黃白茨煤礦智能通風系統建設研究與設計

張 明，何云文

(1.國家能源集團烏海能源黃白茨礦業有限責任公司，內蒙古自治區烏海市，016000；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市九龍坡區，400037)

2020年2月，國家發展改革委、國家能源局等8部委聯合印發《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》的通知，要求到2021年，建成多種類型、不同模式的智能化示范煤礦。2021年1月，國家能源集團印發了《國家能源集團煤礦智能化建設指南》，對煤礦智能化建設的內容、達到的標準作出了具體的安排[1-3]，其中對智能通風系統中的主要通風機、局部通風機、風門、風窗、自動測風等井下通風設施需要達到的功能進行了細化，并對地面軟件平臺提出了具備建模與初始化、智能調控與可視化展示、系統分析與維護等模塊要求，最終實現礦井通風參數自動測量，地面遠程對井下通風設施的控制和調節、通風軟件實現網絡解算的目標?；诖?，筆者對黃白茨煤礦智能通風系統建設方案進行了研究與設計，以期達到礦井通風自動化減人、智能化分析與決策、遠程無人化控制的目標。

1 礦井通風系統現狀

黃白茨煤礦礦井通風方式為中央邊界式，通風方式為機械抽出式，由主井、副井、行人斜井、北風井、回風立井5條井筒組成。安裝2臺主要通風機、3套自動風門、3套手動風門、9道主要調節風窗、1套安全監控系統，礦井通風最長路線為7 km，采煤工作面采用全負壓“U”型通風，掘進工作面采用局部通風機壓入式通風。

目前礦井在通風系統管理和建設方面已經取得一定成效，但與智能通風系統要求建設的內容和達到的效果還存在一定差距。一是目前安設的風速傳感器數量不足，傳感器監測精度不夠，傳感器有效性判識、最佳安裝位置、系數調整等使用管理方面還需進一步改進；二是井下風量測量方式為傳統人工機械表測量，機械式風表存在攜帶不便、操作復雜且存在測風滯后性等問題；三是井下自動風門不能實現地面遠程控制和災變聯動控制；四是風窗調控為手動百葉或手動插板形式，不具備遠程控制功能；五是在通風系統分析和決策方面還缺少先進技術手段等。

2 智能通風系統的建設目標及總體思路

2.1 建設目標

根據《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》《國家能源集團煤礦智能化建設指南》等規定要求，結合智能通風系統最新技術和黃白茨煤礦對通風參數感知、通風輔助決策、風量調配控制等3個方面的自動化和智能化需求，對現有通風參數智能感知技術及裝備進行更換升級；建設集通風網絡在線監測、隱患智能辨識、通風設施設備遠程控制為一體的通風決策及控制系統；建設包含風量遠程自動測量、風門遠程自動控制、調節風門及風窗遠程自動調控、主通風機和局部通風機遠程控制的通風設施設備智能控制系統；建設區域風流自動調節、工作面火災反風、帶式輸送機火災風流應急控制的通風災變聯動控制系統；從技術方面實現“可看、可調、可控、可算”的目標。

2.2 總體思路

智能通風系統建設采用總體集成、模塊化建設的思路開展工作，從智能感知、智能決策、智能控制等3個方面進行建設[4]。首先，在現有通風相關參數監測的基礎上，新增或升級通風參數精測裝備，實現通風網絡關鍵參數的精準監測，保證基礎數據的準確性和可靠性；新增巷道全斷面自動測風裝置，實現地面遠程測風。其次，進行全礦井巷道和通風構筑物的阻力參數測定，構建通風網絡三維模型，實現通風網絡的動態解算、在線監測、三維展示，建立適合于黃白茨煤礦現場實際的通風系統預警指標體系及模型，實現礦井通風系統隱患的自動辨識和超前預警。最后，新增包括局部通風機遠程變頻控制、風門和風窗遠程自動控制的智能控制系統，并建設一套采煤工作面區域反風和火災應急遠程聯動控制系統。通過上述技術、裝備融合，形成一套完備的智能通風技術與裝備體系。智能通風系統建設總體思路如圖1所示。

