基于智能决策的矿井通风技术研究

基于智能决策的矿井通风技术研究

方明灿

淮北矿业股份有限公司军事化救护大队 安徽淮北 235000

摘要：在煤矿智能化开采的大背景下,研究并发展智能通风技术装备，是保障安全生产及发展少人化、无人化煤矿的必由之路。本文是基于智能决策与控制系统下针对矿井通风技术进行研究分析并提出智能通风措施。

关键词：煤矿矿井；通风技术；智能通风；网络分析；调控系统；措施分析；

引言

依托矿山物联网，创新通风系统管理模式，从信息感知、技术决策、应急控制等方面突破行业共性难题，实现通风信息动态采集、通风网络在线监测、通风隐患自动辨识、通风调控辅助决策、风网态势智能分析等功能，常态下保证通风系统经济、可靠运行，及时动态排除通风安全隐患，灾变时期实现灾情动态研判、灾变范围动态圈定、灾变控制技术智能决策、灾变控制设施联动控制，提升矿山通风智能化水平。

1.煤矿矿井通风技术的安全性要求

在煤矿矿井通风时要严格考虑到通风系统的风量与通风的阻力关系，不仅仅是要满足井下各个的用风点的需求，同时还要保证有一定的富余量。通风技术的安全性需要坚持贯彻“以风定产”的方针，通风技术是构成通风系统的基础，以排除、稀释瓦斯气体、粉尘、热源等为出发点，满足井下作业人员的需求，实现风向与风量的有效控制，抑制并及时消除井下事故的发生。

2.煤矿矿井智能通风的技术要点

2.1通风监测与参数测定的技术。对通风系统中风量的参数测定与监测，是通风技术中的基本要点，也是掌控通风系统运行是否有效的最直观、最便捷的一种方式。通过测量巷道平均风速和巷道断面积，计算得出巷道风量。巷道风速测量与监测仪表方面，当前煤矿风速测量仪表使用最多的是机械式风表，其测量范围一般在0.3～15.0m/s，误差±0.2m/s；井下风速监测传感器种类较多，以压差式和超声波涡街式为主，GFY15型压差式风速传感器测量范围0.3～15.0m/s，误差±0.2m/s；风流压力的测量与监测是掌握巷道通风阻力，判识风流短路、风路阻塞、构筑物状态异常等通风隐患的重要方式。

2.2对通风系统进行网络组建与智能分析。通过对通风系统CAD图进行规范性处理，生成DXF文件，直接导入网络解算软件，自动生成具有拓扑连接关系的通风网络图形，大幅降低了人工建模的工作强度。在通风故障诊断方面，基于网络分析的通风系统故障诊断，为确定通风系统故障源位置，通过建立风阻-风流变化影响矩阵和风速、瓦斯、风门等预警诊断推理机制，根据风网结构和网络分支属性在复杂通风网络中自动识别出高风险区域，基于网络监测与动态解算，排查在煤矿现场的通风隐患，实现通风隐患与故障智能识别。（图1所示）

3.矿井智能通风待解决问题

3.1在准确及时获取通风参数方面的问题

1)风量精确获取技术装备。目前大面积使用的风速测量仪表、风速传感器启动风速基本在0.3m/s以上，在于低风速巷道风速测量、风门漏风检测、风流精确调控等方面相对误差较大；常用的机械式风表线路法测定风速在大断面巷道中测量结果的可靠性较低；风速传感器在监测数据的可靠性不高；巷道断面积的测量采用卷尺或激光测距仪测量巷道宽高，以规则形状计算巷道断面积，而煤矿井下巷道因成型误差、后期变形等原因形状各异，断面积计算结果误差较大，给风量的准确计算带来更大误差。2)风流压力、压差准确获取装备。无论采用何种解算模型和监测方法，通风系统参数尤其是巷道、通风设施阻力数据是通风网络准确建模的最关键因素，目前的测量与监测仪器仪表误差均在1%F.S 左右，而大断面、小风阻巷道阻力一般在几帕到几十帕，仪器仪表固有误差甚至超过巷道本身阻力，造成对通风网络解算、监测、分析、决策的保障不到位。因此，研发高精度风流压力、压差测量与监测装备是今后亟待解决的问题。

3.2 风量动态定量调节

1)按需分风风量的动态确定。每个月进行一次风量计算来配风，而上述参数在每个用风地点是随着生产的推进不断变化的，经常会出现风量过大导致的能耗浪费或风量不足导致的瓦斯超限等问题，因此需要一种基于新型传感技术的需风量动态分析预测模型和风量调控决策方法，为实现按需精准分风创造条件。

2)风窗调节的智能决策与控制。虽然目前出现了一些远程自动控制风窗，可以实现风窗开口面积的自动调节，但依然是通过“监测-调节”的循环与验证，解放了人员，但并未提高调控速度，同时因风量的精准监测问题没有得到解决，无法实现真正的风量定量调节；在煤矿井下的风量调节往往是多组通风设施同时调节，才可在不影响其他区域安全生产的前提下实现调控地点的按需分风。 因此，风量调控还需解决3个问题:①实现风窗的远程无人自主调控；②风窗过风量的快速精准调控；③多组通风设施并行调控前提下调控设施数量、调控设施位置、调控量的智能最优决策。

