黄白茨煤矿智能通风系统建设研究与设计
时间:2023-02-13 22:34 来源:中国煤炭杂志官网 作者: 点击:次
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★ 科技引领 ★ 黄白茨煤矿智能通风系统建设研究与设计2020年2月，国家发展改革委、国家能源局等8部委联合印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》的通知，要求到2021年，建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿。2021年1月，国家能源集团印发了《国家能源集团煤矿智能化建设指南》，对煤矿智能化建设的内容、达到的标准作出了具体的安排[1-3]，其中对智能通风系统中的主要通风机、局部通风机、风门、风窗、自动测风等井下通风设施需要达到的功能进行了细化，并对地面软件平台提出了具备建模与初始化、智能调控与可视化展示、系统分析与维护等模块要求，最终实现矿井通风参数自动测量，地面远程对井下通风设施的控制和调节、通风软件实现网络解算的目标。基于此，笔者对黄白茨煤矿智能通风系统建设方案进行了研究与设计，以期达到矿井通风自动化减人、智能化分析与决策、远程无人化控制的目标。 1 矿井通风系统现状黄白茨煤矿矿井通风方式为中央边界式，通风方式为机械抽出式，由主井、副井、行人斜井、北风井、回风立井5条井筒组成。安装2台主要通风机、3套自动风门、3套手动风门、9道主要调节风窗、1套安全监控系统，矿井通风最长路线为7 km，采煤工作面采用全负压“U”型通风，掘进工作面采用局部通风机压入式通风。 目前矿井在通风系统管理和建设方面已经取得一定成效，但与智能通风系统要求建设的内容和达到的效果还存在一定差距。一是目前安设的风速传感器数量不足，传感器监测精度不够，传感器有效性判识、最佳安装位置、系数调整等使用管理方面还需进一步改进；二是井下风量测量方式为传统人工机械表测量，机械式风表存在携带不便、操作复杂且存在测风滞后性等问题；三是井下自动风门不能实现地面远程控制和灾变联动控制；四是风窗调控为手动百叶或手动插板形式，不具备远程控制功能；五是在通风系统分析和决策方面还缺少先进技术手段等。 2 智能通风系统的建设目标及总体思路2.1 建设目标根据《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》《国家能源集团煤矿智能化建设指南》等规定要求，结合智能通风系统最新技术和黄白茨煤矿对通风参数感知、通风辅助决策、风量调配控制等3个方面的自动化和智能化需求，对现有通风参数智能感知技术及装备进行更换升级；建设集通风网络在线监测、隐患智能辨识、通风设施设备远程控制为一体的通风决策及控制系统；建设包含风量远程自动测量、风门远程自动控制、调节风门及风窗远程自动调控、主通风机和局部通风机远程控制的通风设施设备智能控制系统；建设区域风流自动调节、工作面火灾反风、带式输送机火灾风流应急控制的通风灾变联动控制系统；从技术方面实现“可看、可调、可控、可算”的目标。 2.2 总体思路智能通风系统建设采用总体集成、模块化建设的思路开展工作，从智能感知、智能决策、智能控制等3个方面进行建设[4]。首先，在现有通风相关参数监测的基础上，新增或升级通风参数精测装备，实现通风网络关键参数的精准监测，保证基础数据的准确性和可靠性；新增巷道全断面自动测风装置，实现地面远程测风。其次，进行全矿井巷道和通风构筑物的阻力参数测定，构建通风网络三维模型，实现通风网络的动态解算、在线监测、三维展示，建立适合于黄白茨煤矿现场实际的通风系统预警指标体系及模型，实现矿井通风系统隐患的自动辨识和超前预警。最后，新增包括局部通风机远程变频控制、风门和风窗远程自动控制的智能控制系统，并建设一套采煤工作面区域反风和火灾应急远程联动控制系统。通过上述技术、装备融合，形成一套完备的智能通风技术与装备体系。智能通风系统建设总体思路如图1所示。 