圖1 智能通風系統建設總體思路

3 智能通風系統建設主要內容

3.1 通風參數感知技術及裝備

3.1.1 通風參數精測裝備

通風基礎參數的測定是一項最基礎、最重要的工作，只有在全面準確掌握巷道風速分布規律的基礎上，才能為后續的網絡解算、通風輔助決策、風量調配控制提供有效和可靠的數據。因此，需要配備高精度電子風速表和風速傳感器，實現風速0.1～15 m/s 量程的測量；配備高精度、高靈敏性氣壓測量儀器，實現700～1 200 hPa量程的絕對氣壓、相對氣壓的測定，實現井下直接標記測定數據和地面直接上傳處理，有效降低礦井日常通風阻力測定、局部調風等工作勞動強度，為通風網絡模型的快速、精準構建提供數據支撐，提高工作效率。

3.1.2 通風參數精測技術

(1)風速傳感器精確定位系統分析與測試驗證。采用理論計算、數值模擬來確定典型巷道風速分布的基本規律，并計算出巷道平均風速線所在位置。風速分布規律的現場考察選擇典型巷道進行現場監測工作，以掌握巷道斷面風速分布基本規律，現場選擇典型斷面采用階梯網格式布點方式進行大量布點測量巷道斷面風速分布情況，繪制斷面風速分布等值線圖，尋找巷道腰線位置、頂板位置的平均風速點，最終確定典型巷道風速傳感器準確安裝位置，為快速測量和準確監測巷道風速提供技術支撐。

(2)風速傳感器監測有效性考察。對于巷道內存在帶式輸送機、特殊斷面巷道、風速變化頻繁巷道，風速傳感器安裝完成后仍然需要定期考察其風速監測值是否滿足監測精度的要求。通過高精度電子風速表對井下風速傳感器進行不定期的校準，形成一套風速傳感器精準監測有效性判識的方法。

3.1.3 通風參數精測工程

為了實現礦井對通風參數的精準把控，為井下調風、網絡解算、系統優化等提供基礎數據支撐，采用高精度氣壓表、超聲波風速表等儀器，精細化測定井下所有巷道、風門、調節風門通風阻力，為通風網絡模型構建及通風系統調整的精準決策提供真實可靠的基礎參數，實現數據驅動的精準決策。全面測定礦井巷道通風基礎參數，包括靜壓、風速、溫度、濕度、巷道斷面尺寸等，計算得出各條井巷斷面尺寸、風量、風阻、摩擦阻力系數等數據；測定所有通風設施的通風阻力數據，計算得出通風設施風阻。

3.1.4 通風參數傳感器布置

(1)監測傳感器布置原則。在采掘工作面安裝風速和風壓傳感器，采區主要進回風聯絡巷風門兩側安裝風壓傳感器，實時在線監測礦井通風系統相關風速、風量、風壓等參數，對全礦井通風網絡進行實時解算和分析。在礦井的主要進回風及風流波動較大的巷道安裝風速傳感器監測風量變化，利用通風網絡解算軟件動態解算風量變化對其他巷道的影響，并對供風達不到要求的進行提示報警。在回采工作面布置傳感器，進行通風參數監測，研究通風監測參數的變化規律，如采掘、運輸、行人、開關風門與巷道風阻、風量、風壓變化等的關系，利用該規律和監測數據對工作面通風安全狀況進行評價。在關鍵地點安設風壓傳感器，對這些處于非采掘面區域的關鍵風門風壓進行監測。

(2)監測傳感器布置方案。風速傳感器方面，目前安設的風速傳感器安裝符合有關規定，根據通風網絡解算和風量調控監測精度的需要，增設16臺高精度風速傳感器。壓差傳感器方面，為有效監測關鍵用風地點阻力變化情況，增設5臺壓差傳感器。

