中国煤科张浪研究员：矿井智能通风成套技术装备研究及应用
图1 智能通风成套系统整体结构
矿井通风安全是煤矿安全的核心和基础，是保障矿井安全生产的重要保证。在煤矿正常生产期间，为保证井下作业空间风量充足，防止风流中有毒有害气体浓度与粉尘浓度超标，避免火灾、粉尘灾害、瓦斯灾害事故的发生，须对通风系统进行监测与管控。在矿井发生瓦斯爆炸、煤尘爆炸、火灾、煤与瓦斯突出等灾害时，通风设施容易受到不同程度的破坏，造成局部风流状态紊乱，甚至导致整个矿井风流处于紊乱状态，对灾变风流的应急控制是防止事故损失扩大和避免中毒、窒息等次生灾害事故发生的重要保证。
矿井智能通风是智能矿山建设和智能化开采安全保障的重要内容，符合矿井节能减排、绿色高效发展的要求，同时智能通风是灾变应急控风的基础，防灾减灾的有效途径。目前，矿井通风系统普遍存在通风参数监测点数量少、准确性低、风量自动调控难、人工调控效率低、“一通三防”设施自动化控制水平低的问题，为保证矿井通风安全的可靠性和有效性，减少人工管理缺陷和效能不足，提高矿井通风的自动化、信息化和智能化水平，适应新时代智能化矿山建设发展的需求，实现矿井通风的实时监测感知、故障智能诊断、灾害智能预警、安全智能管控和灾变智能应急控制，非常有必要开展矿井智能通风的研究。
作为中国煤炭科工集团有限公司智能通风解决方案的牵头单位，煤炭科学技术研究院有限公司拥有国内第一个成套煤安标志的矿井智能通风调控系列装备，目前在该领域处于国内领先地位。历经10余年研发的矿井智能通风管控系统已在陕西煤业化工集团张家峁煤矿、红柳林煤矿，国家能源集团保德煤矿、补连塔煤矿、利民煤矿，淮河能源集团张集煤矿等几十个煤矿开展推广应用。研发的智能通风成套系统在行业内率先形成了“风流准确监测-控风智能决策-风量定量调节-灾变应急控制”一体化技术装备系统，为矿井通风系统构建了全时段立体“防护武装”；智能通风成套系统包括VentAnaly三维矿井通风智能决策软件、矿用定量调节自动风窗、多功能可变形远程自动平衡风门、全断面高效全自动测风仪、局部通风机智能控制系统、主通风机智能控制系统和抗冲击自动复位风井防爆门等7个部分，智能通风成套系统整体结构如图1所示。
作者：张浪，研究员，硕士生导师，煤炭科学技术研究院有限公司一级首席专家，现任煤炭科学技术研究院有限公司智能通风事业部副总经理
引用：张浪,姚海飞,李伟,等.矿井智能通风成套技术装备研究及应用[J].智能矿山,2022,3（6）：71：79.
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01 VentAnaly三维矿井通风智能决策软件
针对矿井通风网络解算软件三维交互性能不足、实时风网解算准确性低、通风数据管理效率低、缺少控风方案智能决策功能等问题，开发了VentAnaly三维矿井通风智能决策软件。VentAnaly软件平台利用粒子追踪和高速渲染技术实现了风流、烟流、有毒有害气体扩散动画模拟和阻力三区/风速/标高的巷道数据-颜色梯度展示，运用模型-视图-投影矩阵技术实现了人机交互功能，能够对井下巷道、节点、通风机、风筒、风门、密闭、传感器等通风设施以及各类传感器进行可视化建模和网络拓扑的自动建立，实现了通风电子图纸管理，可自动生成通风系统平面图、三维立体图、通风网络图；VentAnaly软件平台可以采集、存储和管理通风风速、温度、湿度等环境参数及通风设备运行状态数据，实现了监控数据图形化显示，并以实时监测数据为基准，快速解算其他巷道风量，进而消除监控系统的风量监控盲区；VentAnaly软件平台可以根据矿井采掘等用风地点需风量要求，动态核定矿井通风能力，采用多目标动态计算技术，智能分析并给出各通风设施调节位置及调节量大小等风量调节方案，远程定量调节井下自动风窗通风面积、局部通风机和地面主通风机运行频率。
VentAnaly软件平台采用BS架构开发，PC前端支持IE、Chrome、火狐、360等浏览器，后端为Linux服务器，提供数据存储管理服务，支持容器化部署。在浏览器地址栏中输入对应网址即可进入登录页面，然后点击进入一键测风、智能局部通风系统、回采工作面通风智能管控、主运巷灾变风流应急控制等界面。VentAnaly三维矿井通风智能决策软件平台现场应用如图2所示。
