一种金属矿山井下作业场所智能通风调控系统及方法
阅读说明：本技术 一种金属矿山井下作业场所智能通风调控系统及方法 (Intelligent ventilation regulation and control system and method for metal mine underground operation place ) 是由 周伟 李刚 许峰 吴冷峻 贾敏涛 任甲泽 张明峰 鲁智勇 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种金属矿山井下作业场所智能通风调控系统及方法,将外部输入系统、需风量计算系统和三维智能可视化通风调控平台集成于地表调度中心内；通风机调速控制系统安设在井下风机控制硐室内；作业场所环境参数监测系统布置在井下通风机房或作业场所回风巷道中；数据库储存于工控计算机内；网络通讯系统通过光纤将三维智能可视化通风调控平台、通风机调速控制系统、作业场所环境参数监测系统进行连接。本发明可根据井下作业场所的不同工作状态,通过对环境参数同步监测,实时反馈的方式对作业场所通风系统进行智能调控,最大限度地提高矿井有效风量率,为矿山通风系统管理和优化调整提供决策和支撑。(The invention discloses an intelligent ventilation regulation and control system and method for a metal mine underground operation place, wherein an external input system, a wind demand calculation system and a three-dimensional intelligent visual ventilation regulation and control platform are integrated in a ground surface dispatching center; the ventilator speed regulation control system is arranged in the underground fan control chamber; the working place environmental parameter monitoring system is arranged in an underground fan room or a working place return air tunnel; the database is stored in the industrial control computer; the network communication system connects the three-dimensional intelligent visual ventilation regulating and controlling platform, the ventilator speed regulation and control system and the operation place environment parameter monitoring system through optical fibers. The invention can intelligently regulate and control the ventilation system of the working place in a real-time feedback mode by synchronously monitoring the environmental parameters according to different working states of the underground working place, thereby improving the effective air volume rate of a mine to the maximum extent and providing decision and support for the management and the optimization adjustment of the ventilation system of the mine.)
技术领域
本发明涉及矿石开采技术领域，具体为一种金属矿山井下作业场所智能通风调控系统及方法。
背景技术
我国金属非金属矿山已迈入深部资源开发阶段，深部开采通风线路变长，通风阻力增大，维持矿井设计风量能耗高。多数矿山大范围多采场动态开采，中段产能不一致，作业场所风量需求多元化，分配不合理，有效风量率低。因此如何实现矿山粗犷型通风向精细动态化转变，最大限度地保护井下工作环境和工人身心健康，已成为矿山迫切需要解决的问题。
