付村煤矿通防智能化建设实践与问题探讨

＊孟凡平 王伟龙 周新义 刘涛 夏同强,4

（1.枣庄矿业（集团）付村煤业有限公司 山东 277605 2.中国矿业大学 安全工程学院 江苏 221116 3.华能庆阳煤电有限责任公司核桃峪煤矿 甘肃 745300 4.中国矿业大学 低碳能源与动力工程学院 江苏 221116）

矿井“一通三防”是矿井通风、防瓦斯、防尘、防火工作的简称。2020年《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》被提出，要求到2025年，我国特大型、危害性较大的矿井基本实现智能化，到2035年，所有类型的矿井都将达到智能化水平，并在此基础上，提出了深入贯彻落实“四个革命、一个合作”能源安全新战略。

近些年来，煤矿行业学者对矿井通防智能化建设方式进行了大量的研究。如今，对于井下通风参数在线监测、人员定位信息，瓦斯等重大环境灾害监测预警以及大型设备运行参数监测与故障检测等方面，通过采用安装各类型传感器以及4G/5G等技术实现了在线监测诊断[1-2]。卢新明等[3-5]认为对井下通风网络实时结算与远程调节等手段是保障通风稳定可靠的重要手段。澳大利亚研究了可用于矿井通风参数分析及风网解算Ventsim软件，并在此基础上可进行灾害的模拟仿真[6]；魏连江等开发了矿井通风可视化模拟系统，能够自动绘制通风系统图[7-8]。

根据以往的研究成果还存在一些问题：（1）通防设备自动化、智能化水平低；（2）通防数据不能够在通防系统中高效利用；（3）通防控制平台的功能比较单一。付村煤矿现代化智能通防系统建设是付村煤矿安全高效生产的重要基础保障。为实现矿井现代化智能通防，付村煤业有限公司与中国矿业大学成立研究团队进行相关问题的研究，建立了具有通防参数精准感知、风网实时解算、通防信息三维可视化与三维仿真、风险分析预警、故障应急诊断与调控等多功能的矿井智能通防综合管控系统，使付村煤矿通防信息化、自动化和智能化水平上升了一个新台阶。

1.智能通防的内涵与架构

矿井智能通防是将信息采集处理技术、控制技术与通防系统深度融合，按照“平战结合”的理念实现通防信息日常管理、异常诊断、预警与智能应急控制。智能通防与应急控制综合管控平台是以智能通防理论与信息化为基础，融合主要通风机等通风设施、火灾束管监测、粉尘监测、人员定位等模块信息，集成一通三防中的通风、瓦斯、火灾、粉尘的所有数据，基于数据挖掘，联立人工智能和通防设备控制，实现通防安全的日常运维与异常管控。

付村煤矿智能通防安全与应急控制综合管控平台是在多元传感器监测设备、环网交换机等智能通防硬件的基础上，集成了安全监控系统、自动注浆系统、自然发火监测系统等八大子系统，通过精准测定矿井通防参数，进行风网实时解算，建立三维通风仿真模型与通防信息可视化展示，实现矿井通防参数实时监测和预警，异常诊断与隐患处理。付村煤矿智能通防建设过程中形成了“以智能通防设施为基础、以矿井通防信息综合管理与控制平台为保障、以智能通防队伍为核心”的通防隐患排查与治理一体化的先进管理理念（图1），保障了矿井安全生产。

图1 智能化通防综合管理平台组成与结构

2.智能通防系统建设实践

(1)矿井智能通风系统

付村煤矿依据精准阻力测定数据，开发矿井通风网络实时解算系统，建立全矿井三维仿真模型（1:1等比例）和VR虚拟仿真模型，支持“一键式”导入精细通风阻力测试参数，通防设备精准建模，矿井通风网络拓扑关系自动维护，在线求解通风网络所有分支风向和风量数据。实现了地面工业广场和井下巷道、通风设施及采掘工作面的仿真模拟。矿井三维模型具备巷道、通风设施数据的查询功能，实现了通风参数和设施的一张图管理。此外，智能通风系统平台支持灾害动态仿真模拟、避灾路线的自动生成，平台通过对风烟流动与风量分析选择最佳控风方法，并自动搜索可调风门，结合风网解算模型进行精准控风。

