矿井智能通风技术现状及智能化改造应用.docx

矿井智能通风技术现状及智能化改造应用在煤矿开采过程中，矿井通风系统具有十分重要的地位与作用，是媒矿开采不可或缺的重要系统。如果通风系统风流不稳定，就会影响作业场所的风量供应，可能引发瓦斯、煤尘爆炸等事故。因此，有必要研究矿井通风系统智能化进程中的技术现状与改进方向。Ol矿井智能通风现状矿井智能通风建设主要从通风参数智能感知、通风设施设备智能控制、通风技术智能决策3个方面，通过在井下巷道布置各类传感设备，调节风窗远程自动调控、风门远程自动控制等设施，利用各个智能通风子系统相关的软件模块，通过矿井建设的工业环网与井下各类通风设备设施形成关联，再通过服务器上的软件系统构成矿井智能通风系统。目前大多数矿井的智能通风系统已实现通风参数实时监测与分析，可以根据通风需求对井下通风设施进行远程控制，还可以在灾变情况下实时管控工作面的风流，对主通风机和局部通风机实时智能远程控制，部分矿井做到了根据生产变化情况进行通风网络动态解算，快速给出风流分配方案，为矿井通风提供了强有力的技术及安全保障。02矿井智能通风系统建设原则结合目前煤矿矿井通风系统的运行要求,在进一步完善构建过程中应该严格按照以下原则：(1)在进行通风系统设计过程中，一定要全面考虑矿井实际生产作业情况，掌握井下各作业场所的通风要求，科学合理地设计通风系统运行能力，保证通风条件可以与煤矿井下生产作业要求相符，防止发生由于通风能力差导致的隐患问题。(2)在矿井智能通风系统优化过程中，要确保其可靠性与稳定性，保证其可以随着矿井生产作业的需求，持续发挥通风价值，有效降低通风系统自身出现的故障概率。为进一步完善矿井通风系统，还需要健全相关规范，特别是燥矿设计规范煤矿安全规程，需要矿方展开深入研究，避免发生违规情况。03矿井智能通风系统组成智能通风管控系统智能通风管控系统涵盖通风智能感知技术装备、风门远控制系统、风量精确调节远程控制系统、主通风机智能控制软件系统、局部通风机变频远程控制系统、通风多源信息集成系统和智能通风决策及控制系统，利用各个子系统相关的软件模块，通过矿井建设的工业环网与之形成关联，并形成一套完整的智能通风管控系统。智能通风管控系统界面如图1所示。图1矿井通风智慧管控系统界面智能通风管控系统采用基于知识和程序设计方法，结合多项指标综合监测技术，对通风机、远程控制通风设备等系统进行在线监测，形成智能通风管控系统，综合管理、控制、分析决策，为矿井安全生产服务，实现“减少人员、提高效率、保护安全”的目标。智能通风管控系统的建设可实现矿井通风系统的智能控制与自动化管理，减少测风员的工作量，缩减通风基础参数测试周期，提高矿井通风系统信息化、智能化管理水平。智能通风设备矿井通风仪器类别较多，在通风仪器选取过程中，需要关注矿井风量的具体状况，合理布设通风仪器，保证矿井通风性能和通风安全。以红柳林煤矿智能通风设备为例，红柳林媒矿合理选取关键通风路线并布置多参数传感器、对射超声波风速传感器，可实现准确监测巷道大气压力、温度、湿度、风速、风量、绝对静压、湿空气密度等参数，再依据伯努利方程实时计算巷道风阻、通风路线总阻力、“三区”总阻力及自然风压。行车风门、行人风门采用P1.C控制技术可实现风门自动开启、自动关闭和远程控制。矿井主通风机通过组态软件和控制系统实现了一键启停、倒机和反风的远程控制，并可以实时监测主通风机的工况参数和设备运行状态。此外，基于P1.C技术，矿井智能通风系统还可设定变频调速器运行频率，通过井下监控分站，对井下变频调速器运行频率进行远程调节，从而实现局部通风机的风量调节，确保井下通风系统的稳定可靠运行。04矿井智能通风系统主要任务及可靠性智能通风系统主要任务矿井智能通风系统的主要任务是对整个通风系统进行智能化管理,使其走上信息化和标准化的道路，从而有效提高煤矿管理水平。