Modeling and Control of Small-Scale Underground Mine Ventilation Networks

Modelado y control de redes de ventilación de minas subterráneas de pequeña escala

Este artículo presenta un modelo no lineal y una estrategia de control para regular el flujo de aire en redes de ventilación de minas subterráneas a pequeña escala. En los sistemas de control de ventilación subterránea se suele considerar un sensor y un actuador para cada rama. Sin embargo, en las minas subterráneas a pequeña escala resulta demasiado caro disponer de puertas automáticas para controlar el flujo de aire en cada túnel, así como instalar sensores de flujo y gas en cada rama. Para regular el flujo de aire en redes de ventilación subterránea a pequeña escala, el número de sensores y actuadores se considera una limitación para la instalación práctica. Este trabajo presenta un modelado alternativo de la red, con control directo del flujo de aire en cada túnel, variando la velocidad de los ventiladores disponibles en la superficie exterior de la mina. Se presenta un modelo de espacio de estados y se diseña un controlador lineal cuadrático con acción integral y un estimador de estado. Para validar el modelo y el controlador, se presenta un sistema de ventilación en red para una mina de pequeña escala con nueve ramales (túneles) y dos actuadores (ventiladores).

INTRODUCCIÓN

La industria minera contribuye de forma importante a la economía de muchos países. Por sus características, la minería subterránea es considerada una actividad peligrosa, con altos índices de accidentes reportados cada año Knights y Scanlan (2019); Wang y Du (2020). Por este motivo, una importante investigación académica e industrial se ha centrado en la mejora de las condiciones de seguridad en las explotaciones mineras subterráneas, centrándose en el nicho de conocimiento de lo que se conoce como Industria 4.0. Pałaka et al. (2020) muestran el impacto de esta tecnología en los trabajadores de las minas de carbón subterráneas. Los sistemas de ventilación desempeñan un papel clave en la seguridad de las minas de carbón subterráneas debido a la presencia de gases peligrosos como el metano. Los problemas en torno a la modelización y el control de los sistemas de ventilación de las minas se vienen estudiando desde la década de 1960, Tolmachev (1966),(Petrov et al., 1992). Hu et al. (2003) presentan un modelo dinámico no lineal para sistemas de ventilación basado en las leyes de Kirchhoff, que permite modelar redes de ventilación a gran escala y controlar el flujo de aire en cada túnel. Un modelo similar es propuesto por Zhu et al. (2014), quienes incluyen perturbaciones externas en el modelo y diseñan un controlador óptimo H₁. En Sui et al. (2016), se propone el análisis de una gran red de ventilación con 11 nodos y 17 ramas. En los estudios mencionados, se consideró una red totalmente equipada para controlar el comportamiento dinámico del flujo de aire en los túneles, es decir, que había sensores en toda la red y puertas automáticas que funcionaban como actuadores en cada rama. Un ejemplo de este tipo de instrumentación se muestra en Kozielski et al. (2021), donde los datos recogidos de 28 sensores diferentes colocados en diversos lugares de una mina de carbón subterránea se pusieron a disposición para su análisis o investigación.