于 濤

(招金礦業(yè)股份有限公司大尹格莊金礦，山東 煙臺 265400)

我國金屬礦山數(shù)量眾多，機械化程度日益提高，在注重優(yōu)化井下通風網(wǎng)絡(luò)的同時，井下空氣質(zhì)量改善、通風系統(tǒng)智能化管理逐步成為通風系統(tǒng)研究的重點。但大多數(shù)礦山空氣質(zhì)量優(yōu)化措施效果仍不理想，通風智能化建設(shè)也處在摸索階段。構(gòu)造面向物聯(lián)網(wǎng)的井下作業(yè)環(huán)境感知網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)風量、溫度、濕度、有害氣體濃度等環(huán)境信息的動態(tài)監(jiān)測與智能控制，有利于推動我國礦山的安全、健康生產(chǎn)，有助于改善井下工作環(huán)境，提高井下采掘安全性[1-2]。礦山大數(shù)據(jù)分析平臺利用物聯(lián)網(wǎng)收集、處理數(shù)據(jù)并存儲到分布式數(shù)據(jù)庫中，針對業(yè)務(wù)實際，運用數(shù)學算法、機器學習工具進行數(shù)據(jù)深度挖掘，達到設(shè)備預知性維護、節(jié)能提效、優(yōu)化生產(chǎn)工藝等精細化管理目標[3]。

大尹格莊金礦采用副井、72線風井、北風井進風，主井和輔助斜坡道作為輔助進風，南風井、玉甲風井回風的中央對角抽出式通風系統(tǒng)，在南風井-380 m中段回風聯(lián)巷內(nèi)設(shè)置160 kW風機作為1號礦體主扇風機，在玉甲風井-496 m中段回風聯(lián)巷內(nèi)設(shè)置560 kW風機作為2號礦體主扇風機。1號礦體開采范圍為-556 m中段、-496 m中段、-431 m中段，開拓范圍為-616 m中段；2號礦體開采范圍為-676 m中段、-616 m中段，開拓范圍為-736 m中段、-796 m中段。目前礦井通風系統(tǒng)自動化設(shè)備主要為自動風門、主扇遠程控制系統(tǒng)、自動除塵風機等，近年來積極開展通風大數(shù)據(jù)分析及通風系統(tǒng)三維建模等工作。

1 井下環(huán)境感知技術(shù)研究及實現(xiàn)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)為采礦技術(shù)的信息化、生產(chǎn)安全化提供了新的契機?；谖锫?lián)網(wǎng)絡(luò)可以對礦山復雜環(huán)境下的作業(yè)環(huán)境、人員和設(shè)備狀態(tài)更加實時有效地協(xié)同管理和控制[4-5]。

1.1 巷道環(huán)境感知

對于巷道、溜井等井下常規(guī)作業(yè)區(qū)域，由數(shù)據(jù)采集傳感器和數(shù)據(jù)采集分站完成，其中數(shù)據(jù)采集傳感器實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)(氧氣、一氧化碳、溫度等)數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)采集分站負責同一個采集點上的各個采集裝置的初始化、數(shù)據(jù)濾波、格式變換、數(shù)據(jù)打包以及判斷環(huán)境參數(shù)是否超過報警值等。傳感器具有在線標校功能，避免井下有害氣體超標與標校混淆的狀況，保證礦井安全生產(chǎn)。在每個采集點均布置一臺數(shù)據(jù)采集分站，用于與井下環(huán)網(wǎng)的連接進行數(shù)據(jù)的上傳。目前大尹格莊金礦巷道環(huán)境感知系統(tǒng)包含采集服務(wù)器1臺，井下采集分站35臺，傳感器164臺，線纜18 000余米。傳感器布置在風量監(jiān)測點、配電室、風機等位置(圖1)。

圖1 井下環(huán)境感知數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)展示Fig.1 Data collection and display of underground environment perception data