3.3 通风动力与通风网络自主匹配

我国矿井主要通风机耗电量占全矿井耗电量的8%～15%，而通过改变叶片角度、调控导流板等方式往往降低风机效率。在高压变频技术已经成熟的今天，应研发推广自动变频风机，根据风机控制区域实时计算的总需风量，远程监控风机运行状况，自动调节风机转速。局部通风机与用风地点需风量的自主匹配。因对煤层赋存、地质构造、瓦斯等异常变化掌控手段有限及生产不连续不均衡等因素影响，掘进工作面已然成为矿井安全隐患的集中区，目前的定量供风显然存在很多不确定因素影响安全生产。因此，应积极发展与推广智能调频局部通风机，根据实时监测与分析结果，自主调整掘进工作面供风量。通风动力装置的远程控制与调节。当需要调节主要通风机、局部通风机开停、工况点调节时，可远程控制进行调节，同时实现主要通风机附属装置的自动联动调节。

3.4 通风隐患自动识别与灾变应急控制

矿井通风的最终目的是保证井下安全生产，目前可通过监测实现风速超限、风流短路、风路阻塞、角联风路等隐患的判识，但对于煤与瓦斯突出、火灾、瓦斯爆炸等重大事故等的判识依然是技术难题，因此通风网络决策应与上述灾害研究相结合，研发重大灾害超前预测预警机制和预防及控制手段。

4.煤矿矿井通风系统智能优化的技术措施

4.1 通风系统的智能感知

所谓的智能感知，是指将物理世界的信号通过传感设备，借助语音识别、图像识别等前沿技术，映射到数字世界，再将这些数字信息进一步提升到可以认知的层次，以实现精确的人机交互界面。简单地说，智能感知就是通过各种传感器获取信息的能力，对于通风系统的智能感知技术，主要涵盖以下两个方面：

1)井下巷道中通风参数的智能感知。①稳定可靠的煤矿井下巷道全断面风速超声波或多普勒激光雷达监测装备，实现风速监测精度的提升；②考虑风流脉动特征的高精度单点平均风速监测技术和断面风速传感器安装位置确定方法，使传感器监测数据真实反映巷道实际风速；③满足全网络风阻(摩擦阻力)精确反演的高精度矿井绝对压力、相对压力监测装备，实现通风网络精确动态建模；④基于激光雷达扫描的巷道全断面精细成图装备，实现巷道断面的精确测定。

2)通风系统图形数据的智能感知。①基于惯性导航、陀螺精准定位的矿井动态三维图构建方法，实现通风系统图绘制的自动化，彻底解放人工繁琐劳动；②基于灾害控制需要的机电设备、风流障碍物定位技术与装备，为灾害风流控制与应急响应决策提供依据。通过上述通风系统图形及其基础数据的准确掌控，为实现通风系统智能建模、通风管理智能决策、通风隐患智能感知、通风灾害智能控制提供基础数据保障。

4.2 通风系统的智能决策

1)数据驱动的矿井通风网络快速构建。①兼顾传感器布置数量少和通风网络无盲区监测的传感器优化布置方法，实现网络实时监测数据获取全覆盖；②矿井通风系统动态图形与监测数据的融合技术，实现图形与数据、数据与数据的融合、共享与联动分析；③多源数据优选与网络模型实时更新修正技术，实现真实有效数据的筛选，保证通风网络模型真实可靠。

2)通风调控的联动分析与智能决策。①主要通风机、局部通风机与通风网络自适应和远程智能调控，实现风机运行与通风网络需风量相适应；②按需分风智能决策与自主调控技术，当局部区域需风量变动时系统智能决策并远程自主调控通风设施，实现风量供需平衡。

3)通风隐患的智能识别与及时报警。①基于图像识别的矿井通风系统合规性判识方法，为及时调整通风系统布局提供技术手段；②基于监测分析结果的通风隐患智能识别与优化技术，实现通风隐患在线排查，智能决策提醒；③全矿井有毒有害气体分布云图生成及分级评价技术，实现有毒有害气体从点监测向空间面域分析评价的转变。通过上述技术与装备的研发，实现智能通风系统模型的快速构建、通风系统调控的自主决策。

4.3 通风系统的应急调控

1)通风灾变的准确判识与辅助决策。①基于通风网络与监测数据联动分析的煤与瓦斯突出、火灾、爆炸等灾变快速判识技术，及时发现事故发生时间、地点；②灾害气体波及范围监测与智能预测技术，事故发生后自动标出灾害气体已确认波及范围和下一步可能波及范围，给出灾害气体控制与疏导、人员撤离、机电设备断电等决策建议；③灾变条件下通风智能决策方法，能够对灾区环境信息交互感知，研判区域灾情状态，提出最佳灾区隔离与控制方案。

2)通风灾变应急控制装备。①高可靠性抗冲击自动复位防爆门及其附属装置，确保灾变时期不仅能快速打开，而且能自动复位；②灾变区域隔离门，在系统发出报警信息后，通过自主决策灾变区域，可实现区域隔离门的远程开闭，缩小灾变区域范围。通过发展灾变信息判识方法、灾变应急控风装备和智能控灾决策技术，形成一套矿井灾变通风智能控制技术装备体系，实现灾变时期有效减灾、控灾，减少人员伤亡和经济损失。

结论：综上所述，智能通风技术是煤炭企业“增效益，保安全”的重要途径，用智能决策和控制系统来完善和提高矿井通风技术，使矿井通风参数的测定与监测，以及矿井通风网络分析与决策，通风调控技术与装备等多个方面进行研究梳理，总结归纳，实现矿井通风技术在煤炭企业智能化开采大背景下的跟随步伐，但要进一步解决智能通风技术的部分难点，还需要进一步的研究分析，着力研发，关键的核心技术内容，依托智能通风技术装备，真正实现智能通风技术体系化发展，形成强有力的智能通风技术装备，以此为基实现矿井通风无人化、智能化。

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