建莊煤礦智能通風系統研究與優化

王 越,王 斌,孫劉詠,王盛永,孫澤雁

(1.陜西建新煤化有限責任公司,陜西 延安 716000;2.山西科達自控股份有限公司,太原 030006)

隨著國家的不斷發展,煤炭需求量越來越大,2020年我國煤炭消費占一次能源消費比例為56.7%左右[1]。煤礦開采也逐漸由地面開采轉為地下開采,隨著開采深度增加,開采環境也變得復雜,對通風安全的要求越來越嚴格,煤礦的智能通風系統研究也逐漸成為井下安全生產的重要組成部分[2-4]。

隨著計算機技術不斷發展,煤礦智能化開采技術不斷提升,煤礦開采由人工、放炮、機械化、信息化到今天的智能化開采,安全水平以及開采效率也隨之提高[5]。周福寶等[6]針對我國現代化礦井通風發展的重大需求,系統研究了礦井智能通風原理、關鍵技術及系統組成。張慶華等[7]從通風參數測定與監測、通風網絡分析與決策、通風調控技術與裝備進行梳理與總結,指出實現智能通風需解決的4大難題,為礦井智能化通風建設建立了理論基礎,但未應用到實際生產中。王斌等[8]基于文獻分析,綜述了煤礦智能決策與遠程控制系統研究的主要成果,并以王樓煤礦為研究對象,分析了王樓煤礦智能化通風系統的實際作用及意義。王學芳[9]針對傳統的以PLC為核心的煤礦通風系統處置速度慢、易受環境影響等問題,提出了基于總線為主網絡的煤礦智能通風控制系統,保障了井下的通風安全,但對于遠程控制與監測等應用的優化較少。欒王鵬[10]以馬蘭礦為研究對象,介紹了礦井智能通風與實時監測控制系統,該系統基于物聯網的礦井通風參數測定系統、百葉式自動風窗及其控制系統、抗火災遠程自動控制風門組成等,系統建設較為完善,但對于主要及局部通風機的監測與控制能力較弱。張水平等[11]針對漂塘鎢礦通風系統主要存在的風阻不均衡,無法實現按需通風的問題,調整傳感器的布置位置,變頻改造風機和搭建智能通風管理平臺,實現了對試點通風系統的智能化管理,但對于井下通風系統的遠程監控及可視化優化較差。閆玉山等[12]針對趙樓煤礦智能化礦井建設需要,構建了智能通風集成管控平臺,集成了礦井主要通風機遠程控制和一鍵倒機一鍵反風、風井防爆帽自動控制、智能風門設施、三維動態可視化等項目,提高了系統對井下工作環境的監測。白銘波等[13]以韓家灣煤礦為研究對象,構建了基于基礎參數動態感知、通風設備智能管控、區域反風與膠帶火災精準辨識、火災分級預警與管控的智能通風決策管控平臺,實現了井下通風工作無人化、自動化、智能化,但井下通風可視化優化較差。郭煒舟等[14]針對葫蘆素煤礦通風監測實時性差,通風設施未實現遠程調控,風量調節過程復雜低效等問題,建成了一體化通風智能管控系統,實現了對礦井風量的實時同步監測、風量遠程調控和通風系統故障診斷。

本文針對建莊礦業井下通風現狀及智能化不足,井下實時監測性差,風機、風門和風窗的遠程控制弱,系統決策能力差,缺少三維動態可視化功能的缺點,建立智能通風技術與裝備體系,形成集數據采集、風網解算、智能控制于一體的礦井通風智能化平臺,以期為目前煤礦無法進行原廠智能調控、井下災害時期應急救援困難等問題提供技術支撐。

1 智能通風系統組成

建莊礦業礦井智能通風系統由智能通風軟件平臺、調風系統和多系統融合聯動平臺3個模塊組成。智能通風軟件平臺通過控制風機、風門和風窗等設施實現風網故障預警與分析、按需自主供風、災變控風、熱塵模擬等功能。調風系統由主要通風機調風系統、局部通風機調風系統、風門調風系統和風窗調風系統組成,實現對礦井現場通風機、風門和風窗的遠程監測及控制,具有運行狀態、參數監測及一鍵控制等功能。多系統融合智能聯動系統通過多源異構數據融合技術,使得能夠對通風系統進行系統監測顯示、系統故障報警提示、數據分析、災變預警預判以及系統聯動。成套化礦井智能通風裝備技術可實現井下通風系統智能化、實時化、動態化,該技術解決了傳統煤礦通風由于人工監測、記錄、判識、調控等操作造成的決策效率低、時效性差、安全性不足等問題。其體系架構如圖1所示。

