基于數(shù)字孿生技術(shù)的礦井風(fēng)流調(diào)控虛擬系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

龔青

（中煤科工集團信息技術(shù)有限公司，陜西 西安 710001）

深部資源開發(fā)是目前能源領(lǐng)域研究的重點課題之一，但能源的高效開采和安全生產(chǎn)是制約深部資源開發(fā)發(fā)展的兩個重要因數(shù)[1]。在煤炭的開采中，受到開采環(huán)境和工藝的影響，不可避免地產(chǎn)生煤礦粉塵和瓦斯突出，這些粉塵和瓦斯?jié)舛热绻貌坏接行♂?，將?dǎo)致其在巷道內(nèi)集聚，威脅著煤炭開采安全[2]。礦井的機械化、信息化和智能化是煤炭開采的重要發(fā)展方向，因此結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于煤礦礦井巷道的風(fēng)流調(diào)控，可有效降低由于風(fēng)流不均導(dǎo)致的粉塵和瓦斯的濃度增加，為數(shù)字化的巷道掘進和安全生產(chǎn)提供研究依據(jù)[3]。

1 風(fēng)流調(diào)控系統(tǒng)的數(shù)字孿生與物理現(xiàn)實之間的虛實映射關(guān)系分析

數(shù)值孿生也稱為信息鏡像模型，它是對現(xiàn)實物理世界的完全模擬、對應(yīng)和映射，充分利用了虛擬的模型的數(shù)字屬性，在虛擬空間中對物理模型進行多尺度和多物理量的映射和完全一致，實現(xiàn)數(shù)字時間對物理世界的刻畫、模擬仿真以及可視化[4]。數(shù)字孿生模型可以依賴交互設(shè)備驅(qū)動現(xiàn)實物體的運轉(zhuǎn)，和現(xiàn)實物體兩者相互統(tǒng)一、互相補充、雙向映射，實現(xiàn)數(shù)字和實體的融合發(fā)展和虛實交互[5]。

在構(gòu)建煤礦風(fēng)流調(diào)控虛擬系統(tǒng)之前，需分析礦井的風(fēng)流調(diào)控系統(tǒng)的數(shù)字孿生與物理現(xiàn)實之間的虛實對應(yīng)關(guān)系，解構(gòu)兩者之間的功能關(guān)系、系統(tǒng)耦合等，因此建立風(fēng)流調(diào)控系統(tǒng)的數(shù)字孿生體與物理實體之間的數(shù)字孿生模型如圖1 所示，風(fēng)流調(diào)控系統(tǒng)數(shù)字孿生模型主要由3 個部分組成，分別為數(shù)字孿生體、物理實體以及跨域服務(wù)實體[6]。物理實體包括但不限于局部通風(fēng)調(diào)控系統(tǒng)、風(fēng)流調(diào)控裝置、巷道三維空間、瓦斯粉塵發(fā)生器以及傳感器等[7]。

圖1 基于數(shù)字孿生技術(shù)的礦井風(fēng)流調(diào)控系統(tǒng)虛實映射關(guān)系模型

2 基于數(shù)字孿生技術(shù)的煤礦風(fēng)流調(diào)控虛擬系統(tǒng)的總體設(shè)計

基于風(fēng)流調(diào)控系統(tǒng)的數(shù)字孿生與物理現(xiàn)實之間的虛實映射關(guān)系模型，建立煤礦風(fēng)流調(diào)控虛擬系統(tǒng)的總體框架如圖2 所示。礦井風(fēng)流調(diào)控虛擬系統(tǒng)分為4 個部分，其中智能調(diào)控及決策評價服務(wù)系統(tǒng)能夠在傳感器的數(shù)據(jù)采集后，以巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛群头蹓m濃度為基礎(chǔ)建立巷道開挖的通風(fēng)孿生數(shù)據(jù)，采用時間序列建立ARIMA模型以更好地挖掘通風(fēng)孿生數(shù)據(jù)，并經(jīng)過數(shù)據(jù)的迭代優(yōu)化，按照決策評價信息系統(tǒng)的判斷準則，提供風(fēng)流調(diào)控決策依據(jù)，并傳遞給上位機系統(tǒng)，驅(qū)動PLC 控制器，最終得到風(fēng)流控制和調(diào)節(jié)的目的；出風(fēng)口風(fēng)流智能調(diào)控物理系統(tǒng)是提供巷道粉塵和瓦斯的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并具有局部通風(fēng)機和風(fēng)筒等實體通風(fēng)設(shè)備，采用PLC 控制器對風(fēng)筒的風(fēng)流速度、風(fēng)壓以及出風(fēng)口角度進行調(diào)節(jié)；出風(fēng)口風(fēng)流智能調(diào)控虛擬系統(tǒng)是與出風(fēng)口風(fēng)流智能物理系統(tǒng)一一對應(yīng)的關(guān)系，能夠?qū)ΜF(xiàn)實實體的行為、幾何以及準則的數(shù)據(jù)模擬表達、虛擬場景建立、風(fēng)流調(diào)控算法以及智能預(yù)測[8]。