图2 VentAnaly三维矿井通风智能决策软件平台现场应用
VentAnaly三维矿井通风智能决策软件主要特点：通风系统全场景三维可视化，矿井通风安全性智能分析，监测数据动态解算，按需供风智能决策，通风网络图立体示意图自动绘制，角联风路快速识别，通风数据信息化管理，风量模拟误差<5%，智能决策响应时间<120 s。
02 矿井风量远程定量调节自动风窗
针对人工手动调节风窗面积进行风量控制，存在调节周期长、精度低的问题，研发了矿井风量远程定量调节自动风窗。该自动风窗采用百叶式结构安装于巷道内，能够通过上位机软件远程发布命令或就地手动控制，防止瓦斯浓度超限情况下电控发生闭锁而无法进行调风的状况发生，以压缩空气为动力完成过风断面的快速精确调节。每个窗体配备定量化气动控制单元，控制自动风窗和压缩空气的接通与关闭。信息控制柜以TCP/IP协议接入井下环网与上位机软件通信，实现了自动风窗的远程就地精确控制。
矿井风量远程定量调节自动风窗主体结构采用模块化组合设计，对应于不同面积要求的风窗，将其在长、宽、高三维方向分割为具有一定规格尺寸的模块，各模块均采用相同的结构形式与选材。各单体的自重均可控制在单人操作可承受的质量范围内，一般小于100 kg，方便井下安装与维护。风窗采用一地一窗一建模，建立扇叶旋转角度–过风面积-等效风阻数学模型，实现精准控制调节。
矿井风量定量调节自动风窗实物及远程监控如图3所示，其主要特点：断面远程调控误差<1%FS，断面调控时间<30 s，风量控制误差<5%，工作气源压力>0.3 MPa，标准配置数量为2道，可用于均压控风和按需控风，远程自动和应急手动调控。
（a）自动风窗远程监控界面
（b）自动风窗实物
图3 矿井风量定量调节自动风窗实物及远程监控
03 多功能可变形远程自动平衡风门
基于自动风门要适应巷道变形、快速安装、可靠控制及正常生产通风与灾变控风自动化等多功能的需求，研发了多功能可变形远程自动平衡风门。该风门具有自适应巷道变形、多重可靠闭锁、远程自动控制、防夹车夹人、耐锈蚀等特点；针对行车过人的自动化要求，风门具备了光控、红外感知、气动机械电控三重闭锁和夜视摄像等功能；针对大断面巷道风门过重难于安装问题，设计了新型高强度轻质门体，具有门体质量轻、机械强度高、门轴三向调节、设备快速安装等优点；针对矿压大导致巷道变形风门易损坏的问题，设计了新型可适应变形门框，采用双门框可变形连接结构和柔性折叠密封带，保证风门稳定、可变形和不漏风；针对灾变控风的要求，设计了火灾监测感知和风门远程控制系统，具有闭锁状态下的远程解锁、开关远程可靠控制等功能。多功能可变形远程自动平衡风门如图4所示。
（a） 关闭状态
（b）打开状态
图4 多功能可变形远程自动平衡风门
多功能可变形远程自动平衡风门控制系统主要由KJ980-F隔爆兼本安控制柜、外围传感器件、视频监控系统组成。每扇门体上安装光控、对射、雷达等开关，风门可自动开启，司机无需下车即可开启风门。风门打开时，声光报警装置得到触发信号，发出提示警示语，红灯闪烁，另一道风门声光报警装置同时提示“对面风门打开，请您稍后”，此时红灯亮。风门具有可靠闭锁的性能，单道自动风门打开后，可自动关闭。每道风门具有防夹功能，行人或车辆经过时，处于运动状态的风门将立刻停止运动，防止事故发生。
多功能可变形远程自动平衡风门全自动控制技术如图5所示，其主要特点：具有气动和液压2种动力形式，感光自动开启，防夹车夹人功能，电控、气动/液压、机械三重闭锁，远程解锁、5 s内打开风门，适应巷道变形能力≥200 mm。
图5 多功能可变形远程自动平衡风门全自动控制技术
04 全断面高效全自动测风仪
针对煤矿井下风速测量仪表风速测量精度低的问题，研究了多通道超声波测速技术，实现了风速的二维矢量准确测定。研究了超声波在风流中的多普勒效应测量风速技术，分析了超声波定距计时反测风速测量方法，实现了风速的高频、高精度、大量程快速检测；研发了超声波测量仪表电路，采用新型高精度快速时间测量电路技术，缩短电路测量响应时间，优选超声波探头测量频段，降低了测量超声波衰减，提高了超声波测速仪表精度；将超声波测量仪表嵌入数据处理软件，可有效滤除测量过程中的误差数据，形成了矿用高频超声波单点风速传感器，针对煤矿井下粉尘大的问题，研发了自动清洗装置。超声波时差法传感器如图6所示。
