付村煤礦通防智能化建設實踐與問題探討

＊孟凡平 王偉龍 周新義 劉濤 夏同強,4

（1.棗莊礦業（集團）付村煤業有限公司 山東 277605 2.中國礦業大學 安全工程學院 江蘇 221116 3.華能慶陽煤電有限責任公司核桃峪煤礦 甘肅 745300 4.中國礦業大學 低碳能源與動力工程學院 江蘇 221116）

礦井“一通三防”是礦井通風、防瓦斯、防塵、防火工作的簡稱。2020年《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》被提出，要求到2025年，我國特大型、危害性較大的礦井基本實現智能化，到2035年，所有類型的礦井都將達到智能化水平，并在此基礎上，提出了深入貫徹落實“四個革命、一個合作”能源安全新戰略。

近些年來，煤礦行業學者對礦井通防智能化建設方式進行了大量的研究。如今，對于井下通風參數在線監測、人員定位信息，瓦斯等重大環境災害監測預警以及大型設備運行參數監測與故障檢測等方面，通過采用安裝各類型傳感器以及4G/5G等技術實現了在線監測診斷[1-2]。盧新明等[3-5]認為對井下通風網絡實時結算與遠程調節等手段是保障通風穩定可靠的重要手段。澳大利亞研究了可用于礦井通風參數分析及風網解算Ventsim軟件，并在此基礎上可進行災害的模擬仿真[6]；魏連江等開發了礦井通風可視化模擬系統，能夠自動繪制通風系統圖[7-8]。

根據以往的研究成果還存在一些問題：（1）通防設備自動化、智能化水平低；（2）通防數據不能夠在通防系統中高效利用；（3）通防控制平臺的功能比較單一。付村煤礦現代化智能通防系統建設是付村煤礦安全高效生產的重要基礎保障。為實現礦井現代化智能通防，付村煤業有限公司與中國礦業大學成立研究團隊進行相關問題的研究，建立了具有通防參數精準感知、風網實時解算、通防信息三維可視化與三維仿真、風險分析預警、故障應急診斷與調控等多功能的礦井智能通防綜合管控系統，使付村煤礦通防信息化、自動化和智能化水平上升了一個新臺階。

1.智能通防的內涵與架構

礦井智能通防是將信息采集處理技術、控制技術與通防系統深度融合，按照“平戰結合”的理念實現通防信息日常管理、異常診斷、預警與智能應急控制。智能通防與應急控制綜合管控平臺是以智能通防理論與信息化為基礎，融合主要通風機等通風設施、火災束管監測、粉塵監測、人員定位等模塊信息，集成一通三防中的通風、瓦斯、火災、粉塵的所有數據，基于數據挖掘，聯立人工智能和通防設備控制，實現通防安全的日常運維與異常管控。

付村煤礦智能通防安全與應急控制綜合管控平臺是在多元傳感器監測設備、環網交換機等智能通防硬件的基礎上，集成了安全監控系統、自動注漿系統、自然發火監測系統等八大子系統，通過精準測定礦井通防參數，進行風網實時解算，建立三維通風仿真模型與通防信息可視化展示，實現礦井通防參數實時監測和預警，異常診斷與隱患處理。付村煤礦智能通防建設過程中形成了“以智能通防設施為基礎、以礦井通防信息綜合管理與控制平臺為保障、以智能通防隊伍為核心”的通防隱患排查與治理一體化的先進管理理念（圖1），保障了礦井安全生產。

圖1 智能化通防綜合管理平臺組成與結構

2.智能通防系統建設實踐

(1)礦井智能通風系統

付村煤礦依據精準阻力測定數據，開發礦井通風網絡實時解算系統，建立全礦井三維仿真模型（1:1等比例）和VR虛擬仿真模型，支持“一鍵式”導入精細通風阻力測試參數，通防設備精準建模，礦井通風網絡拓撲關系自動維護，在線求解通風網絡所有分支風向和風量數據。實現了地面工業廣場和井下巷道、通風設施及采掘工作面的仿真模擬。礦井三維模型具備巷道、通風設施數據的查詢功能，實現了通風參數和設施的一張圖管理。此外，智能通風系統平臺支持災害動態仿真模擬、避災路線的自動生成，平臺通過對風煙流動與風量分析選擇最佳控風方法，并自動搜索可調風門，結合風網解算模型進行精準控風。