1.2 采掘面環(huán)境感知

采掘工作面的環(huán)境參數(shù)采集與井下其它位置的采集有很大不同，主要體現(xiàn)在采掘工作面的工況特別惡劣，包括強振動、大粉塵、空氣質(zhì)量差等，另外由于采掘面的變動較為頻繁和放炮因素，不適宜大規(guī)模布置通信網(wǎng)絡(luò)，通常不具備有線和無線網(wǎng)絡(luò)。因此，采掘工作面的環(huán)境參數(shù)采集需單獨應對。

在分析礦山環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有單一環(huán)境參數(shù)監(jiān)測裝置存在的缺陷，設(shè)計了一套綜合的礦井環(huán)境監(jiān)測儀。儀器可以同時采集各種參數(shù)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)上傳、本地存儲、現(xiàn)場顯示等功能。同時，編寫上位機軟件對儀器發(fā)送的數(shù)據(jù)進行顯示和處理。礦井環(huán)境綜合監(jiān)測儀，實現(xiàn)的功能如下：能夠同時采集溫度、濕度、氧氣、CO、CO2、NO2、粉塵(PM1.0，PM2.5，PM10)多種氣體參數(shù)，具有WIFI接口、RS485、網(wǎng)口、藍牙接口，能夠進行多種形式的數(shù)據(jù)傳輸，上傳周期1～5分鐘可選，同時具有傳感器自動標定、遠程設(shè)置、數(shù)據(jù)現(xiàn)場顯示、參數(shù)過限自動聲音報警、數(shù)據(jù)斷網(wǎng)續(xù)傳功能。該監(jiān)測儀主要包含硬件開發(fā)及軟件設(shè)計兩部分，具體參數(shù)如表1。監(jiān)測儀實時在線數(shù)據(jù)顯示見圖2。

表1 礦井環(huán)境綜合監(jiān)測儀參數(shù)表

圖2 監(jiān)測儀實時在線數(shù)據(jù)顯示Fig.2 Real time and online data display of detector

1.3 智能噴霧降塵

造成礦井粉塵濃度較高的原因有兩點：一是礦井進風流中礦石運輸、轉(zhuǎn)載過程中產(chǎn)生的粉塵；二是采掘場所由于爆破、采礦工藝產(chǎn)生的粉塵。粉塵的產(chǎn)生不僅嚴重威脅井下工人的身心健康，還會大大惡化工作條件，加重機械設(shè)備的磨損。在必要的地點(行人大巷、巖、礦倉裝載點等)用噴霧裝置將水成霧狀噴出，達到降塵使礦井空氣凈化的效果。

目前在井下粉塵濃度較高區(qū)域推廣應用智能降粉塵噴霧系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用PLC控制，輸入輸出為數(shù)字量信號(圖3)。系統(tǒng)的一個循環(huán)工作為噴霧30 s，排污10 s。系統(tǒng)的觸發(fā)條件有兩種，一種為人工手動觸發(fā)，當人為按下噴霧功能按鍵后，系統(tǒng)一直執(zhí)行工作循環(huán)；另一種觸發(fā)條件為傳感器自動觸發(fā)，當前環(huán)境的粉塵濃度大于粉塵傳感器的設(shè)定閾值后，粉塵傳感器一直輸出高電平，PLC輸入由于一直處于被觸發(fā)狀態(tài)，所以系統(tǒng)一直循環(huán)執(zhí)行噴霧、排污。當粉塵濃度降低至允許范圍后，PLC無輸入觸發(fā)，不工作，系統(tǒng)處于待機狀態(tài)。在噴霧期間若有人或車需穿越噴霧區(qū)域時，按下暫停鍵，若系統(tǒng)處于噴霧工作，則立即中斷，暫停30 s后，重新開始噴霧；若系統(tǒng)處于排污狀態(tài)，則繼續(xù)排污10 s，結(jié)束后待機20 s，系統(tǒng)重新開始噴霧。

