礦井通風系統智能化改造及其應用

鐘 彬，張小剛，王 磊，王耀強

1國電建投內蒙古能源有限公司 內蒙古鄂爾多斯 017209

2煤科通安 (北京) 智控科技有限公司 北京 100013

3煤炭科學技術研究院有限公司礦山智能通風事業部 北京 100013

4北京市煤礦安全工程技術研究中心 北京 100013

隨著智能化礦山建設與 5G 技術的廣泛應用，在現代化礦井提升機械化水平的基礎上，煤礦正朝向自動化和智能化方向不斷發展[1-2]。煤礦安全生產的前提條件是必須具備可靠穩定的通風系統，包括完善的通風設計、通風方式、大功率通風機及通風路線等。相較于傳統通風方式，現在的通風系統多采用人工定點測風站檢測，通過構筑通風設施 (如風門、風障、風橋等) 進行風量調節和風路改造。隨著礦井開采規模增加和通風路線增長，依靠人工方式測風已經不能滿足對特殊地點長時間、連續測風作業的需求，尤其是具有有毒有害氣體的地點，人員無法及時進行風量、風流檢測?；诖?，建設高度自動化的智能通風監測系統具有重要的現實意義。

1 智能通風系統技術架構

智能通風系統主要運用信息集成技術實時采集礦井各作業地點的通風參數，自動計算網絡動態和區域風阻，實現通風系統風險辨識與隱患排查、多維一體化動圖屏顯、關聯報警和聯動控制等，最終實現通過網絡控制技術對礦井通風系統進行智能化自主調配，在具體應用中達到智能預警、快速調風、高效避險、控風減災的效果[3]。

結合某礦通風系統現狀，與智能通風系統新技術進行平臺融合，打造無人化測風、自動調風、區域智能反風、火災預警防控等功能的智能化技術體系。投入使用后，該體系可逐漸消除礦井測風盲區，替代人工監測盲巷和高濃度有毒有害氣體區域，進行煤層自燃和有發火周期的采掘作業地點風量、風壓監測，針對礦井火災可形成快速預警和反風控制機制，最大限度降低災害損失。智能通風監測系統主要由自主感知模塊、決策預警模塊和多元數控平臺等不同功能模塊融合組成。

1.1 自主感知模塊

通過分析全礦井的通風網絡系統，在主要供回風地點安裝風量、風壓傳感器，實時監測所有巷道的基本動態通風參數，確保無人狀態下所有數據的真實性和準確性。長時間連續監測，便于通過大數據比對發現通風網絡中的弱點和隱患風險，與礦井現有監測監控系統連接，完成通風系統的瞬時動態模擬捕捉與監控。

1.2 決策預警模塊

在網絡大數據技術基礎上快速構建礦井通風系統模型，對通風網絡中各個節點的風量、風壓等參數實時采集測算。通過各類型傳感器監測 CO、CH4等氣體濃度，構建礦井采掘地點和井筒、大巷等多維動態圖。將現場實際安裝的監測傳感器與對應傳感器采集回傳數據相連接，當超過設定上限指標時，系統自動報警，形成快速反應處置機制，以便通風系統自動切換、調節風流方向，優化風險地點的供風量，實現自動化控制[4]。

1.3 多元數控平臺

利用較成熟的 GIS 技術搭建礦井通風系統網格模擬平臺。結合多元耦合技術、冗余分析技術等先進技術手段，對各點自動采集通風參數信息快速計算解析，形成高效靈敏分析機制。依托礦井局域網絡，形成智能通風裝備與技術的互通升級。在原有監測監控各類傳感器、采集器等設備基礎上，將束管監測系統、光纖測溫系統、預警管控系統、局部風機智能調控系統、工作面應急反風系統等子系統一同并入多元數控平臺，形成多個系統集中監控調度的綜合化應用平臺，提高監控利用率。

2 智能通風系統功能分析

2.1 智能優化風速采集技術

由于井下各點巷道過風斷面大小不一、巷道表面平整度造成的風阻大小不一等客觀現象，導致風速監測時常出現精度誤差[5]。因此，通過改變布點方式，采取階梯網格方式實現密集布點，將原有斷面進行切割細分，然后分析斷面內的風流風速分布規律，從而得出相對準確的平均風速在斷面內的實際位置。經過優化后，將風速傳感器進行定點安裝，以此提升風速采集的準確性。階梯網格方式分析風速分布規律如圖1 所示，矩形斷面實測風速分布如圖2 所示。

圖1 階梯網格方式分析風速分布規律Fig.1 Analyzing wind speed distribution by using a stepwise grid method