通过分析和试验，如果做到以下4点，通风系统可以正常运行：实时掌握通风仪器、设备的基本功能、模型和基本条件；做好对仪器、设备的维护工作，有必要定期检查仪器及设备的零件，一旦发现损坏，立即修复，以免留下隐患；矿工必须熟练掌握相关设备的操作和维护技能；做好通风设施的辨识，每个通风设施都设计独有的功能板块，才能获得调整通风设施设备的操作认证。智能通风集控室如图2所示。图2智能通风集控室智能通风系统可靠性通风系统可靠性是指矿井在生产过程中，保持系统各环节正常运行、各地点风量分配合理、抵抗灾变的能力。通风系统的可靠性一般用技术性、经济性、安全可靠性指标来衡量。智能通风系统以矿井通风系统风阻参数、通风系统网络拓扑图为基础，构建媒矿通风网络解算模型，并实现井下通风状态的三维动态可视化。采用斯考特亨斯雷风网风量解算方法进行通风网络解算，以得到全风网风量，通过部署在服务器上的软件，形成集管控、预警、分析、决策于一体的智能通风管控系统，实现矿井“减人、提效、保安”目标。矿井通风设施预警显示界面如图3所示。图3矿井通风设施预警显示界面05矿井智能通风存在的问题智能通风系统管理不善现代通风系统越来越复杂化和自动化,但在通风系统运行过程中，可能会出现部件损坏、运行参数异常等问题，这就需要执行相应的管理制度。在实际运行中，管理人员对通风系统运行缺乏充分的监管，难以及时发现硬件问题，而且缺乏全面的数据进一步完善通风系统。因此，需要建立安全数据库，积极采用最新的计算机及相应的软件技术，优化通风系统设计,加强检查维护工作。通风设备质量问题通风系统中控风机械设施较多，如果存在通风设备机械性故障、通风设备使用管理不合理等情况就会直接影响通风效果。例如，通风设备缺乏润滑保养维护；采购的通风设备质量低劣，会缩短设备的使用寿命，降低通风系统的可靠运行效率；日常清洁工作的滞后也会导致通风设备运转阻力增大，进而导致设备出现故障，影响通风质量。资金及技术人员投入不足智能通风设备需要投入大量资金和技术人员，大型煤矿企业技术和资金充足，通风系统的现代化和性能水平较高，开采作业的安全性较高。但一些中小型燥矿企业在矿山智能设备建设方面跟不上大型煤矿企业的步伐,通风系统的投入资金及人员有限的现状很大程度上制约了通风系统的智能化发展。06矿井智能通风系统优化原则、要求及改进方向矿井通风系统优化原则首先，在通风系统的布置和优化过程中，必须保证网络设计的简单性，保持良好的经济效益和通风效果；其次，要优化设计方案和技术，确保设计方案有利于优化工作的顺利进行;最后，保证通风系统经过优化后能够满足矿井生产环境和条件，按照相关规范和规定保证通风系统的安全。矿井通风系统优化要求矿井通风系统的优化过程必须满足:能为井下提供新鲜空气,保证井下工作有序进行;保证通风系统布置过程中风流稳定，要达到操作简单化，管理便捷化；发生紧急情况时能够有效控制避灾路线的风量，确保疏散人员的生命安全。矿井通风监管体系改进为确保矿井通风系统的平稳高效运行，除了要优化机械设备和实施技术升级，还要制定矿井通风运行相关监管制度。一些企业虽然已经意识到监管体系的重要性，但大部分监管体系的制定仍停留在表面运行状态,并没有建立长期运营的监管制度。需要建立通风监管机制，构建科学规范通风监管工作体系，规范通风监管活动，加强通风系统运行监测，提高通风系统运行活动的规范化水平。此外，有监管就要有考核，完善通风管理考核制度，提升通风系统管理人员的责任感，方能做好通风系统的安全监管工作。做好通风设备的维护通风设备在运行过程中必须定期检查，如出现漏风、噪声大、振动、风量降低等情况，必须及时进行维修和保养，以保证设备正常运行。另外，一般来说在通风系统设计中，要根据巷道的长度和断面进行合理地布置通风设施，尽量减少通风阻力，保证通风顺畅。