基于“一通三防”的矿井智能管控技术研究与应用
时间：2024-08-20 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 煤矿安全 ★
基于“一通三防”的矿井智能管控技术研究与应用
0 引言
近年来，随着煤矿开采范围不断扩大和开采深度不断增加，安全风险加大，经济发展新常态给矿井安全生产带来新问题、新挑战[1-2]。安全作为煤炭生产的头等大事，安全管理作为煤炭企业管理工作的重中之重，关乎职工生命安全和企业可持续发展[3-4]。目前，我国煤炭安全生产总体形势依然严峻，不断提高“数字化、网络化、可视化、智能化”的煤矿安全生产是煤炭企业的迫切需求[5-6]。
随着计算机技术、通信技术以及传感器技术的发展，许多学者对矿井通防灾害监测预警与智能管控技术系统开展了深入研究[7-11]。仲晓星等[12]总结了矿井煤自燃监测预警技术研究现状及智能化发展趋势，提出需建立超前预警与即时预报联合预测模式；王振平等[13]提出构建矿井“一通三防”智能管控系统，建立“一通三防”智能管控体系；王凯等[14]建立数学物理模型，利用火灾动态模拟软件FDS进行数值模拟，模拟点火源与线火源条件下火灾蔓延、烟流运动及温度分布规律；杨杰等[15]依据工业4.0理念提出一种基于现场总线技术的智能通风系统设计方案；刘剑[16]从实时矿井通风网络解算、灾变时期智能控风、通风参数高精度快速测试、智能网络与智能装备4个方面论述了矿井智能通风亟需解决的关键技术问题；李冠华[17]分析了煤矿通风安全数据的类型、监测与整合方法，在阳泉某矿建立了煤矿通风安全动态数据平台；周福宝等[18]从5个方面分析总结，指出了目前矿井智能通风的发展现状与趋势；成连华等[19]构建煤矿粉尘综合防治评价体系，并将熵权法与集对分析法相结合进行实例应用。
上述专家学者在矿井智能通风、矿井火灾、瓦斯涌出、煤矿粉尘等矿井通防灾害方面进行了深入研究，但对于煤矿安全管理方面并未形成综合性、系统性的安全管理方法，无法实现地面控制中心对矿井内设施设备统筹监控预警。为此，鄂托克前旗长城六矿(以下简称“长城六矿”)在上述理论技术基础上，提出了“一通三防”智能管控系统，优化了巷道系统布置与通风网络，建设布局合理、系统可靠、防灾抗灾能力强的矿井通风系统，提高了管理的科学性，同时实现了矿井“一通三防”系统的智能管理、控制与决策。
1 矿井概况
长城六矿矿井为东倾单斜，地层走向南北，倾角18°～40°。主要构造线与区域构造线一致，多靠近边界。通过勘探，确定3条断层，其中正断层1条，逆断层2条，落差均大于160 m。山西组和太原组为主要含煤地层，由南向北煤层厚度逐渐增加。
尽管长城六矿被评为低瓦斯矿井，但根据2021年的数据，其瓦斯和二氧化碳的涌出量不容忽视。矿井的绝对瓦斯涌出量达到1.52 m3/min，相对瓦斯涌出量0.43 m3/t；二氧化碳的绝对涌出量3.05 m3/min，相对涌出量0.86 m3/t。
2019年，对长城六矿的煤尘爆炸性鉴定揭示所有煤层均具有爆炸性风险，5号煤层的爆炸指数尤为突出，高达42.04%。同年的自燃倾向性鉴定也显示，3、5、9号煤层均属于Ⅱ类自燃煤层。由此可见，长城六矿在瓦斯管理、煤尘控制和自燃预防方面面临一系列复杂挑战，所以开发了“一通三防”智能管控系统，优化了巷道系统布置与通风网络，建设布局合理、系统可靠、防灾抗灾能力强的矿井通风系统，提高了管理的科学性，同时实现了矿井“一通三防”系统的智能管理、控制与决策，确保了矿工安全和矿井的稳定运营。
2 智能管控系统总体建设思路
2.1 智能管控系统建设目标