3.2 智能通風決策及控制平臺

按照建設要求，建立1套集通風在線監測、通風隱患自動識別、通風設備遠程控制、通風災變聯動控制等多功能為一體的智能通風決策及控制平臺[5-7]。

(1)井下風量按需分配模擬。在礦井通風系統改造調整、系統方案優化的制定中，提前模擬系統變動后風網狀態，提高通風的系統可靠性。

(2)礦井通風網絡實時監測與動態解算。以礦井通風網絡風阻模型為基礎，根據礦井主要通風巷道及關鍵地點的風速實時監測數據，對礦井通風網絡進行實時動態解算，從而掌握整個礦井所有通風巷道的風量分布。

(3)通風隱患及異常變化預警。以網絡實時動態解算和通風實時監測數據為基礎，對通風系統穩定性、風速超限、風量不足、微風、循環風、風流逆轉、風流短路、供需失衡等隱患以文字和圖形渲染等方式進行智能報警。

(4)通風三維一體化展示。三維展示能夠為人們呈現更直觀、交互性更強的可視化效果，并能夠減輕人們的認知負擔和分析負擔。根據煤礦常用梯形、三心拱、圓弧拱等斷面參數結構計算公式建立三維井巷模型，根據密閉、風門、風窗、硐室等參數結構建立井巷附屬設施三維模型，同時建立井巷三維注記、節點輪廓線處理等模型。研究三維場景動態瀏覽技術，選擇合理、先進的空間數據庫引擎平臺和通風系統三維展示平臺，展示包括井巷、通風設施設備、風網解算數據、傳感器及監測數據、風流方向等內容。

(5)有毒有害氣體分布分析及云圖展示。針對有毒有害氣體單點監測不能全面反映其在地下空間分布情況的問題，系統能夠結合通風網絡動態解算的風量數據自動計算每條巷道有毒有害氣體濃度分布，并進行云圖展示和超限報警。

(6)通風設備遠程調控。通過通風裝備智能化控制系統開發，實現了井下自動測風裝置、局部風機、自動風門、自動風窗的遠程集中控制及其展示。

(7)通風災變聯動控制。借助遠程自動調節風窗及遠程控制風門，根據設定的反風控制模型，實現礦井工作面火災或運輸巷帶式輸送機火災情況下的應急通風控制。

3.3 通風系統智能控制

3.3.1 巷道全斷面風量遠程自動測量

按照建設要求，井下風量需要實現遠程自動測量，目前礦井風量測量體系不滿足智能通風對風量遠程自動、快速精確測定的要求，因此需要增設8套自動測風裝置，實現巷道全斷面風量自動測量，同時安設8臺防爆攝像機，對測風裝置的運行狀態進行實時監視。

巷道全斷面風量遠程自動測量原理是通過在測風站安裝走線式自動測風裝置，在控制箱程序指令下通過動力機構驅動風速傳感器運動，從而實現風速傳感器在巷道斷面內進行“六線式”測風，測量結束后將風速傳感器數據上傳給控制箱，計算得到平均風速，實現就地和地面上位機同步顯示測量數據。

3.3.2 風門遠程自動控制

現有3套自動風門已經實現風門的本地自動控制，但不能地面遠程控制和災變聯動控制，按照建設要求，需要在原有自動風門的基礎上增加3套遠程自動控制風門，同時安設6臺防爆攝像機，對風門運行狀態進行實時監視。遠程控制風門具有以下功能。

(1)就地控制與遠程控制功能。支持就地按鈕控制、紅外感應控制和地面遠程控制功能。

(2)防夾人功能。針對目前自動風門開閉夾人、夾車問題，采用紅外感應方式，有效提高自動化條件下的風門安全性。

(3)雙重閉鎖功能。具備機械閉鎖和電路閉鎖功能，在車輛、行人需要通過時，確認風門關閉情況下，可打開通行側的風門，通過后關閉風門，再打開另外一道風門，保證同一時刻最多只有一道風門開啟。

(4)自動復位功能。啟動風門時，PLC掃描完成初始化復位任務，保證風門處于關閉狀態；風門開啟后，由于各種原因風門未關閉時，裝置根據現場設定時間，自動控制風門關閉，確保井下通風系統正常運行。