圖1 智能通風系統體系框架Fig.1 Architecture of the intelligent ventilation system

2 智能通風系統技術體系

2.1 智能通風軟件平臺

智能通風軟件平臺是在地面調度中心配置通風軟件服務器主機1套,安裝通風網絡仿真、解算軟件,利用虛擬服務器作為數據服務器,解算服務器通過連接數據服務器數據庫,讀取風網傳感器數據,進行實時監測、計算。工控機安裝智能通風主控軟件平臺,主控軟件工控機與數據服務器實現數據交換,解算服務器的解算結果經過主控軟件的分析運算后,從而控制主扇通風機、局部通風機、風門、風窗等通風設施進行微量調風,使通風系統處于最優化的通風狀態,以實現井下通風狀態的三維動態可視化、智能通風大數據監測和通風系統智能調控,其技術框架如圖2所示。其中,利用數字孿生技術實現風流、煙流、有毒有害氣體擴散動畫模擬和阻力三區、災變分級劃分、風速和顏色梯度等展示;利用礦井三維通風系統模型快速建立技術,實現通風系統圖自動導入建模以實現井下通風狀態三維動態可視化。

圖2 智能通風軟件平臺邏輯框架Fig.2 Logical framework of the intelligent ventilation software platform

2.2 調風系統

1)主要通風機系統利用現有系統,通過接口、協議轉換讀取主扇風機系統數據,集成到通風平臺軟件,讀取現場主扇通風機風量、風壓、振動、頻率、電流、運行狀態等,生成整個風機運行工藝流程,提供清晰的、人性化的人機界面,全中文顯示,適應操作人員習慣。

2)局部通風機系統利用局扇點與工業環網對接,將各掘進工作面局扇風機系統數據統一上傳至地面調度中心,實現對井下各掘進工作面局扇風機的狀態監測,并可以在授權狀態下遠程集控風機啟停;平時風機系統自動運行,應急情況下可以在調度中心對各風機進行工作狀態干預;局扇風機監控系統達到對饋電開關、變頻器、環境傳感器、視頻畫面的采集與傳輸,并實現控制信令的下達。

3)風門調風系統采用PLC控制技術和工業以太網通訊技術,并具有485通訊接口,對井下各處風門進行無人值守自動控制;利用上位機對運行狀態進行實時顯示及遠程控制,可以實現相關數據的實時監測及報警功能;利用工業以太網將數據傳送到地面生產調度中心,從而極大程度地提高響應時間。

4)風窗調風系統采用了可調風窗、氣動驅動裝置、隔爆兼本安型PLC控制箱、傳感器、攝像儀等硬件,實現風窗智能化監測和調控。系統配置工業以太網傳輸接口,通過與井下環網連接,實現地面集控、調度的統一管控。

3 智能通風系統現場應用

3.1 礦井概況

陜西煤業集團黃陵建莊礦業采用中央分列式通風方式,抽出式通風方法,設置主斜井、副斜井兩個進風井,設置一個回風立井?；仫L立井安裝兩臺FCZNO25.0/1250(I)型防爆對旋軸流式通風機。井下各掘進頭采用對旋軸流壓入式局部通風機。礦井瓦斯等級為低瓦斯,煤層自燃傾向性為二類自燃煤層,煤塵具有爆炸性。

3.2 礦井智能通風現狀

建莊礦業已實現主通風在線監測及遠程集控功能,井下局部通風機實現地面遠程監測功能,但是仍達不到智能通風的功能要求。因此必須在現有的自動化系統建設基礎上,進一步完善智能通風系統功能。緊扣國家及公司對煤礦智能通風系統的建設標準,結合礦井通風安全管控需要和實際現狀,構建基于風網解算及通風管控的礦井智能通風管控系統。

3.3 智能通風軟件平臺功能

3.3.1井下通過狀態三維動態可視化

1)二維圖形進入三維可視化圖形,界面更形象。

2)動態模擬風流方向,顯示風路的斷面、形狀、摩擦阻力系數等基本參數。如圖3(a)所示。

3)強大的設置功能,可以根據不同礦井地質環境確定模型的工程環境、空氣可壓縮性、地熱梯度、圍巖比熱容等相關參數,提高礦井三維可視化模型的模擬精度,如圖3(b)所示。

4)風機數據模擬,風機數據庫可以編輯、添加和刪除模型中所有風機數據,支持在線互聯網查找風機,動態顯示風機運行曲線及數據。

5)模擬礦井風網中主通風機不同風量及負壓下的運行情況,模擬風機變頻、不同葉片角度下礦井通風網絡的運行情況。

6)模擬局部通風機在掘進頭中的運行情況,也可以在同一巷道中對多臺局部通風機進行模擬。如圖3(c)和3(d)所示。

圖3 智能通風軟件平臺可視化功能圖Fig.3 Visualization function diagram of the intelligent ventilation software platform