长城六矿围绕建成“系统可靠、装备先进、管理科学、决策智能”矿井“一通三防”智能管控系统的目标，采取多项措施：优化巷道系统布置和通风网络，建设可靠、防灾能力强的通风系统；通过装备升级，为系统的可靠性和智能化奠定基础；提升管理现代化水平，提高管理的科学性；采用现代计算机智能算法，实现系统的智能管理、控制和决策。总体而言，需建设“一个子平台、五个系统、一套标准规范”的智能管控体系。矿井“一通三防”智能管控系统建设目标如图1所示。
图1 矿井“一通三防”智能管控系统建设目标
(1)一个子平台：矿井“一通三防”智能管控子平台。平台是“一通三防”数据采集、分析、共享中心，各系统在平台上获取综合信息，满足智能管理、控制和决策要求。
(2)五个系统：矿井通风网络智能优化分析与辅助决策系统；矿井粉尘监测预警与智能管控系统；矿井瓦斯分析预警与智能管控系统；煤自燃监测预警与智能管控系统；矿井外因火灾监测预警与智能管控系统。
(3)一套标准规范：包括系统顶层设计指南、建设指南、评价标准、数据标准化规范、接口规范、软件平台通用技术要求。
2.2 智能管控系统建设思路
通过优化巷道系统布置与通风网络，建设布局合理、系统可靠、防灾抗灾能力强的矿井通风系统；通过装备升级，为通风系统可靠性和智能化打好物质基础；通过提升管理现代化水平，提高管理的科学性；通过采用现代计算机智能算法，实现矿井“一通三防”系统的智能管理、控制与决策。矿井“一通三防”智能化建设总体思路如图2所示。
图2 矿井“一通三防”智能化建设总体思路
矿井“一通三防”智能化建设围绕网络装备、数字平台、智能应用3个方面进行建设。
(1)在网络装备方面，通过一张网总体架构，实现对矿井内各系统的实时监测。智能感知层的应用使得通风、防尘、瓦斯、防灭火等关键系统能够得到及时有效的监控，同时数据的传输采用4G/5G、F5G工业万兆光网等高效通讯技术，确保监测数据能够迅速传输到地面控制中心，为后续数据处理与决策提供重要的信息基础。
(2)在数字平台方面，依托一张表、一张图、一个平台的原则，对大量的监测数据进行统一处理和分析。利用大数据处理、挖掘分析、云存储和运算等技术手段，形成矿井“一通三防”4D、GIS信息系统，为决策者提供全面、准确的数据支持。同时，应用AI技术实现对潜在危险的预警与预测，进一步提升矿井的安全性和可靠性。
(3)根据网络装备和数字平台提供的数据，建立智能通风、粉尘智能管理、瓦斯智能管理、煤自然智能管理、外因火灾智能管理等五大应用系统。这些智能应用系统不仅实现单因素的监测与预警，还综合考虑多种因素，对矿井的通防灾害进行全方位的预防和管理。同时，对于通防监测、通风优化、安全管理、灾害决策和通风调控等方面进行详细规划，确保整个系统的高效运行和持续改进。
3 矿井通防灾害监测预警与智能管控技术体系研究
3.1 矿井通防灾害监测预警与智能管控子平台
长城六矿建成的矿井通防灾害监测预警与智能管控子平台分为数据云管家子系统、数据融合与计算中心子系统、多源数据融合与安全态势可视化子系统、多级联动指挥调度与智能控制子系统4个方面。
(1)数据云管家子系统。用于规范煤矿安全生产资料的管理，建设日常数据处理云端模块，实现各类技术资料的云计算、云存储，确保及时更新和资料共享。摆脱系统“各自为战”的方式，进而实现五大系统间的数据共享和统计分析。
(2)数据融合与计算中心子系统。基于一套标准体系，建设一条高速数据传输通道，实现各业务多源异构感知数据的接入、集成和融合，实现感知数据上传和控制数据下发的双向交互，在统一平台内实现信息化、自动化、智能化。采用阿里国产数据库OceanBase进行通风数据存储，依托矿井各子系统及现场监测设备和网络数据传输平台，实现井下监控-数据转移-数据分析决策一体化，节省中间各级传输所需时间，进而实现对矿井安全监测预警。数据融合多元信息融合系统架构如图3所示。
