、三维动态可视化等项目,提高了系统对井下工作环境的监测。白铭波等[13]以韩家湾煤矿为研究对象,构建了基于基础参数动态感知、通风设备智能管控、区域反风与胶带火灾精准辨识、火灾分级预警与管控的智能通风决策管控平台,实现了井下通风工作无人化、自动化、智能化,但井下通风可视化优化较差。郭炜舟等[14]针对葫芦素煤矿通风监测实时性差,通风设施未实现远程调控,风量调节过程复杂低效等问题,建成了一体化通风智能管控系统,实现了对矿井风量的实时同步监测、风量远程调控和通风系统故障诊断。

本文针对建庄矿业井下通风现状及智能化不足,井下实时监测性差,风机、风门和风窗的远程控制弱,系统决策能力差,缺少三维动态可视化功能的缺点,建立智能通风技术与装备体系,形成集数据采集、风网解算、智能控制于一体的矿井通风智能化平台,以期为目前煤矿无法进行原厂智能调控、井下灾害时期应急救援困难等问题提供技术支撑。

1 智能通风系统组成

建庄矿业矿井智能通风系统由智能通风软件平台、调风系统和多系统融合联动平台3个模块组成。智能通风软件平台通过控制风机、风门和风窗等设施实现风网故障预警与分析、按需自主供风、灾变控风、热尘模拟等功能。调风系统由主要通风机调风系统、局部通风机调风系统、风门调风系统和风窗调风系统组成,实现对矿井现场通风机、风门和风窗的远程监测及控制,具有运行状态、参数监测及一键控制等功能。多系统融合智能联动系统通过多源异构数据融合技术,使得能够对通风系统进行系统监测显示、系统故障报警提示、数据分析、灾变预警预判以及系统联动。成套化矿井智能通风装备技术可实现井下通风系统智能化、实时化、动态化,该技术解决了传统煤矿通风由于人工监测、记录、判识、调控等操作造成的决策效率低、时效性差、安全性不足等问题。其体系架构如图1所示。

图1 智能通风系统体系框架Fig.1 Architecture of the intelligent ventilation system

2 智能通风系统技术体系

2.1 智能通风软件平台

智能通风软件平台是在地面调度中心配置通风软件服务器主机1套,安装通风网络仿真、解算软件,利用虚拟服务器作为数据服务器,解算服务器通过连接数据服务器数据库,读取风网传感器数据,进行实时监测、计算。工控机安装智能通风主控软件平台,主控软件工控机与数据服务器实现数据交换,解算服务器的解算结果经过主控软件的分析运算后,从而控制主扇通风机、局部通风机、风门、风窗等通风设施进行微量调风,使通风系统处于最优化的通风状态,以实现井下通风状态的三维动态可视化、智能通风大数据监测和通风系统智能调控,其技术框架如图2所示。其中,利用数字孪生技术实现风流、烟流、有毒有害气体扩散动画模拟和阻力三区、灾变分级划分、风速和颜色梯度等展示;利用矿井三维通风系统模型快速建立技术,实现通风系统图自动导入建模以实现井下通风状态三维动态可视化。

图2 智能通风软件平台逻辑框架Fig.2 Logical framework of the intelligent ventilation software platform

2.2 调风系统

1)主要通风机系统利用现有系统,通过接口、协议转换读取主扇风机系统数据,集成到通风平台软件,读取现场主扇通风机风量、风压、振动、频率、电流、运行状态等,生成整个风机运行工艺流程,提供清晰的、人性化的人机界面,全中文显示,适应操作人员习惯。

2)局部通风机系统利用局扇点与工业环网对接,将各掘进工作面局扇风机系统数据统一上传至地面调度中心,实现对井下各掘进工作面局扇风机的状态监测,并可以在授权状态下远程集控风机启停;平时风机系统自动运行,应急情况下可以在调度中心对各风机进行工作状态干预;局扇风机监控系统达到对馈电开关、变频器、环境传感器、视频画面的采集与传输,并实现控制信令的下达。

3)风门调风系统采用PLC控制技术和工业以太网通讯技术,并具有485通讯接口,对井下各处风门进行无人值守自动控制;利用上位机对运行状态进行实时显示及远程控制,可以实现相关数据的实时监测及报警功能;利用工业以太网将数据传送到地面生产调度中心,从而极大程度地提高响应时间。

4)风窗调风系统采用了可调风窗、气动驱动装置、隔爆兼本安型PLC控制箱、传感器、摄像仪等硬件,实现风窗智能化监测和调控。系统配置工业以太网传输接口,通过与井下环网连接,实现地面集控、调度的统一管控。

3 智能通风系统现场应用

3.1 矿井概况

陕西煤业集团黄陵建庄矿业采用中央分列式通风方式,抽出式通风方法,设置主斜井、副斜井两个进风井,设置一个回风立井。回风立井安装两台FCZNO25.0/1250(I)型防爆对旋轴流式通风机。井下各掘进头采用对旋轴流压入式局部通风机。矿井瓦斯等级为低瓦斯,煤层自燃倾向性为二类自燃煤层,煤尘具有爆炸性。