图6 超声波时差法传感器
针对利用定点悬挂风速传感器监测巷道平均风速不准的问题，研发了全断面运动式风量准确监测仪，使风速传感器运动起来，多点测风经过模型计算巷道平均风速，提高了测风精度。全断面运动式风量准确监测仪安装在井下测风站，高精度风速传感器能够在整个测风站断面内沿着程序预设的轨迹进行移动，测量多点风速。全断面运动式风量准确监测仪使用电磁阀和位移开关控制气动马达来控制风速传感器的移动，架设垂直轨道和传动装备控制风速传感器在竖直方向上的精确运动。在关键井巷测风站均布置多点移动测风装置，即可组成全自动高效测风系统，3 min内完成全矿井自动测风，自动计算测风结果，并生成测风报表，同时完成测风数据上图，提高测风精度及风量数据闭合性，降低测风员的工作强度。
龙门式及机械臂式全自动测风系统及操作界面如图7所示，系统主要特点：风速测量精度为0.1 m/s，传感器自清洗时间为1次/h（可定时），传感器数量3个，气动压力>0.3 MPa，适应巷道断面积＜30 m2 ，远程控制测风时间间隔＞5 min。
（a）龙门式全断面测风
（b）机械臂式全断面测风
（c）测风控制操作界面
图7 龙门式及机械臂式全自动测风系统及操作界面
05 局部通风机智能控制系统
局部通风机智能控制系统主要包括煤矿用隔爆型压入式轴流局部通风机、变频器、监控分站、分风器、风筒风速传感器、瓦斯传感器、电子牌板等，主要功能是通过风筒风速传感器、变频器、局部通风机联合作用，实现掘进工作面按需供风。局部通风机智能控制系统从安全和节能的要求出发，采用PLC与变频器组成的控制系统，对通风机转速实时调控，达到“实时预警、人机双控、按需供风、防灾减灾”的效果，具有掘进工作面需风量智能计算、局部通风机设备状态与环境参数监测感知、局部通风机安全保护、变频智能控制等功能，实现了局部供风风筒漏风率自动测算、风电瓦斯电远程实验闭锁与工况闭锁、主备通风机远程一键切换、按需供风智能变频控制、瓦斯排放智能变频控制等。
局部通风机智能控制系统设备及界面如图8所示，其主要特点：智能控风误差≤5%，可远程瓦斯电闭锁试验，可远程风电闭锁试验，智能排放瓦斯，主备通风机自动切换，自动监测风筒漏风率，自动生成测风报表，远程主备通风机一键切换。
（a）系统设备
（b）控制界面
图8 局部通风机智能控制系统设备及界面
06 矿井主通风机智能控制系统
矿井主通风机智能控制系统是煤矿重要的安全控制系统之一，由多种传感器、变送器、控制器、传输接口、监控计算机及软件等设备组成，能够在线连续监测矿井主通风机风量、负压、轴温、电流、电压、振动等参数数据及风硐风门、通风机开停等运行状态，实时控制主通风机启动、反风、变频调风或动叶变角调风等功能。矿井主通风机智能控制系统如图9所示。
图9 矿井主通风机智能控制系统
通过在电机、底座上安装振动传感器，智能数据采集单元通过线缆与传感器连接，部署在数据采集单元的边缘计算模块对数据进行边缘计算（数据清洗、数据筛选、数据整理等），得到数据的特征值，特征值数据通过以太网/WiFi/4G等网络上传至服务器。部署在平台服务器的算法软件，利用数据分析工具手段对数据进行分析、建模、比较后得到设备的运行状态信息，并进行健康评估和故障诊断。
建立了有变频功率、阻力与风量智能匹配的模型，开发了主通风机、闸板门、蝶阀协同智能控制系统，可实现不停风倒机、智能反风、按需供风和最优化智能控制，保障了主通风机供风安全可靠和高效节能。可根据主要通风机所担负的通风任务区域计算总需风量，自动调节通风机转速，使主要通风机运行在最佳工况点。当井下发生火灾时，智能决策反风方案，自动打开风井防爆门，控制通风机反转，并根据井下实际情况，自动调节电机频率，使反风量达到安全要求。
矿井主通风机智能控制系统主要特点：矿井主通风机健康评估与管理，矿井主通风机故障诊断，按需供风和最优化智能控制，不停机切换倒机，智能反风自动控制。
