基于智慧矿山体系下的煤矿智能化通风系统的构建与应用

王锦鹏

(柳林县安全生产应急救援指挥中心,山西 柳林 033300)

煤矿通风系统作为煤矿井下重要保障系统其主要功能是向井下输送空气,以保障工人呼吸所需。有效控制矿井中的风流,稀释和排出煤矿开采过程中的各种有毒有害气体、粉尘等,防止事故发生,是井下工作人员提供安全的通风作业环境的必要条件。随着5G通信网络技术的出现与发展,物联网技术不断更新迭代。基于“智慧矿山”体系去构建智能化通风系统,将先进的物联网技术、数字化技术、智能化技术应用到煤矿通风系统中,正在逐步成为现实[1-3]。

1 现代化煤矿对智能化通风系统的需求

1.1 行业变革使煤矿智能化成为刚需

“机械化减人、自动化换人”和煤矿绿色、安全、高效生产的发展趋势,以及5G通信网络技术更新推动了煤矿智能化建设。山西省政府多部门联合出台《山西省煤矿智能化建设实施意见》明确了要从2020年到2022年推动10座智能化示范煤矿和50个智能化综采示范工作面建设,并制定了规范化标准,同时对智能化子系统做出明确规范要求。煤矿实现智能化已成为必然,煤矿通风系统作为煤矿的重要组成部分也将加入这一趋势[4]。

1.2 煤矿自身发展的需要

我国传统中小型煤矿采用的是传统的高压直启和简单的在线监测组合的控制方式。矿井主要设置风门、风窗来实现为工作面配风。井下通风系统监测基站多布置在井底车场附近,设备启动在井下就地操作,用配电柜来控制设备的启停,系统的在线监测由简单的几个传感器组成。回采工作面是采用“U”型通风方式,这种通风系统自动化水平较低,控制模式原始且简单,存在严重的安全隐患,已经不能适应新时期煤矿发展的需求。而很多大型煤矿采用的是在传统的高压直启模式上增加在线监测和PLC后台组合控制。系统可以通过PLC实现计算机控制及远程操作,可采集设备启停开关量及在线运行模拟量数据,并能将设备数据上传调度中心,但此系统的弊端在于在井下情况发生改变且超出计算机可控参数范围时,必须人工调整风量控制模块的计算机控制程序才能实现风量输送调整,不能满足煤矿无人化、自适应调风、智能化控制需求。

2 基于智慧矿山体系下的煤矿智能化通风系统

煤矿智慧矿山是将物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、工业互联网、机器人装备等技术深度融合,形成矿山全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的完整智能系统,实现矿井采掘、运输、生产等智能化运行[5-6]。智慧矿山的“大脑”是中央管控中心,煤矿智能化通风系统作为智慧矿山的子系统之一,必须保证子系统与主系统的兼容性,以及各系统和技术相互衔接与融合。一个完整的智慧矿山系统如图1所示,包括了智能采掘系统、智能地质勘测系统、智能主辅运输系统、智能综合安全保障系统(包含智能通风系统、智能排水系统、智能供电系统)。其中智能化通风系统是属于煤矿井下智能综合安全保障系统的子系统之一,需要与主系统联网,实时传输与共享数据。因此，要确保主系统在调配各系统资源设备运行时,能够充分利用和参考通风系统的参数,实现煤矿井下各子系统资源的高效协同利用。

图1 智慧矿山体系架构图

3 煤矿智能化通风系统的构建与应用

近年来,煤矿纷纷进行通风系统技术升级改造,如在山西、山东、陕西等大型高瓦斯煤矿矿井,采用了新型PLC控制系统和在线监测组合方式,硬件系统采用软件远程启动控制,以专用通讯方式与PLC和控制部分上位机相连,实现了控制、拖动、在线监测一体化。通过采集模块获得现场数据,包括供电系统数据、设备运行监测数据、通风工艺数据等,并将所有数据传输给控制系统PLC和上位机,系统集成化程度高,使整个系统有机融合,无缝衔接。这种控制方式属于现有煤矿自动化最为先进的控制方式之一,系统的自动化程度高,控制量与在线监测量多,其在技术装备、软件系统、人员素质等基础条件上,为构建煤矿智能化通风系统奠定了坚实的基础。

在智慧矿山体系下构建煤矿智能化通风系统,主要包括(如图2所示)高速网络传输系统、智能分析与调控系统、高精准感知技术装备系统、风网监测与隐患辨识预警系统等4大核心应用系统。

图2 煤矿智能化通风系统架构图

3.1 高速网络传输系统

传统网络传输系统,在实际控制中从发出指令到设备调整具有较长延时,往往在延时的几秒钟,事故已发生,因此智能化煤矿需要提供远程超低延时控制，以实现地面井下的低延时或无延时通讯,快速得出最新实时需风量,迅速完成对用风量和用风点的提前计算和调控。5G网络的出现,与高速光纤环网及其延伸矿用设备的出现使网络实时传输成为可能,能够实现低延时甚至无延时传输数据信号。例如，山西塔山煤矿,在煤矿建设5G通信基站,利用矿用通信电缆组成矿井光纤子网络,与煤矿人员定位网络交换机跨级连接,借助人员定位环网,同时配合使用井下高精度传感器,可以实时传输给地面智能管控工作台。

