漂塘鎢礦井下智能通風系統的應用研究

張水平，吝子巖，潘允敬，鄭國明，王軍敏

(1.江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州 341000；2.廈門海合達物聯科技有限公司，福建 廈門 361000；3.江西漂塘鎢業有限公司，江西 贛州 341000)

1 智能通風系統概述

礦井智能通風系統通過智能控制實現按需供風，穩定向礦井持續輸送新鮮空氣，供施工人員呼吸，稀釋并排出有害氣體和粉塵，改善礦井環境條件，救災時屬于具有一定智能調控風流的作業。智能通風系統采用個性化、智能化技術方案集中管理和控制，并實時監測全礦井各控制點的風量、風速、有毒有害氣體濃度、溫濕度等參數，達到按需通風、節能環保的要求[1]。

1.1 智能通風系統原理

智能通風系統通過傳感器采集全礦井相關點的風速、氣壓、溫濕度、有毒有害氣體濃度等重要參數，上傳到礦井通風監控中心，自動建立數據臺賬。分析監測數據可進一步控制礦井主通風機、局部通風機等相關變頻柜設備設施，對礦井通風系統進行自動調控，達到按需供風、節省通風電費的目的。 同時，智能通風系統能夠對主通風機或局部通風機進行故障診斷，對礦井通風區域的風流實施遠程調度和監控[2-3]。

1.2 智能通風系統實現的目標

1) 實時監測礦井下的有效風量、風速與風質,并自動建立相關測定數據臺賬，利用監測數據，自動分析判斷通風系統存在的問題，提出改進方案。

2) 實現礦山主要通風機遠程開機、關機、調速功能以及多級機站風機遠程反風功能。

3) 建立風機變頻運行制度，在滿足礦山通風的前提下節能運行，自動調整各級風機功率，調整各個分段的通風附屬裝置(風硐、擴散器和反風設施等)，實現按需通風，節能降耗，延長風機使用壽命[4]。

4) 根據進入礦山的車輛數量、人員數量、爆破量，自動調整主風機的風速和風量，根據人員和車輛所在的位置和時間，逐級調整主扇和輔扇的風速和風量。

1.3 智能通風系統的關鍵技術和設備

1) 通風系統感知技術。通過精確阻力測定和平差計算獲得主要風道和通風設施的風阻、風量、風壓、摩阻系數、原始風阻和局部風阻等參數，通過風機測定獲得主要通風機、局部通風機和輔助通風機的準確特性曲線。利用獲得的各風機的特性曲線、各風道的風阻和自然風壓等，解算各風道風量。

2) 通風主要設備。主要通風機、局部通風機和輔助通風機都能實現在線遠程變頻調速，主要通風機和輔助通風機應安裝精確的風量、風壓傳感器，局部通風機應安裝風筒風速傳感器，所有風機除了具有完善的電參數監測系統外，還應安裝振動傳感器，并提供遠程監測接口。風門和風窗應實現人工開關、自動開關和半自動開關，并安裝人車識別裝置、開度傳感器、聲光報警器和視頻傳感器，監測、監視和監控裝置應提供遠程接口。

3) 智能通風軟件系統。將地理信息系統與風機、風門、風窗監控系統，安全環境監測系統，采掘工作面位置及狀態監測系統以及人員和車輛定位系統進行集成，實現自然分風解算、通風網絡實時解算及災變狀態下風流模擬仿真，能夠進行通風系統優化、風速傳感器和調節設施的優化布置以及可測性和可控性評價，實現通風系統狀態識別和故障診斷、用風點需風量預測、自動優化正常狀態及災變狀態下的調風、控風的智能控制，正常狀態礦井風流按照節能原則自動調節，災變時期按照控制災變及有利救援原則智能控風、調風，并實現三維動態可視化[5]。

2 井下智能通風系統的應用

漂塘鎢礦采用平窿、豎井、斜井、平窿聯合的開拓方式規范開采，歷史上已形成十二個中段，礦山實際采選能力70萬t/a。目前礦區井下通風系統利用現有的主入風平硐作為主要入風通道，從入風側算起，包括采場所用局扇在內，布置Ⅰ級機站～Ⅳ級機站，形成既有壓入又有抽出的多級機站通風系統。

2.1 通風系統現狀及存在問題

漂塘礦區由于開采年限比較長，通達地表的井巷多，形成多路進風、多路回風的復雜礦井通風系統。經過調查和論證分析，通風系統主要存在的問題包括：①主要通風設備安裝地點分散且聯合運營，井下采區范圍大，風流調控設施種類多且布置廣，調節復雜；②井下通風系統的監控主要依靠人工，勞動量大，采集數據周期長且不齊全，不能及時反映通風存在的問題；③全礦8個水平中段均有采礦、出礦、掘進作業,加之部分采空區不能有效密閉，所以給通風系統管理帶來了一定的困難。