(5)斷電開啟功能。遇停電、電氣故障或供電系統檢修時，控制系統斷電自動泄壓，可以人為輕松推動風門，保證車輛、行人通過。

(6)遠程通訊與控制功能。系統配有RS485通訊接口，可實現遠程自動控制。

3.3.3 遠程精確自動調節風門控制

按照建設要求，調節風門應具備遠程及就地自動控制的功能，現有調節門不滿足智能通風建設的要求，也不具備改造升級的條件。因此需要增設2套具有就地手動、自動以及遠程控制的調節風門，既要滿足調節風量的功能，還要滿足行人、過車的功能，同時安設4臺防爆攝像機，對調節風門運行狀態進行實時監視。

自動調節風門能夠實現遠程智能化調節，通過遠程控制微調執行器，實現風門過風面積的大小達到調節風量的目的，實現遠程及時、快速調節。遠程自動調節風門具有以下功能。

(1)就地控制與遠程控制功能。支持就地按鈕控制、紅外感應控制和地面遠程控制功能。

(2)防夾人功能。針對目前自動風門開閉夾人、夾車問題，采用紅外感應方式，提高自動化條件下風門的安全性。

(3)遠程風量精確調控功能。根據配風需要，遠程自動控制百葉窗角度，調節過風量，直至監測的風窗過風量與設置過風量相符。

3.3.4 遠程精確自動調節風窗控制

按照建設指南要求，調節風窗應具有遠程及就地自動控制的功能，現有調節風窗不滿足智能通風建設的要求，也不具備改造升級的條件，因此需要新增5套具有就地手動、自動以及遠程控制的調節風窗，同時安設5臺防爆攝像機，對調節風窗運行狀態進行實時監視。自動調節風窗能夠實現遠程智能化調節，通過遠程控制微調執行器，實現風窗過風面積的大小與調節風量相符，實現遠程、及時、快速調節的目的[8-9]。

3.3.5 通風災變聯動控制

(1)區域風量調控。借助于遠程自動控制調節風門及調節風窗，建立礦井區域風量自動控制模型，實現礦井區域風量自動調節。

(2)帶式輸送機火災風流應急控制。借助遠程自動控制調節風門，建立風流快速短路控制模型，實現帶式輸送機發生火災時的風流應急控制。

3.3.6 主通風機、局部通風機監測及控制融合

現使用的主通風機、局部通風機支持遠程控制，因此將主通風機和局部通風機控制系統融入智能通風決策及控制平臺中，借助于主通風機自帶的遠程控制系統，實現主通風機的遠程啟停、變頻控制、在線監測及故障診斷等功能[10-12]。

4 應用情況

2021年12月，黃白茨煤礦智能通風系統建成并進入試運行階段，通過對試運行階段存在的問題不斷改進和優化，建成了信息全面感知、自主融合、動態辨識、精準預警及聯動控制的智能通風系統，實現了風門、風窗、傳感器設備數量的自動統計、關鍵點通風設施的視頻監控、監測和預警，具備設備在GIS圖分布、通風網絡圖風量、通風三維仿真等功能，達到了智能通風調控目標，實現了分析決策與聯動調控以及災變條件下的防災、減災、控災和主動救災等全過程的智能化。

黃白茨煤礦智能通風系統建成后，礦井智能化水平整體得到顯著提升，達到了減人提效的建設目標(減少測風、調風人員)，年節省人工成本約2%；礦井通風安全系數得到明顯提高，抗風險能力明顯提升；礦井風量實現按需供風和及時調配，降低能耗約15%。

5 結語

黃白茨煤礦采用總體集成、模塊化建設思路開展智能通風系統方案設計，從礦井通風參數感知技術及裝備、智能通風決策及控制平臺、智能通風設施設備控制等3方面進行系統建設，實現了通風基礎參數的精準測定、井下風量按需分配、礦井通風網絡實時監測與動態解算、通風隱患及異常變化預警、通風三維一體化展示、有毒有害氣體分布分析及云圖展示、巷道全斷面風量遠程自動測量、遠程精確自動調節風窗和風門的控制，具備通風災變聯動控制、主通風機與局部通風機監測及控制融合等主要功能，提高礦井通風系統自動化和智能化的水平。