3.2 矿井智能通风现状

建庄矿业已实现主通风在线监测及远程集控功能,井下局部通风机实现地面远程监测功能,但是仍达不到智能通风的功能要求。因此必须在现有的自动化系统建设基础上,进一步完善智能通风系统功能。紧扣国家及公司对煤矿智能通风系统的建设标准,结合矿井通风安全管控需要和实际现状,构建基于风网解算及通风管控的矿井智能通风管控系统。

3.3 智能通风软件平台功能

3.3.1井下通过状态三维动态可视化

1)二维图形进入三维可视化图形,界面更形象。

2)动态模拟风流方向,显示风路的断面、形状、摩擦阻力系数等基本参数。如图3(a)所示。

3)强大的设置功能,可以根据不同矿井地质环境确定模型的工程环境、空气可压缩性、地热梯度、围岩比热容等相关参数,提高矿井三维可视化模型的模拟精度,如图3(b)所示。

4)风机数据模拟,风机数据库可以编辑、添加和删除模型中所有风机数据,支持在线互联网查找风机,动态显示风机运行曲线及数据。

5)模拟矿井风网中主通风机不同风量及负压下的运行情况,模拟风机变频、不同叶片角度下矿井通风网络的运行情况。

6)模拟局部通风机在掘进头中的运行情况,也可以在同一巷道中对多台局部通风机进行模拟。如图3(c)和3(d)所示。

图3 智能通风软件平台可视化功能图Fig.3 Visualization function diagram of the intelligent ventilation software platform

7)对长远通风系统进行预测和预判。表现如下:①巷道及工作面贯通模拟,风量变化如图4(a)所示;②新建风井井筒直径及风机选型模拟,如图4(b)所示;③观察采区巷道封闭后对相关风机和巷道的影响,预模拟巷道封闭后可能出现的通风问题及相应解决方案, 如图4(c)所示;④设计采区通风困难时期需风量模拟;⑤风机反风演习模拟;⑥精准调整通风设施,调整前后如图4(d)所示;⑦污染物及气体扩散模拟;⑧构建风路,将AutoCAD矿山采掘工程平面图直接转化成风路实体巷道。

图4 长远通风系统预测和预判功能图Fig.4 Function diagram for forecasting and predicting with the long-term ventilation system

8)对风网进行整体分析。表现在:①能利用扇形统计图对井筒和大巷等能量损失进行分析,并形成风网报告,如图5(a)所示;②对矿井风网快速模拟解算,生成风网运行报告及图表,如图5(b)所示。

图5 风网分析界面图Fig.5 Wind network analysis interface diagram

9)经济优化。表现如下:①经济性模拟功能,帮助矿井通风系统优化风路断面、节约整个矿井服务周期的成本,如图6(a)所示;②将矿井的总通风成本输入到模型中,分析采矿掘进成本、通风能耗成本、风机购置成本、矿井服务年限、折旧率;③系统数据库中包含风路年通风成本的数据,如图6(b)所示。

图6 软件平台经济优化功能图Fig.6 Function diagram of software platform economic optimization

3.3.2通风系统智能调控

1)局部控风远程调控与闭环自动调控。对工作面、掘进面配置可调风窗,设置反馈传感器,输入需要风量,进行比较,实现自动调控。根据局部通风机检测输出风量,自动调节风机运行频率或增减单机、双机运行,满足实际用风需求。

2)对主通风机进行调控。实现主通风机的远程一键启停、故障切换、一键反风、远程参数设置,满足应急或灾害情况下的矿井总供风调整。

3)应急模式下的通风调控。在出现设备故障、火灾、瓦斯超限等紧急模式时,可以根据预案远程实施设备联动,实现自动调控。

4)实现就地自动感应开闭风门、自动闭锁。所有风门实现联网并可以远程监控,如图7(a)所示。

5)实现风窗远程调节。通过远程调节风窗,配合监测数据,完成给定数据的风窗远程闭环调节,实现精准调风,如图7(b)所示。

图7 通风系统智能调控功能图Fig.7 Intelligent control function diagram of the ventilation system

3.4 调风系统功能

3.4.1主要通风机调风系统

建庄矿业主要通风机调风系统界面,如图8所示。该系统可实现以下功能。

1)风量、风压、温度、振动、频率等数据的在线监测,增加视频监控和风机状态感知传感器,安装具有远程变频控制功能的主通风机,实现通风参数监测、自适应变频调节风量。

2)通风机远程控制功能,达到“一键启停”“一键倒机”“一键反风”等目的。

3)具有故障分析、预警功能。

4)根据风网监测数据及解算结果调控主扇风机在最优状态运行。

5)根据风机状态监测及解算结果实现主扇风机故障预警和维检推送。

6)监测数据并智能解算,使主通风机高效安全供风,避免浪费。

图8 主要通风机调风系统界面图Fig.8 Air regulation system interface diagram of main ventilator

3.4.2局部通风机调风系统

建庄矿业局部通风机调风系统界面,如图9所示。该系统可实现以下功能。

图9 局部通风机监控界面图Fig.9 Monitoring interface diagram of local ventilators

1)通过自动控制程序在设计范围内实现局部通风机设备的集中管控、远程调度和自动巡检、人工远程监护相结合。

2)具备一键启动、倒机功能,增加视频监控和风机状态感知传感器,实现局部通风机远程启停和切换。

3)地面集中管控平台设有集中管控局部通风机系统的界面,除集控室的技术人员(具备操作局部通风机权限的人员)外,其他有关人员可以根据权限通过IE浏览井下局部通风设备的运行情况,并根据不同权限,获得相关数据,并向相关人员发送信息。