圖2 矩形斷面實測風速分布Fig.2 Distribution of measured wind speed in rectangular section

2.2 傳感器布局優化

為監測礦井通風系統是否正常穩定運行，需要在各個采掘工作面安裝風速、風壓傳感器，秉持安裝設備少、監控范圍廣的原則，最大限度滿足裝備多用的目的。通過分析風流路線、通風方式、斷面形狀和面積、供風目的等，將風壓傳感器 (FY) 和風速傳感器 (FS) 按照圖3 所示路線進行布置，發揮測點最大功能。

圖3 不同通風路線的傳感器布置方式Fig.3 Sensor layouts with different ventilation routes

針對井下各地點作業內容與通風不同方式，尤其是在繞道車場、分支岔路巷道和聯絡巷等地點，需要安裝傳感器進行監測。此外，在 Y 形和 U 形通風方式的采煤工作面回風流側也容易出現風流不穩定現象；在主要運輸大巷、掘進工作面設置有調節風窗的風門前后，由于運輸需要經常開啟風門，容易導致風流擾動影響較大，產生局部風速、風壓變化。這些地點均需要安裝傳感器加強監測。

2.3 智能決策與控制功能

在構建智能通風監測系統前，通過對礦井所有巷道進行通風參數和有害氣體實測采集，根據監測內容分類與功能需要，可在預警系統中預先設定安全指標的上限預警值。當監測數據超過預警指標時，按照自動化控制指令進行程序化操作，分級下達諸如自動反風、開閉風門、調整調節風窗扇葉角度、火災信息監控報警等智能化操作，實現危險作業地點自動、無人化監管。

3 智能通風系統技術應用

3.1 工程概況

某礦核定生產能力為 150 萬 t/a，屬于高瓦斯礦井。水文地質條件中等，井田范圍內呈單一向斜構造，延伸方向為北向西，煤層整體為近水平，賦存傾角為 3°～4°，屬多煤層開采方式。自上而下可采煤層為 1-2 上煤組、1-2 煤組、2-2 煤組、2-3 煤組、3-1 煤組和 4-2 煤組。其中 3-1 煤組和 4-2 煤組為全井田范圍可采煤層，賦存穩定，煤層厚度為 3.7～6.8 m，平均煤厚 5.2 m；1-2 上煤組、1-2 煤組、2-2 煤組、2-3 煤組僅一采區和三采區可采，煤層賦存不穩定，平均煤厚 2.9 m。礦井采用一采一備布置方式，共 5 條掘進巷道。工作面煤層自下而上逐層開采煤層群，形成下保護層工作面。通風方式為中央并列抽出式，其中主副斜井為供風巷道，回風斜井為主要回風巷道。地面風機廣場安裝有 FBCDZ-8No30/2×630型對旋軸流通風機 2 臺，可提供 140～286 m3/s 的額定風量，一用一備，接入雙回路雙電源供電。目前，經過通風阻力測定和實際風量核定，礦井擁有 8 321 m3/min 的總進風量和 8 413 m3/min 的總回風量，風機負壓為 1 830 Pa。

3.2 升級需求

為打造智能化礦山和高產高效礦井，需對現有通風系統和監測監控系統進行升級改造。結合礦井現有條件，需要解決如下問題：①依靠人工監測方式效率低下，實測數據精度低，無法實現通風參數動態變化條件下的連續觀測，反饋信息不及時，統計分析周期較長，不能滿足數據參數的可視化工作要求；②無法有效掌握全流程、全網絡各地點路線的通風系統情況，存在監控盲區和漏檢區域，尤其是安裝有局部通風機的地區，可能存在串聯通風和局部渦流循環風等現象，具有較高安全隱患；③通防部門技術管理人員無法準確掌握全部井下通風網絡的準確數據，在制定調風優化方案時考慮不全面，存在計劃失真，通風線路不合理，盲巷和通風阻力較大，影響系統優化調整，甚至有些巷道不能按照生產需求進行合理調配風量，造成瓦斯積聚和風量不足現象；④ 在供配電硐室和車場配電點等安裝有多組機電設備的區域，需要安排專職瓦檢員或者以定點巡查方式進行瓦斯監測，既浪費人力，也無法確保在發生機電設備過載、短路引起火災等災變時，瓦檢人員能夠快速調度抵達現場；⑤ 當需要對配風地點進行調風時，仍需人工調整調節風窗和過風斷面，無法實現自動調節。

