余吾煤业智能通风系统构建方法及其关键技术研究

王志坚

（山西潞安集团余吾煤业有限责任公司，山西 长治 046100）

随着国内外人工智能、自动化技术不断发展，利用煤炭的智能化、机器化开采高新技术用以保障我国煤矿企业的安全生产已成为行业发展关键趋势[1-3]。矿井通风系统是煤矿重要的生产系统，保证采区及矿井通风不失效是所有生产矿井重要的任务，一旦通风系统失效，会导致瓦斯积聚，甚至发生瓦斯爆炸[4-6]。确保矿井通风系统不失效和降低通风系统失效范围是降低矿井事故的重要技术，科学合理的通风系统是其最重要的保障。在矿井智能通风系统研究方面，吴杨[7]阐述了煤矿智能通风系统的基本概念，重点探讨了智能通风系统实现的关键技术，为煤矿智能化建设提供一定参考；郭炜舟等[8]针对葫芦素煤矿目前通风监测实时性差、通风设施未实现远程调控、风量调节过程复杂低效等问题，从智能通风系统组成、原理、功能等方面设计并建成了葫芦素煤矿一体化通风智能管控系统，实现了矿井风量实时同步监测、风量远程调控和通风系统故障诊断；张智韬等[9]从状态感知、控制算法和调控策略3 个方面梳理了智能通风调控系统的现状，提出了以边缘端“感控一体”为核心的逻辑框架；针对传统框架中状态感知与精准控制算法相对分离，导致风量控制对噪声敏感的具体问题，提出采用结合卡尔曼滤波的比例积分微分闭环控制算法精准追踪巷道风量，并融入了专家建模、算法寻优和设备联动的决策与控制理念；白铭波等[10]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，形成了测风无人化、调风自动化、区域反风智能化、火灾防控超前化四项关键技术，显著提高了韩家湾煤矿通风系统自动化和智能化水平。综合文献分析，智能通风系统建设对于煤矿安全生产至关重要。

余吾煤业通风安全管理目前的主要问题在于依据参数监测数据以定性分析为主体方向，导致通风基础参数测算精准度不足，手动配风误差大、耗时长，传感器布设位置区域不清晰致使通风系统未得到有效监测，灾变时风流难以调控，无法通过决策智能调控动力设备。合理构建智能通风系统以利用可靠通风技术及高水平管理手段是实现矿井通风系统稳定可靠运行的最主要方法[11-12]。因此，通过在余吾煤业构建符合生产实际的智能通风多功能系统平台并据此建模分析，进行通风系统优化调整以提高通风系统可靠度，为矿井建立稳定、可控、经济的通风系统提供技术支撑。

1 智能通风系统总体构架

余吾煤业智能通风系统的优化与灾害应急调控，均依赖于智能感知子系统能够快速精准地获取通风参数，对智能模拟风网运行状态进行通风网络实时解算，矿井通风参数智能感知子系统通过布设多区域传感器实现对矿井通风参数及矿井关键路线阻力等在线实时监测，实时准确地构建风网运行状态，不仅为风网实时解算提供精准的数据基础，也实现监控数据最大化的高效利用，实现风门、风窗、局部通风机等通风设施远程监控和智能调节。智能通风系统总体构架如图1。

图1 智能通风系统总体构架图

2 智能通风系统设计方案

2.1 主体技术方案设计

采用现场测试、软件开发等手段进行研究，以全矿井通风系统为研究工程背景，以智能通风系统建设与分析为主要手段，结合通风网络结构分析和通风动力所负担的区域分析，最终实现该矿通风系统安全可靠、经济合理运行以及便于管理的目标。采用基础数据测试、计算机处理与实验室仿真、工业试验相结合的方法进行研究与应用。

结合该智能通风系统建设目标、技术服务内容及后续进度安排，确定主体技术方案：对该通风资料调查，分析相关智能通风技术资料，建立完善该智能通风子系统，利用智能通风子系统建立B/S 架构三维矿井通风智能分析决策平台，形成矿井智能通风综合管控系统，后对通风系统进行参数测试。结合利用智能通风综合管控系统软件进行矿井通风系统分析、优化改造应用，提高通风系统的可靠性与稳定性。

