以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)的礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)研究

劉廷方，魏 琦，雷 杰

（陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300）

引言

陜西某煤礦4號(hào)、5號(hào)煤層，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)該煤層屬于Ⅰ類自燃煤層，其中4號(hào)、5號(hào)煤層平均厚度分別為3.88 m、5.95 m。通常情況下我國(guó)將煤礦的通風(fēng)形式劃分為：礦井通風(fēng)、工作面通風(fēng)兩種方式。其中礦井通風(fēng)可以細(xì)分為兩翼對(duì)角形式、分區(qū)式、中央并列式、混合式。而對(duì)于工作面通風(fēng)形式可以具體劃分為U型通風(fēng)、H型通風(fēng)、Y型通風(fēng)、W型通風(fēng)。經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該礦井的通風(fēng)形式以分區(qū)式為主，而工作面通風(fēng)采用U型通風(fēng)方式[1]。該形式的通風(fēng)形式將引發(fā)上隅角瓦斯聚集、采空區(qū)漏風(fēng)等風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前井下監(jiān)測(cè)主要借助機(jī)械風(fēng)表以及秒表，經(jīng)過(guò)工作人員采集后將將其反映給井上工作人員，由于該方式具有較大的誤差，從而給井下帶來(lái)一定的安全隱患，為此可以開發(fā)智能通風(fēng)系統(tǒng)。

1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制

由于井下工況條件復(fù)雜，為了能夠更好地防止高塵、高濕的環(huán)境對(duì)機(jī)器的影響，為此選用PLC系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包含：數(shù)據(jù)采集/AD轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)分析與智能決策單元、遠(yuǎn)程控制單元，如圖1所示。具體工作過(guò)程如下[2]：首先由傳感器器采集風(fēng)壓、風(fēng)速以及瓦斯行亮等，接著將信息傳輸給A/D轉(zhuǎn)換單元，并且轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳輸給EM235單元，將該數(shù)據(jù)傳輸給PLC控制單元以及通過(guò)RS485單元輸送給上位機(jī)進(jìn)行處理。假如判斷需要向下位機(jī)傳輸指令，那么將調(diào)用執(zhí)行單元進(jìn)行控制。其控制過(guò)程主要選用PID和模糊控制算法，依據(jù)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制，從而可以更好地控制空氣中瓦斯的濃度。

對(duì)于風(fēng)門而言，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制，而且還能對(duì)行人以及礦車時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開閉的功能，同時(shí)在特殊的情況下實(shí)現(xiàn)人工控制風(fēng)門。在對(duì)風(fēng)門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，通常由地面工作人員輸入風(fēng)門風(fēng)窗打開的角度，與此同時(shí)風(fēng)門位置的監(jiān)測(cè)裝置可以判斷是否存在人員或者礦車，當(dāng)處于正常的情況下，風(fēng)門能夠自動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)處于斷電的情況下，可以由人工進(jìn)行調(diào)節(jié)。而當(dāng)在特殊情況下，可以由遠(yuǎn)程控制開啟，圖2、下頁(yè)圖3分別為遠(yuǎn)程自動(dòng)風(fēng)門、風(fēng)窗示意圖。

圖2 遠(yuǎn)程控制自動(dòng)風(fēng)門示意圖

圖3 遠(yuǎn)程控制自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗示意圖

對(duì)于地面上位機(jī)監(jiān)測(cè)程序而言，選用西門子WinCC組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)。其中上位機(jī)具有顯示數(shù)據(jù)、風(fēng)門開啟角度設(shè)置功能、一鍵自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能。具體操作如下：首先由工作人員錄入賬號(hào)以及密碼。然后錄入風(fēng)門需要開啟的角度，接著點(diǎn)擊一鍵調(diào)節(jié)按鈕，那么系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)門自動(dòng)控制角度。假如井下發(fā)生了緊急情況時(shí)，那么首先觀察風(fēng)門位置是否存在工作人員以及設(shè)備，從而能夠緊急關(guān)閉風(fēng)門。

2 智能模塊設(shè)計(jì)

2.1 拓?fù)浞治瞿K

當(dāng)完成通風(fēng)系統(tǒng)建模后，必須檢查通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的分支、節(jié)點(diǎn)等拓?fù)潢P(guān)系。其中拓?fù)潢P(guān)系主要涉及有連通性分析、進(jìn)回風(fēng)井分析、通路分析等。

1）連通性分析。主要對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)圖連接情況進(jìn)行分析，這樣可以更好地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解析以及優(yōu)化調(diào)節(jié)。通常可以借助遍歷分析算法將關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)加人到節(jié)點(diǎn)連通塊中。假如經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)最終僅僅剩下唯一一個(gè)結(jié)點(diǎn)，那么該通風(fēng)系統(tǒng)圖處于連通狀態(tài)。

2）進(jìn)回風(fēng)井分析。主要用來(lái)檢測(cè)進(jìn)回風(fēng)口的網(wǎng)絡(luò)情況。從而可以更好地分析進(jìn)、回風(fēng)口峰值的風(fēng)壓平衡情況。

3）通路分析。找到在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的所有通風(fēng)情況，從而可以更好地調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)中的阻力路徑優(yōu)化，通常選用深度優(yōu)化檢索法。

2.2 數(shù)據(jù)檢查模塊

由于礦井下面分支非常多，因此記錄的數(shù)據(jù)類型相對(duì)較多，往往一條巷道需要記錄巷道長(zhǎng)度、斷面面積、支護(hù)類型、風(fēng)壓與風(fēng)速等數(shù)據(jù)。因此，需要對(duì)數(shù)據(jù)分析歸類檢查，同時(shí)需要防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。

2.3 數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析單元主要從最大阻力路徑方面進(jìn)行分析。其中最大阻力路線是指在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，從進(jìn)風(fēng)口到回風(fēng)口的路線上不含有建筑的基準(zhǔn)路線。通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的過(guò)程中，假如供風(fēng)量不達(dá)標(biāo)，往往可以借助最大阻力路徑進(jìn)行計(jì)算并得出與其他最大阻力路徑的不平衡阻力值。

3 應(yīng)用效果分析

在對(duì)該礦15211工作面進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，其中測(cè)試監(jiān)測(cè)的氣體為二氧化碳，假如發(fā)現(xiàn)二氧化碳的濃度超標(biāo)時(shí)，那么系統(tǒng)將會(huì)啟動(dòng)通風(fēng)設(shè)置主要包括主通風(fēng)機(jī)、風(fēng)門、風(fēng)窗等，一直持續(xù)到氣體濃度達(dá)標(biāo)位為止。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中包含四個(gè)風(fēng)門，四個(gè)風(fēng)窗以及相應(yīng)的主通風(fēng)機(jī)。其中，以1、0為風(fēng)門風(fēng)窗的開啟情況（1表示全開，0表示全閉）。表1表示相應(yīng)的15211工作面氣體試驗(yàn)結(jié)果。假如氣體處于慢速釋放的過(guò)程中，這時(shí)可以啟動(dòng)1扇風(fēng)門、2扇風(fēng)窗，而相應(yīng)的主通風(fēng)機(jī)設(shè)定為30 Hz。

表1 15211采煤機(jī)工作面CO2氣體測(cè)試結(jié)果