圖3 噴霧啟動圖Fig.3 Spray starting diagram

2 通風系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析平臺

智能管控平臺借助大數(shù)據(jù)分析，從首頁、設(shè)備、產(chǎn)量、分析、能源、查詢、監(jiān)控等多個維度，幫助礦山管理層及車間及時掌握通風系統(tǒng)各關(guān)鍵指標的實時生產(chǎn)狀態(tài)、歷史趨勢及風機運行情況(見表2)，為生產(chǎn)管理、生產(chǎn)計劃制定提供依據(jù)。

表2 場景分布整體說明

2.1 通風系統(tǒng)首頁

總覽界面設(shè)計包含兩部分，一部分為各進風井、回風井、主扇風機的實時風量和累計風量，以及主扇風機的啟停狀態(tài)顯示及實時頻率、電流值，另一部分為每日進、回風量的實時及累計值動態(tài)顯示。通過總覽界面可直接掌控當日的通風系統(tǒng)動態(tài)變化，對異常情況及時判斷處理。數(shù)據(jù)指標描述如表3所示。

表3 首頁數(shù)據(jù)指標描述

2.2 設(shè)備維度

通風設(shè)備智能管理重點包括對風機、風速傳感器、氣體傳感器、自動風門的管理。其中，風機工況參數(shù)監(jiān)控包括電壓、電流、風速、風壓、頻率、功率、軸溫、振動。通過將設(shè)備置于通風系統(tǒng)示意圖中，可迅速了解風流運動及動力設(shè)備工況。部分數(shù)據(jù)指標描述如表4所示。

表4 設(shè)備維度數(shù)據(jù)指標描述

2.3 產(chǎn)量維度

產(chǎn)量維度主要從總進、回風量數(shù)據(jù)進行管控，一是可直接查詢?nèi)我鈺r間段內(nèi)累計總進、回風量及該時間段內(nèi)的日平均風量值；二是可查詢到每日總進、回風量的柱狀對比圖，了解當日總進、回風量差值，便于對總進、回風量進行調(diào)整。數(shù)據(jù)指標描述如表5所示。

表5 產(chǎn)量維度數(shù)據(jù)指標描述

2.4 分析維度

分析維度從風機運行監(jiān)測、回風量監(jiān)測、進風量監(jiān)測分析三方面展開。風機運行監(jiān)測可了解當日該風機各項監(jiān)控參數(shù)的實時變化及變化幅度；回風量監(jiān)測可了解任意時間段南風井、玉甲風井-496 m水平各主回風側(cè)的風量累計及風量占比；進風量監(jiān)測可了解當日斜坡道、72線風井、副井、主井、北風井各主進風側(cè)的風量累計及風量占比。

2.5 能源維度

通風系統(tǒng)能源消耗主要為風機電能消耗，其中主扇電能消耗占比最大。能源消耗維度從主扇總用電量、分項用電量、峰平谷分時間段電費統(tǒng)計等方面監(jiān)控，可及時了解風機電能消耗情況，判斷風機工況。數(shù)據(jù)指標描述如表6所示。

表6 能源維度數(shù)據(jù)指標描述

2.6 查詢及監(jiān)控

查詢功能可同時查詢?nèi)我鈺r間段內(nèi)的2項指標，同時也可對自動風門的開關(guān)記錄進行詳查。監(jiān)控功能可對所有與通風系統(tǒng)相關(guān)的監(jiān)控進行實時調(diào)取。查詢功能數(shù)據(jù)指標描述如表7所示。

表7 查詢維度數(shù)據(jù)指標描述

3 結(jié)論

基于構(gòu)建的井下物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了巷道環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測；設(shè)計研發(fā)了一套綜合的礦井環(huán)境監(jiān)測儀，實現(xiàn)采掘面多參數(shù)實時數(shù)據(jù)上傳、本地存儲、現(xiàn)場顯示等功能；通過安裝智能噴霧降塵系統(tǒng)，皮帶道、卸載站等產(chǎn)塵區(qū)域粉塵濃度均到達安全標準；通風系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析平臺搭建了首頁、設(shè)備、產(chǎn)量、分析、能源、查詢、監(jiān)控等多個維度，通過大數(shù)據(jù)分析一定程度實現(xiàn)了對通風系統(tǒng)的智能管控。