煤矿井下智能通风系统的设计及应用

煤矿井下智能通风系统的设计及应用

孙宁

陕西煤业化工集团孙家岔龙华矿业有限公司    陕西 神木 719300

摘要：随着矿井深度和范围的逐渐扩大，矿井的通风环境参数也在不断的变化，通风参数实时监测显得尤为重要。通过对通风参数进行实时采集，系统的管理员可以有效地针对系统中存在的安全问题采取及时、有效的措施，从而大大减小了各种事故同时发生的可能性。在煤矿作业中，智能通风技术包括通风环境参数实时监测和通风系统智能决策，根据实际监测的数据进行风网解算、通风网络故障诊断和按需供风。具体而言，智能通风系统包含信号、传感器、智能决策等系统模块。

关键词：煤矿井下；智能通风系统；设计；应用

引言

智慧矿山已经成为行业发展的共识。在国家政策的支持下，建设多种类型和模式的智能示范矿井已成为煤炭企业的新目标。智能矿井建设是指采煤系统、掘进系统、机电系统、运输系统、通风系统、排水系统的智能化。煤矿智能化是我国煤炭工业高质量发展的核心技术支撑已成为行业广泛共识，这与技术发展、政策顶层设计及全行业协同推进密不可分。

1、概述

10年来，在“去产能”宏观调控的影响下，煤炭行业发生了翻天覆地的变化。不仅如此，随着我国“碳中和”和“二氧化碳排放峰值”发展目标的明确，煤炭行业的生产方式也逐渐从劳动密集型向创新驱动转变。其中，智能矿井和智能采煤已成为现代矿井建设的重要方向。智能矿山建设确定了以“全感知、深度互联、高度共享、智能服务、可视化展示”为基本特征的建设方向，通过大数据、云计算、物联网等技术实现矿山生产的智能决策。通风系统的智能化是智慧矿山建设中的重要组成部分，是矿井保障安全生产的基石，国内外众多学者对矿井智能通风系统的构建开展了研究。周福保[1]阐释了矿井智能通风系统定义、内涵以及原理和建设目标。基于现场总结技术，杨杰[2]提出了智能通风系统的设计方案。临矿集团、宜兴煤业、神东煤炭集团等国内矿山企业也针对智能通风系统的设备研发、系统构建、智能调控等内容开展了研究和探索。

2、煤矿井下智能通风系统设计

2.1、风量基础数据模型建立

通风环境参数监测主要包括风量、风速和风压，在这三个参数的测量过程中，风压参数的监测比较困难，容易受到外界因素的影响，因此测量结果存在较大的偏差。因此，在实际通风系统监测中，通常选择风量监测作为主要监测项目，通过风量监测数据最终计算风压值。在矿井智能通风监测系统中，风量是矿井通风系统的维护参数依据，采集数据的准确性直接影响系统运行的安全性。在传统矿井通风系统中，主要由巷道通风管理人员来完成风量数据的采集与汇总。此种方式完全依赖于员工，对员工的要求较为严格，其维护人员不仅要充分了解井下巷道的构造以及通风机的位置与布局，还需要进行复杂的风速、风量、断面、阻力的计算。智能通风风量基础数据模型，可以对井下风速、风量等参数进行实时监测，通过固定时间的巡检完成机器的维护和数据的采集，分析数据的波动规律，可以第一时间对异常数据进行分析处理，但此项工作难度较大，实施效果并不理想。

2.2、传感器设计系

在煤矿通风系统中，传感器主要由检测元件和发生器组成。利用信号发生器传输各种信号，时分和频分是信号传输的常用方式。对比两种传输方式，分频系统可以降低故障概率，电路布局简单。探测元件是实时测量矿井的应用，但在应用过程中传感器要安装在不同的巷道中。在日常运行中，检测元件的指标类型很多，如温度、风量等。利用丰富检测完成风量遥测，通常热式、恒温及恒流等风速仪是比较常用的丰富检测元件。距离较远的情况下风压的测量，差压变速器是必不可少的。此过程中，定电位电解法与红外线吸收法等使用频率比较高。

