礦井通風智能化管控系統設計

顧士成 袁樹杰 馬瑞峰

摘 要：為了研究礦井智能化調風，防治礦井瓦斯危害，現將調風理論與智能化系統通過軟件編程結合，設計了一套智能化管控系統，以達到礦井通風系統中減人、省時、降耗等目的。同時，將該礦井通風智能化管控系統應用于山西省潞安集團李村煤礦，驗證該系統的有效性。結果表明：該系統的應用，減少了通風系統中相關工作人員的數量，也提高了相關工作效率。

關鍵詞：礦井;智能通風;通風調節

中圖分類號：TD724文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）10-0045-03

Design of Intelligent Control System for Local Ventilation in Coal Mine

GU Shicheng1 YUAN Shujie1 MA Ruifeng2

（1.School of Safety Science and Engineering， Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001;2.Hunan Ping'an Mine Safety Technology Co.， Ltd.，Xiangtan Hunan 411100）

Abstract： In order to study the intelligent air regulation of mine and prevent the mine gas hazard， this paper combined the air regulation theory with the intelligent system through software programming， and designed a set of intelligent management and control system， so as to achieve the purpose of reducing people， time and consumption in the mine ventilation system. At the same time， the mine ventilation intelligent management and control system was applied to Lichun Coal Mine of Lu'an Group in Shanxi province to verify the effectiveness of the system. The results show that： the application of the system reduces the number of related staff in the ventilation system， and also improves the related work efficiency.

Keywords： mine;intelligent ventilation;ventilation regulation

我國是能源消耗大國，根據2020年發布的《BP世界能源統計年鑒》可知：煤炭仍然是我國的主要能源物質，其消耗量仍在不斷增加，故加強對煤礦安全的研究，具有十分重要的意義。瓦斯災害事故一直威脅著煤礦安全生產的健康發展，在煤礦安全生產事故中，瓦斯災害事故占主導地位。為了防治瓦斯事故，加強對通風的研究極為重要。防治瓦斯異常涌出的方法有分源治理、分級分類治理及綜合治理等。國內外學者提出了提高瓦斯抽采率及增大瓦斯異常工作面的通風量等措施來防治瓦斯異常涌出[1-2]。李永剛將變頻技術與PLC（可編程邏輯控制器）相結合，以實現風機的變頻調風，并可在線監測風機的運行狀態等參數[3]。陳帥等通過對局部通風遠程集中管控系統的設計需求進行分析，設計了系統控制界面、構架以及運行環境，實現了對局部通風機運行狀態及環境參數的智能控制和監測，對礦井通風系統的安全穩定具有重要意義。Bascompta Marc等通過對某礦井通風回路溫度、風流和巷道長度等實測數據進行分析，建立了礦井通風回路預測模型[5]。本文運用風量調節理論和智能化通風技術，設計了礦井通風智能化管控系統，實現了智能調風功能。

1 通風調節理論

1.1 風量調節原理

當一個通風網絡系統中，分支網絡所需風量與其分配風量不同時，有

[j=1naijRjQjQj-Hfi-Hpi≠0i=0，1，2，…，m]? ? ? （1）

式中：[Rj]表示分支風阻值，N·s2/m8;[Qj]表示分支風量值，m3/s;[Hfi]表示閉合回路中風機風壓值，Pa;[Hpi]表示閉合回路中自然風壓值，Pa;[m]表示風網中回路數;[n]表示風網中分支數;[aij]表示向量函數值。當[aij]=0時，表示支路不在回路上;當[aij]=1時，表示支路在回路上，且風向相同;當[aij]=-1時，表示支路在回路上，且風向相反。

要使式（1）等號成立，則需要在獨立分支回路中增加相對應的風壓[ΔH]，如式（2）和式（3）所示：

[j=1naijRjQjQj-Hfi-Hpi-ΔHi=0i=0，1，2…，m]? ? （2）

[ΔHi=j=1naijRjQjQj-Hfi-Hpii=0，1，2…，m]? ? ? ? （3）

當[ΔH]>0時，表示支路需要增大風阻;當[ΔH]<0時，表示支路需要減小風阻。

1.2 風量調節方法

常見的風量調節方法有通風網絡分支風阻調節法、風機調節法及聯合調節法。通風網絡分支風阻調節法主要通過降阻調節法、增阻調節法以及增壓調節法來調控風網中的風量。風機調節法通過調整風機的葉片角度或者改變風機風速來調整風網中的風量。風機調速通常采用變頻調節，變頻器的工作原理如圖1所示。聯合調節法是綜合上面兩種方法進行調節，理論上效果應更優，但實際操作較為復雜、耗時長，故實際對通風系統進行調風時，優選前兩種方法。

2 礦井通風智能化管控系統設計

2.1 系統架構及組成

礦井通風智能化管控系統運行的環境配置如下：系統操作平臺為Windows Server，采用64位CPU（Central Processing Unit，中央處理器），所配備的系統內存不小于4 GB，并配備一個不小于100 GB的硬盤;數據庫平臺采用SQL Server 2008數據庫;Web服務器采用Tomcat 8.5服務器;運行環境為Java Development Kit 1.8。