2.2 矿井风量远程定量调控子系统风量调控设计

矿井风量远程定量调控子系统风量，调控设计利用传感器重点监测用风区，进行风量参数监测，进行准确监测工作面回风风量变化，通过建立风窗漏风面积与风量对应关系，实现远程风窗过风面积精确测控，达到风量有效调节。

利用通风参数智能感知子系统获取通风参数数据，根据设定公式进行网络解算，智能导出风量调控方案，通过矿井风量远程定量调控子系统内部风窗与风量特性智能调控，提高矿井通风信息智能管理水平及优化精度，提高通风系统运行可靠性、经济性及灾害应急稳定性，为后续灾变智能调控提供系统基础。

2.3 通风灾变风门风流调控系统设计

风门作为隔断进、回风之间风路的主要设施，在正常生产期间需隔断风流，方便行人过车，灾变时智能调控快速隔断或排出有害气体（如瓦斯、火灾烟气、一氧化碳等）。因此，根据智能通风系统建设需要，该矿风门风流调控系统设计可实现灾变自动识别与远程控制灾变风流功能目标。针对灾变控风功能，设计火灾智能监测和风门远程控制系统，针对排烟控灾功能，设计远程解锁自动排烟系统。

通风灾变风门风流调控系统在防止风流短路的基础上，进一步实现了火灾时期远程解除电气/气路/机械三重闭锁，及时打开两道风门，将烟流引入回风巷，防止有毒有害气体扩散蔓延，为实现灾变调整风路、反风等提供设计基础。

2.4 局部通风机智能控制子系统设计

针对局部通风机，当正常工作的局部通风机故障时，备用局部通风机能自动启动，保持掘进工作面正常通风。同时，对局部通风机智能控制子系统设计时，应根据矿井通风系统实际情况，正常工作的局部通风机和备用局部通风机的电源必须取自同时带电的不同母线段的相互独立的电源。局部通风机智能控制子系统可根据环境监测结果通过变频器与局部通风机联合作用，动态调整局扇转速，实现正常通风时按需（迎头需风量）供风，灾变时控风。如瓦斯超限时自动控制局部通风机转速安全高效排放瓦斯，可实现局部分级智能排放瓦斯功能。同时，局部通风机智能控制子系统接入智能通风管控平台可实现局部通风机工况参数远程实时监测，具备远程调频及一键切换等操作。当正常工作的局部通风机故障，切换到备用局部通风机工作时，能够智能识别并排查故障，直至恢复到正常工作的局部通风后方可恢复工作。

3 智能通风系统关键技术

通过对该矿通风资料调查，分析相关智能通风技术资料，建立完善该矿智能通风子系统，利用智能通风子系统建立B/S 架构三维矿井通风智能分析决策平台，形成矿井智能通风综合管控系统，并利用智能通风综合管控系统软件进行矿井通风系统分析及优化改造应用，提高通风系统的可靠性与稳定性。关键技术主要包括：通风监测数据智能管控技术、地面主要通风机智能控制技术、三维矿井通风智能分析决策平台构建及通风系统全局优化改造方法。

3.1 通风监测数据智能管控技术

为了实现该矿对通风系统的智能化管理，需要建立通风监测大数据库，对主要的数据包括传感器识别各种参数以及摄像头实时监测图像进行存储。对于数据采集方面，井下布设的所有传感器是系统中新布设的传感器，可保证每20 s 采集一次数据，单个传感器每天最多可采集2880 条数据，并存储在数据库中。大数据库的作用主要是为监测数据判别与分析、通风系统数值仿真与模拟、通风系统异常预警提供重要的支撑参数；通过监测摄像头的图像存储，可以实时动态地对井下通风环境进行智能识别。

通过对数据库中存储的各类传感器识别的数据参数所呈现的波动曲线进行分析，可以准确获得整个通风系统中主要参数随采掘进行的变化规律，一旦识别出参数异常波动情况可以及时进行预警。智能通风监测大数据库如图2。

图2 智能通风监测大数据库

3.2 地面主通风机智能控制技术

1）地面主通风机风险辨识

在矿井主通风机在线监测技术基础上，利用数据分析工具对监测数据进行分析、建模、比较，得到设备的运行状态信息，并进行健康评估和风险辨识，提前发现设备潜在的风险，并给出可能的解决方案。系统把计算结果、监测状态结果推送至智能监测平台、客户桌面端或移动APP 端，为中控值班人员、现场巡视人员、设备维保人员、管理人员提供智能决策，这样可以对主要通风机监控系统的可靠运行提供保障。