目前，常见的金属矿山通风系统一般按照大主扇模式设计，矿井总风量远大于实际需风量，加之开采向深部延深，多采场同时作业、大范围开采的通风系统导致井下通风网络更加复杂，井下串联、并联、角联等复杂通风网络已形成，通风安全问题也愈显突出，通风管理水平亟待进一步提升。目前，有关金属矿山智能通风控制系统主要有以下三种：
第一种是专利号ZL202011030456.4公开的矿山采矿领域用智能通风系统，其通过远程实时监控技术实时在线监测矿井巷道内部风速、有害气体和风压信息，自动调整矿井通风机中扇叶的转速来完成相应需求。由于该种智能通风系统未构建通风系统需风量计算模型，无法对矿井实际需风量和实际供风量调控提供理论依据。
第二种是专利号ZL201510512163.2公开的一种实现地下矿山井下风量按需分配的通风节能控制方法，其采用矿井通风网络解算软件按季节、作业时段进行需风量理论计算，按风流线路接力布置风机，风机装机巷布置风速传感器进行风量监测，依据相似原理将风量转换为风机频率，并对不同区域风机设置不同的风量允许误差，通过PLC控制系统实现风量调控。由于金属矿山生产系统具有较强的动态性，井下生产并不能一直保持相对均衡的生产工况，生产能力和作业场所一直处于动态的变化过程，而且每个作业场所工作性质不一，风量需求也不一致，按季节、作业时段进行风量调控势必造成部分作业场所通风系统常时间处于低效率的运行状态而产生大量的能耗浪费。
第三种是关于《金属矿山井下VOD智能通风技术研究》(金属矿山，2014年第6期)从矿井风量的“供需平衡”原理出发，按需供给风量。通过人员(设备)定位系统采集人员、设备信息并将数据经转换、传输到风机远程集中监控系统(VOD智能通风控制系统)，自动计算“实际需风量”。该方法在计算作业场所需风量时未考虑采矿工艺和爆破工序对需风量的影响。同时，对监测风量值(实际供风量)与目标风量值(实际需风量)的判别标准没有明确的设定，作业场所CO等有害气体对需风量及供风量大小供给的影响也未提及。
综上，结合金属矿山通风系统设计特点，风机选型一般按照通风困难时期通风阻力、风量进行选型，设计供风能力偏大，特别是在矿井投产初期和通风系统改造后，作业场所需风量和供风量均发生较大变化，如何高效匹配成为难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属矿山井下作业场所智能通风调控系统及方法，根据井下作业场所的不同工作状态，通过对环境参数同步监测，实时反馈的方式对作业场所通风系统进行智能调控，以及相互之间的有机结合形成的成套技术，以解决现有技术存在的金属矿山作业场所生产能力和工作状态一直处于动态的变化过程、需风量计算及调整难度大、有效风量率偏低等问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种金属矿山井下作业场所智能通风调控系统，包括外部输入系统、需风量计算系统、三维智能可视化通风调控平台、通风机调速控制系统、作业场所环境参数监测系统、数据库及网络通讯系统；所述外部输入系统、需风量计算系统和三维智能可视化通风调控平台集成于地表调度中心内；所述通风机调速控制系统安设在井下风机控制硐室内；所述作业场所环境参数监测系统布置在井下通风机房或作业场所回风巷道中；所述数据库储存于工控计算机内；所述网络通讯系统通过光纤将三维智能可视化通风调控平台、通风机调速控制系统、作业场所环境参数监测系统进行连接。
更进一步地，所述外部输入系统与人员设备定位系统连接，并预留有外部接口；人员设备定位系统通过人机交互可视化界面输入采矿工艺参数与作业面参数；其中，人机交互可视化界面还可用于作业场所智能通风调控系统操控及运行界面显示，将作业场所智能通风调控系统的运行状态和各种监测数据以图形、动画和文字方式显示在屏幕上。
更进一步地，所述需风量计算系统用于矿井的通风设计及风量调节，按照矿井风量计算的方法和步骤，根据作业场所人员工种及数量、主要设备工作状态、作业面类型因素，计算出符合要求的实际需风量，需风量包括排尘需风量、降温需风量、人员需风量、设备需风量、爆破需风量。
更进一步地，所述三维智能可视化通风调控平台由数据逻辑运算、人机交互界面、网络动态仿真、风机运行工况解算和通风系统安全预警组成；
若井下作业场所实际供风量低于需风量计算值或者CO气体浓度监测值大于或接近预警值，实时声光报警，并通过作业场所环境参数监测系统传输至三维智能可视化通风调控平台，通过三维智能可视化通风调控平台运算矿井通风机的电机修正运行转速，并将运算结果传至通风机调速控制系统，驱动矿井通风机按照指定指令运行；
若井下作业区域实际供风量高于需风量计算值的1.2倍，通过三维智能可视化通风调控平台运算矿井通风机的电机修正运行转速，将运算结果传至通风机调速控制系统，驱动矿井通风机按照指定指令运行，直至满足预设条件下风量要求。
更进一步地，所述通风机调速控制系统由通风机、变频控制箱及其附属部件组成。
更进一步地，所述作业场所环境参数监测系统由安装在井下的各类传感器组成，各类传感器包括风速传感器、差压传感器、CO传感器；
其中，风速传感器布置在作业场所回风巷，悬挂位置处于回风巷中心线与腰高线交叉点，安装时先连接各自的插件、再套装在支架上进行固定，风标杆沿所示箭头方向嵌入；
