矿井智能通风与实时监测控制系统

栾王鹏

（山西焦煤西山煤电马兰矿，山西 古交 030200）

目前煤矿通风参数、通风网络中配风量、风速和监测主要是依据矿井实际情况人工操作完成的。人工进行调节和监测会造成风量分配不均且稳定性差，不仅耗费了大量的人力物力，而且效率低下。特别是当矿井发生火灾时，无法远程控制风量进行实时调控，无法及时地应对灾害，易造成更大的危险[1-4]。而矿井智能通风与实时监测控制系统对全矿井的通风实现智能管理，即矿井各个用风地点的风量分配按需实现智能化、信息化控制。根据现场情况，实现对通风网络的实时、动态监测及合理、可靠调整，也是响应国家“智慧矿山”建设，实现矿井减人提效的号召。

1 工作面概况

马兰矿18506工作面两巷均开口于南五下组煤辅助运输下山，辅运巷西北侧为18504皮带巷，东南侧分别为18504底抽巷、18506高抽巷，工作面切眼东北侧为南八南九胶带机运输大巷。工作面所采煤层为石炭系太原组8号煤层，属稳定可采厚煤层，结构复杂，煤层厚度3.80～4.80m，平均4.43m。矿配备两台风机，一台运转一台备用，东台1#风机运转，排风量16860m3/min；西台2#风机备用，排风量16756m3/min。核算18506工作面需风量为2340m3/min，矿井总需风量15482m3/min。

2 系统简介

2.1 系统组成

矿井智能通风与实时监测控制系统主要由矿井通风软件、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。实现矿井通风系统实时监测和控制，在地面上实时显示井下巷道的风流状态，远程控制井下的通风设施，准确进行风量调节，保证矿井通风系统安全可靠。矿井智能通风与实时监测控制系统整体结构示意图如图1所示。

图1 矿井智能通风与实时监测控制系统整体结构示意图

矿井通风软件安装在地面监控机房，实时监测和控制井下百叶式自动风窗、抗火灾自动风门运行状态。物联网的矿井通风参数测定系统采用风速传感器、风压传感器、温度传感器、一氧化碳传感器、甲烷传感器，实时监测每个测点位置的风速、风压、温度大小和一氧化碳、甲烷浓度。自动风门、风窗等风量调控设施作为执行机构安装在井下主要风量调节地点，用于实现风量精确调控。电控系统通过井下环网和气路向上位机软件上传传感器和风门风窗的运行状态和监测数据，同时又向自动风门风窗传输上位机软件的决策命令，进行风量的远程精确调控。

2.2 井上监控系统

矿井通风井上监控系统具有矿井通风网络实时监测、数据永久存储管理、通风设施远程精确控制等功能,以及误差分析、数据分析、数据管理等辅助功能，为矿井通风系统科学管理提供有效的技术手段[5-7]。其主要实现通过现场通风阻力测定，计算出控制区域通风风阻，结合KJ90NB内监控到的矿井风阻相关参数，计算控制区域分风风量；基于风阻定律、压能平衡理论，建立基于通风大系统影响下的控制区域压能平衡方程，并利用该平衡方程找出通风网络平衡关系，开发相关控制软件；依据相关规程和规定，对矿井通风系统可靠性评判，并建立稳定性判别式和阈值，合理确定动态通风系统调节范围。实现矿井控制区域通风模型的三维立体显示。

3 井下实施方案

3.1 测点布置

以马兰矿18506采煤工作面为例，通过构筑智能化通风设施，实现通风设施的智能化控制。目前正在施工18506两顺槽，工作面生产期间采用下行通风，工作面新鲜风流通过采区轨道下山—车场—18506上顺槽联络巷—18506上顺槽—18506作面—18506下顺槽—联络巷—18504回风联络巷。

按照矿井采掘布置和要求，决定在采区总进风、18506采煤工作面进风联络巷、18506采煤工作面上顺槽、18506采煤工作面上端头、18506下端头、18506煤仓联络巷风门前、18506煤仓联络巷风门后、采区回风巷风门前、采区回风巷风门后、总进总回联络巷等位置布置测点，每个测点都布置风速传感器、风压传感器、温度传感器、一氧化碳传感器、甲烷传感器，实时监测每个测点位置的风速、风压、温度大小和一氧化碳、甲烷浓度。