3.2 智能分析与调控系统

传统计算机程序与人工智能的区别在于,传统计算机程序是按设定的数学模型及输入参数得出相应结果,但井下环境是复杂多变的,一旦出现非常规问题,例如非标准形式输入的异常参数,计算机会输出“错误”报警,无法生成其程序控制以外的应急情况的指令。人工智能因其强大的自我学习能力,在面临突发情况和非常规问题时,系统可以像人一样学习进步,通过对数据的分析，做出最正确的应急处置决策。智能分析与调控系统是智能化通风系统的大脑,目前已有中煤科工集团重庆研究院、中国矿业大学、华北科技学院等多家科研院所参与研发,可对煤矿通风系统各种问题和常规通风系统任务进行分析处理,并对通风命令加以优化。例如，当监测数据偏离预设风量时,修正模块进行调整;当监测数据提示风量不符合实际需要时,应用风网计算软件进行计算,重新调整巷道预设风量值,并启动调风。对井下不同开采煤层、开采区域、采掘工作面之间风量合理调配,以保障极限风量条件下的产量安全、合理调控。

3.3 高精准感知技术与装备系统

高精准感知技术与装备系统是实现通风系统智能化的载体。目前，中煤科工集团重庆研究院在装备技术上较为领先，并为陕煤化工集团黄陵矿业安装了该系统。其智能化通风系统安装有传感器装备，运用物联网技术可将传感器链接至控制中心网络组中以实现传感器数据的实时传输。同时，采用高灵敏度电容式大气压力测量元件以实现压差、温度、湿度参数同步精测；利用自动化通风装置、高精度风速传感器以及智能化安全监控机器人实现数据的精准获取。此外，该系统具有风阻类比数据库和通风参数自校准功能，有通风二维、三维一体化及有毒气体全时域动态分析功能。该系统在陕煤化工集团黄陵矿的监测准确率可达到95%。

3.4 风网监测与隐患辨识预警系统

风网监测与隐患辨识预警系统所具有的功能主要在于利用静、动态通风参数，通过通风网络动态分析，达到对所有巷道通风参数实时监测。并且实现与地测、采掘、运输、监控等系统联动运行，可绘制通风网络系统图和通风系统立体示意图。该系统可以通过对风机选型与调节、自然分风、按需分风等数据的分析运算得到矿方所需要的巷道通风系统最优设计与改造方案、风量最优调节与控制计划、风网及风机的最优管理、通风系统故障的最准确诊断等一系列最优解，并可无缝对接瓦斯监测系统。该系统可通过大数据分析井下实时动态监测数据(这些数据包括串风通风、风速超限、风流短路或断路、循环风等)对安全隐患进行自动识别，当安全隐患出现时该系统可自动报警。

3.5 智慧矿山体系下构建智能化通风系统

以山西焦煤集团马兰矿为例。马兰矿是高瓦斯矿井,采用智能通风与实施监测控制系统后,井上控制室能够实时监控马兰矿18506工作面的回风量。其智慧矿山中央管控中心将井下瓦斯监测系统与控制中心实时联网,实现跨系统实时联动。马兰矿将工业环网升级改造,井下铺设5G专网,建成了井下高速网络传输系统,井下情况实现实时传输,井下参数可实时上传至地面2D桌面系统上,形成可视化动态图显,矿井瓦斯抽采过程实现可视化动态管理。在智能分析与调控系统方面,计算机软硬件系统整体升级,导入智能AI大数据库和自适应调控模块,运用大数据AI分析技术,对煤矿井下通风风量需求进行超前预判，对事故隐患精准预警。马兰矿在高精准感知技术装备上,使用智能无人化“智能巡检机器人”,具有自动避障和人机对话功能,24 h无人化不间断巡视,对巡检范围的瓦斯浓度、氧气含量等采集、分析,检测到异常情况立即报警、控制停机,极大地减少了人力投入。马兰矿通过通风智能化建设,实现了减人提效,减少了事故隐患,避免了煤矿通风事故造成的灾害,提高了企业的经济效益,成为山西智能化工作面建设的示范煤矿。

4 结论

在智慧矿山体系下构建智能化通风系统，将为煤矿带来更多、更长远的利益。在智慧矿山整体框架下构建的智能化通风系统,会具有更强的系统和数据兼容性,更有利于煤矿的智能化整体升级改造,减少煤矿企业重复建立系统的资金投入。智能化通风系统能够实现24 h不间断实时在线监控与智能调控,极大提高通风系统的工作效率。其次,智能通风系统的建成也将会减少人员值班,实现井下减人,降低了煤矿安全事故的危害,从而更好地为煤矿提高经济效益。