图3 数据融合多元信息融合系统架构
(3)多源数据融合与安全态势可视化子系统。借助大数据平台，有效整合煤矿“一通三防”信息，实现安全数据与分析成果的即时分享和业务协同，同时挖掘数据内在关联价值。通过明确评价指标的构成、量化方法及评价模式，形成以配置规则及评分规则为核心的煤矿动态评价指标体系，对煤矿安全生产状态进行评价；系统可以运用综合查询、OLAP分析、数据挖掘等管理分析工具，实现分析数据和评价结果形象化、直观化、具体化，实时反映煤矿的安全态势。
(4)多级联动指挥调度与智能控制子系统。指挥调度系统需要完备高效的通信系统及海量信息快速交互共享能力的支持，在管理层级的“纵向”和团队协同的“横向”均需建立起全域、全时段、全面覆盖的信息网络，以保证现场感知、安全监视、深度分析与决策、设备管控、应急处置等多方面的信息传输需求。
长城六矿通过将4个子系统融合，实现了上述生产活动各个环节和要素从空间、时间上的有机结合，促进了各子系统整体的组织、指挥、控制和协调，确保各部门之间能够在应急情况下实现快速、高效的配合与运作。
3.2 矿井“一通三防”智能管控系统
3.2.1 矿井通风网络智能优化分析与辅助决策系统
长城六矿以智能通风内涵建设为基本要求，综合当前大数据、云计算、人工智能等信息技术手段，建立基于“云边端”思想的矿井智能通风总体建设思路和实施方案。
系统运行过程中，在主通风机和局部通风机方面，根据通风、瓦斯、粉尘等感知信息，通过综合分析，可实现对主通风机和局部通风机的远程智能调节和控制。同时，通过接入精准测风传感器，实现对井下关键位置的精准测风并实时上传，在需要的位置安装智能风门、智能风窗和视频监控系统，根据监测信息进行智能分析，对风门和风窗进行远程精准调控，实现无人值守及远程集中控制。
在数据分析与辅助决策方面，对瓦斯浓度、风压、风速、风量等参数进行智能监测分析，实现通风网络动态解算、通风阻力实时解算、通风系统故障诊断与预警预报，以及在灾变状态下的灾情动态研判和调整方案制定。
同时，采用新研制的便携式断面扫描装置、通风环境多参数传感器和超声波精准测风传感器，获取准确的巷道参数和风流参数，结合风网智能动态解算算法，建立高精度的通风系统数学模型，实现通风系统阻力的实时测定和自然风压的准确计算，为后续目标引导式通风提供基础。
3.2.2 瓦斯分析预警与智能管控系统
针对长城六矿瓦斯低的特性，构建基于矿井用风点的安全分区，综合利用矿井通风瓦斯理论、人工智能技术、现代计算技术及矿山实践等理论和技术，将通风与瓦斯异常防治有机融合，对监测区域范围内的安全环境状态进行分析。
在井下瓦斯监测区域部署多功能矿用本安型多参数无线传感器，构建通风瓦斯相关实时数据采集适配器，实现各类监测数据的无缝集成，实现了多种数据源的集中统一。
在分析瓦斯分布特征的基础上，结合通风系统的结构和能力，分析瓦斯在矿井中的分布和移动规律，得到各处的瓦斯分布情况。将瓦斯按空间分配到不同类型的通道中，并预测各个时刻的涌出强度。同时，结合实时通风网络信息，分析瓦斯在通道中的移动、聚集和扩散情况，以实现任意位置、任意时刻的瓦斯分布推演。
3.2.3 矿井粉尘监测预警与智能管控系统
长城六矿的矿井粉尘监测预警与智能管控系统是通过对粉尘浓度监测和对防尘设施的控制，实现采掘工作面的防尘净化水幕与粉尘监测系统的智能联动，实现矿井总回风巷、一翼回风巷、主要回风巷和采区回风巷中喷雾降尘装置与粉尘监测系统的智能联动及远程集中控制。
3.2.4 煤自燃监测预警与智能管控系统
