导语:我国采煤技术在经历了人工炮采、普通机械化开采和综合机械化开采之后,逐步开始进入智能化开采阶段,实践证明煤矿智能化是实现我国煤炭行业高质量发展的必由之路。矿井“一通三防”工作主要涉及矿井通风、防尘、防瓦斯和防灭火四个方面。矿井通风是井下生命线,是煤矿安全生产的核心和基础;矿井粉尘不仅会造成严重的职业病危害,同时还严重影响矿井先进设备的性能稳定,制约矿井安全高产高效的生产;矿井瓦斯与自然发火是影响矿井正常生产的主要因素。本期转化果平台推荐《矿井“一通三防”智能化技术问题探讨与展望》要想实现煤矿智能化,首先要实现矿井“一通三防”的智能化,笔者从一位煤矿管理者角度对矿井“一通三防”工作智能化技术发展现状、研究方向及应用等方面进行分析。有意者请来电垂询:400-1817-969!
一、通风智能化
1.1发展现状及存在问题分析
矿井智能通风建设的评判标准主要涉及三个方面:矿井通风参数的精准自动感知,通风管理的智能决策和通风设施设备的远程智能控制。通过系统软件可进行矿井分风解算、优调优控、优选主要通风机装置等,并进行通风系统设计和改造、配风调风、合理性检验等。各类型数据可以通过三维可视化平台进行展现,为矿井通风系统科学管理提供有效的技术手段。目前,多数矿井中只实现矿井智能通风的雏形,且大多数是依赖于现有的监测监控系统,主要组成部分有风速、瓦斯等参数监测传感器,集通信模块、报警模块、人机界面为一体的展示分析系统以及远程风门、风窗等通风设施控制系统。矿井智能通风的基础是通风参数的实时精准感知,当感知到风速不符合规定要求时,智能通风系统能自动控制井下相应的通风设施,实现风速的远程调节,使得风速能始终平衡在规定区间,实现矿井的经济通风。当矿井内的瓦斯浓度过高,通过通风设施设备又不能降低瓦斯浓度时,该瓦斯就已经处于高危阶段,很有可能会随时发生爆炸,面对这种高危风险,运行人员应及时与相关人员进行沟通,并让工作人员快速撤离。这种方式能大幅减少矿井瓦斯事故,同时能够降低经济损失以及人员伤亡。在通常情况下矿井智能通风系统都可以通过风量调节来稀释瓦斯浓度,这相比于传统通风系统有了很大进步,虽然现在的矿井智能通风系统的原理相比于传统的工作原理更加复杂,但是其工作质量以及工作有效性都提高很多。
就矿井通风现有智能化设施及装备而言,通风网络、通风设施和通风机已不同程度地具备了自动化、智能化的特点,但由于分析模型、信息技术及通信条件等多方限制,在通风网络分级智能解算、通风态势识别、自动调控、风险与隐患辨识等诸多技术研发进展缓慢,尚未形成有效的技术集成,与煤矿的智慧化建设目标差距明显,具体如下:
1) 核心算法尚待突破,物联网、云平台、大数据等新技术应用水平不高,与煤矿的智能化建设目标差距明显;
2) 通风系统调控设施智能化不足,风量调控缺乏有效决策模型,调控装备智能化发展滞后,难以实现动态定量调节,日常管理工作量较大;
3) 通风系统专业性较强,应用平台操作复杂,对技术人员的要求较高;
4) 通风系统缺乏有效的定量化抗灾能力分析和辅助决策;
5) 通风参数测定与监测准确性低,难以满足精准决策的需要;
6) 通风动力与通风网络匹配性不强,联动调节能力弱。
1.2研究方向
智能化通风技术的核心是合理、稳定、可靠,其次是自动化、智能化。针对以上问题,制定以下7个发展方向。
图1 智能通风管控体系