差压传感器接口布置在矿井通风机的集流器和扩散器外边缘，采集孔对正风流的来流方向；
CO传感器布置在作业场所回风侧巷道，距巷道顶板0.2-0.3m。
更进一步地，所述数据库包含采矿工艺数据库、矿井环境参数数据库、通风网络数据库、作业面参数数据库和历史存储库。
更进一步地，所述网络通讯系统由网络通讯控制组件、交换机和光纤组成。
更进一步地，所述地表调度中心布置在作业场所的地表上，并通过外部输入系统、需风量计算系统和三维智能可视化通风调控平台用于对作业场所供风量进行控制分配。
本发明提供另一种技术方案：一种金属矿山井下作业场所智能通风调控系统的方法，包括以下步骤：
S1：通过外部输入系统收集矿井用风计算参数，包括人员设备信息、采矿工业及作业面特征参数，并将参数导入至需风量计算系统计算实际需风量，得出作业场所风量调控目标值；
S2：将S1中的目标值导入三维智能可视化通风调控平台进行通风网络动态仿真和风机运行工况解算，并输出风机执行指令至通风机调速控制系统，通过通风机调速控制系统调整风机运行工况；
S3：通风机运行后，通过作业场所环境参数监测系统监测作业场所实际供风量，并将风量值传输至三维智能可视化通风调控平台，比较监测风量值与目标风量值，若监测风量值与目标风量值相差大于设定值，则调整风机运行参数，直至监测风量值与目标风量值相近；
S4：当作业场所环境参数监测系统监测到作业场所CO气体浓度超标时，三维智能可视化通风调控平台发布通风系统安全预警信号，同时输出风机执行指令至通风机调速控制系统，调大风机电机运行频率，直至作业场所CO气体浓度符合预设要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种金属矿山井下作业场所智能通风调控系统及方法，可根据井下作业场所人员、设备、作业点的数量、工艺类型、工作状态、爆破工序以及井下环境参数的实时反馈，通过需风量计算模型计算作业场所实际需风量，有效的提高了风量计算的准确度。
2、本发明提供的一种金属矿山井下作业场所智能通风调控系统及方法，可设置作业场所最低安全风量，将作业人员、设备定位系统以及作业地点、爆破作业工序等因素与智能通风调控系统衔接，减少作业场所因人员、设备、地点、爆破等因素的动态变化对风量需求不一造成的影响，在满足作业场所风量需求和安全生产的基础上，节能增效。
3、本发明提供的一种金属矿山井下作业场所智能通风调控系统及方法，可根据作业场所反馈的实际供风量与计算的需风量的大小关系，自动调节控制通风机的开停或变频调速，以供给最优、最合理的风量，实现风量的闭环控制；同时采用三维通风仿真模拟系统进行通风网络模拟解算，用于作业场所通风机控制方案的对比参考及相互验证，进一步提高了作业场所智能通风调控系统的可靠性和稳定性。
附图说明
图1为本发明的系统框架原理图；
图2为本发明的方法流程图。
图中：1、外部输入系统；2、需风量计算系统；3、三维智能可视化通风调控平台；4、通风机调速控制系统；5、作业场所环境参数监测系统；6、数据库；7、网络通讯系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例中：提供一种金属矿山井下作业场所智能通风调控系统，包括外部输入系统1、需风量计算系统2、三维智能可视化通风调控平台3、通风机调速控制系统4、作业场所环境参数监测系统5、数据库6及网络通讯系统7；外部输入系统1、需风量计算系统2和三维智能可视化通风调控平台3集成于地表调度中心内，地表调度中心布置在作业场所的地表上，并通过外部输入系统1、需风量计算系统2和三维智能可视化通风调控平台3用于对作业场所供风量进行控制分配；通风机调速控制系统4安设在井下风机控制硐室内；作业场所环境参数监测系统5布置在井下通风机房或作业场所回风巷道中；数据库6储存于工控计算机内；网络通讯系统7通过光纤将三维智能可视化通风调控平台3、通风机调速控制系统4、作业场所环境参数监测系统5进行连接；网络通讯系统7由网络通讯控制组件、交换机和光纤组成。在上述实施例中，本发明系统根据井下作业场所人员、设备、作业地点的数量、工艺、状态、爆破作业集中时间的特性，计算实际需风量，结合三维通风仿真模拟系统，给定作业场所通风机运行频率，通过井下环境参数的实时反馈数据，比较判断“实际需风量”与“实际供风量”之间的关系，采用通风机的开停或无级变频调速控制方法，对实际供风量进行修正调整，且具有运行频率上、下限限制功能，确保系统实际供风量控制在基本安全合理的范围内，实现作业场所通风系统实时监测和调控。
本发明实施例中，外部输入系统1与人员设备定位系统连接，并预留有外部接口；人员设备定位系统通过人机交互可视化界面输入采矿工艺参数与作业面参数；其中，人机交互可视化界面还可用于作业场所智能通风调控系统操控及运行界面显示，将作业场所智能通风调控系统的运行状态和各种监测数据以图形、动画和文字方式显示在屏幕上。
本发明实施例中，需风量计算系统2用于矿井的通风设计及风量调节，按照矿井风量计算的方法和步骤，根据作业场所人员工种及数量、主要设备工作状态、作业面类型因素，计算出符合要求的实际需风量，需风量包括排尘需风量、降温需风量、人员需风量、设备需风量、爆破需风量。
