煤矿智能化管理是煤炭行业高质量发展模式的必然选择，对提升煤矿管理能力、安全生产水平和保障煤炭稳定供应具有重要意义。随着煤矿作业深度的不断增大，井下通风网络更加复杂，原有通风系统的运行性能无法满足现有煤矿生产需求。开发煤矿通风智慧管控系统对提升煤矿管理能力、安全生产水平和保障煤炭稳定供应具有重要意义。
目前，国内煤矿通风系统存在不同矿井通风机运行效率低、通风设施不合理、风量调节方式欠妥等问题，通风网络工作性能的评估往往局限于定性分析。井下通风系统的智能化管理与控制对保障安全生产和提升企业效益具有重要工程意义。传统通风系统已实现了从机械化到自动化的转变，而控制系统如何对风门和通风机实现精准控制与决策成为矿山智能化建设的重点与难点。
煤矿通风智慧管控系统利用多种智能设备对井下不同区域通风系统风量、风阻进行实时监测并实现自动控制，是煤矿安全生产的重要发展方向。陕煤集团神木红柳林矿业有限公司（简称红柳林煤矿）于2021年开始实施煤矿智能化建设，通过与煤炭科学技术研究院有限公司合作，开发了红柳林煤矿通风智慧管控系统，实现了井下通风网络的定量监测及通风设备的远程智能控制，为煤矿安全生产的持续开展提供有力保障。
文章来源：《智能矿山》2023年第9期“智能通风”专栏
作者简介：杨霞，工程师
作者单位：陕煤集团神木红柳林矿业有限公司；陕煤集团神木张家峁矿业有限公司
引用格式：杨霞，苗彦平，李超，等.红柳林煤矿通风智慧管控系统设计与应用[J].智能矿山，2023，4（9）：72-78.
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红柳林煤矿通风智慧管控系统（简称通风智慧管控系统）涵盖通风智能感知技术装备、风门远程控制系统、风量精确调节远程控制系统、主要通风机智能控制软件系统、局部通风机变频远程控制系统、通风多源信息集成系统和智能通风决策及控制系统。通风多源信息集成系统将安装在不同巷道中各类传感器采集的信息集成处理后上传至云端，智能通风决策及控制系统根据已上传的实时数据对巷道通风情况进行分析，随后根据不同通风道的通风需求对风门、风窗进行远程精确控制以调节风量。通风智慧管控系统的建设实现了矿山通风系统的智能控制与自动化管理，减少了测风员的工作量，大幅缩减了通风基础参数测试周期，提高了矿井通风系统信息化、智能化管理水平。红柳林煤矿通风智慧管控系统架构如图1所示。
图1 红柳林煤矿通风智慧管控系统架构
煤矿风流是一种黏性、不可压缩、与外部有热湿交换的流动流体，其本质是空气动力过程与热力过程的动态耦合。在井下主要的进风井筒、回风井、主要进回风大巷、盘区进回风巷和采掘工作面等位置安装GFC25X风速传感器、GD3多参数传感器、YFC15型煤矿用风速仪。GFC25X风速传感器可实时监测井下各主要测风站位置的风速，并通过控制分站传输到通风决策与分析系统；GD3多参数传感器可以实时监测井下各主要位置的温度、湿度及大气压强等参数。通过上述多种传感器可大幅度缩减通风基础参数测试周期；YFC15型煤矿用风速仪利用超声波在空气中传播的时间差来测量风速。
煤矿建设的通风参数监测装置和系统，可通过工业环网将监测数据传输至部署在云端的虚拟服务器，并结合煤矿安全监控系统，对井下瓦斯浓度、风压、风速等参数进行实时监测，监测数据可实时展示在通风智慧管控系统中。井下布置的安全监控系统传感器监测数据能与网络解算系统实现数据共享，监测数据直接融入解算中以实现动态解算，可实时反映通风系统运行状况。红柳林煤矿智能感知技术装备如图2所示。
图2 红柳林煤矿智能感知技术装备
通风系统作为井下最主要的空气交换通道，保证井下工作人员的生命安全的同时，也需确保各工作面采煤工作的安全进行。传统井下风门通风系统的风量和风速无法根据实际环境进行实时调节，随着电力电子技术的快速发展，风门的自动化控制技术趋于成熟。