长城六矿结合煤自燃监测系统现状，采用理论研究、数值模拟、技术研发、装备研制、系统开发、实验研究和现场工业试验相结合的研究方法，在矿井煤自燃特点和规律的基础上，研究采空区气体运移规律。进而研发煤自燃束管无线监测系统，构建采空区温度光纤监测系统，实现对自然发火情况的实时监测和预警；开发灌浆注氮防灭火智能管控系统，与监测系统联动，构建完善的智能管控技术体系；建立煤自燃程度预警模型，融合现有监测系统，建设智能管控软件平台，实现煤火灾害的主动防控。沿空侧煤自燃主动式无线监测预警系统现场布置示意如图4所示。
图4 沿空侧煤自燃主动式无线监测预警系统现场布置示意
长城六矿结合煤层自燃防灭火的实际需要及智能矿山建设的技术要求及验收评价指标，通过改造升级矿井灌浆防灭火系统、注氮防灭火系统的自动控制模块和通信接口，可实现对矿井灌浆注氮防灭火系统的智能控制。
3.2.5 矿井外因火灾监测预警与智能管控系统
长城六矿矿井外因火灾监测预警与智能管控系统包括无线烟气监测、红外热像监测、电气火灾自动灭火、视频图像智能识别、胶带火灾监测预警等5个方面，通过监测监控软件，能够在调度室全面掌控整个煤矿的灭火设备运行状况、查询报警信息。也可以无缝融入第三方的智能化监控系统、智慧矿山管控平台等煤矿综合管理软件平台，实现矿井外因火灾防灭火系统的智能化。矿井外因火灾防灭火系统运行流程如图5所示。
图5 矿井外因火灾防灭火系统运行流程
系统在火灾发生的初期阶段能够及时检测到火灾烟雾、气体和温度信息，通过多火情参数交互确认的方式确定火灾情况，并控制电磁阀启动矿用全氟己酮自动灭火装置或高压细水雾灭火系统将火源扑灭，防止由此引发更大范围更严重的火灾事故。
4 现场应用实践
4.1 矿井智能通风
(1)矿井通风方式合理、通风设施齐全。配备了2台对旋轴流式通风机，具备一键启停及远程控制功能。通过21台超声波传感器和智能通风系统，实时监测通风参数，并建立了主通风机在线监测功能模块，实现了一键启动、反风、倒机功能。智能通风设施如智能风门、智能风窗可进行远程视频监控及调控。
(2)实现主要通风机远程集中控制，局部通风启停实现远程监测。掘进工作面的局部通风机两用两备，实现双风机、双电源，实现风电闭锁和甲烷电闭锁，局部通风机能实现远程集中控制，通风机运行工况参数能够实现在线监测。此外，系统配备完善的通风参数监测装置，能够实时监测井下的瓦斯浓度、风压、风速等关键参数。
(3)具有完善的通风参数监测分析系统，实现井下风量、瓦斯实时监测。矿井装备有一套KJ95X型煤矿安全监控系统，能够实时获取甲烷传感器、风速传感器、负压传感器等通风参数监测装置的数据，对井下瓦斯浓度、风压、风速等参数进行实时监测。在矿井主要进风大巷及采掘工作面进风巷和回风巷均安装了超声波风速传感器，实现对测风地点的风速、风量精准测量，结合通风阻力测定获取的主要井巷和通风设施的风量、风压等参数，实现了对井下风压、风速、风量等参数的实时监测。
(4)具有智能通风模块，实现通风网络动态解算，预测用风点的需风量。研发和部署了智能通风安全管控系统软件平台，平台建有智能通风模块，具备通风网络动态解算功能，可以根据精准测风装置采集的点位数据动态实时分析出全巷道的风速、风量、风压、风阻信息。同时，建有用风点风量预测模块，能够对用风点的需风量进行预测。
(5)实现对通风系统进行故障诊断与预测、预警功能。智能通风安全管控平台的能耗分析功能可通过分析风流的来源、阻力和比例情况，用于通风系统的故障诊断，确定系统变化的位置、程度和关联关系，以便有针对性地处置。该平台根据通风现状和历史数据进行比较分析，判断当前矿井通风是否异常，并发出预警，包括红、橙、黄3种级别，分别反映不同的危险程度。
4.2 矿井通防灾害智能防治
通防灾害智能预警与管控系统应用可实现如下功能。