圖2 基于數(shù)字孿生技術(shù)的礦井風(fēng)流調(diào)控系統(tǒng)總體框架設(shè)計

3 基于礦井風(fēng)流調(diào)控虛擬系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析

煤炭是山東省儲量最為豐富的礦產(chǎn)之一，其在省內(nèi)的分布可以劃分24 個煤田，探明煤炭資源儲量約312.4億噸，含煤面積約16500 萬km2，其中兗州煤田為石炭-二疊紀煤田，設(shè)計的巷道為1600m，采用MB670 掘錨機。兗州煤田巷道掘進斷面形狀為矩形，開挖尺寸為5.5m×3.6m（寬×高），巷道的頂板埋深約400m，開采人員60人，按三班倒的勞動生產(chǎn)組織進行掘進，每班勞動力為20 人。

在礦井風(fēng)流調(diào)控時，對于中、低風(fēng)速和空氣溫度，選用ZRQF-D 系列的智能風(fēng)速儀進行測量，風(fēng)速的測試精度達到0.01m3/s，溫度的測試精度達到0.1℃；對于高風(fēng)速的測定，則選用DEM6 型輕便杯式風(fēng)速儀，風(fēng)速的測試精度達到0.4m3/s，最大測試風(fēng)速達到5m/s；對于井巷斷面積和距離的測量則采用YHJ-200J 型激光測距儀，能夠?qū)崿F(xiàn)30m 范圍內(nèi)測量風(fēng)道斷面積的精度為±3mm2；對于井下空氣大氣壓，采用的設(shè)備為DYM3 型空盒氣壓計，測試精度達到1hPa；風(fēng)機輸入功率及電壓等的測量采用MS22-3 三相鉗形數(shù)字功率表，測試精度達到0.01kw；礦井的風(fēng)機型號為抽出式DK62-10No36B，最大風(fēng)量可達到248.26m3/s，最大風(fēng)壓達到2988.78Pa，功率為2×630kW，風(fēng)機效率達到70.66%。

為進一步驗證基于數(shù)字孿生技術(shù)的礦井風(fēng)流調(diào)控虛擬系統(tǒng)對出風(fēng)口風(fēng)流的智能調(diào)控效果，系統(tǒng)的初始風(fēng)量進行給定，為120m3/s，掘進工作面與出風(fēng)口的距離為5m，出風(fēng)口的直徑為1200mm，水平偏角向右15°、垂直偏角向上3°。礦井風(fēng)流參數(shù)的監(jiān)測點布置按照監(jiān)測參數(shù)的而不同而有所不同，對風(fēng)速以及粉塵的監(jiān)測，監(jiān)測點分別布置在回風(fēng)側(cè)，布置高度均為30cm，傳感器的數(shù)量均為7 個，與掘進工作面的距離分別為1.0m、1.5m、2.0m、3.0m、4.0m、5.0m 以及司機位置，監(jiān)測點編號分別為JD01、JD02、JD03、JD04、JD05、JD06、JD07；對瓦斯的監(jiān)測，監(jiān)測點則布置在掘進工作面上，傳感器的數(shù)量為7個，布置的位置分別掘進工作面頂部、掘進工作面左右肩部、掘進工作面左右腰部、掘進工作面左右腳部，監(jiān)測點 的 編 號 分 別JW01、JW02、JW03、JW04、JW05、JW06、JW07；對于風(fēng)量的監(jiān)測，監(jiān)測點分別布置在回風(fēng)側(cè)，布置高度均為30cm，傳感器的數(shù)量均為7 個，與掘進工作面的距離分別為0m、20m、40m、60m、80m、100m、120m。

圖3 為不同監(jiān)測點位置的風(fēng)速場變化情況。從圖中可以看出，在監(jiān)測點編號JD01～JD06 之間，隨著距離掘進工作面的距離增加，傳統(tǒng)的局部通風(fēng)系統(tǒng)和基于數(shù)字孿生的風(fēng)流調(diào)控虛擬系統(tǒng)的風(fēng)速均呈不斷減小的趨勢，而在掘進機司機工作位置（JD07），基于數(shù)字孿生的風(fēng)流調(diào)控虛擬系統(tǒng)的風(fēng)速反而增加，而傳統(tǒng)局部通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)速則繼續(xù)減小。從JD01 風(fēng)速監(jiān)測點至JD06 風(fēng)速監(jiān)測點，基于數(shù)字孿生的風(fēng)流調(diào)控虛擬系統(tǒng)的風(fēng)速均大于傳統(tǒng)的局部通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)速，基于數(shù)字孿生的風(fēng)流調(diào)控系統(tǒng)的最大風(fēng)速為1.99m/s（JD01）降低為0.75m/s（JD06），降低幅度為62.3%，而傳統(tǒng)的局部通風(fēng)系統(tǒng)的最大風(fēng)速為1.42m/s（JD01）降低為0.45m/s（JD06），降低幅度為68.3%。