红柳林煤矿安装了多套自动行人风门、自动风窗、行车风门等设备，并对25210、25211、25212、15215、15216、44204、5-2回风巷道34联巷7套原有的自动控制风门进行改造，加装了远程控制分站（设备型号为KXJ660），与煤矿已安装的风门视频系统对接后通过上位机可以远程控制对应改造的7套风门。在25212辅运起坡段的行人风门处配置井下隔爆兼本安型KJ980-F监控分站（接收风门开启关闭信号，通过电磁阀控制风门气缸动作）、光控传感器（风门开启关闭信号传感器）、对射传感器（行人行车防夹信号传感器）、隔爆兼本安型声光报警器。采用PLC控制技术实现了风门自动开启与自动关闭，并且可对行人风门进行远程控制。对井下主要行车风门进行远程控制系统改造后，实现了风门的远程控制，且利用视频系统可在管控系统中监测风门的开关状态。
通风智慧管控系统首先对多处风速、风量传感器采集的数据进行分析处理，随后根据各个巷道对通风要求控制不同风门的开启程度，既可实现风门远程控制，又可保障行人、行车安全。在通风智慧管控系统中通过管控平台对风门的开闭状态进行检查，确保风门按照系统要求进行开启和闭合。风门远程控制技术与视频实时监督相结合，实现了对通风系统的有效调控，在不改变井下原有风门的基础上，可对各个通风道通风量进行准确控制。行车风门监测界面如图3所示。
图3 行车风门监测界面
煤矿井下风量调节是通风控制系统的重要工作内容，其调节质量的高低与实时性对确保煤矿安全生产、降低通风动力费用和提高煤矿经济效益具有重要意义。井下各巷道所处位置、巷道长度和深度的差异性，导致不同巷道对通风量的要求有所不同，为实现对各个巷道通风量的实时监测与控制，在不同通风巷道安装相应的百叶窗式风窗，并通过远程控制调节扇叶角度可以实现通风量的精准控制。红柳林煤矿在井下25210辅运起坡段、25211辅运起坡段、15215辅运起坡段、15216辅运起坡段、44205回风通道、43103回风起坡段、5-2煤回风大巷32联络巷东安装7套百叶窗式调节风窗，并安装配套远程控制分站（KJ980-F）。风量精确调节远程控制系统运行过程中，通风智慧管控系统可根据配风需求利用气动控制技术对百叶窗角度进行远程控制，直至监测的风窗过风量与设置过风量相符。自动风窗监测界面如图4所示，在操作界面输入通风机风窗面积后，系统可远程调节通风量。此外，当压风、通信、电力信号中断时，自动风窗还具备手动应急调节功能。
图4 自动风窗监测界面
主要通风机可根据井下生产风量和负压变化情况进行合理调节，以满足通风需求。红柳林煤矿主要通风机智能控制系统的改造升级过程中，一号回风斜井更换了2台工控机并升级了相应的组态软件，编写了对应的控制软件。基于此，通过智能通风决策及控制系统上位机软件可实现主通风机的远程控制。二号回风立井主通风机通过对接厂家升级的控制系统，利用智能通风决策及控制系统上位机软件可实现主要通风机远程控制。二号回风立井主通风机智能检测与控制系统界面如图5所示。一号回风斜井和二号回风立井主要通风机均可通过煤矿智能通风系统实现远程集中监控，并对运行主要通风机的排风量、通风机负压、变频器的频率、电机电流、电机电压、功率、轴温和机身震动、启停状态等参数进行监测。通风智慧管控系统可以通过远程集中系统控制通风机变频器频率来调整主要通风机的排风量，以及一键式启动、反风、倒机。
图5 二号回风立井主通风机智能检测与控制系统界面
回采工作面利用自动风门、自动风窗以及相关传感器，形成了智能局部反风系统。在25212、15216回采工作面各布置1套自动风门、1套自动风窗及1组一氧化碳传感器和烟雾传感器，形成了回采工作面智能局部反风系统。对5-2煤层回风大巷掘进工作面局部通风机控制系统进行升级后，局部通风机变频器的输出频率、电机的输出电压、电流以及功率、吸风量和供风量均可通过控制分站传输到管控系统。通风智慧管控系统通过井下监控分站远程控制变频调速器，实现远程启动通风机和主备通风机切换。