4)采用智能化通风控制装置与变频器组成的控制系统,对风机转速实时调控,达到“实时预警、人机双控、按需供风、防灾减灾”的效果,节能省电。

3.5 风门调风系统

图10为风门调风系统网络结构图。智能通风调控风门的功能如下:

图10 风门系统网络结构图Fig.10 Network structure diagram of air door system

1)手-自-远程无扰切换功能。每套风门监控均由“自动模式”“手动模式”“远程模式”3种模式组成,每个风门分站可独立设置工作模式,互不影响。

2)扩展功能。风门分站具有以太网接口,可随时扩展监控分站,如可集成自动喷雾降尘、风门自动调节风窗等系统的监控。

3)巷道风门系统实现集中监测、统一管理功能,可以随时掌握各巷道人员车辆通行情况。

4)根据风网解算结果调整风门状态,使通风系统处于最优状态。

5)利用风门工艺模拟结合视频监控实时观察了解通风设施状况。

6)风门位置索引功能。在矿井总体巷道图中对各套风门的监测和操控可通过地图索引中的图标自由切换。

3.6 风窗调风系统

风窗调风系统建设5套风窗,1 000 mm×600 mm建设3套,300 mm×600 mm建设2套。风窗类型为百叶风窗,其适用于现场潮湿、粉尘环境,易于开关。智能风窗调控系统由风窗、动力驱动装置、防爆PLC控制箱、不间断电源、传感器及配套控制软件组成,实现风窗智能化监测、调控。动力驱动装置通过减速机连接风窗旋转机构,带动百叶风窗,实现开度变化;隔爆兼本安型PLC控制箱检测传感器信号,分析判断,输出信号控制动力驱动装置,进而控制风窗开度变化,调控现场风量大小,整个系统为闭环控制系统,有输入设定和反馈,内部运算控制逻辑,实现系统智能控制。配置防爆摄像仪,实现对井下风窗的远程监视,另外,系统配置工业以太网传输接口,通过与井下环网连接,实现地面集控、调度的统一管控。

智能通风调控风窗的功能如下:

1)就地、远控、自动控制功能,可以自由切换,具有数据显示、参数设置功能。

2)风窗系统集成在同一平台,可以随时监测各处通风情况。

3)根据监测的风量数据及风网解算结果实时调整风窗开度。

4)特殊情况下远程调节风窗开度,达到预案要求。

5)具有视频监控功能,任意选择一处风窗,可查看摄像仪的监控画面,了解风窗的运行状况。

6)系统具有自诊断功能。当系统中传感器、执行器、分站、传输接口等设备发生故障时,报警并记录故障时刻和故障设备,以供查询。

7)调节风窗实现远程手动及自动智能调节,安装百叶窗式自动调节风窗及自动控制设备,建立风窗风量精准调控模型,通过远程调控微调执行器,实现风窗过风面积大小的调节。

3.7 多系统融合智能联动系统

本文对建立的智能通风软件平台及多个调风系统进行多系统融合智能联动,实现了通风相关系统监测显示、故障报警提示、数据分析、灾变预警预判及相关系统联动。具体表现如下:

1)建设风门远程自动控制、风门及风窗远程自动调控及就地控制系统,实现风门远程集中监控和自动开闭。

2)主通风机实现远程控制和一键启动、反风、倒机功能。

3)局部通风机依照现场需要实现局部工作面或掘进面自主智能供风和瓦斯排放,掘进工作面的局部通风机实现双风机、双电源,并能自动切换,根据环境监测结果实现风电闭锁、瓦斯电闭锁等自适应调节的通风设施设备智能控制。

4)建设实时在线精准测风系统,利用全断面超声波测风装置,进行在线精准测风。

5)建设区域风流自动调节、工作面火灾反风和皮带火灾风流应急控制的通风灾变联动控制系统;实现矿井通风参数无人化在线测量、矿井风量远程调控、通风隐患自动识别、通风灾变联动控制、通风智能决策,实现减人、安全高效的目标。

4 结语

1)依托建庄矿业现有的智能通风系统建设主要通风机调风系统、局部通风机调风系统、风门调风系统和风窗调风系统,共同构建拥有远程实时监测、一键控制和故障分析与预警等功能的智能调风系统。

2)构建了可以实时风网解算井下通风状态的三维动态可视化、智能通风大数据监测和通风系统智能调控的智能通风软件平台,并实现了多系统融合智能联动,形成了具有建庄矿业特点的“测风无人化”“调风无人化”“防灾智能化”等关键技术。

3)建庄矿业智能化通风技术现场应用,替代了传统人工工作方式,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。