矿井通风系统智能化改造及其应用为提高矿井通风系统自动化、智能化装备应用水平，在矿井现有条件下，通过优化通风路线布局，增加传感器数量，构建智能化通风系统，优化矿井生产过程中在采煤工作面、掘进工作面和开拓大巷等主要生产场景下的通风方案，实现发生灾变时快速调风、反风，利用风流短路形成保护性措施，有效避免灾害事故扩大化。同时对通风设施和设备进行远程自动化控制，有效提升供风优化利用，避免供风不足和风量浪费等现象，提高矿井通风系统智能化水平。随着智能化矿山建设与5G技术的广泛应用，在现代化矿井提升机械化水平的基础上，煤矿正朝向自动化和智能化方向不断发展。煤矿安全生产的前提条件是必须具备可靠稳定的通风系统，包括完善的通风设计、通风方式、大功率通风机及通风路线等。相较于传统通风方式，现在的通风系统多采用人工定点测风站检测，通过构筑通风设施（如风门、风障、风桥等）进行风量调节和风路改造。随着矿井开采规模增加和通风路线增长，依靠人工方式测风己经不能满足对特殊地点长时间、连续测风作业的需求,尤其是具有有毒有害气体的地点,人员无法及时进行风量、风流检测。基于此，建设高度自动化的智能通风监测系统具有重要的现实意义。1智能通风系统技术架构智能通风系统主要运用信息集成技术实时采集矿井各作业地点的通风参数，自动计算网络动态和区域风阻，实现通风系统风险辨识与隐患排查、多维一体化动图屏显、关联报警和联动控制等，最终实现通过网络控制技术对矿井通风系统进行智能化自主调配，在具体应用中达到智能预警、快速调风、高效避险、控风减灾的效果。结合某矿通风系统现状，与智能通风系统新技术进行平台融合，打造无人化测风、自动调风、区域智能反风、火灾预警防控等功能的智能化技术体系。投入使用后，该体系可逐渐消除矿井测风盲区，替代人工监测盲巷和高浓度有毒有害气体区域，进行煤层自燃和有发火周期的采掘作业地点风量、风压监测，针对矿井火灾可形成快速预警和反风控制机制，最大限度降低灾害损失。智能通风监测系统主要由自主感知模块、决策预警模块和多元数控平台等不同功能模块融合组成。1.1 自主感知模块通过分析全矿井的通风网络系统，在主要供回风地点安装风量、风压传感器，实时监测所有巷道的基本动态通风参数，确保无人状态下所有数据的真实性和准确性。长时间连续监测,便于通过大数据比对发现通风网络中的弱点和隐患风险,与矿井现有监测监控系统连接,完成通风系统的瞬时动态模拟捕捉与监控。1.2 决策预警模块在网络大数据技术基础上快速构建矿井通风系统模型，对通风网络中各个节点的风量、风压等参数实时采集测算。通过各类型传感器监测CO、CH4等气体浓度，构建矿井采掘地点和井筒、大巷等多维动态图。将现场实际安装的监测传感器与对应传感器采集回传数据相连接，当超过设定上限指标时，系统自动报警，形成快速反应处置机制，以便通风系统自动切换、调节风流方向，优化风险地点的供风量，实现自动化控制。1.3 多元数控平台利用较成熟的GIS技术搭建矿井通风系统网格模拟平台。结合多元耦合技术、冗余分析技术等先进技术手段,对各点自动采集通风参数信息快速计算解析,形成高效灵敏分析机制。依托矿井局域网络，形成智能通风装备与技术的互通升级。在原有监测监控各类传感器、采集器等设备基础上，将束管监测系统、光纤测温系统、预警管控系统、局部风机智能调控系统、工作面应急反风系统等子系统一同并入多元数控平台，形成多个系统集中监控调度的综合化应用平台，提高监控利用率。2智能通风系统功能分析2.1 智能优化风速采集技术由于井下各点巷道过风断面大小不一、巷道表面平整度造成的风阻大小不一等客观现象，导致风速监测时常出现精度误差。因此，通过改变布点方式，采取阶梯网格方式实现密集布点，将原有断面进行切割细分，然后分析断面内的风流风速分布规律，从而得出相对准确的平均风速在断面内的实际位置。经过优化后，将风速传感器进行定点安装，以此提升风速采集的准确性。