智能通风系统技术应用
1 工程概况
某矿核定生产能力为 150 万 t/a，属于高瓦斯矿井。水文地质条件中等，井田范围内呈单一向斜构造，延伸方向为北向西，煤层整体为近水平，赋存倾角为 3°～4°，属多煤层开采方式。自上而下可采煤层为 1-2 上煤组、1-2 煤组、2-2 煤组、2-3 煤组、3-1 煤组和 4-2 煤组。其中 3-1 煤组和 4-2 煤组为全井田范围可采煤层，赋存稳定，煤层厚度为 3.7～6.8 m，平均煤厚 5.2 m；1-2 上煤组、1-2 煤组、2-2 煤组、2-3 煤组仅一采区和三采区可采，煤层赋存不稳定，平均煤厚 2.9 m。矿井采用一采一备布置方式，共 5 条掘进巷道。工作面煤层自下而上逐层开采煤层群，形成下保护层工作面。通风方式为中央并列抽出式，其中主副斜井为供风巷道，回风斜井为主要回风巷道。地面风机广场安装有 FBCDZ-8No30/2×630型对旋轴流通风机 2 台，可提供 140～286 m3/s 的额定风量，一用一备，接入双回路双电源供电。目前，经过通风阻力测定和实际风量核定，矿井拥有 8 321 m3/min 的总进风量和 8 413 m3/min 的总回风量，风机负压为 1 830 Pa。
2 升级需求
为打造智能化矿山和高产高效矿井，需对现有通风系统和监测监控系统进行升级改造。结合矿井现有条件，需要解决如下问题：①依靠人工监测方式效率低下，实测数据精度低，无法实现通风参数动态变化条件下的连续观测，反馈信息不及时，统计分析周期较长，不能满足数据参数的可视化工作要求；②无法有效掌握全流程、全网络各地点路线的通风系统情况，存在监控盲区和漏检区域，尤其是安装有局部通风机的地区，可能存在串联通风和局部涡流循环风等现象，具有较高安全隐患；③通防部门技术管理人员无法准确掌握全部井下通风网络的准确数据，在制定调风优化方案时考虑不全面，存在计划失真，通风线路不合理，盲巷和通风阻力较大，影响系统优化调整，甚至有些巷道不能按照生产需求进行合理调配风量，造成瓦斯积聚和风量不足现象；④ 在供配电硐室和车场配电点等安装有多组机电设备的区域，需要安排专职瓦检员或者以定点巡查方式进行瓦斯监测，既浪费人力，也无法确保在发生机电设备过载、短路引起火灾等灾变时，瓦检人员能够快速调度抵达现场；⑤ 当需要对配风地点进行调风时，仍需人工调整调节风窗和过风断面，无法实现自动调节。
3 设计方案优化
结合矿井现有通风条件和系统优化需求，制定改进方案。
3.3.1 采煤工作面优化方案
以213107 工作面为例，分别在 213106 辅运巷安装 2 道风门，213107 胶带巷安装 1 道风门，在 213107辅运巷及专回各安装 1 道风门。采煤工作面风流优化系统如图4 所示。其中编号 1、3、4 为自吸风门；编号 2、5 为自调节风门。正常通风时，打开 2、3、4 等风门，形成 U 形全负压通风，关闭 1、5 风门形成闭合回路；发生灾变需要反风时，则打开关闭的 1、5风门，形成风向逆流，由 1 号风门进风，5 号风门回风，其余 2、3、4 号风门关闭，可实现反风效果。
2 开拓大巷灾变条件下优化方案
当开拓大巷某一地点发生火灾等事故时，由于明火存在火风压，在自然通风条件下，明火与有毒有害气体会随风流向下游区域蔓延。为准确监测灾变后的气体特征，需要安装烟雾和 CO 报警传感器。当监测气样指标超限时，系统自动打开胶回联巷处的 2 道风门，实现局部巷道的风流短路，改变供风方向，切断向下游蔓延的气体扩散通道，从而达到保护下风侧作业人员生命安全的效果。风流短路调控路线如图5所示。
3 掘进工作面优化方案
在掘进工作面新鲜风流进风侧安装有 2 台变频轴流式局部通风机，在巷道风门里正头、专回口安装有甲烷传感器。对风筒安装风压传感器，结合掘进期间实际瓦斯涌出量和浓度指标，系统自行计算供风量是否满足风排瓦斯需求，通过变频实现风量调节。
4 构建智能通风系统
经过分析矿井通风能力与现状，针对现有通风条件与优化升级要求，构建智能化通风系统平台。
(1) 经过对矿井各巷道坐标参数进行采集，建立数字化矿井模型，更加直观展现通风网络的多维动态系统；经过对巷道主要测站安装传感器，实时监测采集通风数据，将鼠标点击在巷道模型任一点上进行多角度旋转观测，屏幕上会自动出现对应地点传感器的所有回传信息，如传感器编号、运行状态、是否报警、安装位置名称、监测风速指标、最大预警指标和甲烷、一氧化碳等气体浓度，可供管理技术人员进行综合分析评价，实现矿井通风的可视化、数字化管理。
(2) 通风设施风门自动调控。通过在配电点安装视频摄像装置监控风门开闭状态，联网并入多元远程控制系统，在屏幕上可显示风门状态、安装位置、局部通风机变频功率、风速、风量以及风门异常开启持续时长等参数。当通风网络异常，需要立即作出调控时，可通过风门调节远程自控系统改变风门的开闭状态；同时实时监测过风门风量变化参数，满足调控要求后自动停止风门移动。
(3) 为提升防灾抗灾应急能力，系统开发了火灾气体异常监测报警系统，作为子系统可并入多元数控平台，与智能通风模块、监测监控模块、束管监测模块和风机检测模块等功能模块一起使用。其主要监测内容包括主通风机供风量、压差，各采掘地点的供、回风量数据，束管监测到的 CO、CO2 指标、传感器监测的 CH4 指标，各地点异常高温的火灾响应预警级别等。通过对相关信息进行系统性综合分析，得出科学灾害评估结论，利用实时反馈信息，制定合理应急救援方案。
