基于实时监控系统的煤矿智能通风系统的研究

李义宝

（西山煤电（集团）有限责任公司，山西 太原 030053）

屯兰矿地处西山煤电古交矿区，井田占地面积62.26 km2，可采储量5.54亿t。现开采2#、8#煤层，为Ⅱ类自燃煤层，2#煤层平均厚度2.98 m，8#煤层平均厚度3.33 m。我国煤矿通风按照通风方式分为矿井通风以及工作面通风。矿井通风具体分为两翼对角式、中央并列式、分区式、混合式；工作面通风具体分为U型通风、Y型通风、W型通风、H型通风。该矿井通风方式主要是中央并列式，工作面通风方式主要是U型通风方式。该通风方式势必会导致上隅角瓦斯聚集以及采空区漏风的增加。另外，目前井下测风的监测参数主要是通过通风员利用机械风表和秒表进行人工采集，最后将测量的数据带到井上进行汇总分析。该方法存在较大的误差，且存在分析滞后的问题，而且有的巷道环境相当恶劣，存在较大的风险。因此，利用智能通风系统不仅可以保证通风系统实时监测的准确性，还能有效降低通风技术人员的劳动量。

本文设计的智能通风系统由三个模块组成，包括矿井实时监测模块、数据处理及智能决策模块、远程控制模块。通过实时监测系统监测通风网络中瓦斯浓度、风速、风压、温度等数据，将采集到的数据按照预设的解算方法及解算时间间隔进行处理分析，利用PLC进行通风设施的远程控制，最终实现智能化通风系统[1-5]。

1 实时监测系统与远程控制

煤矿井下环境恶劣，为了保证系统能够在高尘、高湿的环境下正常工作，选取PLC系统作为实时监测与远程控制的核心。监控系统主要由数据采集/AD转换模块、数据分析与智能决策、远程控制模块组成，其工作原理如图1。传感器将采集到的风压、风速、瓦斯浓度等环境信息通过A/D转换模块转换成数字量之后通过EM235模块传送给PLC，再通过RS485模块传送至上位机中进行数据分析处理。如果有需求可以向下位机发送指令，由调控执行模块进行控制。控制过程一般采用PID和模糊控制算法，通过对传感器采集到的巷道内瓦斯浓度进行动态响应，来调节通风设施控制瓦斯浓度在允许范围内。

图1 实时监控系统工作原理

煤矿井下巷道结构复杂，风门除了具备远程控制功能外，还需要有能够检测到行人或矿车自动开闭的功能，以及在特殊情况下手动操作控制风门打开的功能。在需要调节风门以及风窗开度的时候，地面人员在上位机中输入风门风窗打开的角度，同时利用摄像机监测系统确定该风门暂无人员或者矿车通过时，远程控制风门风窗达到预设的角度[6-8]。在正常情况下，风门可以自动运行，传感器检测到行人或者矿车时可以自动开启；当井下停电时可以通过井下人员手动开启；在紧急情况下，可以通过远程控制开启。远程控制自动风门风窗示意图如图2、图3。

图2 远程控制自动风门示意图

图3 远程控制自动调节风窗示意图

地面上位机监测程序使用西门子WinCC组态软件进行组态，上位机具有数据显示功能、风门开启角度设置以及一键自动调节等功能。在进行操作时，首先使用账号密码登陆该系统，然后输入风门需要开启的角度，点击一键调节按钮即可实现远程控制风门开启角度的自动调节。在井下发生紧急状况时，通过观看风门的视频监测画面确认没有人员和设备时，可以实现风门的紧急关闭，在紧急状况解除时风门恢复正常状态。

