察哈素煤矿通风系统智能化改造方案研究

芮国相

(国电建投内蒙古能源有限公司,内蒙古 鄂尔多斯 017209)

0 引言

改革开放以来，我国煤炭行业经历了几十年的高速发展，在生产理念、技术装备和开采能力等方面形成了巨大的突破。信息技术和装备的高速发展使智能化建设成为我国煤矿发展的重要趋势。以科技水平的提升助力生产工艺的改进是现代化矿山建设的必由之路[1]。安全监管总局确定的“机械化换人，自动化减人，智能化无人”的发展目标为智慧矿山的建设指明了方向[2-3]。

智慧矿山建设是将集合煤炭各个生产系统于一体，并将其数字化、信息化、自动化和智能化[4-5]。矿山的智慧化建设包含基础平台的设计与应用、矿山安全与智能采矿的设计、煤矿安全避险六大系统的智能化升级改造等方面[6]，所涉及的核心技术包括生产系统的数据采集、开采装备群的智能协同控制、系统运行健康状态诊断与维护等。如何将物联网、云计算、大数据、人工智能等技术深度地与矿山生产系统的深度融合是开展智慧矿山建设的关键[7]。目前，我国仍处于煤矿智能化发展的初级阶段，智能化系统的架构及软硬件实施方案是现阶段需要解决的主要问题。

矿井通风系统是矿井安全生产的核心环节，智能通风系统构建是智慧矿山体系中的重要组成部分。通风系统的智能化是将信息处理技术和控制技术融入通风系统中，实现按需供风，在异常和灾变条件下资助决策和调控[8-9]。察哈素煤矿结合生产实际和现有设备水平，针对通风系统的智能化改造开展了技术攻关和方案设计。

1 智能通风系统总体架构

智能通风系统可与智慧矿山深度融合，可实现通风信息监测感知、通风隐患自动判识、通风安全动态预测、通风调控智能决策和通风设备协同自动控制等功能。察哈素煤矿已建立了较为可靠的通风系统，但未实现智能化控制，存在的问题包括矿井风量监测数量少、精度不足，井下风门和风窗等通风设施无法远程控制；安全监控系统无主动分析和预警功能；风量分配、风网解算采用人工手段，效率低、准确性差；通风图纸不能实时自动生成等。

基于三维透明煤矿综合分析系统，以矿井井巷、硐室、设备等信息为基础，建立矿井通风三维模型和三维可视化平台，实现通风分析与决策的智能化。采用超声波、遥测感应等技术对所有通风地点风速、压力、温度、相对湿度等参数实时动态精确测定，当监测数据的变化幅度超出预设范围时，调度中心自动进行语音报警，向矿井通风智能决策管控平台发送报警地点、原因等基本信息。最终实现“信息监测—状态识别—风网解算—通风优化—远程控制—信息监测”的矿井通风高度自动化的闭环调控，实现矿井通风的智能化。

2 通风系统主要设备的智能化

2.1 主通风机

察哈素煤矿的主通风机为GAF33.5-19-1FC矿用轴流式通风机，1台工作，1台备用。为实现主通风机的智能化，本方案选用了以西门子系列PLC作为控制核心的风机性能在线监测系统，可随时监测设备运行参数，进行实时监测、控制、报警及显示，实现一键启动、一键停止、一键复位等功能，如图1所示。

图1 主通风机PLC在线监测系统

实时在线监测可提前发现设备在运行过程中出现的故障，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(如图2所示)。

图2 通风系统故障诊断

智能控制系统可实现主要通风机远程开、停切换控制，并能同步完成主要通风机开启时附属闸门、插板门自动联锁的控制，如图3所示。通过设置监控分站、伺服电机等方式，实现风硐的闸板门远程控制。井下发生火灾时，智能决策反风方案，自动打开风井防爆门，控制风机翻转，并根据井下实际情况，自动调节电机频率，使反风量达到安全要求。

图3 主通风机的智能远程控制系统结构图

2.2 局部通风机

察哈素煤矿共配备5个掘进工作面，2个连采工作面的局部通风机型号为FBDNo6.3/2×30；3个综掘工作面局部通风机型号为FBDYNo6.7/2×37。在局部通风机吸风口、风筒出风口安设变频器和风速传感器如图4所示。