基于PLC技术，通风智慧管控系统可设定变频调速器运行频率，通过井下监控分站对井下变频调速器运行频率进行远程调节可实现局部通风机的风量调节。当井下正常安全作业时，智能局部通风系统根据掘进工作面瓦斯涌出量和设定的需风量变频调速控制通风机风筒出风量；当掘进工作面瓦斯出现异常涌出时，智能通风决策及控制系统动态调整局部通风机转速，逐渐稀释瓦斯，保证掘进工作面能够安全推进；若主要运输巷发生外因火灾，通风智慧管控系统能够第一时间报警并判断事故发生位置及原因。随后局部通风机变频远程控制系统可实现智能决策局部反风方案，合理调度控制自动风门与自动风窗以实现工作面局部反风，将有毒有害气体排入回风大巷，避免造成更大的伤害和损失。对掘进工作面局部通风机控制系统进行升级，可以实现远程启动通风机和主备通风机切换。通过井下监控分站对井下变频调速器运行频率进行远程调节，从而实现了局部通风机的风量调节。15216综采工作面通风显示界面如图6所示，局部通风控制界面如图7所示。
图6 15216综采工作面通风显示界面
在不同巷道处安装对射风速传感器和环境多参数传感器，以采集巷道内风量、风速、气压、湿度、相对湿度、密度和瓦斯浓度等参数。多种参数的同步监测与集成管理是通风控制系统的难点之一，而通风智慧管控系统则可对不同传感器参数和运行状态进行实时显示，同时通过调节各个传感器参数使其时间轴一致。多参数传感器显示界面如图8所示。
图8 多参数传感器显示界面
目前，我国煤矿井下通风系统的调节主要为人工调节，实际工作中采掘接替或通风系统优化调整导致通风道内通风需求不断变化，传统的人工调节方式无法实时有效地完成通风道内通风量的定量调节。红柳林煤矿通风智慧管控系统可在120s内实现智能辅助决策控风方案，随后对通风设施进行远程精确调控。通风智慧管控系统首先利用WebGL编程技术对巷道、节点、风门、地面通风机、井下局部通风机、风窗、密闭、风筒、传感器分别进行建模，同时在巷道分支旁实时显示巷道名称、巷道风量、巷道风速等通风状态参数；通过箭头移动展示巷道分支风流方向和风流速度，箭头方向代表风流方向，箭头移动速度代表风流风速，实现了井下通风状态的三维动态可视化。
智能通风模块中的通风网络分析功能板块包含通风网络动态解算功能，该模块基于多种传感器设备上传至云端的数据，以红柳林煤矿通风系统风阻参数、通风系统网络拓扑图为基础，构建了红柳林煤矿通风网络解算模型，利用斯考特-亨斯雷风网风量解算方法进行通风网络解算得到全风网风量。结合不同巷道需求及时动态更新通风网络解算模型，进行通风网络解算，从而实现通风网络动态解算。
在通风智慧管控系统中构建的红柳林煤矿三维通风网络模型实现了井下通风道的可视化与立体化，如图9所示。日常生产过程中可实时检测通风情况，一旦出现紧急情况可最快速度直观反映问题通风道所在位置，第一时间进行抢修。
图9 红柳林煤矿三维通风网络模型
（1）风门远程控制技术与视频实时监督相结合，实现了对通风系统的有效调控，在不改变井下原有风门基础上可对各个通风道通风量进行准确控制。
（2）风量精确调节远程控制系统通过远程调节通风机扇叶角度以实现通风量的精准控制。
（3）通过控制软件系统实现了对主要通风机的远程控制，在通风智慧管控系统中通过控制通风机变频器频率来调整主要通风机的排风量，以及一键式启动、反风、倒机。
（4）局部反风系统可根据巷道运行情况对风门和风窗实施远程自动控制，以实现工作面局部反风，将火灾等意外发生时的有毒有害气体排入回风大巷，保障井下人员的生命安全和井下生产安全。
（5）基于实时监测得到的主要通风机工况参数与运行状态，通风智慧管控系统可实现远程启动风机和主、备风机的切换功能，并通过调整井下变频调速器运行频率来实现局部通风机的风量调节。
（6）通风智慧管控系统通过三维建模可实现煤矿通风系统网络，以及通风状态的三维动态可视化。该系统的分析模块可动态更新通风网络解算模型，从而实现通风网络动态解算。
红柳林煤矿根据矿井实际生产条件，在井下不同巷道处安装多种智能感应设备来对井下通风量、风速、温度等环境参数进行实时测量和集成处理，实现了大数据在井下通风系统中的应用。以开发的煤矿通风智慧管控系统为大脑，根据通风网络动态解算结果对通风机进行自动化管理，实现了矿井通风的智能化决策与远程控制。煤矿通风智慧管控系统的建设与不断完善为井下安全生产提供了重要保障，为煤炭行业未来实现智慧管理提供了借鉴，有望在全国各大煤矿大规模推广应用。
