矿井通风系统智能化改造及其应用

钟 彬，张小刚，王 磊，王耀强

1国电建投内蒙古能源有限公司 内蒙古鄂尔多斯 017209

2煤科通安 (北京) 智控科技有限公司 北京 100013

3煤炭科学技术研究院有限公司矿山智能通风事业部 北京 100013

4北京市煤矿安全工程技术研究中心 北京 100013

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[1-2]。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，依靠人工方式测风已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[3]。

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[4]。

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[5]。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Fig.1 Analyzing wind speed distribution by using a stepwise grid method

图2 矩形断面实测风速分布Fig.2 Distribution of measured wind speed in rectangular section

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Fig.3 Sensor layouts with different ventilation routes

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 Y 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 t/a，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、1-2 煤组、2-2 煤组、2-3 煤组、3-1 煤组和 4-2 煤组。其中 3-1 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 3.7～6.8 m，平均煤厚 5.2 m；1-2 上煤组、1-2 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 2.9 m。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-8No30/2×630型对旋轴流通风机 2 台，可提供 140～286 m3/s 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 8 321 m3/min 的总进风量和 8 413 m3/min 的总回风量，风机负压为 1 830 Pa。

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：①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；②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；③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；④ 在供配电硐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；⑤ 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。

图4 采煤工作面风流优化系统Fig.4 Air flow optimization system of coal mining face

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Fig.5 Control route for short circuit of air flow

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。

图6 掘进工作面优化布置Fig.6 Optimal layout of excavation face

3.4 构建智能通风系统

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Fig.7 Effect of digitization model of roadway

(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Fig.8 Display interface of remote automatic control system for air door adjustment

(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、CO2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Fig.9 Multi-component CNC platform and monitoring

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。