3.3 設計方案優化

結合礦井現有通風條件和系統優化需求，制定改進方案。

3.3.1 采煤工作面優化方案

以213107 工作面為例，分別在 213106 輔運巷安裝 2 道風門，213107 膠帶巷安裝 1 道風門，在 213107輔運巷及?；馗靼惭b 1 道風門。采煤工作面風流優化系統如圖4 所示。其中編號 1、3、4 為自吸風門；編號 2、5 為自調節風門。正常通風時，打開 2、3、4 等風門，形成 U 形全負壓通風，關閉 1、5 風門形成閉合回路；發生災變需要反風時，則打開關閉的 1、5風門，形成風向逆流，由 1 號風門進風，5 號風門回風，其余 2、3、4 號風門關閉，可實現反風效果。

圖4 采煤工作面風流優化系統Fig.4 Air flow optimization system of coal mining face

3.3.2 開拓大巷災變條件下優化方案

當開拓大巷某一地點發生火災等事故時，由于明火存在火風壓，在自然通風條件下，明火與有毒有害氣體會隨風流向下游區域蔓延。為準確監測災變后的氣體特征，需要安裝煙霧和 CO 報警傳感器。當監測氣樣指標超限時，系統自動打開膠回聯巷處的 2 道風門，實現局部巷道的風流短路，改變供風方向，切斷向下游蔓延的氣體擴散通道，從而達到保護下風側作業人員生命安全的效果。風流短路調控路線如圖5所示。

圖5 風流短路調控路線Fig.5 Control route for short circuit of air flow

3.3.3 掘進工作面優化方案

在掘進工作面新鮮風流進風側安裝有 2 臺變頻軸流式局部通風機，在巷道風門里正頭、?；乜诎惭b有甲烷傳感器。對風筒安裝風壓傳感器，結合掘進期間實際瓦斯涌出量和濃度指標，系統自行計算供風量是否滿足風排瓦斯需求，通過變頻實現風量調節。掘進工作面優化布置如圖6 所示。

圖6 掘進工作面優化布置Fig.6 Optimal layout of excavation face

3.4 構建智能通風系統

經過分析礦井通風能力與現狀，針對現有通風條件與優化升級要求，構建智能化通風系統平臺。

(1) 經過對礦井各巷道坐標參數進行采集，建立數字化礦井模型，更加直觀展現通風網絡的多維動態系統；經過對巷道主要測站安裝傳感器，實時監測采集通風數據，將鼠標點擊在巷道模型任一點上進行多角度旋轉觀測，屏幕上會自動出現對應地點傳感器的所有回傳信息，如傳感器編號、運行狀態、是否報警、安裝位置名稱、監測風速指標、最大預警指標和甲烷、一氧化碳等氣體濃度，可供管理技術人員進行綜合分析評價，實現礦井通風的可視化、數字化管理。巷道數字化模型效果如圖7 所示。

圖7 巷道數字化模型效果Fig.7 Effect of digitization model of roadway

(2) 通風設施風門自動調控。通過在配電點安裝視頻攝像裝置監控風門開閉狀態，聯網并入多元遠程控制系統，在屏幕上可顯示風門狀態、安裝位置、局部通風機變頻功率、風速、風量以及風門異常開啟持續時長等參數。當通風網絡異常，需要立即作出調控時，可通過風門調節遠程自控系統改變風門的開閉狀態；同時實時監測過風門風量變化參數，滿足調控要求后自動停止風門移動。風門調節遠程自控系統顯示界面如圖8 所示。

圖8 風門調節遠程自控系統顯示界面Fig.8 Display interface of remote automatic control system for air door adjustment

(3) 為提升防災抗災應急能力，系統開發了火災氣體異常監測報警系統，作為子系統可并入多元數控平臺，與智能通風模塊、監測監控模塊、束管監測模塊和風機檢測模塊等功能模塊一起使用。其主要監測內容包括主通風機供風量、壓差，各采掘地點的供、回風量數據，束管監測到的 CO、CO2指標、傳感器監測的 CH4指標，各地點異常高溫的火災響應預警級別等。通過對相關信息進行系統性綜合分析，得出科學災害評估結論，利用實時反饋信息，制定合理應急救援方案。多元數控平臺和監控如圖9 所示。

圖9 多元數控平臺和監控Fig.9 Multi-component CNC platform and monitoring

4 結語

通過對礦井現有通風系統現狀進行評估，指出存在人工監測工效低、持續時間短、易產生巡檢盲區、有漏檢可能等弊端，體現出對通風系統升級改造的迫切性需求。對智能通風監測系統主要功能和技術特點進行分析，結合礦井自身現有條件，針對采煤工作面、掘進工作面和易發生災變的開拓大巷等地點制定優化調風方案，提高通風系統的穩定性和可靠性。通過優化升級后的智能化通風監測系統投入運行，礦井在生產期間能夠更直觀分析調整各地點需風量，有利于礦井通風安全和高效調度，有效避免了火災等事故發生，為實現礦井高產高效和本質安全奠定了基礎。