矿井智能通风原理及关键技术探析.pdf

矿井智能通风原理及关键技术探析康永明（内蒙古北联电能源开发有限责任公司高头窑煤矿，内蒙古鄂尔多斯0 14 3 0 0）摘要：矿并智能通风系统是保证煤矿生产安全的系统之一，是灾害防治的基础。在新时期，各类智能技术与矿并智能通风系统融合进程加快，本文深入研究矿井智能通风原理以及关键技术。关键词：矿井智能通风；原理；关键技术中图分类号：F406.3;TD724矿井通风主要就是借助机械向矿井内部输送新鲜空气，排出或者稀释有害的浮尘、气体，改善矿井内部的环境条件，对于矿井生产安全具有保障作用。目前，科技的快速发展使“智能化、自动化”技术被逐步引入矿井智能通风系统当中，煤矿智能化改造成为主流发展趋势，各大煤矿都逐步引人矿井智能通风系统，助推矿井通风。总体而言，矿井智能通风实施时间较短，相关研究较为欠缺，对于矿井智能通风原理以及相关结构了解不够深人，这使智能通风系统应用受到影响。因此，重点围绕矿井智能通风原理以及关键技术进行分析。1矿井智能通风的原理1.1原理矿井智能通风体系主要由通风网络、动力、可调节通风设施和现代化通风调节控制系统多个设施部分协同组成，依据矿井信息数据感知整合、信息可靠高效传输、矿井通风情况智能化分析检测与决策、通风动力调节管控指令发送和实际执行结果信息反馈流程活动。首先数据智能采集，收集整合矿井监控系统、人员定位和井下高速环网系统等数据，借助智能算法和系统通风工程技术,结合通风网络解算获取的数据,动态调整通风装置，实现风量优化调配。具体运行过程主要结合矿井通风信息获取感知、数据信息远程收集以及研究决策、数据传递和数据信息联动管控等不同模块整合形成“。通风信息感知获取。通风系统核心数据信息获取的感知神经包括矿井内设立的参数传感器，包括CH含量、粉尘质量浓度、温度、风速、矿井通风压力及风量等各类传感器，借助通风系统设施、通风设施参数状态反馈信息到传感器，防爆门资料信息监督监测传感器 2 通风信息输送推广。在矿井智能、先进通风系文献标识码：B文章编号：10 0 8-0 155(2 0 2 3)13-0 0 4 9-0 3统中数据信息传递推广相关的神经网络主要为矿井线缆与网络，包括传输线缆、交换机、工业以太网络、传输算法和传输分站等。数据分析与智能决策。智能决策是通风系统核心，借助数据挖掘手段针对矿井异常通风状态、异常位置和发生异常的原因等组织展开实时、系统化的研判和预警,明确灾害程度影响范围,与井下人员定位与逃生模式结合，制订矿井通风设备、设施的联动调节管控举措,使灾害实际影响范围缩小 3 。因此,其模块包括通风异常状态的在线语境诊断、网络在线结算、仿真系统、灾变预测以及抗灾、救灾和减灾等各种模块。联动调节控制。属于通风系统指令执行层，包括矿机自动可调节风窗、自动风控门、自动变频调节管理设备、通风管理控制装置、防爆门复位管理装置及远程密闭控制装置设备等。1.2功能矿井智能通风是借助智能化管理控制系统，结合矿井通风管理需求向矿井内持续、稳定输送空气，排出并释放有害粉尘和气体，保障矿井工作人员安全。一般智能通风需要将控制技术、数据采集技术设施和智能通风系统等有机整合，借助“平战结合”的模式实现矿井通风异常灾变情况下智能化决策管理和应急调节控制,确保日常通风自动化、智能化管理需求得到满足，其功能包括：一是矿井通风智能系统全程自动化，主要借助物联网、互联网、大数据和人工智能等实现智能调控目标，构建智慧煤矿通风系统，实现联动调节管控、决策分析，灾变条件下做到减灾、防灾和主动救灾等。二是矿井通风系统有着经济效益特征，维护通风系统经济性与可靠性，生产时期按照需求供风，满足通风异常自动诊断、感知与预警需求 4 2矿井智能通风关键技术2.1智能通风监督检测技术矿井通风数据信息智能检测手段是整合收集矿井49系统运行状态，实现风网智能化调节控制并实时结算的感知神经，参数有温湿度、气体浓度、风压和风量几个部分，矿内湿度、温度以及气体浓度在可靠性、进度层面基本满足参数获取和感知需求，矿井通风系统内部风速、风压参数的精准性、针对性检测是重点任务，相关技术也是关键技术 5。一是井巷风压（压差）实施精准测定技术。