1)精准调风装置研发:远程控制风门、远程精准调节风窗、全自动立井防爆门、变频主通风机、变频局部通风机等;
2)精准测风装置研发:全断面自动测风装置、超声波风速传感器、风压传感器、温湿度传感器及各类气体传感器等;
3)远程操控:仅完成远程的启停,采集部分数据,建立智能监测子系统;
4)单元智能化控制:根据关键参数,实现单元智能化控制;
5)区域智能化控制:结合多个单元,并能智能化控制,建立智能控制子系统;
6)全矿通风智能化:整合全矿设备及系统,实现按需供风,建立智能通风管理分析与决策平台;
7)绿色通风:结合职业健康,实现安全、绿色通风。
矿井通风系统的智能分析,需突破传统的风网解算模型,融合人工智能、云计算、高精度传感及数据采集等多种技术,构建集监测、分析与管控为一体的“神经中枢”,实现以环境感知、分析、决策、预警、应急处置为核心的智能通风集约智能控制模式,实现矿井通风网络数据分析的精准化、自动化和智能化。依托以上技术装备研究,形成一套智能通风技术装备体系,实现矿井通风无人化、智能化。
二、粉尘治理智能化
实现煤矿井下粉尘、防降尘装备的智能控制,对于改善井下作业环境、防止粉尘爆炸、消除煤矿安全隐患,具有十分重要的现实意义。
2.1防降尘技术现状分析
国内外科研院所和高等院校在矿井综合防尘方面做了大量的研究工作,取得了许多成果。目前广泛应用的防尘技术主要有以下4种。
1)煤层注水和湿式凿岩防尘技术
采煤工作面是煤矿井下产尘量最大的场所,煤层注水和湿式凿岩防尘技术是工作面防尘的有效措施之一。煤是具有裂缝的多孔物质,采煤前钻孔注入压力水渗入煤体,能增加煤的水分和尘粒间的黏着力,降低煤的强度和脆性,采煤时矿尘的生成量就会大幅减少。湿式凿岩技术是在煤矿井下凿岩工作中普遍采用的有效防尘技术,它将压力水通过凿岩机送入并充满孔底,湿润、冲洗并排出产生的矿尘。
2)高压喷雾洒水除尘技术
喷雾洒水是将压力水雾化成细微水滴喷射于含尘空气中,高速流动的水滴和浮尘碰撞接触后,尘粒被湿润黏结在重力作用下下沉,并能将已经沉降的尘粒湿润黏结,降低矿尘的爆炸性,在一定程度上阻止了爆炸火焰的传播。喷雾洒水除尘,简单方便,广泛应用于井下生产过程,如风流净化水幕、采机内外喷雾、装载点喷雾、架间喷雾、放炮喷雾、移架放顶喷雾除尘等形式。
3)通风除尘技术
通风除尘是矿井综合防尘的重要措施之一,通过通风的方式将矿尘排出,能有效减少矿尘悬浮和积聚,消除空气中的矿尘污染。一般来讲,不依靠矿井主要通风机进行的有效通风均称为局部通风,目前煤矿井下采用较多的就是长压抽湿式除尘。
图2 长压短抽湿式除尘系统
4)除尘设备除尘技术
除尘设备包括除尘器、除尘风机、集尘捕尘器等,井下使用较多的有湿式过滤除尘器、湿式旋流除尘风机、旋流粉尘净化器、水射流除尘风机、文丘里除尘器等。
目前,研究人员已开始研究物理、化学方法除尘的新技术,如泡沫除尘、抑尘剂除尘、隔尘帘除尘、磁化水除尘、超声波除尘、声波雾化除尘、预荷电喷雾除尘等。
2.2粉尘智能防治现状及存在问题分析
矿尘监测与防治技术的发展趋势可以概括如下:短时间、间断性监测与长周期、连续性测尘并重,逐步向连续性在线监控的方向发展。受诸多因素的影响,目前国内在矿尘监测与防治方面存在的主要问题有:
1)测尘方式方面,目前国内普遍采用人工、间断性、单地点检测总矿尘浓度的方式。这种方式测得的总矿尘浓度数据仅反映了测尘时间段内的矿尘状况,并不能全面、准确地反映煤矿井下空间内在一段时间内的总体矿尘累计情况。