07 抗冲击自动复位风井防爆门
针对矿井发生煤尘瓦斯爆炸之后传统风井防爆门在爆炸冲击波作用下被炸飞，不能及时复位，导致矿井通风系统风流短路，井下出现风流紊乱甚至出现无风状况，造成大量井下人员窒息伤亡的问题，研发了抗冲击自动复位风井防爆门。抗冲击自动复位风井防爆门利用机械结构的设计原理实现了爆炸冲击波自动泄压与泄压后自动快速复位。
正常通风时隔离井下气流和地面大气，密闭效果好，漏风率低；停风检修时自动打开，实现自然通风，恢复供风时自动关闭；发生瓦斯、煤尘爆炸时防爆门自动打开，及时泄压和保护通风机；爆炸过后防爆门能自动复位、保证通风系统恢复正常；反风时能实现自动锁紧和远程控制。
抗冲击自动复位风井防爆门结构和实物分别如图10、图11所示，其主要特点：超抗压强度为1.0~1.5 MPa，抗冲击次数>2次，复位时间<2 s，正常漏风率<5%，爆炸后漏风率<15%，自动开启时间<10 s，反风锁紧时间<1 min。
图10 抗冲击自动复位风井防爆门结构
（a）立井风井防爆门
（b）斜井风井防爆门
图11 抗冲击自动复位风井防爆门
08 典型应用案例
陕西煤业化工集团张家峁煤矿和煤炭科学技术研究院有限公司共同合作建设完成了张家峁煤矿智能通风管控系统，包括矿井全自动测风子系统、通风智能决策分析子系统、风量远程调节子系统、局部通风机智能控制子系统、主通风机智能控制子系统和灾变通风远程应急控制子系统，共布置了112台双向风速传感器、25台温湿度绝对大气压多参数传感器、14台压差传感器、23套多点式高效全自动测风装置、5套风量定量调节风窗、9套远程自动控制风门、5套局部通风机智能控制系统、2套主通风机控制系统等设备，并融合安全监控系统数据，实现了全矿井一键测风、全风网实时网络解算、采煤工作面按需供风、掘进工作面智能控风、运输巷灾变智能控风和工作面灾变智能反风等功能，为张家峁煤矿通风安全提供了有力保障。
09 总结
智能通风示范矿井建设以提高通风系统自动化、信息化和智能化水平为通风管理的主要途径和抓手，以创新为驱动，积极探索新常态下千万吨级矿井通风系统智能化管理模式。构建测风无人高效精准化、阻力参数测试在线精准化、工作面风量调控远程定量化、局部通风机降噪节能化、通风建模三维数字化、通风网络解算实时化、控风方案决策智能化、图件报表管理无纸信息化的“七化”管理模式。
（1）测风无人高效精准化
通过在全矿井所有测风站布置多点移动测风装置，全面取消了测风员，3 min内完成全矿井风量同步测试、自动计算测风结果、自动生成测风报表，大幅提高了测风效率和测风数据闭合性。
（2）工作面风量调控远程定量化
围绕回采工作面布置2套自动风窗，通过上位机软件直接设定过风面积，30 s内完成工作面风量远程精确调控，使工作面风量时刻保持在稳定、合理状态。
（3）局部通风机降噪节能化
针对煤矿井下局部通风机噪声大、风筒出风量难于准确监测，并随掘进进尺长度变化而波动等行业共性问题，陕西煤业化工集团张家峁煤矿22203辅运巷道工作面布置了智能局部通风机系统，低噪运行，噪声<80 dB；实时监测风筒入口和出口风量，利用通风机变频技术实时调整通风机供风量，解决了掘进工作面长距离供风难的问题，降低能耗40%，满足了掘进工作面的供风需求。
（4）通风建模三维数字化
在真实坐标空间内建立巷道、节点、通风机、风门、风窗、风筒三维模型，利用粒子追踪和高速渲染技术实现了风流、烟流、有毒有害气体扩散动画模拟和属性数据颜色梯度渲染，更直观地展示巷道层位关系、风流方向、风量大小。
（5）通风网络解算实时化
以实时监测数据为基准，在监控系统的1个巡检周期内，快速完成1次网络解算，随时掌握井下所有巷道的风量分布情况，消除风量监测盲区，为通风系统的故障判识和控风方案智能决策提供技术支撑。
（6）控风方案决策智能化
根据矿井采掘用风地点的风量需求，动态核定矿井通风能力，智能分析通风系统安全状态，一旦出现供风不足或有毒有害气体浓度超限的情况，智能决策出风窗调节面积和通风机频率。
（7）图表管理无纸信息化
自动生成测风报表、通风网络图、立体示意图。
来源： 智能矿山杂志