技术措施为：对敏感压力元件输出优势特征考察与掌握，测试分析矿井下环境温湿度，明确温湿度改变对数据收集精准度的影响，以此为基础，优先选择压力测试元器件，借助滤波设施、电路放大科技增强复杂电磁条件下配套元器件以及电路具备的抗干扰能力，同时适当加入补偿电路，提升传感器精准度。测试评估国内以及国外压力敏感元件，挑选与应用硅可变电阻式弹性膜盒，借助专业的自适应仪器，依托通风系统差动电路让共模抑制比逐步增强，零件漂移逐步减少，精准、系统地匹配相应的放大倍数和平衡动态性能，让传感线灵敏度增强；借助传感器收集整合形成的环境温度参数，借助神经网络算法和多源数据，提升传感器测量精准度,数值保持在1Pa左右，采取压差计算法以及气压同步法分析校验，智能在线感知预测矿井通风阻力状态。二是井风速测定。井巷风流的断面风速及湍流脉动存在的不均匀特征,是造成风速测量精准度降低的最主要原因之一 7 。对此,为保证风速测量精准度，需要设立抗干扰能力优异传感器，在粉尘和高温高湿状态下拥有良好抗干扰能力的风速测量传感器，借助选段每小时平均风速及瑞流统计法测量单点，改变传感器分布状态，引人超声波风速测量仪器，改变传感器件互相影响以及传感器校正问题，精准高效测量传感器，借助专业速度场恒定原理，把线段和点每小时平均风速逐步改变为井巷平均风速。风速计算公式主要为：V=0.5L(tw-tp)/cos式中,L一超声波路径,即距离m;tv一超声波顺风时间,即s;tp一超声波逆风时间;一超声波风向夹角和方向。现阶段，我国煤矿点风速传感器风速测量精准不超过0.3 m/s（距离/时间），基于这一精准度获取的井巷全断面风速计算误差相对较大，难以彻底满足风速计算需求。对此,超声波风速测量仪逐渐出现，依托超声波时差法精准测量线段实际风速，发射端与接收端之间跨度较大，改善了风速测量时期传感器尺度效应诱发的误差问题，是一种测量精准度较高的方法。辅助使用解耦算法和芯片精准计时（TDC)法，研发设立风速高精准度传感器，实现了测量精准度不超过500.1m/s，快速发展了平均风速测量任务。2.2通风异常分析判断预警技术通风异常诊断与判断预警技术是保证通风系统运行安全可靠性的基础手段，也是核心技术。一是诊断异常矿井通风状态，借助矿井通风数据状态、多传感器信息整合技术和线上数据实时结算形成，掌握通风动力与网络以及设施下存在的各类异常参数。考虑到矿并通风的突变与质变问题，系统化应用神经网络、机器学习和模糊数学等不同技术手段，创设专属的矿井通风专业诊断检测模型，借助模型精准诊断并定位矿井异常通风情况具体发生原因。预警矿井通风灾变或者灾变具体影响范围的确定，依托矿井通风模拟技术，设立灾害影响区域和灾害源长等效模型，将矿井爆炸、煤岩动力等各类灾害情况下风烟流传特征当作核心依据，掌握不同约束情况下，矿并通风参数数据，快速定位灾害类型与影响区域。二是矿井通风网络实时结算与矿井通风系统、异常诊断智能调控有着一定关联性,主要是借助风压、风量与阻力的实际定量，以及风网不同分支的具体通风特征和实时风阻，了解通风系统温差状态、实际风速、压差与压力等，在线对矿井通风网络数据、分支风向数据以及通风运行可靠性求解。矿井通风结算一般涉及拓扑关系动态转变、实时热湿通风网络模型、阻力系统调整、传感器优化布置、组变量反演和故障源诊断鉴别等关键、重点技术手段，在高精度风速、风压和温湿度等传感器对矿井巷道通风参数实时检测基础上，实现自主绘制设立矿并通风网络图、管理维护拓扑关系、异常诊断以及实时结算等各项功能。2.3通风设施智能调控一般矿井智能可调控通风系统设施需要合理设置在通风网络十分灵敏的分支中，与矿井内部作业生产密切关联。当通风网络内部分支对风量实际需求出现(1)改变后，通风系统可借助实际情况,选择灵敏度优异且稳定性较高的分支，对其展开有效调节管控。对于十分特殊的异常问题或者灾害，例如爆炸、火灾，组织设立针对性排烟或者隔离系统,将多组通风设施整合，有机联动，实现高质量预防灾害继续扩大；创设远程智能化、可调节的气囊式密闭管控设施，对风流出人远程管控，借助风压和风量存在的平衡优势特征,在提前分析预测矿并通风调节方案实施的可行性后，验证风机工况及风网风量状态。