2)测尘效果方面,测尘误差普遍较大,为10%~20%,而且测尘速度慢,以min为数量级。这是由于井下含尘空气属于气固两相流体系,流型复杂多变,并且与煤岩尘粒的成分、风速、气压、温度、湿度、生产环境气象条件等诸多因素有关。
3)测尘类别方面,总矿尘浓度反应的是井下空间的总体矿尘情况,而呼吸性矿尘浓度则更直接地反映了矿尘对于尘肺等矿工职业病的危害程度。然而,呼吸性矿尘数据目前在国内煤矿尚未引起足够的重视。
4)除尘控制方面,矿尘的防治是一项综合任务,需要从尘源点、悬浮空间以及降落点等诸多方面采取措施,目前国内煤矿在采煤机等设备上均配有除尘设施,并有除尘风机、除尘水幕等除尘设备,但是井下空间仍然存在着相当大浓度的矿尘悬浮,这就需要进一步采取除尘措施。
5)除尘装备方面,在当前阶段,粉尘治理还处于防治阶段,粉尘在不同工艺条件和开采条件下的采掘工作面时空分布规律不尽相同,能够采取的防治措施和防尘装备有限,同时存在大量专用定制的防尘装备,相比采煤机掘进等定型设备存在较大差别,智能化升级改在的路还很长。
2.3研究方向
围绕矿山粉尘防治与大数据、人工智能等深度融合的关键环节,大力推进研发基于激光散射和荷电融合技术的高精度呼吸性粉尘传感器;通过工况作业环境粉尘职业健康试验平台,构建接尘量计算模型、粉尘职业健康危害预测模型,探究井下采掘及地面堆场作业时人员可吸入粉尘的理化特性、接尘量、沉积规律以及粉尘职业危害环境的形成机制,开展煤矿空气净化及粉尘职业健康关键技术装备研究,突破矿井空气污染物防控的理论瓶颈,研发空气污染物防控关键技术与装备,净化井下空气,构建井下空气质量在线监测与智能预警平台,建立煤矿职业健康危害保障体系,提高井下矿工的作业环境和空气质量,保障员工的生命安全。
三、防灭火智能化
我国90%以上煤层为自燃或易自燃煤层,每年发生自燃隐患4 000多起,封闭采煤工作面100多个。煤自燃火灾也是引起矿井瓦斯爆炸事故的重要原因,多次引起瓦斯爆炸等重特大事故,造成人员伤亡和经济损失。
3.1内因火灾防治技术发展现状及存在问题
1)基于气体测试的矿井火灾预警技术及装备
目前,在矿井生产过程中,基于气体测试使用较多并且预警准确率较高的矿井火灾预警技术主要有煤矿安全监控系统和束管监测系统。
2)基于温度测试的矿井火灾预警技术及装备
目前,在矿井生产过程中,基于温度测试的预警技术及装备主要有:光纤测温系统、红外测温预警、温度传感器预警等。
3.2监测存在问题
采空区煤自燃隐蔽火源的监测、探测和预警是亟待解决的世界性难题,主要存在以下5个方面的难点:
1) 煤岩体导热性差,传统测温方法,难以准确判定自燃程度。
2) 标志性气体飘移性好,难以精准定位高温区域。
3) 采空区煤自燃危险区域分布范围广,人工巡检的工作量大、盲区多、时效性差、漏报率高。
4) 标志性气体与煤自燃温度对应关系不明确,难以定量划分煤自燃危险等级。
5) 煤自燃监测信息种类多、数据量大、内在关联性差,缺乏有效的多源信息融合识别预判方法,数据挖掘和分级预警难度大。
目前大部分矿井采空区防灭火采用以灌浆为主、井下移动式注氮(地面注氮站)、喷洒阻化剂等两种以上综合防灭火措施,井上下已建立有相应的防灭火系统和安全监测监控系统,实现了矿井安全监测的需要,但不能实现采空区气实时体在线监测的全覆盖,不能实现对采空区火灾早期隐患的识别预警。因此,很有必要建立采空区火灾智能监测分级预警系统,有效保障矿井安全生产。常规探测技术针对性不强,常规措施缺乏高效性与长效性。因此,研究采空区火灾智能监测分级预警技术,是现代化智能矿井实现安全、高效开采的迫切需要。