图1 智能通风系统建设总体思路 3 智能通风系统建设主要内容3.1 通风参数感知技术及装备3.1.1 通风参数精测装备 通风基础参数的测定是一项最基础、最重要的工作，只有在全面准确掌握巷道风速分布规律的基础上，才能为后续的网络解算、通风辅助决策、风量调配控制提供有效和可靠的数据。因此，需要配备高精度电子风速表和风速传感器，实现风速0.1～15 m/s 量程的测量；配备高精度、高灵敏性气压测量仪器，实现700～1 200 hPa量程的绝对气压、相对气压的测定，实现井下直接标记测定数据和地面直接上传处理，有效降低矿井日常通风阻力测定、局部调风等工作劳动强度，为通风网络模型的快速、精准构建提供数据支撑，提高工作效率。 3.1.2 通风参数精测技术 (1)风速传感器精确定位系统分析与测试验证。采用理论计算、数值模拟来确定典型巷道风速分布的基本规律，并计算出巷道平均风速线所在位置。风速分布规律的现场考察选择典型巷道进行现场监测工作，以掌握巷道断面风速分布基本规律，现场选择典型断面采用阶梯网格式布点方式进行大量布点测量巷道断面风速分布情况，绘制断面风速分布等值线图，寻找巷道腰线位置、顶板位置的平均风速点，最终确定典型巷道风速传感器准确安装位置，为快速测量和准确监测巷道风速提供技术支撑。 (2)风速传感器监测有效性考察。对于巷道内存在带式输送机、特殊断面巷道、风速变化频繁巷道，风速传感器安装完成后仍然需要定期考察其风速监测值是否满足监测精度的要求。通过高精度电子风速表对井下风速传感器进行不定期的校准，形成一套风速传感器精准监测有效性判识的方法。 3.1.3 通风参数精测工程 为了实现矿井对通风参数的精准把控，为井下调风、网络解算、系统优化等提供基础数据支撑，采用高精度气压表、超声波风速表等仪器，精细化测定井下所有巷道、风门、调节风门通风阻力，为通风网络模型构建及通风系统调整的精准决策提供真实可靠的基础参数，实现数据驱动的精准决策。全面测定矿井巷道通风基础参数，包括静压、风速、温度、湿度、巷道断面尺寸等，计算得出各条井巷断面尺寸、风量、风阻、摩擦阻力系数等数据；测定所有通风设施的通风阻力数据，计算得出通风设施风阻。 3.1.4 通风参数传感器布置 (1)监测传感器布置原则。在采掘工作面安装风速和风压传感器，采区主要进回风联络巷风门两侧安装风压传感器，实时在线监测矿井通风系统相关风速、风量、风压等参数，对全矿井通风网络进行实时解算和分析。在矿井的主要进回风及风流波动较大的巷道安装风速传感器监测风量变化，利用通风网络解算软件动态解算风量变化对其他巷道的影响，并对供风达不到要求的进行提示报警。在回采工作面布置传感器，进行通风参数监测，研究通风监测参数的变化规律，如采掘、运输、行人、开关风门与巷道风阻、风量、风压变化等的关系，利用该规律和监测数据对工作面通风安全状况进行评价。在关键地点安设风压传感器，对这些处于非采掘面区域的关键风门风压进行监测。 (2)监测传感器布置方案。风速传感器方面，目前安设的风速传感器安装符合有关规定，根据通风网络解算和风量调控监测精度的需要，增设16台高精度风速传感器。压差传感器方面，为有效监测关键用风地点阻力变化情况，增设5台压差传感器。 3.2 智能通风决策及控制平台按照建设要求，建立1套集通风在线监测、通风隐患自动识别、通风设备远程控制、通风灾变联动控制等多功能为一体的智能通风决策及控制平台[5-7]。 (1)井下风量按需分配模拟。在矿井通风系统改造调整、系统方案优化的制定中，提前模拟系统变动后风网状态，提高通风的系统可靠性。 (2)矿井通风网络实时监测与动态解算。