2.4通风机智能监测借助云计算、物联网以及矿井专属自动控制技术等，构建故障检测诊断、供电参数检测调节、风量参数数据分析、功耗判断和智能调节管控一体化的通风调控模型,通过一氧化碳、电流电压、温湿度、功率因素和转速等多种传感器，在线检测矿井通风机工况功率、故障概率、能耗状态、稳定性丧失预警、无人监控、一键式启动反风和智能化调控等各项功能，让矿井风机工作状态与矿并需风量有效配合。万物互联条件下，云计算与矿井通风机的能耗参数分析、运行状态检测和运行状态调节控制评估整合，融合风机厂家、矿井工程师和故障监测诊断工作人员等各项资源，协同分析风机运行状态并调节控制评估，确保风机运行的经济性与安全可靠性。稳定性计算方面，依托支持向量机制对通风机运行数据进行求解，定义通风机可靠度为R（t）其中t是当前时刻,为在标准条件下0,t时间段内测定规定功能具体概率。R(t)=J D(t)dt其中D（）是系统故障密度函数,不可靠度求解工程为：F(t)=1-R(t)通风机能耗分析以及运行状态检测调控层面，局部通风机与关键核心通风机两者通常保持一致，在变频调节层面，核心通风机主要对矿井通风工序和分支灵敏度需风量等各项参数有效区分，明确掌握此类参数和运行频率间关联性；局部通风机重点关注和判断具体运行频率以及分析风量供需关系，可以做到按需供风，防止出现单一调节情况。2.5矿井智能决策管理平台为提升矿井智能通风应急调节与管理效率,结合智能通风系统要求构建应急通风管理决策层、按需通风管理决策层以及矿井设备联动执行层，设立智能化、现代化决策辅助平台。在这一平台当中适当加人网络信息数据收集、网络拓扑维护、灾难事件虚拟仿真演化、数据干预护理以及智能决策分析等各项技术，多元化、交互式动态和在线体现感知相关参数，实现灾难事件迅速研判、矿井通风体系薄弱缺陷环节预警分析和灾害虚拟演化展现，依托应急装备体系和通风的调节设备，构建人员快速逃生通风一体化控制预案库，快速、高质量界定风速调节管理方案，为风速智能化、全面化调节管控提供支撑与帮助。在矿井通风智能化决策管理平台当中，设立井下通风模式三维仿真、通风异常不良状态监督诊断、通风网络实时系统化判断解算、灾变问题具体影响范围和模式分析、智能现代通风管理指令发送推广和自动通风管控方案生成等各项功能，在通风系统管理控制过程中借助平台分析研究、数据交互传输和信息处理分析等，为智能决策活动落实提供支撑和帮助。3结语综上所述,近年来，矿井智能通风系统的出现和推广应用，全面实现了对自动风门、风窗及其他各类智能设备的结合使用，精准、实时采集矿并通风参数，远程调节管控通风设备，调节优化风量风速，为矿井生产运行安全性增强提供保障，把握矿井智能通风系统具备的应用原理以及核心技术特征,规范合理将其引人矿并生产层面，借助智能通风系统为矿井通风安全提供保障。(2)参考文献：1卢新明,郭英,李静，等.矿井智能通风精准阻力测定(3)与初始化技术研究 J.煤矿现代化,2 0 2 2,3 1(0 6)：6 9-7 3.2张散先.矿井通风系统与安全监控系统存在的问题及对策分析 J.科技创新与应用，2 0 2 2,12（0 6）：14 3-14 5.3耿新洋，袁正平，王富林.基于ARDUINO的铀矿井下环境监测及智能通风系统设计 J.中国安全生产科学技术,2 0 2 2,18(0 7):10 9-113.4程健维，陈祖云，郑万成，等.智能矿井通风调节演示实验系统的设计与实验研究 J.中国现代教育装备，2 0 2 1(15):20-23+34.5张晓迁.矿井局部通风机多路输出智能分级切换应急后备电源装置的研发与应用J.河南科技，2 0 2 1，4 0(35):58-60.6张巍，李雨成，张欢，等.面向通风智能化的风速传感器结构化数据降噪方法对比 J.中国安全生产科学技术，2021,17(08):70-76.7周福宝，魏连江,夏同强，等.矿井智能通风原理、关键技术及其初步实现 J.煤炭学报,2 0 2 0,4 5（0 6）：2 2 2 5-2 2 3 5.8王延平，范京道，闫振国，等.基于通风等效面积的矿井通风难易程度分析方法J.工矿自动化，2 0 2 0，4 6(06):53-58.作者简介：康永明（198 3-），男，陕西渭南人，本科，工程师，研究方向：煤矿一通三防管理。51