3.3外因火灾防治技术发展现状及存在问题
发展现状及存在问题:目前矿井外因火灾监测预警主要采取标志气体分析法、测温法、烟感法、气味检测法等,其中标志气体分析法、烟感法、测温法得到了广泛应用,对矿井外因火灾的防治起到了重要作用。但是,矿井外因火灾突发性强,影响范围大,易造成重大事故;由于矿井外因火灾的复杂性,智能监测预警技术缺乏针对性和系统性,应急处置滞后;灾害发生后,限制火灾范围扩大,科学调整灾变区域的通风系统,如何指导灾区人员避险和安全撤离,安全快速救灾等都缺乏研究和应用。主要存在以下5个方面难点:
1)感知手段单一、盲区大、漏报误报率高;
2)矿井外因火灾风险监测预警指标不明确;
3)火灾早期隐患难识别,灾害应急处置滞后;
4)矿井外因火灾联动控制智能化水平低;
5)数据融合利用率低,风险预测模型缺失。
3.4研究方向
1)煤自燃基础理论的研究
在判断煤自然发火危险性时,目前实验室普遍使用的色谱吸氧法测定煤自燃倾向性,测试手段较为先进,但测定结果并不准确,与实际相差较大;现有的预测煤自然发火期的方法中,大中型试验炉模拟煤自燃试验法测试结果较为准确,但周期长、成本高、难以进行重复试验进行验证;现阶段用于煤自燃预报的指标气体受风量、风压和检测地点等多种因素影响较大,在及时准确地反映煤层自燃危险性方面存在较大的局限性。
对于煤自燃基础理论及预测预报方面,需进一步探索研究煤自燃的微观机理及影响因素,同时继续探索、优化或研发煤自燃倾向性测定方法,使得测定结果准确,对煤自燃倾向等级划分更加细致明确;进一步探索小型试验炉或其他方法测试煤自然发火期,使得测试结果准确,并达到周期小、成本低、可重复试验等目的。通过对煤自燃倾向性、煤自然发火期的进一步研究,使矿井火灾预测预报更为准确和及时。
2)对矿井火灾预警技术和装备的研究
现阶段的矿井火灾预警技术和装备一般只实现了火灾气体指标的在线监测,在线分析预报的功能还不完善,只具有单指标超限报警功能,或多指标共同耦合分析时,指标权重还不够完善,各类火灾监测预报指标及系统配合度不高,信息共享差,缺少对火灾信息的全面采集、处理和分析,系统误报、漏报率较高,很难及时准确地判定发火位置。另外,基本上还没有一套集火灾监测、预警、救灾预案自动生成和火灾控制装备于一体的比较完善的煤自燃监控系统,智能化煤自燃火灾预警系统基本上仍处于空白。最后,研发一种可远程控制防灭火门尤为关键,实现需要采取封闭的方式灭火时,远程关闭防火门,做到小范围、高效灭火。
需要进一步挖掘矿井火灾预警装置体系化、智能化的潜力,提高煤自燃预报的准确度和可靠性,进行矿井火灾预警技术与装备的系统研究,并加大在应用方面的投入力度,全面提高矿井安全生产和管理水平,改善矿井安全生产形势。
四、瓦斯防治智能
4.1瓦斯监控系统现状及存在问题
据有关调查显示,我国大多数煤矿企业在开采过程中所应用的煤矿瓦斯监控系统基本都是以环境监测和生产监测为主要手段,并结合单片机、PLC、计算机网络以及其他关键技术推进煤矿瓦斯监控系统功能的完善。但在实际应用当中,也出现了通信问题、设备连接问题、传感器问题以及现场管理问题,直接制约着煤矿瓦斯监控系统的应用效果。下面展开详细论述。