(2)通防参数可视化平台

通防参数可视化平台把通防设施远程控制、矿井安全监控、人员位置监测、自动注浆、束管监测等系统结合，通过安装智能通防设施，实现了各种通防参数的在线智能分析，关键通防设施布置见表1。

表1 智能通防设施布置

矿井安全监控系统通过每个传感器所采集到的数据进行集成统一管理，通过对传感器数据的挖掘实现对风险的判识，预警、并具备告警与历史记录查询的功能。如KJ70X安全监控系统在井下采煤工作面及其回风巷和回风隅角、掘进工作面等地点安设了瓦斯传感器，实现了对井下主要作业环境瓦斯浓度变化的实时在线监测，根据瓦斯监测数据对瓦斯积聚区进行智能预警、超限区域的智能断电，实现了瓦斯灾害的智能防治。

人员位置监测模块通过井下人员佩戴设备将位置以列表等形式展现出来，可实时查看井下人员总数及各区域人员总数，展示所有人员的当前信息在通风设施、局部通风机、主要通风机控制模块，付村煤矿通过南、北风井安装防爆盖自动闭锁装置、主通风机控制系统，中央风井安装电动刹车装置，实现了南北风井主要通风机运行状态的远程监控和在线变频调速功能，具备一键启动及反风、倒机功能。在关键通风节点安装了4套智能风门和4套智能风窗实现了现场风门的智能感知以及远程可视化控制，通过远程控制风窗固定角度，可以更精准的现场调风。井下远程控制通风设施协同控制系统实现了常态远程控制+异常自主决策双保险的联动控制如图2所示。

图2 通防设备集成

防尘远程控制模块通过对喷雾降尘装置的数据进行获取，实现喷雾装置的运行状态的动态展示，并按照现场需要对防尘设备运行状态进行远程控制实现了井下煤流识别喷雾，皮带起动喷雾和粉尘超限喷雾等功能。

束管监测系统实现了对井下采空区自然发火情况的监测、数据分析及上传。通过对火灾参数智能监测，实现井下发火智能预警。并且设有完善的防灭火系统，保证了井下火灾的智能防治，如图3所示。

图3 智能化注浆系统

3.智能通防建设中的问题探讨

在付村煤矿智能通防的建设过程中仍然存在一些问题需要后续的改进：

（1）通风网络实时解算是矿井智能通防的核心，其实验过程与传感器的数量和精度有很大的关系，而付村煤矿现有传感器数量较少，影响实时解算的结果，为后续工作造成困难。

（2）矿井智能通防系统随着矿井采掘接续的变化，通防系统需要进行不断的更新，虽然现有的开发平台已经具有方便的人机交互功能，但通风网络实时解算模型维护工作量仍然很大，需要进一步调控解算算法，实现数据的自融洽功能。

（3）智能通防系统目前在数据集成与日常运维方面积累的大量的数据，目前数据的智能挖掘、故障智能诊断与预测预警功能尚有更大的研究空间，特别是发生重特大灾害时，井下信号中断，灾害影响方法智能确定与应急方案智能制定还需要大量的研究工作。

4.结语

（1）依托付村煤矿智能通防系统建设实践，提出了付村煤矿智能通防的建设内涵和架构，以智能通风系统为基础，集成了安全监控系统、束管监测系统等八大子系统。

（2）智能通防系统具备通防隐患排查与治理一体化、通防参数可视化展示和趋势分析、通防装备智能诊断预警、通防一体化成套技术与装备等功能，为其他矿井的智能通防建设提供借鉴。