以实时监控系统为基础的矿井智能通风系统研究

刘廷方，魏 琦，雷 杰

（陕煤集团神木张家峁矿业有限公司，陕西 神木 719300）

引言

陕西某煤矿4号、5号煤层，经过分析发现该煤层属于Ⅰ类自燃煤层，其中4号、5号煤层平均厚度分别为3.88 m、5.95 m。通常情况下我国将煤矿的通风形式划分为：矿井通风、工作面通风两种方式。其中矿井通风可以细分为两翼对角形式、分区式、中央并列式、混合式。而对于工作面通风形式可以具体划分为U型通风、H型通风、Y型通风、W型通风。经过调查发现该矿井的通风形式以分区式为主，而工作面通风采用U型通风方式[1]。该形式的通风形式将引发上隅角瓦斯聚集、采空区漏风等风险。当前井下监测主要借助机械风表以及秒表，经过工作人员采集后将将其反映给井上工作人员，由于该方式具有较大的误差，从而给井下带来一定的安全隐患，为此可以开发智能通风系统。

1 实时监测系统与远程控制

由于井下工况条件复杂，为了能够更好地防止高尘、高湿的环境对机器的影响，为此选用PLC系统进行实时监测。该监测系统主要包含：数据采集/AD转换单元、数据分析与智能决策单元、远程控制单元，如图1所示。具体工作过程如下[2]：首先由传感器器采集风压、风速以及瓦斯行亮等，接着将信息传输给A/D转换单元，并且转化成数字信号传输给EM235单元，将该数据传输给PLC控制单元以及通过RS485单元输送给上位机进行处理。假如判断需要向下位机传输指令，那么将调用执行单元进行控制。其控制过程主要选用PID和模糊控制算法，依据巷道内瓦斯浓度进行动态响应控制，从而可以更好地控制空气中瓦斯的浓度。

对于风门而言，不仅能够实现远程控制，而且还能对行人以及矿车时实现自动开闭的功能，同时在特殊的情况下实现人工控制风门。在对风门开度进行调节时，通常由地面工作人员输入风门风窗打开的角度，与此同时风门位置的监测装置可以判断是否存在人员或者矿车，当处于正常的情况下，风门能够自动运行。当处于断电的情况下，可以由人工进行调节。而当在特殊情况下，可以由远程控制开启，图2、下页图3分别为远程自动风门、风窗示意图。

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

对于地面上位机监测程序而言，选用西门子WinCC组态软件进行组态。其中上位机具有显示数据、风门开启角度设置功能、一键自动调节等功能。具体操作如下：首先由工作人员录入账号以及密码。然后录入风门需要开启的角度，接着点击一键调节按钮，那么系统将会自动调节风门自动控制角度。假如井下发生了紧急情况时，那么首先观察风门位置是否存在工作人员以及设备，从而能够紧急关闭风门。

2 智能模块设计

2.1 拓扑分析模块

当完成通风系统建模后，必须检查通风网络的分支、节点等拓扑关系。其中拓扑关系主要涉及有连通性分析、进回风井分析、通路分析等。

1）连通性分析。主要对通风系统图连接情况进行分析，这样可以更好地进行网络解析以及优化调节。通常可以借助遍历分析算法将关联节点加人到节点连通块中。假如经过分析发现最终仅仅剩下唯一一个结点，那么该通风系统图处于连通状态。

2）进回风井分析。主要用来检测进回风口的网络情况。从而可以更好地分析进、回风口峰值的风压平衡情况。

3）通路分析。找到在通风网络中的所有通风情况，从而可以更好地调节通风系统中的阻力路径优化，通常选用深度优化检索法。

2.2 数据检查模块

由于矿井下面分支非常多，因此记录的数据类型相对较多，往往一条巷道需要记录巷道长度、断面面积、支护类型、风压与风速等数据。因此，需要对数据分析归类检查，同时需要防止出现数据丢失的现象。

2.3 数据分析模块

数据分析单元主要从最大阻力路径方面进行分析。其中最大阻力路线是指在通风网络中，从进风口到回风口的路线上不含有建筑的基准路线。通风系统优化的过程中，假如供风量不达标，往往可以借助最大阻力路径进行计算并得出与其他最大阻力路径的不平衡阻力值。

3 应用效果分析

在对该矿15211工作面进行测试发现，其中测试监测的气体为二氧化碳，假如发现二氧化碳的浓度超标时，那么系统将会启动通风设置主要包括主通风机、风门、风窗等，一直持续到气体浓度达标位为止。在进行实验的过程中包含四个风门，四个风窗以及相应的主通风机。其中，以1、0为风门风窗的开启情况（1表示全开，0表示全闭）。表1表示相应的15211工作面气体试验结果。假如气体处于慢速释放的过程中，这时可以启动1扇风门、2扇风窗，而相应的主通风机设定为30 Hz。

表1 15211采煤机工作面CO2气体测试结果