本发明实施例中，三维智能可视化通风调控平台3由数据逻辑运算、人机交互界面、网络动态仿真、风机运行工况解算和通风系统安全预警组成；若井下作业场所实际供风量低于需风量计算值或者CO气体浓度监测值大于或接近预警值，实时声光报警，并通过作业场所环境参数监测系统5传输至三维智能可视化通风调控平台3，通过三维智能可视化通风调控平台3运算矿井通风机的电机修正运行转速，并将运算结果传至通风机调速控制系统4，驱动矿井通风机按照指定指令运行；若井下作业区域实际供风量高于需风量计算值的1.2倍，通过三维智能可视化通风调控平台3运算矿井通风机的电机修正运行转速，将运算结果传至通风机调速控制系统4，驱动矿井通风机按照指定指令运行，直至满足预设条件下风量要求；其中，为了便于需风量计算系统2、三维智能可视化通风调控平台3实时计算作业场所需风量和通风系统动态模拟解算，输出通风机执行指令(电机运行频率)，实现历史数据的溯查，本发明还集成了数据库6，其中，数据库6包括采矿工艺数据库、矿井环境参数数据库、通风网络数据库、作业面参数数据库和历史数据存储库。
本发明实施例中，通风机调速控制系统4由通风机、变频控制箱及其附属部件组成；作业场所环境参数监测系统5由安装在井下的各类传感器组成，各类传感器包括风速传感器、差压传感器、CO传感器；其中，风速传感器布置在作业场所回风巷，悬挂位置处于回风巷中心线与腰高线交叉点，安装时先连接各自的插件、再套装在支架上进行固定，风标杆沿所示箭头方向嵌入；差压传感器接口布置在矿井通风机的集流器和扩散器外边缘，采集孔对正风流的来流方向；CO传感器布置在作业场所回风侧巷道，距巷道顶板0.2-0.3m。
请参阅图2，为了进一步更好的解释说明上述实施例，本发明还提供：一种金属矿山井下作业场所智能通风调控系统的方法，包括以下步骤：
步骤一：通过外部输入系统1收集矿井用风计算参数，包括人员设备信息、采矿工业及作业面特征参数，并将参数导入至需风量计算系统2计算实际需风量，得出作业场所风量调控目标值；
步骤二：将S1中的目标值导入三维智能可视化通风调控平台3进行通风网络动态仿真和风机运行工况解算，并输出风机执行指令(电机运行频率)至通风机调速控制系统4，通过通风机调速控制系统4调整风机运行工况；
步骤三：通风机运行后，通过作业场所环境参数监测系统5监测作业场所实际供风量，并将风量值传输至三维智能可视化通风调控平台3，比较监测风量值与目标风量值，若监测风量值与目标风量值相差大于设定值，则调整风机运行参数(电动机频率最大增频至50Hz，最小降频至30Hz运行)，直至监测风量值与目标风量值相近(监测风量值介于目标风量值的1～1.2倍之间)；
步骤四：当作业场所环境参数监测系统5监测到作业场所CO气体浓度超标时，三维智能可视化通风调控平台3发布通风系统安全预警信号，同时输出风机执行指令至通风机调速控制系统4，调大风机电机运行频率，直至作业场所CO气体浓度符合预设要求。
在上述实施例中，由图2可以看出，本发明智能通风控制系统可准确的描述作业场所的环境参数及通风机工作状态，各类监测数据可以文字方式动态显示；本发明实施例通过对上传的数据进行分析处理，综合判定作业场所回风风机所需的修正运行转速(电动机频率最大增频至50Hz，最小降频至30Hz运行)，直至满足预设条件下风量要求，同时，实现作业场所通风运行状态参数的局域网发布。
工作原理：本发明提供的一种金属矿山井下作业场所智能通风调控系统及方法，系统可根据井下作业场所人员、设备、作业地点的数量、工艺、状态、爆破作业集中时间的特性，计算实际需风量，结合三维通风仿真模拟系统，给定作业场所通风机运行频率，通过井下环境参数的实时反馈数据，比较判断“实际需风量”与“实际供风量”之间的关系，采用通风机的开停或无级变频调速控制方法，对实际供风量进行修正调整，且具有运行频率上、下限限制功能，确保系统实际供风量控制在基本安全合理的范围内，实现作业场所通风系统实时监测和调控。
其次，为了便于需风量计算系统2、三维智能可视化通风调控平台3实时计算作业场所需风量和通风系统动态模拟解算，输出通风机执行指令(电机运行频率)，实现历史数据的溯查，本发明还集成了采矿工艺数据库、矿井环境参数数据库、通风网络数据库、作业面参数数据库和历史数据存储库。
为了减少作业场所因人员、设备、地点、爆破等因素的动态变化对风量需求不一造成的影响，本发明还设有作业人员、设备定位系统以及作业地点性质、爆破作业工序，作业人员、设备定位系统将采集的人员、设备信息经网络通讯系统7上传至智能通风调控系统，进而对需风量计算模型优选的作业场所风量进行校准，提高需风量计算的准确性。
本发明为了缩短作业场所爆破时期炮烟排放时间，在作业场所回风巷布置CO传感器，通过监测CO气体浓度的方式，为作业场所供风量的大小供给提供判别依据。
另外，本发明为了便于在维修、应急情况下，仍能人工现场调控作业场所通风机，增设现场控制通风机运行的功能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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