阶梯网格方式分析风速分布规律如图1所示，矩形断面实测风速分布如图2所示。图1阶梯网格方式分析风速分布规律图2矩形断面实测风速分布2.2 传感器布局优化为监测矿井通风系统是否正常稳定运行，需要在各个采掘工作面安装风速、风压传感器,秉持安装设备少、监控范围广的原则，最大限度满足装备多用的目的。通过分析风流路线、通风方式、断面形状和面积、供风目的等，将风压传感器(FY)和风速传感器(FS)按照图3所示路线进行布置，发挥测点最大功能。©©图3不同通风路线的传感器布置方式针对井下各地点作业内容与通风不同方式，尤其是在绕道车场、分支岔路巷道和联络巷等地点，需要安装传感器进行监测。此外，在丫形和U形通风方式的采煤工作面回风流侧也容易出现风流不稳定现象；在主要运输大巷、掘进工作面设置有调节风窗的风门前后，由于运输需要经常开启风门，容易导致风流扰动影响较大，产生局部风速、风压变化。这些地点均需要安装传感器加强监测。2.3 智能决策与控制功能在构建智能通风监测系统前，通过对矿井所有巷道进行通风参数和有害气体实测采集，根据监测内容分类与功能需要，可在预警系统中预先设定安全指标的上限预警值。当监测数据超过预警指标时，按照自动化控制指令进行程序化操作，分级下达诸如自动反风、开闭风门、调整调节风窗扇叶角度、火灾信息监控报警等智能化操作，实现危险作业地点自动、无人化监管。3智能通风系统技术应用3.1 工程概况某矿核定生产能力为150万ta,属于高瓦斯矿井。水文地质条件中等，井田范围内呈单一向斜构造，延伸方向为北向西，煤层整体为近水平，赋存倾角为3°4°,属多煤层开采方式。自上而下可采煤层为1-2上煤组、12煤组、2-2煤组、23煤组、煤组和4-2煤组。其中煤组和4.2煤组为全井田范围可采煤层，赋存稳定，煤层厚度为3.76.8m,平均煤厚5.2m；12上煤组、12煤组、2-2煤组、2-3煤组仅一采区和三采区可采，煤层赋存不稳定，平均煤厚2.9m,矿井采用一采一备布置方式，共5条掘进巷道。工作面煤层自下而上逐层开采煤层群，形成下保护层工作面。通风方式为中央并列抽出式，其中主副斜井为供风巷道，回风斜井为主要回风巷道。地面风机广场安装有FBCDZ-8No302×630型对旋轴流通风机2台，可提供140286mTs的额定风量，一用一备，接入双回路双电源供电。目前，经过通风阻力测定和实际风量核定，矿井拥有832Im歹min的总进风量和8413mMnin的总回风量，风机负压为1830Pa.3.2 升级需求为打造智能化矿山和高产高效矿井，需对现有通风系统和监测监控系统进行升级改造。结合矿井现有条件，需要解决如下问题：依靠人工监测方式效率低下，实测数据精度低，无法实现通风参数动态变化条件下的连续观测，反馈信息不及时，统计分析周期较长，不能满足数据参数的可视化工作要求；无法有效掌握全流程、全网络各地点路线的通风系统情况，存在监控盲区和漏检区域，尤其是安装有局部通风机的地区，可能存在串联通风和局部涡流循环风等现象，具有较高安全隐患；通防部门技术管理人员无法准确掌握全部井下通风网络的准确数据，在制定调风优化方案时考虑不全面，存在计划失真，通风线路不合理，盲巷和通风阻力较大，影响系统优化调整，甚至有些巷道不能按照生产需求进行合理调配风量，造成瓦斯积聚和风量不足现象；在供配电碉室和车场配电点等安装有多组机电设备的区域，需要安排专职瓦检员或者以定点巡查方式进行瓦斯监测，既浪费人力，也无法确保在发生机电设备过载、短路引起火灾等灾变时，瓦检人员能够快速调度抵达现场；当需要对配风地点进行调风时，仍需人工调整调节风窗和过风断面，无法实现自动调节。3.3 设计方案优化结合矿井现有通风条件和系统优化需求，制定改进方案。