1)技术手段
环境监测和生产监测作为煤矿瓦斯监控系统主要的技术监测手段,其是对煤矿生产的周围环境和实际情况进行分析,从而保障煤矿巷道的生产安全。首先,环境监测是利用环境传感器来监测煤矿巷道内部的瓦斯含量以及其他有毒、有害气体,并由监测结果来判断煤矿巷道的开采环境和作业条件是否合格。
其次,对生产监测侧重点在于对煤矿巷道井下和井上的生产操作技术和生产参数的监测,通过及时分析煤矿生产设备的各项参数,达到保护设备正常运转的效果。常见的生产监测技术的参数包括了水仓水位、煤仓的煤位、供电电流和电压以及各设备的运行功率等;并通过严格监控水泵、局扇以及提升机的运行情况,为煤矿生产工作的进行创造更加合适的环境,保障其安全生产和高效生产。
2)影响问题
调查显示,在现阶段煤矿瓦斯监控系统的应用中,通信、设备连接、传感器应用、现场管理等是影响煤矿瓦斯监控效果的重要因素,并构成了系统应用的主要影响问题。其表现方式如图3所示。
图3 煤矿瓦斯监控系统影响问题表现形式
结合图3,在煤矿瓦斯监控系统应用中,第1个影响问题直接表现为系统通信的缺失。这是由于煤矿瓦斯监控系统是针对煤矿的实际情况而进行设计的,其单一性、个性突出,导致其在使用时由于自身独特的通信系统,会产生通信系统之间的兼容问题,从而成为制约系统升级和有效通信的主要限制。而反映到煤矿企业自身,其经常采用的煤矿瓦斯监控系统会限制其对通信设备的操作方法,长时间使用同一型号的设备,方法会被束缚,从而无法对系统进行升级改造。
第2个影响问题,表现为设备传输问题,例如超长掘进工作面长度约6000 m,结合工作面实际,一般需对粉尘、瓦斯、一氧化碳及风筒状态等监控,监测设备数量众多,线缆连接结构复杂,随着供电传输距离增长,电压损耗一般最远传输距离不足2000 m,造成维护量大。
第3个影响问题,现阶段各种传感器基本都存在使用寿命短、工作稳定性差、灵敏度漂移等缺点,严重制约了煤矿的有害气体检测。另外现在煤矿很多传感器必须进行定期调校,调校工作对相关人员的技术水平要求较高,如不能按规定对传感器进行调校、维护,也会影响矿井瓦斯监测。
第4个问题是现场管理问题,表现在高产高效大型矿井,井下范围大,测点多,需要投入大量人力物力进行安装调试。如果现场人员专业技能一般,容易使煤矿瓦斯监控系统中各设备的安装效果未能达到预期水平,进而造成了系统内部设备之间的配置问题和传感器校对问题,无法更为全面地达到监测煤矿瓦斯含量的效果,进而影响到安全生产的推进。并且在进行例行巡检打卡时,瓦检员大部分都是单岗作业,工作强度较大,很容易产生疏忽。
4.2研究方向
煤矿瓦斯监控系统应用的关键技术如图4所示。
图4 煤矿瓦斯监控系统应用的关键技术
1)单片机技术
利用单片机进行煤矿瓦斯监控系统的应用设计,其是通过上下位的主从结构方案,使得系统的应用更加具有层次性和等级性。同时,在传感器当中设定检测功能,分析煤矿环境内的瓦斯介质存在成分含量,并通过电压信号输出大小进行转换,进而在反射到中央处理器之后,由控制器处理并输出最终的智能化信号,用于系统执行或者改变控制内容,进而做出报警等警示信号或者自动采取预防措施,降低危险。这种单片机技术煤矿瓦斯监控系统智能化改变的初次设计,在实际应用中也存在较为明显的限制内容,需要在应用过程中,加以改造升级。
2)PLC技术