2 智能决策

2.1 通风网络动态计算模型

对于通风节点而言，流入风量与流出风量的代数和为零。对于回路而言，通风网络中任意回路或者网孔中的风流应遵守能量守恒定律。用方程表示为：

式中：hj为回路中分支j的通风阻力；pj为回路中分支j的通风动力，包括自然及机械风压。

基于该原理，可以将非稳定状态下的巷道风流看作一维流体，根据回路风压平衡定律，可得到巷道i的空气流动方程为：

式中：ρi为巷道i内空气密度，kg/m3；Li为巷道i的长度，m；vi为巷道i内的风速，m/s；Hi为巷道i的通风阻力，Pa；Ri为巷道i的摩擦风阻，N·s2/m8；Qi为巷道i的风量，m3/s；g为重力加速度，9.8 m/s2；Zi为巷道i两侧高度差，m；hfi为巷道i内通风机压力，m。

令巷道i的惯性系数Ki=ρiLi/Ai，其中Ai为巷道i断面面积，得出一维流体动量方程：

假设在Δt时间内，巷道i的风量变化是均匀的，Q0i为巷道i初始时刻风量，则（dQi）/dt=（Qi-Q0i）/Δt，代入式（3），根据回路风压平衡定律，可得非稳态条件下的回路风量修正值：

2.2 矿井通风智能决策主要模块

2.2.1 拓扑分析模块

在通风系统建模完成后，需要对通风网络图的分支、节点等拓扑关系进行检查与分析，主要包括连通性分析、进回风井分析、通路分析等。必要的拓扑分析与修正是网络解算成功的必要条件。

（1）连通性分析。连通性分析用于判断通风系统图是否连接，以便进行后续的网络解算、网络优化调节。利用遍历分支算法将关联节点加入到节点连通块中，如果最终仅剩下唯一的节点连通块则此通风系统图为连通状态。

（2）进回风井分析。进、回风井分析用于查找通风系统网络中的进、回风口，以便在网络解算中对进、回风口分支之间添加相应的虚拟分支以构造风量平衡、压力平衡的回路。进回风井分析有着十分重要的工程意义。

（3）通路分析。通路分析目的是寻找通风网络的所有通路，对于通风系统中最大阻力路径及优化调节有着重要意义，常用的算法为深度优先搜索法。

2.2.2 数据检查模块

矿井下分支众多，巷道环境复杂，需要记录的数据类型众多，一条巷道就需要记录巷道长度、断面面积、支护类型、风速、风压等数据。在记录过程中需要对各种类型的数据进行检查，防止丢失某些关键数据导致后续模拟计算无法进行。

2.2.3 数据分析模块

数据分析模块主要用于最大阻力路线分析。最大阻力路线是通风网络中从进风井至回风井的一条不含有构筑物的基准路径。在通风系统优化时，如果某地供风量不足，需要利用最大阻力路径计算其他路径与最大阻力路径的不平衡阻力值，在其他路径增加阻力来使得该地点需风量达到要求。

3 应用

2018年6月在西山煤电屯兰矿13307工作面进行测试，将试验监测气体改为CO2，当监测到试验气体浓度超限时，需要启动相应的通风设施包括主通风机、风门、风窗以控制监测气体达到正常浓度范围内。试验包括四扇风门、四扇风窗以及矿井主通风机，其中风门风窗的开闭状态用布尔类型表示，1为全开，0为全闭。13307工作面气体试验结果见表1。在气体慢速释放条件下，开启1扇风门、2扇风窗，主通风机频率在30 Hz即可在124 s将试验气体浓度稀释到1924×10-6；在快速条件下，需要提升主通风机频率为60 Hz，可以在236 s将气体浓度稀释到1963×10-6。

表1 13307采煤工作面CO2气体测试结果

4 结论

针对屯兰矿内通风系统分散度高，难以实现对各通风单位运行情况进行自动监测的问题，结合该矿的实际情况，将一通三防系统与实时监控系统结合，构建智能化通风系统，实现通风网络实时在线监测、通风数据智能决策、通风设施远程控制等功能，有效提升了通风系统的智能化程度，不仅可以减少通风人员的作业强度而且还可以实现对于风量的智能调节。经过在该矿13307工作面进行气体释放测试试验也验证了该智能通风系统的可行性。