以矿井通风网络风阻模型为基础，根据矿井主要通风巷道及关键地点的风速实时监测数据，对矿井通风网络进行实时动态解算，从而掌握整个矿井所有通风巷道的风量分布。 (3)通风隐患及异常变化预警。以网络实时动态解算和通风实时监测数据为基础，对通风系统稳定性、风速超限、风量不足、微风、循环风、风流逆转、风流短路、供需失衡等隐患以文字和图形渲染等方式进行智能报警。 (4)通风三维一体化展示。三维展示能够为人们呈现更直观、交互性更强的可视化效果，并能够减轻人们的认知负担和分析负担。根据煤矿常用梯形、三心拱、圆弧拱等断面参数结构计算公式建立三维井巷模型，根据密闭、风门、风窗、硐室等参数结构建立井巷附属设施三维模型，同时建立井巷三维注记、节点轮廓线处理等模型。研究三维场景动态浏览技术，选择合理、先进的空间数据库引擎平台和通风系统三维展示平台，展示包括井巷、通风设施设备、风网解算数据、传感器及监测数据、风流方向等内容。 (5)有毒有害气体分布分析及云图展示。针对有毒有害气体单点监测不能全面反映其在地下空间分布情况的问题，系统能够结合通风网络动态解算的风量数据自动计算每条巷道有毒有害气体浓度分布，并进行云图展示和超限报警。 (6)通风设备远程调控。通过通风装备智能化控制系统开发，实现了井下自动测风装置、局部风机、自动风门、自动风窗的远程集中控制及其展示。 (7)通风灾变联动控制。借助远程自动调节风窗及远程控制风门，根据设定的反风控制模型，实现矿井工作面火灾或运输巷带式输送机火灾情况下的应急通风控制。 3.3 通风系统智能控制3.3.1 巷道全断面风量远程自动测量 按照建设要求，井下风量需要实现远程自动测量，目前矿井风量测量体系不满足智能通风对风量远程自动、快速精确测定的要求，因此需要增设8套自动测风装置，实现巷道全断面风量自动测量，同时安设8台防爆摄像机，对测风装置的运行状态进行实时监视。 巷道全断面风量远程自动测量原理是通过在测风站安装走线式自动测风装置，在控制箱程序指令下通过动力机构驱动风速传感器运动，从而实现风速传感器在巷道断面内进行“六线式”测风，测量结束后将风速传感器数据上传给控制箱，计算得到平均风速，实现就地和地面上位机同步显示测量数据。 3.3.2 风门远程自动控制 现有3套自动风门已经实现风门的本地自动控制，但不能地面远程控制和灾变联动控制，按照建设要求，需要在原有自动风门的基础上增加3套远程自动控制风门，同时安设6台防爆摄像机，对风门运行状态进行实时监视。远程控制风门具有以下功能。 (1)就地控制与远程控制功能。支持就地按钮控制、红外感应控制和地面远程控制功能。 (2)防夹人功能。针对目前自动风门开闭夹人、夹车问题，采用红外感应方式，有效提高自动化条件下的风门安全性。 (3)双重闭锁功能。具备机械闭锁和电路闭锁功能，在车辆、行人需要通过时，确认风门关闭情况下，可打开通行侧的风门，通过后关闭风门，再打开另外一道风门，保证同一时刻最多只有一道风门开启。 (4)自动复位功能。启动风门时，PLC扫描完成初始化复位任务，保证风门处于关闭状态；风门开启后，由于各种原因风门未关闭时，装置根据现场设定时间，自动控制风门关闭，确保井下通风系统正常运行。 (5)断电开启功能。遇停电、电气故障或供电系统检修时，控制系统断电自动泄压，可以人为轻松推动风门，保证车辆、行人通过。 (6)远程通讯与控制功能。系统配有RS485通讯接口，可实现远程自动控制。 3.3.3 远程精确自动调节风门控制 按照建设要求，调节风门应具备远程及就地自动控制的功能，现有调节门不满足智能通风建设的要求，也不具备改造升级的条件。因此需要增设2套具有就地手动、自动以及远程控制的调节风门，既要满足调节风量的功能，还要满足行人、过车的功能，同时安设4台防爆摄像机，对调节风门运行状态进行实时监视。 