由此可見，漂塘礦區井巷通風的問題主要體現在風阻不均衡，無法實現按需供風。因此，構建一套智能通風系統具有非常重要的現實意義。

2.2 智能通風系統的構建

針對漂塘鎢礦井下通風的現狀，構建一種適合該礦區井下實際通風情況的智能通風系統，系統整體架構如圖1所示，主要由數據層、業務層、展示層三個層次組成。數據層包含兩部分內容，一方面把采集到傳感器、通風設備設施以及地理信息等多種類型與格式的數據存入數據庫，另一方面可以與業務層進行數據業務交互。業務層主要負責智能通風系統設備的控制和管理。展示層包括智能通風控制系統電腦端和手機App的各種功能與應用，同時為未來系統功能的改進提供接口。但由于漂塘礦區礦井巷道結構復雜，目前階段對礦區整體的智能通風系統搭建實施難度較大，故選定388工作面和448工作面作為試點，成功后推廣到全礦。

圖1 智能通風系統整體架構圖Fig.1 Overall architecture diagram of intelligentventilation system

2.2.1 傳感器的布置

井下智能通風系統的核心信息主要來源于精密的傳感器，主要包括風速傳感器、風向傳感器、溫濕度傳感器、CO濃度傳感器、氣壓傳感器等。為滿足對主要風路和主要用風地點的通風參數精準感知，傳感器的布置原則如下所述[6]。

1) 通風網絡監測在礦井通風網絡中關鍵分支巷道的關鍵點設置風流狀態傳感器,風流狀態傳感器主要包括風壓傳感器、風速傳感器、風向傳感器等。

2) 在礦井、采區的主要進風巷道、回風巷道以及各用風地點的回風巷道等風流狀態(風量、負壓)變化幅度較大的地方，安裝風速傳感器、風壓傳感器。

3) 采掘工作面回風巷安裝風速傳感器、風向傳感器，通過實時監測采掘工作面風量變化,進行后臺對比,可以及時發現回采工作面、掘進工作面的風流異常情況。安裝溫度傳感器,監測采掘工作面溫度。

根據以上原則，漂塘礦區傳感器布置方案見表1，安裝實圖如圖2所示。

表1 傳感器布置位置Table 1 Sensor layout position

圖2 448工作面中段北組5線傳感器Fig.2 5-wire sensor of north group in themiddle section of 448 working face

各個傳感器將數據上傳到遠程監控中心平臺，平臺將收集到的數據進行數據分析，并自動建立臺賬。一旦監測數據發生異常變動，平臺及時將異常情況告知管理維護人員，由維護人員及時處理，提高處理效率。

2.2.2 通風機的變頻改造

普通風機選用風量和風壓要比實際需要高(風量裕量5%～10%，壓力裕量10%～30%)，傳統控制裕量的方法大多采用擋板式閥門或減速器來調節、節流，盡管方法簡單，但通過人為增加阻力來達到調節的目的，既浪費能源，又增加噪聲[7-9]。智能通風系統通過監測井下環境情況，自動調節變頻風機的工作狀態，減少風機能耗(初步估計節能20%)，延長風機壽命20%。對試點輔扇進行變頻改造，改造電機數量6臺，總功率為89.5 kW。變頻改造風機的型號和功率見表2，風機變頻改造如圖3所示。

表2 變頻改造風機的型號和功率Table 2 Model and power of fan for frequency conversion transformation

圖3 風機變頻改造圖Fig.3 The alteration to frequency conversion for ventilator

改造風機所用的變頻控制器Goodrive200A，主要參數為輸入頻率(47～63 Hz)和輸出頻率(0～400 Hz)。風機變頻改造后的現場實際應用表明，變頻風機相較于一般的工頻風機啟動更加平穩，能夠大大減少啟動時的沖擊電流，延長設備和元件的使用壽命。同時，變頻后風機無需全天運轉，不僅實現按需通風，還減少軸功率的消耗，節能效果也十分明顯。

2.2.3 智能監控平臺的搭建

智能監控平臺是通風系統狀態展示和控制的平臺，包括井下監測站點和地面監控中心，具有數據收集、大數據分析、通風方案建議、遠程風機控制和智能反饋等功能(圖4)。該平臺工作時利用監測站點對井下環境參數(包括風機狀態的信息、礦井內的風量、風速、溫濕度、CO和O2濃度等)進行數據采集與分析[10-12]，并將監測結果上傳到地面的監控中心，井上的工作人員可以根據監控中心顯示的數據對通風設備設施進行遠程監測與控制，同時也可通過手機App實時查看井下通風狀態。