7)對長遠通風系統進行預測和預判。表現如下:①巷道及工作面貫通模擬,風量變化如圖4(a)所示;②新建風井井筒直徑及風機選型模擬,如圖4(b)所示;③觀察采區巷道封閉后對相關風機和巷道的影響,預模擬巷道封閉后可能出現的通風問題及相應解決方案, 如圖4(c)所示;④設計采區通風困難時期需風量模擬;⑤風機反風演習模擬;⑥精準調整通風設施,調整前后如圖4(d)所示;⑦污染物及氣體擴散模擬;⑧構建風路,將AutoCAD礦山采掘工程平面圖直接轉化成風路實體巷道。

圖4 長遠通風系統預測和預判功能圖Fig.4 Function diagram for forecasting and predicting with the long-term ventilation system

8)對風網進行整體分析。表現在:①能利用扇形統計圖對井筒和大巷等能量損失進行分析,并形成風網報告,如圖5(a)所示;②對礦井風網快速模擬解算,生成風網運行報告及圖表,如圖5(b)所示。

圖5 風網分析界面圖Fig.5 Wind network analysis interface diagram

9)經濟優化。表現如下:①經濟性模擬功能,幫助礦井通風系統優化風路斷面、節約整個礦井服務周期的成本,如圖6(a)所示;②將礦井的總通風成本輸入到模型中,分析采礦掘進成本、通風能耗成本、風機購置成本、礦井服務年限、折舊率;③系統數據庫中包含風路年通風成本的數據,如圖6(b)所示。

圖6 軟件平臺經濟優化功能圖Fig.6 Function diagram of software platform economic optimization

3.3.2通風系統智能調控

1)局部控風遠程調控與閉環自動調控。對工作面、掘進面配置可調風窗,設置反饋傳感器,輸入需要風量,進行比較,實現自動調控。根據局部通風機檢測輸出風量,自動調節風機運行頻率或增減單機、雙機運行,滿足實際用風需求。

2)對主通風機進行調控。實現主通風機的遠程一鍵啟停、故障切換、一鍵反風、遠程參數設置,滿足應急或災害情況下的礦井總供風調整。

3)應急模式下的通風調控。在出現設備故障、火災、瓦斯超限等緊急模式時,可以根據預案遠程實施設備聯動,實現自動調控。

4)實現就地自動感應開閉風門、自動閉鎖。所有風門實現聯網并可以遠程監控,如圖7(a)所示。

5)實現風窗遠程調節。通過遠程調節風窗,配合監測數據,完成給定數據的風窗遠程閉環調節,實現精準調風,如圖7(b)所示。

圖7 通風系統智能調控功能圖Fig.7 Intelligent control function diagram of the ventilation system

3.4 調風系統功能

3.4.1主要通風機調風系統

建莊礦業主要通風機調風系統界面,如圖8所示。該系統可實現以下功能。

1)風量、風壓、溫度、振動、頻率等數據的在線監測,增加視頻監控和風機狀態感知傳感器,安裝具有遠程變頻控制功能的主通風機,實現通風參數監測、自適應變頻調節風量。

2)通風機遠程控制功能,達到“一鍵啟?！薄耙绘I倒機”“一鍵反風”等目的。

3)具有故障分析、預警功能。

4)根據風網監測數據及解算結果調控主扇風機在最優狀態運行。

5)根據風機狀態監測及解算結果實現主扇風機故障預警和維檢推送。

6)監測數據并智能解算,使主通風機高效安全供風,避免浪費。

圖8 主要通風機調風系統界面圖Fig.8 Air regulation system interface diagram of main ventilator

3.4.2局部通風機調風系統

建莊礦業局部通風機調風系統界面,如圖9所示。該系統可實現以下功能。

圖9 局部通風機監控界面圖Fig.9 Monitoring interface diagram of local ventilators

1)通過自動控制程序在設計范圍內實現局部通風機設備的集中管控、遠程調度和自動巡檢、人工遠程監護相結合。

2)具備一鍵啟動、倒機功能,增加視頻監控和風機狀態感知傳感器,實現局部通風機遠程啟停和切換。

3)地面集中管控平臺設有集中管控局部通風機系統的界面,除集控室的技術人員(具備操作局部通風機權限的人員)外,其他有關人員可以根據權限通過IE瀏覽井下局部通風設備的運行情況,并根據不同權限,獲得相關數據,并向相關人員發送信息。

4)采用智能化通風控制裝置與變頻器組成的控制系統,對風機轉速實時調控,達到“實時預警、人機雙控、按需供風、防災減災”的效果,節能省電。

3.5 風門調風系統

圖10為風門調風系統網絡結構圖。智能通風調控風門的功能如下:

圖10 風門系統網絡結構圖Fig.10 Network structure diagram of air door system

1)手-自-遠程無擾切換功能。每套風門監控均由“自動模式”“手動模式”“遠程模式”3種模式組成,每個風門分站可獨立設置工作模式,互不影響。

2)擴展功能。風門分站具有以太網接口,可隨時擴展監控分站,如可集成自動噴霧降塵、風門自動調節風窗等系統的監控。

3)巷道風門系統實現集中監測、統一管理功能,可以隨時掌握各巷道人員車輛通行情況。

4)根據風網解算結果調整風門狀態,使通風系統處于最優狀態。

5)利用風門工藝模擬結合視頻監控實時觀察了解通風設施狀況。

6)風門位置索引功能。在礦井總體巷道圖中對各套風門的監測和操控可通過地圖索引中的圖標自由切換。

3.6 風窗調風系統

風窗調風系統建設5套風窗,1 000 mm×600 mm建設3套,300 mm×600 mm建設2套。風窗類型為百葉風窗,其適用于現場潮濕、粉塵環境,易于開關。智能風窗調控系統由風窗、動力驅動裝置、防爆PLC控制箱、不間斷電源、傳感器及配套控制軟件組成,實現風窗智能化監測、調控。動力驅動裝置通過減速機連接風窗旋轉機構,帶動百葉風窗,實現開度變化;隔爆兼本安型PLC控制箱檢測傳感器信號,分析判斷,輸出信號控制動力驅動裝置,進而控制風窗開度變化,調控現場風量大小,整個系統為閉環控制系統,有輸入設定和反饋,內部運算控制邏輯,實現系統智能控制。配置防爆攝像儀,實現對井下風窗的遠程監視,另外,系統配置工業以太網傳輸接口,通過與井下環網連接,實現地面集控、調度的統一管控。

智能通風調控風窗的功能如下:

1)就地、遠控、自動控制功能,可以自由切換,具有數據顯示、參數設置功能。

2)風窗系統集成在同一平臺,可以隨時監測各處通風情況。

3)根據監測的風量數據及風網解算結果實時調整風窗開度。

4)特殊情況下遠程調節風窗開度,達到預案要求。

5)具有視頻監控功能,任意選擇一處風窗,可查看攝像儀的監控畫面,了解風窗的運行狀況。

6)系統具有自診斷功能。當系統中傳感器、執行器、分站、傳輸接口等設備發生故障時,報警并記錄故障時刻和故障設備,以供查詢。

7)調節風窗實現遠程手動及自動智能調節,安裝百葉窗式自動調節風窗及自動控制設備,建立風窗風量精準調控模型,通過遠程調控微調執行器,實現風窗過風面積大小的調節。

3.7 多系統融合智能聯動系統

本文對建立的智能通風軟件平臺及多個調風系統進行多系統融合智能聯動,實現了通風相關系統監測顯示、故障報警提示、數據分析、災變預警預判及相關系統聯動。具體表現如下:

1)建設風門遠程自動控制、風門及風窗遠程自動調控及就地控制系統,實現風門遠程集中監控和自動開閉。

2)主通風機實現遠程控制和一鍵啟動、反風、倒機功能。

3)局部通風機依照現場需要實現局部工作面或掘進面自主智能供風和瓦斯排放,掘進工作面的局部通風機實現雙風機、雙電源,并能自動切換,根據環境監測結果實現風電閉鎖、瓦斯電閉鎖等自適應調節的通風設施設備智能控制。

4)建設實時在線精準測風系統,利用全斷面超聲波測風裝置,進行在線精準測風。

5)建設區域風流自動調節、工作面火災反風和皮帶火災風流應急控制的通風災變聯動控制系統;實現礦井通風參數無人化在線測量、礦井風量遠程調控、通風隱患自動識別、通風災變聯動控制、通風智能決策,實現減人、安全高效的目標。

4 結語

1)依托建莊礦業現有的智能通風系統建設主要通風機調風系統、局部通風機調風系統、風門調風系統和風窗調風系統,共同構建擁有遠程實時監測、一鍵控制和故障分析與預警等功能的智能調風系統。

2)構建了可以實時風網解算井下通風狀態的三維動態可視化、智能通風大數據監測和通風系統智能調控的智能通風軟件平臺,并實現了多系統融合智能聯動,形成了具有建莊礦業特點的“測風無人化”“調風無人化”“防災智能化”等關鍵技術。

3)建莊礦業智能化通風技術現場應用,替代了傳統人工工作方式,改變了傳統的通風數據和有毒有害氣體紙質臺賬統計和分析方法,數圖化動態展示了井下通風系統。對預防和減少通風安全事故、提高煤礦通風安全技術水平具有重要意義。