2.3、通风软件设计

矿井智能通风系统包括数据分析和逻辑控制软件，分为数据层、服务层和网络应用层。数据层和服务层与业务数据、专题数据等多种类型和格式的数据进行交互，实现静态风网计算分析、风量逻辑分析、风量数据报警、漏风分析、普防设备关闭、设施参数调整分析等功能。应用层负责数据传输和服务发布，为通风系统与其他专业应用系统的集成提供接口。智能通风软件可以建立可编辑的矿井真实三维通风系统模型，井下巷道、风门、风窗等主要机电设备可以在数字空间实现三维建模，快速生成三维通风立体图、二维通风网络图、二/三维风速流量图；采集包括地理信息数据（测量类空间数据）、井巷工程属性数据、通风设备设施数据、瓦斯监控等各类业务数据，实现全矿井通风智能解算和通风系统动态模拟；建立矿井通风数据库，进行风网实时解算，通过基础数据采集和处理实现自然分压、按需分风、调阻分析、风网优化、逃生模拟、风门开关模拟、贯通模拟等功能；实时测量井下风量、风速、风压等数据，分析通风网络中的阻力分布情况，分析影响矿井通风效率的主要因素，第一时间发现异常并报警；通过建立通风动力装置数据库模型，进行选型与运行工况点分析，实现调速、反风计算，对矿井通风系统进行优化和测风分析。

2.4、 管控一体化平台系统

平台的硬件集控系统由集控室内的上位机监控系统、通信网络、现场控制系统和保护系统组成。集控室配置集控计算机，毫秒级切换，提高监控可靠性。集控计算机可以通过多个网卡与办公网络互联，上位机可以通过网络发布。矿井办公网络中的其他授权用户可以通过网络IP地址登录访问上位机发布的通风参数和通风设施监控界面。为最终用户和系统集成商提供维护项目的配置工具，并在此基础上构建应用系统。此外，这些配置工具还可用于创建演示和模拟系统，提供模块间的透明访问。同一台机器或者网络上不同的机器上运行的模块之间都能够进行基于TCP/IP实现无缝通讯。系统软件各部分接口和通信协议具有规范性，通过开放的标准协议（如 Modbus、TCP/IP、Profibus、电力规约、IEC61850、IEC104、DNP3、OPC、ODBC等）的使用，实现内外系统之间的数据共享和互联互通。管控平台基于组态软件开发，以智能风窗就地及远程控制为基础按需分风，完成智能风量和通风系统的并行调节，以及各个控制设备之间的区域联动。多类子系统通过现代信息和通信技术进行数据集成、功能集成和业务集成。

2.5、  系统的程序设计

设计的矿井通风自动修复监控系统的主要工作是自动监控矿井通风系统的总风量。通过对风网的预处理，预先设定风量的安全值。当监测数据偏离系统风量安全设定值时，立即开启自动修复监测模块功能，第一时间对系统进行自动调整。在调整的同时，通过风网解码管理软件对前期设定的安全值进行重新评估和调整，实现整个系统风量监控的有效性。本系统较传统的矿井风量通风自动监测管理软件不同的是不仅可以对矿井风量自动监测、数据分析、自动优化，并且在风量监测数据与系统预设定的风量监测值之间误差大小超过极限时自定义修复和自动调整。

3、结束语

综上所述，在煤矿企业的发展中，通风系统非常重要，自动化控制技术在通风系统领域的应用和发展空间非常大，促进了煤矿企业更好地进行安全生产。通风是矿井安全开采的第一道重要屏障，通风数据的在线监测与采集，对通风系统的实时健康监测，保障矿井安全生产。

参考文献：

[1]刘佳季.煤矿通风监测系统设计与实现[J].能源与节能,2021(08):147-148.

[2]王玮琦.煤矿通风系统的安全性及优化设计研究[J].矿业装备,2021(04):246-247.

[3]李恒江.庞庞塔煤矿生产接续通风可行性分析[J].煤矿现代化,2021,30(04):167-169.

[4]刘雷.自动化控制技术在煤矿通风系统中的应用[J].内蒙古煤炭经济,2021(12):145-146.

[5]貟少强,李玉杰,宝银昙.煤矿通风系统安全检测及其优化设计[J].云南化工,2021,48(06):115-116+119.