圖4 智能監控平臺的結構圖Fig.4 Structure diagram of intelligent monitoring platform

1) 智能通風監測站。監測監控系統獲取準確的相關參數是智能通風系統運行的必要保證，而智能通風監測站的主要功能就是信息的采集和數據的儲存(圖5)。通風監測站的控制面板上可以顯示每一臺風機的工作狀態和傳感器采集的數據，并將這些參數輸送到遠程控制平臺上，由組態進行實時數據的顯示。傳入平臺的數據一份存入數據庫作為歷史數據，另一份進入運算軟件中進行分析，然后對系統進行安全評判。運算結果回饋給平臺后通過組態軟件顯示評判的結果，最后再存入數據庫，完成對井下通風系統的實時安全評判[13]。

圖5 智能通風監測站Fig.5 Monitoring station of intelligent ventilation

2) 遠程監控平臺。遠程調度室的計算機作為數據服務器，安裝通風機專用的監控軟件，用于實時監測和記錄風機的工況狀態和參數，實現通風設備的遠程監控。通過該監控平臺可以實現賬戶管理、后臺礦區管理、數據展示與查詢、變頻器控制管理、故障報警等功能(圖6)，同時可以完成對通風機的遠程控制，如通風機的啟動和停止，通風機的變頻和工頻運行，可節省通風用電，實現礦井通風節能降耗，還能加強對井下通風系統風機的控制和安全管理[14-15]。為監控平臺增加登錄和控制風機的密碼保護，防止人員的錯誤操作和不當操作。當通風機的狀態參數出現異常時，啟動自動報警和故障保護，系統的冗余設計可實現上位機的集中控制和手動控制相結合的控制方式。

圖6 遠程監控平臺Fig.6 Remote monitoring platform

根據監測數據顯示，388工作面通風機在運行過程中轉速為1 500 r/min與實際轉速相符，運行時風機風量為0.34 m3/s，與實際測量偏差約為1.16%，風壓為0.39 kPa，與實際測量偏差約為1.33%，遠程監控平臺操作人員發出調節指令后井下風機反應的時間約為2.3 s，與其他試點通風機基本相同，由此可知該遠程監控系統具有較高的監測精度。

3) App軟件。管理人員通過手機App軟件實時查看井下通風狀態 (圖7)，包括各個監測站的實時環境質量和歷史監測數據。為收集到的數據建立三級告警機制，當監測點的數據出現異常時能主動告知維護和管理人員，提高管理效率。三級告警機制是當系統檢測出對人體有危害的有毒氣體超過一定含量后，觸發警報并發送給相關人員的報警機制。首先，管理員打開告警開關和短信推送開關，并在平臺的傳感器設置界面設置該傳感器的安全值、一級預警值和二級預警值，這三個數值分別對應的是提醒告警、重要告警和緊急告警三種級別，其中，緊急告警為最高級別，手機App端也有相應三種告警級別的顯示。當告警級別達到重要告警和緊急告警時，手機App端和平臺PC端會向管理員及工程人員推送告警信息,同時管理員及工程人員會收到一則告警短信。

2.3 智能通風系統應用的成效

1) 在試點的各個工作層和各個工作面布置傳感器，可實時監測巷道內的風量、氣壓、溫濕度和有害氣體情況，為生產管理提供實時有效的數據，大幅度減少人工數據采集工作量，解決人員不足和信息數據不及時的問題。

2) 試點變頻改造的六臺輔扇總功率為89.5 kW。 采用傳統的通風模式，所有輔扇風機全部開啟，每天耗電量為2 148 kW·h，每年耗電量約78.4萬kW·h。智能通風系統可根據井下情況自動調整風機工作狀態，實現按需通風，每年可節省能耗20%，約15.7萬kW·h電，按0.5元/kW·h計算，每年可節省費用約7.8萬元。

3) 全天候的通風系統檢測，提高井下空氣質量，減少職業健康危害，有利于井下工作人員的身體健康，提高員工的工作滿意度。

4) 智能通風系統構建完成后可為礦區培養一批熟悉物聯網、通信、物聯傳感等的相關技術骨干，能夠承擔系統的運營維護管理工作，為實現智能化礦山儲備人才。

除此之外，此次試點工作也對其他金屬礦山起到示范作用，對智能通風系統應用推廣有較大影響，具有一定的社會效益。

3 結 語

金屬礦山通風系統的智能化是科技進步的體現，也是未來發展的必然趨勢。隨著人工智能的飛速發展，智能通風系統也會日益完善，而其作為礦山新基建的一種典型，勢必也會推動智慧礦山的建設。未來智能通風系統的廣泛應用，將會進一步提高礦山整體的安全性。