(2)通防參數可視化平臺

通防參數可視化平臺把通防設施遠程控制、礦井安全監控、人員位置監測、自動注漿、束管監測等系統結合，通過安裝智能通防設施，實現了各種通防參數的在線智能分析，關鍵通防設施布置見表1。

表1 智能通防設施布置

礦井安全監控系統通過每個傳感器所采集到的數據進行集成統一管理，通過對傳感器數據的挖掘實現對風險的判識，預警、并具備告警與歷史記錄查詢的功能。如KJ70X安全監控系統在井下采煤工作面及其回風巷和回風隅角、掘進工作面等地點安設了瓦斯傳感器，實現了對井下主要作業環境瓦斯濃度變化的實時在線監測，根據瓦斯監測數據對瓦斯積聚區進行智能預警、超限區域的智能斷電，實現了瓦斯災害的智能防治。

人員位置監測模塊通過井下人員佩戴設備將位置以列表等形式展現出來，可實時查看井下人員總數及各區域人員總數，展示所有人員的當前信息在通風設施、局部通風機、主要通風機控制模塊，付村煤礦通過南、北風井安裝防爆蓋自動閉鎖裝置、主通風機控制系統，中央風井安裝電動剎車裝置，實現了南北風井主要通風機運行狀態的遠程監控和在線變頻調速功能，具備一鍵啟動及反風、倒機功能。在關鍵通風節點安裝了4套智能風門和4套智能風窗實現了現場風門的智能感知以及遠程可視化控制，通過遠程控制風窗固定角度，可以更精準的現場調風。井下遠程控制通風設施協同控制系統實現了常態遠程控制+異常自主決策雙保險的聯動控制如圖2所示。

圖2 通防設備集成

防塵遠程控制模塊通過對噴霧降塵裝置的數據進行獲取，實現噴霧裝置的運行狀態的動態展示，并按照現場需要對防塵設備運行狀態進行遠程控制實現了井下煤流識別噴霧，皮帶起動噴霧和粉塵超限噴霧等功能。

束管監測系統實現了對井下采空區自然發火情況的監測、數據分析及上傳。通過對火災參數智能監測，實現井下發火智能預警。并且設有完善的防滅火系統，保證了井下火災的智能防治，如圖3所示。

圖3 智能化注漿系統

3.智能通防建設中的問題探討

在付村煤礦智能通防的建設過程中仍然存在一些問題需要后續的改進：

（1）通風網絡實時解算是礦井智能通防的核心，其實驗過程與傳感器的數量和精度有很大的關系，而付村煤礦現有傳感器數量較少，影響實時解算的結果，為后續工作造成困難。

（2）礦井智能通防系統隨著礦井采掘接續的變化，通防系統需要進行不斷的更新，雖然現有的開發平臺已經具有方便的人機交互功能，但通風網絡實時解算模型維護工作量仍然很大，需要進一步調控解算算法，實現數據的自融洽功能。

（3）智能通防系統目前在數據集成與日常運維方面積累的大量的數據，目前數據的智能挖掘、故障智能診斷與預測預警功能尚有更大的研究空間，特別是發生重特大災害時，井下信號中斷，災害影響方法智能確定與應急方案智能制定還需要大量的研究工作。

4.結語

（1）依托付村煤礦智能通防系統建設實踐，提出了付村煤礦智能通防的建設內涵和架構，以智能通風系統為基礎，集成了安全監控系統、束管監測系統等八大子系統。

（2）智能通防系統具備通防隱患排查與治理一體化、通防參數可視化展示和趨勢分析、通防裝備智能診斷預警、通防一體化成套技術與裝備等功能，為其他礦井的智能通防建設提供借鑒。