3.3.1 采煤工作面优化方案以213107工作面为例，分别在213106辅运巷安装2道风门，213107胶带巷安装1道风门，在213107辅运巷及专回各安装1道风门。采煤工作面风流优化系统如图4所示。其中编号1、3、4为自吸风门；编号2、5为自调节风门。正常通风时，打开2、3、4等风门，形成U形全负压通风，关闭1、5风门形成闭合回路；发生灾变需要反风时，则打开关闭的1、5风门，形成风向逆流，由1号风门进风，5号风门回风，其余2、3、4号风门关闭，可实现反风效果。JnnNH，一一弟身出!_HZ即阀隼C2lJw=I3图4采燥工作面风流优化系统3.3.2 开拓大巷灾变条件下优化方案当开拓大巷某一地点发生火灾等事故时，由于明火存在火风压，在自然通风条件下，明火与有毒有害气体会随风流向下游区域蔓延。为准确监测灾变后的气体特征，需要安装烟雾和Co报警传感器。当监测气样指标超限时，系统自动打开胶回联巷处的2道风门，实现局部巷道的风流短路，改变供风方向，切断向下游蔓延的气体扩散通道，从而达到保护下风侧作业人员生命安全的效果。风流短路调控路线如图5所示。图5风流短路调控路线3.3.3 掘进工作面优化方案在掘进工作面新鲜风流进风侧安装有2台变频轴流式局部通风机，在巷道风门里正头、专回口安装有甲烷传感器。对风筒安装风压传感器，结合掘进期间实际瓦斯涌出量和浓度指标，系统自行计算供风量是否满足风排瓦斯需求，通过变频实现风量调节。掘进工作面优化布置如图6所示。ttKMM作然伏般m也ttk(l运作图6掘进工作面优化布置3.3.4 智能通风系统经过分析矿井通风能力与现状，针对现有通风条件与优化升级要求，构建智能化通风系统平台。(1)经过对矿井各巷道坐标参数进行采集，建立数字化矿井模型，更加直观展现通风网络的多维动态系统；经过对巷道主要测站安装传感器，实时监测采集通风数据，将鼠标点击在巷道模型任一点上进行多角度旋转观测，屏幕上会自动出现对应地点传感器的所有回传信息，如传感器编号、运行状态、是否报警、安装位置名称、监测风速指标、最大预警指标和甲烷、一氧化碳等气体浓度，可供管理技术人员进行综合分析评价，实现矿井通风的可视化、数字化管理。巷道数字化模型效果如图7所示。图7巷道数字化模型效果(2)通风设施风门自动调控。通过在配电点安装视频摄像装置监控风门开闭状态，联网并入多元远程控制系统，在屏幕上可显示风门状态、安装位置、局部通风机变频功率、风速、风量以及风门异常开启持续时长等参数。当通风网络异常，需要立即作出调控时，可通过风门调节远程自控系统改变风门的开闭状态；同时实时监测过风门风量变化参数，满足调控要求后自动停止风门移动。风门调节远程自控系统显示界面如图8所示。图8风门调节远程自控系统显示界面(3)为提升防灾抗灾应急能力，系统开发了火灾气体异常监测报警系统，作为子系统可并入多元数控平台，与智能通风模块、监测监控模块、束管监测模块和风机检测模块等功能模块一起使用。其主要监测内容包括主通风机供风量、压差，各采掘地点的供、回风量数据,束管监测到的CO、C02指标、传感器监测的CH4指标，各地点异常高温的火灾响应预警级别等。通过对相关信息进行系统性综合分析，得出科学灾害评估结论，利用实时反馈信息，制定合理应急救援方案。多元数控平台和监控如图9所示。图9多元数控平台和监控4结语通过对矿井现有通风系统现状进行评估，指出存在人工监测工效低、持续时间短、易产生巡检盲区、有漏检可能等弊端，体现出对通风系统升级改造的迫切性需求。对智能通风监测系统主要功能和技术特点进行分析，结合矿井自身现有条件，针对采煤工作面、掘进工作面和易发生灾变的开拓大巷等地点制定优化调风方案，提高通风系统的稳定性和可靠性。通过优化升级后的智能化通风监测系统投入运行，矿井在生产期间能够更直观分析调整各地点需风量，有利于矿井通风安全和高效调度，有效避免了火灾等事故发生，为实现矿井高产高效和本质安全奠定了基础。