一般的PLC技术设计结构都采用了冗余设计模式,由多个I/O分站来采集煤矿巷道内部不同监测位置的瓦斯参数,并通过PLC控制中心的系统数据和信息传输功能,使其在控制中心的数据分析下,自动启动煤矿瓦斯监控系统的其他辅助设备,如煤矿通风机、报警系统、设备电源系统等,实现智能化、自动化的煤矿矿井通风、瓦斯含量预警、设备断电保护等具体操作。这种以瓦斯介质参数为依据的PLC技术联动智能控制,可以更为高效地达到系统控制效果,并且应用的可靠性和实用性更为突出。
4.2.1 其他关键技术
首先,在高产高效矿井瓦斯检测方面,可通过研究一种巡回移动检测与定点监测数据联动装置,来进行井下有害气体数据检测分析,实现“机器替人”减人目标。在瓦斯检测传感器通信传输方面,可通过实现无线传输解决长距离供电及通信传输问题,解决生产实际问题,另外通过创新瓦斯传感器种类,如催化燃烧式甲烷传感器、红外甲烷传感器、激光甲烷传感器、激光甲烷遥测仪以及光干涉式传感器等,可以针对煤矿的实际情况而选择精度适合、安全可靠的传感器类型。
图5智能瓦斯巡检机器人研制构架
其次,对系统软件的开发与研究,可以通过优化系统本身设计算法的方法,提高煤矿瓦斯监控系统运行的可靠性、科学性,提升其对瓦斯传感器传输数据分析的准确性,并给出更加可靠、安全的控制指令来保障煤矿安全。同时,结合定期测试系统程序和信号传输效果的管理方法,可以及时简化程序的繁琐设计,并做到程序改良,进而提供安全、简洁、高效的系统运行模式。
五、结论
5.1矿井智能通风系统分为基础设施建设和软件平台建设两部分。基础设施主要包含精准测风装置与精准控风装置,智能通风软件平台包含四个子系统,分别为智能监测子系统、预警诊断子系统、风网解算与决策子系统、智能控制子系统,软件平台负责通风管理分析与决策。通过创建矿井通风三维数据模型、精准调节风窗风阻模型、变频风机风量模型、通风系统预警模型、矿井巷道风量模型实现对矿井智能通风数字模型化管理。
5.2矿井粉尘智能化防控目前最主要难点仍旧在粉尘防治技术上,矿井差异性导致矿井粉尘产生及运移规律出现较大差异,粉尘防治与职业健康息息相关,由单一的粉尘治理到矿井空气净化是粉尘治理的总体工作思路,防尘智能化发展道路任重而道远。
5.3矿井火灾预警研究基础理论和方法,主要基于气体测试和温度测试2个方面,结合矿井火灾预警技术和装备对我国目前的研究现状进行总结,分析了现有研究中存在的局限性,并对未来的发展趋势进行展望。应进一步加强煤自燃基础理论的研究,加深对煤自燃过程的认识与了解,从而优化煤自燃倾向性预测方法和煤自然发火期的精准预测,从理论上为煤自燃预测预报提供依据。进一步加强对煤自燃预警技术和装置研究的科研力度,努力挖掘和实现矿井火灾预警技术和装置的体系化、智能化、一体化潜力,提高煤自燃预测预报的准确性和可靠度,同时实现集矿井火灾预测预报、预警、应急响应、智能化灭火和救灾于一体的综合性系统,全面提高矿井安全,保障矿井的正常生产和人员安全。
5.4煤矿瓦斯智能监控系统不仅为煤矿监控系统的完善提供了更加丰富多样的选择,而且对改进煤矿瓦斯监控设备、创新煤矿瓦斯监控系统技术应用产生了积极影响。通过不断创新煤矿瓦斯监控系统和智能瓦斯巡检系统的关键技术,进而提高煤矿瓦斯监测效果,实现安全高效生产。
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