礦井通風智能化管控系統的硬件部分包括：智能化采控器（KFAQ02）、礦用分線裝置（JH18）、礦用交換機、變頻器（BPB2-75/1140F）、智能開關（QJZ-160/1140（660）F）、聲光報警器、瓦斯和風速（量）等參數測量傳感器、攝像儀、礦用不間斷電源及礦用本安型計算機等。將上述設備安裝在井下風機附近的合理位置，組成一套通風智能化管控系統，整體框架如圖2所示。

2.2 系統功能實現

將上述設備安裝在井下通風機附近的合適位置，通過網線、光纖及RS485線連接，使所有設備均可與采控器通信，并且采控器采集的數據及參數可通過交換機傳輸至工業環網，最后傳輸至地面。

若巷道內瓦斯等有毒有害氣體濃度達到預警濃度的20%，則聲光報警器、井下管控硐室及地面管控系統開始報警;若巷道內瓦斯等有毒有害氣體濃度達到預警濃度的50%，則聲光報警器、井下管控硐室及地面管控系統開始報警，且系統會采用風機調節法或分支風阻調節法來增大整個通風網絡中的通風量，使瓦斯等有毒有害氣體排出礦井;若巷道內瓦斯等有毒有害氣體濃度達到預警濃度的100%，則聲光報警器、井下管控硐室及地面管控系統開始報警，且系統會使整個通風網絡中的風機全部以最大通風量工作來增大通風網絡中的通風量，使瓦斯等有毒有害氣體排出礦井。將上述語言轉換成編程語言，燒寫至智能化采控器和井下及地面計算機中。

整個系統采取三級管控：一級管控是地面管控平臺，主要包括計算機、管控系統（軟件）、數據庫以及大屏幕（顯示器）等;二級管控是指井下管控硐室，主要包括礦用本安型計算機和管控系統（軟件）等;三級管控是現場管控，主要包括管控系統（軟、硬件）和智能開關管控程序等。對于整個系統的三級管控，礦方可根據自身需求自行選擇一級和三級管控、二級和三級管控或者三級管控全選。

2.3 應用實例

山西省潞安集團李村煤礦響應國家煤礦智能化的號召，在西輔配電站及西翼進風巷兩處的風機安裝了智能化管控系統。將上述所有設備安裝完成，并且將所寫的軟件程序燒寫入采控器及計算機中，調試完成后，礦方可以實現如下功能：①礦井西輔配電站及西翼進風巷兩處通風系統可以實現三維顯示及動態監測;②實現礦井西輔配電站及西翼進風巷兩處通風系統中饋電開關、智能開關、風機、各類傳感器等所有設備的集中管理;③實現與西輔配電站及西翼進風巷兩處通風系統相關的設備及其他系統的無人值守和故障診斷與分析;④根據智能管控系統采集的瓦斯濃度等相關數據進行智能變頻調風;⑤關聯礦井其他系統，如安全控制系統等，進行整體分析;⑥留有融合其他系統的備用接口，為實現全礦智能化管控奠定基礎。通風智能化管控系統井下及地面管控平臺顯示畫面如圖3所示。

山西省潞安集團李村煤礦通過Admin的賬號及123456的密碼在如圖4所示的登錄界面進行登錄。登錄成功后，即可進入管理首頁，如圖5所示。管理首頁可顯示西輔配電點及西翼進風巷兩處有關通風機的瓦斯濃度、風機溫度及振動等相關信息。在該頁面點擊“昨日信息”，即可進入歷史數據備忘錄，查看風機的昨日相關數據，點擊“返回”，即可回到首頁。

3 結論

①礦井通風智能化管控系統通過軟件編程，將通風調節理論和智能化管控系統相結合，可以實現根據通風網絡中各區域瓦斯等有毒有害氣體濃度進行智能化調風的目標，使礦井內瓦斯等有毒有害氣體始終控制在安全范圍內。此外，還減少了通風系統工作人員的數量和工作量，滿足國家提出的“機械化換人、自動化減人”和“五型四化”的號召。

②通過智能化系統的研究與建設，可以實現礦井通風系統相關參數與數據的實時監測與顯示、集中管理通風系統中的所有設備以及根據瓦斯濃度等參數進行實時智能調風等功能。

③山西省潞安集團李村煤礦通過在西輔配電站及西翼進風巷兩處建立礦井通風智能化管控系統，可以實現智能化管理這兩處的多臺風機，減少了通風系統中相關工作人員的數量，也提高了相關工作效率。

參考文獻：

[1]侯少杰.煤礦瓦斯治理過程控制理論及應用研究[D].徐州：中國礦業大學，2010：1-189.

[2]胡利明.煤礦復雜風網“瓦斯異常涌出—變頻調風稀釋”自動控制理論及方法研究[D].徐州：中國礦業大學，2014：1-168.

[3]李永剛.基于PLC控制的變頻調速通風機系統[D].太原：太原理工大學，2012：1-92.

[4]陳帥，袁樹杰，馬瑞峰.局部通風機遠程集中管控系統研究[J].中國金屬通報，2020（9）：67-68.

[5]MARC B，JOSEP M R，LLU?S S，et al. Temperature Prediction Model in the Main Ventilation System of an Underground Mine[J].Applied Sciences，2020（20）：7238-7248.