3.2 百叶风窗控制系统

百叶风窗控制系统的目的主要是对18506工作面的风量进行调节，根据工作面的需风量通过井上软件控制风窗对风量进行实时调节。百叶风窗控制柜内包含风窗控制系统，用于接收软件发出的调节指令，并根据指令采用合适的算法调节百叶风窗调节系统，以达到精准控制的目的。同时百叶风窗也配有显示系统，用于显示控制区域压力、风速及相关的通风参数，系统能够实时向上位机监控软件报告控制系统状态。

百叶风窗安设位置位于18506煤仓联络巷，距离18506回风联络巷三岔门13.5m处构筑第一道风门，该地点有构筑通风设施空间；在回风侧安设调节通风设施，通风系统易于调节；顶帮较完整。

第一道风门构筑处巷道形状为半圆拱，高×宽为3600×4100mm，一侧为皮带运输，皮带架构高×宽为1500×1300mm。考虑到18506采煤工作面生产必须满足需风量，在风门上方留设长宽为2600×800mm的智能调节风窗，该风窗采用百叶窗式，百叶窗叶片可上下90°翻转，可根据工作面风量大小实现智能控制百叶窗叶片翻转角度。风门上方架50mm工字钢梁以提高该风门的抗压性。选择宽×高为1400×1800mm双扇平衡风门，只用于行人，一道风门留有300×300mm可视窗。第一道风门安装示意图如图2所示。

第二道风门构筑处，位于第一道风门的下风侧，与第一道风门相距6m，巷道形状为半圆拱型，巷道高×宽为2500×4500mm。对该段巷道进行起底整修，扩修完高×宽为3600 ×4500mm，在风门上方留设长宽为2600×800mm的智能调节风窗。选择宽×高为1400×1800mm双扇平衡风门，只用于行人，每道风门留有300×300mm可视窗。第二道风门安装示意图如图3所示。18506采煤工作面回采前，根据现场情况对该通风系统进行调整，一是拆除车场风门，二是在18504轨胶联络巷构筑两组风门，确保18506工作面风门满足要求。

图2 第一道风门安装示意图（单位：mm）

图3 第二道风门安装示意图（单位：mm）

红外传感器用以检测有无人员经过。当有人员经过风窗附近时，百叶风窗门自动开启，让行人通过，如果风窗门在30s内无法开启，系统将启用灯光报警装置报警，提醒通过人员需要手推门后通过。人员通过以后，百叶风窗门将自动关闭，位置传感器将主要用于监控风门的开闭状态。

3.3 抗火灾远程自动控制风门

抗火灾远程自动控制系统主要起到安全防护的作用，安设位置在主副井井底总进回风联络巷中。矿井现有3道手动控制平衡风门，在原有基础上，中间设置一道手动风门，剩余2道更换新电动控制平衡门，尺寸按照原风门大小进行设计，尺寸为1600×1800mm。抗火灾远程自动控制风门示意图如图4所示。

图4 抗火灾远程自动控制风门示意图（单位：mm）

4 效果检验

马兰矿18506工作面采用智能通风与实时监测控制系统后，井上控制室能够实时监测和控制工作面的进回风量，依据工作面的实际需风量使用软件进行实时控制，方便快捷，减少了人力，提高了通风效率。实时监测瓦斯、一氧化碳浓度也避免了矿井通风事故造成的灾害。

5 结论

（1）介绍了矿井智能通风与实时监测控制系统主要由矿井通风软件、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，能够实现井上井下实时监测和控制工作面的风量。

（2）分析了矿井智能通风与实时监测控制系统井上监测控制软件，能够实现矿井通风网络实时监测、远程精确控制、数据分析的功能。

（3）在马兰矿18506工作面采用该系统，布置了监控测点位置、百叶风窗、风门的安设位置以及大小、抗火灾远程自动控制风门位置及大小，实现了矿井的智能通风。