2）主通风机远程调风功能实现

建立主通风机性能特性曲线数据库，实测地面主通风机性能特性曲线，建立以风量、叶片角度、频率为自变量的地面主通风机特性曲线数据库；构建地面主通风机目标工况决策算法，实现矿井通风阻力特性曲线与主要通风机特性曲线数据库进行实时动态匹配，分析节能效果，实现主通风机目标工况智能调控。矿井主通风机性能特性曲线如图3。

图3 主通风机性能特性曲线

3.3 三维矿井通风智能分析决策平台构建

基于该矿实际通风状态资料，建立基于云计算的三维矿井通风智能决策软件平台。智能通风软件逻辑框架如图4。云端后台服务器采用MySQL 数据库存储所有图形数据及矿井通风数据。表单服务程序负责与前端交互，矿井通风网络分析程序负责提供矿井通风网络解算与智能分析决策服务。

图4 智能通风软件逻辑框架

1）通风系统状态识别

通过通风多源信息集成系统对通风数据的实时收集，能够对风网数据进行汇总分析，经汇总处理后的数据通过智能通风决策及控制系统实现对风网的在线监测。

2）通风网络实时解算

对全通风系统通风阻力与风量进行实时解算，进而消除了监控系统的风量监控盲区，实现对全矿井通风网络所有巷道分支风量的准确监测。

3）通风网络智能管理模块

软件系统采用B/S 架构，服务器布置在机房，不仅可以通过浏览器还可以通过手机APP 浏览三维通风模型，控制风门、风窗、测风装置和主要通风机等通风设施，还可以利用三维矿井通风可视化对回采工作面通风系统进行智能管控。

4）通风故障智能诊断

运用通风多源信息集成系统对井下监测监控、风速、风压、风量等数据的收集，实时监控风网运行情况。一旦井下出现风网异常，如风流短路或断路，根据反馈数据的差异迅速报警，实现风网的异常提醒，并准确识别出故障主要发生的部位。

3.4 矿井通风系统测试及软件建模

通过制定通风阻力测定方案、进行精准阻力测定、对阻力测定数据进行处理、校对与计算，得到矿井阻力测定分布情况，为通风系统优调与优控提供精准可靠的数据基础。

在测试的基础上，进行测定数据处理与风量、风压平差算法实现，阻力测定数据处理与平差计算系统能够实现阻力测定数据的录入、修改和删除等操作，并可以进行计算，同时提供阻力测定数据平差计算的功能，最大限度地降低测风误差。

3.5 通风系统全局优化改造方法

余吾煤业属于一个以上风井井口，多台主要通风机运行条件，通过对余吾煤业通风网络结构分析，结合网络结构的特点，进行通风动力有效利用。矿井通风动力分析如图5 所示。

图5 矿井通风动力分析图

对主要生产采区的通风系统阻力分布及主要通风机性能进行分析，全面掌握矿井通风系统压能参数分布及主要通风机性能状况，实现通风动力与通风网络合理匹配。通过通风系统预测与分析，提出通风系统整体调整与优化方案，提高矿井整体通风能力，提高矿井有效风量率，保障通风系统可靠运行的同时，使整体功耗达到最小，实现矿井节能减排。

4 结语

针对余吾煤业矿井智能通风系统建设需要，通过构建智能通风系统，可提升矿井通风网络化管理水平，从根本上改变了管理思维和理念，特别是对通风系统优化改造设计将起到积极的辅助决策作用，将能够进一步提高技术人员的矿井通风安全整体管理水平，为智慧矿山建设、智能通风系统安全调控、通风动力与通风阻力合理匹配及通风系统优化调整提供了技术支持，可提高通风系统抗灾变能力。随着智能通风系统及智能分析决策软件平台的建设，通过对实际矿井参数测试获得基础性数据完善软件建模，利用软件平台进行相应的通风系统优化方案模拟，实现了矿井通风系统安全可靠、经济合理运行以及便于管理的目标。