圖3 不同監(jiān)測點位置的風(fēng)速場變化

圖4 為不同監(jiān)測點位置的風(fēng)速場變化情況。從圖中可以看出，在監(jiān)測點編號JD01～JD06 之間，隨著距離掘進工作面的距離增加，傳統(tǒng)的局部通風(fēng)系統(tǒng)和基于數(shù)字孿生的風(fēng)流調(diào)控虛擬系統(tǒng)的粉塵質(zhì)量濃度均呈近線性減小的趨勢，而在司機工作位置（JD07），基于數(shù)字孿生的風(fēng)流調(diào)控虛擬系統(tǒng)與傳統(tǒng)局部通風(fēng)系統(tǒng)的粉塵質(zhì)量濃度均出現(xiàn)增減趨勢。從JD01 粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測點至JD07 粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測點，基于數(shù)字孿生的風(fēng)流調(diào)控虛擬系統(tǒng)的粉塵質(zhì)量濃度均大于傳統(tǒng)的局部通風(fēng)系統(tǒng)的粉塵質(zhì)量濃度；從基于數(shù)字孿生的風(fēng)流調(diào)控系統(tǒng)的最大風(fēng)速為800mg/m3（JD01）降低為300 mg/m3（JD06），降低幅度為62.5%，而傳統(tǒng)的局部通風(fēng)系統(tǒng)的最大風(fēng)速為220mg/m3（JD01）降低為170mg/m3（JD06），降低幅度為22.7%。由此可知，基于數(shù)字孿生的風(fēng)流調(diào)控虛擬系統(tǒng)的降塵效果更為明顯。

圖4 不同監(jiān)測點位置的粉塵濃度變化

圖5 為不同監(jiān)測點位置的瓦斯體積分數(shù)變化情況。從圖中可以看出，按照掘進工作面頂部、掘進工作面左右肩部、掘進工作面左右腰部、掘進工作面左右腳部次序，瓦斯的濃度不斷減小，掘進工作面的左右兩側(cè)的瓦斯?jié)舛瘸蕦ΨQ狀分布?；跀?shù)字孿生的風(fēng)流調(diào)控系統(tǒng)的瓦斯體積分數(shù)在拱頂位置最大，約為1.0%，在左側(cè)拱腳部最低，約為0.5%，降低幅度為50%，傳統(tǒng)的局部通風(fēng)系統(tǒng)的瓦斯體積分數(shù)在拱頂位置最大，約為0.5%，在左側(cè)拱腳部最低，約為0.2%，降低幅度為60%，在任意監(jiān)測點，基于數(shù)字孿生的風(fēng)流調(diào)控系統(tǒng)的瓦斯體積分數(shù)均小于傳統(tǒng)的局部通風(fēng)系統(tǒng)的瓦斯體積分數(shù)。由此可知，基于數(shù)字孿生的風(fēng)流調(diào)控虛擬系統(tǒng)的降瓦斯?jié)舛刃Ч鼮槊黠@。

圖5 不同監(jiān)測點位置的瓦斯場變化

圖6 為不同監(jiān)測點位置的通風(fēng)量變化情況。從圖中可以看出，隨著距離掘進開挖面距離的增加，通風(fēng)量不斷減小?；跀?shù)字孿生的風(fēng)流調(diào)控系統(tǒng)的實際通風(fēng)量與設(shè)計通風(fēng)量兩者相近，且兩者的差值變化范圍為-2.19m3/s～28.23m3/s，偏差幅度小于10%，因此可知，基于數(shù)字孿生的風(fēng)流調(diào)控系統(tǒng)可以對礦井的通風(fēng)量達到精確控制的效果，使得實際通風(fēng)量與設(shè)計通風(fēng)量基本一致。

圖6 不同監(jiān)測點位置的通風(fēng)量變化

4 結(jié)論

以實際煤礦巷道掘進為研究對象，基于數(shù)字孿生技術(shù)搭建礦井風(fēng)流調(diào)控實體模型與虛擬模型的映射關(guān)系，并建立了基于數(shù)字孿生技術(shù)的礦井風(fēng)流調(diào)控系統(tǒng)總體設(shè)計框架，將其應(yīng)用于實際礦井通風(fēng)系統(tǒng)的效果檢測中，得到以下幾個結(jié)論：

4.1 基于數(shù)字孿生的風(fēng)流調(diào)控虛擬系統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的局部通風(fēng)系統(tǒng)相比，前者可以在更低的風(fēng)速條件下，實現(xiàn)更為明顯的粉塵質(zhì)量濃度和瓦斯體積分數(shù)降低效果。

4.2 基于數(shù)字孿生的風(fēng)流調(diào)控系統(tǒng)的實際通風(fēng)量與設(shè)計通風(fēng)量兩者相近，且隨著距離掘進開挖面距離的增加，通風(fēng)量不斷減小，前者可以對礦井的通風(fēng)量達到精確控制的效果，使得實際通風(fēng)量與設(shè)計通風(fēng)量基本一致。