自动调节风门能够实现远程智能化调节，通过远程控制微调执行器，实现风门过风面积的大小达到调节风量的目的，实现远程及时、快速调节。远程自动调节风门具有以下功能。 (1)就地控制与远程控制功能。支持就地按钮控制、红外感应控制和地面远程控制功能。 (2)防夹人功能。针对目前自动风门开闭夹人、夹车问题，采用红外感应方式，提高自动化条件下风门的安全性。 (3)远程风量精确调控功能。根据配风需要，远程自动控制百叶窗角度，调节过风量，直至监测的风窗过风量与设置过风量相符。 3.3.4 远程精确自动调节风窗控制 按照建设指南要求，调节风窗应具有远程及就地自动控制的功能，现有调节风窗不满足智能通风建设的要求，也不具备改造升级的条件，因此需要新增5套具有就地手动、自动以及远程控制的调节风窗，同时安设5台防爆摄像机，对调节风窗运行状态进行实时监视。自动调节风窗能够实现远程智能化调节，通过远程控制微调执行器，实现风窗过风面积的大小与调节风量相符，实现远程、及时、快速调节的目的[8-9]。 3.3.5 通风灾变联动控制 (1)区域风量调控。借助于远程自动控制调节风门及调节风窗，建立矿井区域风量自动控制模型，实现矿井区域风量自动调节。 (2)带式输送机火灾风流应急控制。借助远程自动控制调节风门，建立风流快速短路控制模型，实现带式输送机发生火灾时的风流应急控制。 3.3.6 主通风机、局部通风机监测及控制融合 现使用的主通风机、局部通风机支持远程控制，因此将主通风机和局部通风机控制系统融入智能通风决策及控制平台中，借助于主通风机自带的远程控制系统，实现主通风机的远程启停、变频控制、在线监测及故障诊断等功能[10-12]。 4 应用情况2021年12月，黄白茨煤矿智能通风系统建成并进入试运行阶段，通过对试运行阶段存在的问题不断改进和优化，建成了信息全面感知、自主融合、动态辨识、精准预警及联动控制的智能通风系统，实现了风门、风窗、传感器设备数量的自动统计、关键点通风设施的视频监控、监测和预警，具备设备在GIS图分布、通风网络图风量、通风三维仿真等功能，达到了智能通风调控目标，实现了分析决策与联动调控以及灾变条件下的防灾、减灾、控灾和主动救灾等全过程的智能化。 黄白茨煤矿智能通风系统建成后，矿井智能化水平整体得到显著提升，达到了减人提效的建设目标(减少测风、调风人员)，年节省人工成本约2%；矿井通风安全系数得到明显提高，抗风险能力明显提升；矿井风量实现按需供风和及时调配，降低能耗约15%。 5 结语黄白茨煤矿采用总体集成、模块化建设思路开展智能通风系统方案设计，从矿井通风参数感知技术及装备、智能通风决策及控制平台、智能通风设施设备控制等3方面进行系统建设，实现了通风基础参数的精准测定、井下风量按需分配、矿井通风网络实时监测与动态解算、通风隐患及异常变化预警、通风三维一体化展示、有毒有害气体分布分析及云图展示、巷道全断面风量远程自动测量、远程精确自动调节风窗和风门的控制，具备通风灾变联动控制、主通风机与局部通风机监测及控制融合等主要功能，提高矿井通风系统自动化和智能化的水平。 [1] 白怡明.煤矿井下智能通风系统的设计及应用[J].智能矿山，2022，3(01):76-79. 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移动扫码阅读 ZHANG Ming, HE Yunwen.Research and design of intelligent ventilation system construction in Huangbaici Coal Mine[J].China Coal，2022，48(9):107-112.DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2022.09.016 |