图4 局部风机变频器和风筒风速传感器

风机控制系统采用PLC通过Modbus通讯协议与变频器组成的控制系统与局部风机连接，实现对风机转速的实时调控。调控内容包括掘进工作面按需供风、自动排放瓦斯、主备风机自动切换和远程无人启动等。其中，当局部风机需要启动时，首先检查局部风机附近瓦斯浓度，如果浓度在允许范围内，可通过远程送电启动风机，如图5所示。

图5 局部通风机PLC智能调控系统

2.3 风门和风窗

根据智能通风系统建设需要，将已有风门和风窗升级为远程调节型。远程控制具有“自动”、“手动”、“远程”三种运行模式，各种模式可进行自主切换，且每组风门可单独设定工作模式，互不影响。通过安装于风门外侧的高清摄像仪，在远程控制平台内可随时查看风门的工作状态。

3 通风参数自动在线监测

矿井通风参数在线监测系统的实现将有助于实时掌握矿井通风系统参数情况，变人工定期测量为在线实时测量，数据自动获取，提高数据的准确性，减少测风人员数量，有利于提高矿井安全管理水平和自动化水平。

3.1 多参数大气压传感器

巷道的阻力监测，需要对应通风巷道的始末节点分别采集对应的风速、绝对压力、温度和湿度，必需配置多参数大气压传感器。通风阻力测量可以采用压差计法和气压计同步法，但压差计法需要现场安装取压管，存在取压困难、漏风、后期维护困难的问题。气压计同步法与在线监测系统相结合，可以实现全矿井的所有通风参数准同步测量，精度较高。气压计同步法对大气压传感器的精度提出了非常高的要求，服务于气压计同步法做通风精准测量，需要使用多参数大气压传感器。

3.2 超声波风速仪

矿井智能通风系统准确计算的前提是通风数据准确，矿井智能通风系统以采用大距离超声测风技术，以中线风速代表巷道平均风速，巷道风速测量的准确性和实时性明显得到了提高。超声波风速仪是采用时差超声测速原理，以两个超声波探头采集的风速信号为基础，利用主控板计算并得出具体风速，通过RS485信号方式直接或通过其它通信分站传输至地面，如图6所示。

图6 超声波风速仪

3.3 全断面精准测风装置

通过地面远程控制系统下发指令到地下控制装置，利用动力机构驱动精准测风传感器，在保持统一水平面上进行垂直运动，借助分站，通过环网将测量数据实时上传至软件平台，经计算得到实时风量。最终实现巷道全断面智能无人精准测风，全断面精准测风装置在巷道内的布设如图7所示。

3.4 通风阻力精准测定

借助超声波风速传感设备和矿用高精度气压计对大气压进行监测，同时测量出各条巷道的断面尺寸、风量、风阻、摩擦阻力系数等数据及矿井通风设施的通风阻力数据，计算得出通风设施风阻，进行误差校验。最终实现矿井通风参数的精准把控，为通风网络模型构建、通风解算、井下调风、系统优化等提供真实可靠的基础数据支撑。在关键井巷测风站布置多点测风装置，即可组成全自动高效测风系统，5 min内完成全矿井自动测风，自动计算测风结果，自动生成测风报表，自动完成测风数据上图；提高测风精度，提高测风风量数据闭合性；降低测风员工作强度；缩短全面测风周期。

4 结论

(1) 本研究以察哈素煤矿通风系统的智能化架构为目标，针对矿井主通风机、局部风机、风门、风窗等主要通风装置的改造升级和实时在线平台的搭建实现通风系统的智能化。

(2) 对矿井主通风机加装风机性能在线监测系统，实现在线监测监控，主要通风机远程开、停切换控制，并接入智能化通风系统。对于局部通风机，在吸风口、风筒出风口安设变频器和风速传感器，实现对局部风机转速实时调控。

(3) 构建了矿井通风参数在线监测系统，采用多参数大气压传感器、超声波风速仪、全断面精准测风装置实现通风阻力的精准测定，为通风网络模型构建、通风解算、井下调风、系统优化等提供真实可靠的基础数据支撑。