(1)在火灾、水灾、顶板灾害等情况下，系统能够自动显示或语音提醒井下员工避灾路线。配备有红外热线监测和视频监控，一旦发生火灾，系统会自动报警。当检测到火灾时，系统会根据监测位置及地点实时风流、风速计算火灾烟雾对巷道的影响，结合人员定位信息，计算出多条逃灾路径。随着时间的推移，系统会显示烟流蔓延情况和巷道的烟气浓度情况，并根据人员定位系统中的人员位置，为井下人员规划出针对性的避灾路线。
(2)研发和部署智能通风安全管控系统软件平台，可根据通风系统结构数据动态生成通风系统三维可视化模型。通风系统中各巷道的通风参数，如风向、风量、瓦斯、状态等信息以颜色渲染的方式在巷道上实现可视化。
(3)具有瓦斯变化动态仿真功能，可根据监测数据智能预测瓦斯积聚区域并进行预警。同时，建有束管监测、光纤测温等自然发火监测系统，能够实现动态实时监测和数据上传，并对自然发火风险较高的地点进行火灾预警。
(4)智能综合安全管控系统在矿井总回风巷、一翼回风巷、主要回风巷、采掘工作面和采区回风巷与生产系统或粉尘监测系统实现智能联动。此外，灌浆、注氮系统能够实现自动化或远程集中控制。
4.3 应用效果评价
(1)通过实验与现场观测相结合的方法，成功开发了一系列关键技术，涵盖了矿井的“一通三防”智能管理、通风系统的智能化优化与决策支持、瓦斯与粉尘的实时监测与预警，以及煤的自燃和外因火灾的智能防控技术。同时，借助云计算和互联网+平台，建立了矿井通风网络的智能优化分析与决策辅助系统、防尘智能控制系统、水灾监测预警系统和冲击地压监测预警系统等，形成了一套完整的智能化管理系统。
(2)在环境安全因素分析、灾害预警和管理的综合安全态势分析与智能管控技术方面取得了突破，形成了多源数据融合与安全态势可视化的能力。实现了“一通三防”信息的多源融合，且从更高维度全面掌握了矿井通风安全信息，有效扩展了通风安全信息的获取与处理能力。
(3)显著提升了矿井在复杂通风条件下的管控能力，增强了井下降尘、瓦斯防治和内外因火灾的智能化管控能力。通过“一通三防”综合管控，实现了资源的优化配置和效率的最大化，提升了协同效应。不仅在节能减排、安全保障、生产环境改善方面带来重大的经济效益，对矿井安全生产、减人提效也具有重要的意义，预示着矿井安全管理向更高水平的自动化、智能化迈进。
4 结论
(1)为实现长城六矿“系统可靠、装备先进、管理科学、决策智能”的综合目标，本研究围绕“一通三防”智能管控系统的构建进行了深入探讨，研究结果对于矿井内“一通三防”监测-预警-治理效率的提升有着良好效果，实现了矿井通防系统智能化管理、控制与决策。
(2)构建了矿井“一通三防”监测预警与智能管控子平台，实现了长城六矿安全生产的高效管理和智能化控制。通过平台的使用，能够规范技术资料管理，实现数据的云计算和云存储及多源异构数据的接入、集成和融合，促进系统内的数据共享和高效分析，加强生产活动各环节和要素的有机结合，提升了组织、指挥、控制和协调能力。
(3)提出了矿井“一通三防”智能管控体系，研发了矿井“一通三防”智能管控系统。有效提升了矿井安全管理的智能化水平，整合了通风网络智能优化、瓦斯、粉尘、煤自燃及外因火灾监测预警等多个子系统，利用大数据、云计算、人工智能等先进技术，实现了对矿井环境的实时监控、分析和预警，以及对通风、瓦斯、粉尘等关键安全因素的智能调节和控制。
(4)实现了矿井“一通三防”智能管控系统的全面部署和运行。建设了智能通风系统，通过远程控制、实时监测、动态解算和故障预警等技术，显著提高了矿井的通风效率和安全性。在此基础上，结合“一通三防”智能防治系统，进一步强化了矿井的应急响应能力，能够自动规划避灾路线，通过三维可视化模型的动态生成，为瓦斯积聚和自然发火现象提供精准的动态仿真与预警。
[1] 隆能增,袁梅,王关亮,等.基于数据挖掘的煤与瓦斯突出实时预警研究[J].中国矿业,2020,29(11):88-93,99.
[2] 吴晓春.煤矿智能识别监测预警平台研究及应用[J].中国煤炭,2024,50(3):97-102.
[3] 吴劲松.麻地梁煤矿智慧矿山建设实践[J].中国煤炭,2021,47(9):32-40.
[4] 郭军,王凯旋,金永飞,等.煤自燃进程精细划分方法及其智能监测预警——煤火精准防控技术变革[J].煤炭学报,2023,48(S1):111-121.
[5] 邓军,李鑫,王凯,等.矿井火灾智能监测预警技术研究进展及展望[J].煤炭科学技术,2024,52(1):154-177.
[6] 易欣,胡震,王伟峰,等.煤自然发火智能监测与早期预警关键技术[J].煤矿安全,2022,53(9):31-37.
[7] 王恩元,张国锐,张超林.煤与瓦斯突出防治理论技术研究进展与展望[J].煤炭学报,2022,47(1):297-322.
[8] 王军,宋天奇,孔国强,等.煤层注水防尘润湿半径的影响因素研究[J].中国煤炭,2016,42(8):87-91.
[9] 刘云秋,白永亭.基于通风除尘的大采高综采工作面粉尘治理技术应用研究[J].中国煤炭,2022,48(S1):76-80.
[10] 李爽,贺超,鹿乘.煤矿智能双重预防机制与智能安全管控平台研究[J].煤炭科学技术,2023,51(1):464-473.
[11] 段金红,马新根,贺永强.基于全流程可追溯的煤矿安全智慧管控云平台[J].煤矿安全,2023,54(6):223-228.
[12] 仲晓星,王建涛,周昆.矿井煤自燃监测预警技术研究现状及智能化发展趋势[J].工矿自动化,2021,47(9):7-17.
[13] 王振平,闫振国,岳宁,等.矿井“一通三防”智能管控系统研究[J].煤矿安全,2022,53(9):193-197.
[14] 王凯,蒋曙光,张卫青,等.矿井火灾应急救援系统的数值模拟及应用研究[J].煤炭学报,2012,37(5):854-862.
[15] 杨杰,赵连刚,全芳.煤矿通风系统现状及智能通风系统设计[J].工矿自动化,2015,41(11):74-77.
[16] 刘剑.矿井智能通风关键科学技术问题综述[J].煤矿安全,2020,51(10):108-111.
[17] 李冠华.矿井通风安全动态数据整合平台[J].煤矿安全,2018,49(10):110-113.
[18] 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,2020,45(6):2225-2235.
[19] 成连华,曹东强,郭慧敏,等.基于过程方法的煤矿粉尘综合防治评价体系构建及应用[J].煤矿安全,2021,52(8):182-193.
Research and application of mine intelligent control technology for mine ventilation and gas, coal dust and fire prevention
移动扫码阅读
ZHOU Jian. Research and application of mine intelligent control technology for mine ventilation and gas，coal dust and fire prevention[J]. China Coal，2024，50(6)∶59-66.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2024.06.008
- 相关推荐
