徐廣華，李新龍

（鄂托克前旗長城六號礦業(yè)有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 016215）

煤礦井下的通風系統(tǒng)一旦發(fā)生了問題，就會引起空氣流量的減少和空氣流動的混亂，從而對煤礦的生產安全造成了很大的威脅。所以，要著重于礦山通風技術的研究，引進新技術和新方法，讓礦山通風技術持續(xù)地更新，朝著智能化的方向發(fā)展，從而提高礦山的生產能力，確保礦山的生產安全。最近幾年，國家一直在加大對煤礦通風技術智能化的研究力度，本文對煤礦通風技術的現狀及智能化發(fā)展前景展開了分析。

1 礦井通風技術發(fā)展現狀

1.1 通風參數測定與監(jiān)測

測量和監(jiān)測巷道的空氣流量，是礦井通風系統(tǒng)掌握其工作狀況最簡便、最直觀的方法。首先要確定巷道的斷面面積，斷面平均風的大小。近年來，機械風表得到了越來越多的使用，也出現了采用超聲渦街和壓差兩種方式進行礦井下風速監(jiān)控的案例，它們均可實現對礦井下氣流速度的準確測量，為礦井下氣流速度的精準監(jiān)控提供了技術依據。為了測量巷道的剖面，通常采用卷尺，激光測距器等來測量剖面，以確定巷道的截斷區(qū)域。

測量風壓是檢測建筑物異常狀況和短路風流狀況的常用方法，也是了解巷道風阻的重要手段。當前，礦山通風參數探測器可以精確地探測出巷道風壓，一些礦山的精確數字化壓力表具有很好的測量精度，可以滿足使用要求。假如在進行通風電阻的測定時，因為儀器自身的誤差，會導致數據經常發(fā)生變化，從而對測量結果造成了很大的影響，從而對整個測量結果的可靠性造成了很大的影響；與之相比，采用壓差計方法可以有效地控制測試誤差，但在鋪設管道時，需耗費較多的人力，且難以確保管道內的壓力傳遞精度。常見的壓差傳感器有風流壓力傳感器等，該測量方法的偏差可以控制在1%F.S 左右，所以在許多通風設施的壓差監(jiān)測中都被大量地使用。

1.2 通風網絡分析與決策

提高通風系統(tǒng)容量的一個重要發(fā)展趨勢是：通過對通風網絡的求解，實現對風流的最優(yōu)調控，實現對風機的精確的故障診斷，提高風機的穩(wěn)定性。所以，在進行通風系統(tǒng)的分析和決策時，必須從以下幾個角度進行改革。

通風網絡的求解是一個基本的問題，而在Scott-Honsley 方法的引入和運用之后，它的模型已經趨于完善。近年來，國際上的一些專家和研究人員已經開發(fā)出了許多高效的通風網絡解算軟件，它們既可以仿真風場流動，又可以進行實時的通風監(jiān)控和分析和預警。近年來，研究開發(fā)的重點是將礦井通風網絡分析與監(jiān)測監(jiān)控相結合。在本項目中，對煤礦通風網進行實時監(jiān)控，是掌握煤礦通風系統(tǒng)動態(tài)工作狀態(tài)的重要手段，可以為企業(yè)的管理工作提供依據。同時，在實際工作中，如何反映出實際的通風狀況，也是一個技術難題。要進行網格化求解，首先要對通風系統(tǒng)平面及與之有關的元素特性數據進行準確把握。首先，采用常規(guī)方法進行通風系統(tǒng)圖紙的繪制，很難提高圖紙繪制的效率，而利用CAD 等技術對圖紙進行歸一化，并將其輸入計算機輔助分析軟件中，就可以得到更加精確的通風系統(tǒng)圖紙，從而提高圖紙繪制的準確性，降低圖紙繪制的工作量。其次，針對現有研究難以全面地了解煤礦井巷內所有風場信息的特點，本項目擬利用Tikhonov正則化技術，對該技術進行改進，使之更好地適應煤礦復雜的通風環(huán)境，發(fā)揮更大的優(yōu)勢。

1.3 通風調控技術與裝備

礦山主要通風動力裝置和通風設施是實現通風調控的重要途徑，礦山可以通過調節(jié)主要風扇運行數目來調節(jié)總風量和風量富余因子，在必要時，還可以替換主要通風扇。當礦山出現災難時，我們可以調整主通風系統(tǒng)，防止災難的蔓延，將財產損失和人身傷亡降到最低。

當前，我國煤炭通風系統(tǒng)的生產水平已經有了很大的提高，但各種類型的設備的性能卻是良莠不齊。比如，現在使用較多的FBCDZ 型通風設備，主要是軸流型通風設備，其最大運行效率可達86%。這臺風扇由兩個相反的葉片組成，由雙極雙電機帶動，所以它的密封性能很好，但在使用過程中，它的效率只有60%，所以能量消耗很大。

2 礦井智能通風待解決問題

2.1 快速準確獲取通風參數

1.準確獲得空氣流量的技術設備。當前廣泛應用的測風儀和風速傳感器，其啟動風速均大于0.3 米/秒，不能達到《煤礦安全規(guī)程》對巖巷的最小風速0.15 米/秒的要求；測量的準確度大約為±0.2 米/秒，特別是在測量風道風速、檢測風門漏風和精確調節(jié)風流時，存在著比較大的誤差；目前普遍采用的機械風計的線法測取風速，由于受試者身高、測風經驗等因素的制約，特別是在大截面的隧道中，測得的精度不高；對隧道斷面上的風速儀的安裝位置及校正方法沒有具體的規(guī)定，造成了測量結果的可信度較低；目前，礦井中的巷道由于成型誤差和后期變形等因素，其斷面形態(tài)千差萬別，這為精確的空氣流量計算造成了更大的誤差。所以，在風量數據準確獲得方面，風速測量與監(jiān)測儀器儀表、風速準確測量方法、傳感器布置位置、斷面準確測量儀表是今后應該重點解決的基本問題。

2.氣流壓力、壓差的精確獲得設備。不管是哪一種計算模式或監(jiān)測手段，最重要的是影響通風網絡精度的主要因素是風洞及通風設施的阻力，現有的測試監(jiān)測設備的精度都在1%以內，而大斷面小風阻巷道的阻力往往從幾Pa 到數十Pa 不等，設備的內在誤差有時會超出巷道自身的阻力，導致無法有效地進行風洞的解算、監(jiān)測、分析和決策。所以，開發(fā)出一種高精密的風流壓差測量和監(jiān)控設備，是未來迫切需要解決的問題。

2.2 風量動態(tài)定量調節(jié)

1.按需分風風量的動態(tài)確定。當前，用風場所的風量都是以溫度、瓦斯涌出量、二氧化碳涌出量、最多工作人員等為基礎，通過提前計算得到的，每月進行一次風量的計算來進行分配。但是，在各個用風場所，這些參數都會隨著生產的發(fā)展而發(fā)生改變，這就常常會發(fā)生因為風量太大而造成的能源消耗，或者因為風量不夠而造成的瓦斯超限等問題。所以，迫切需要一種以新型傳感器技術為基礎的，能夠建立起一種能夠對用風場所進行動態(tài)分析、預報的系統(tǒng)，并對其進行有效的控制，從而為實現按需精確分風提供了一個前提[1]。

2.自動調整風窗的智能化決策和控制。盡管現在已經有了遙控的、自動的風窗，能夠自動地調整風窗的開口區(qū)域，但是它仍然是一個“監(jiān)控-調整”的周期和確認過程，這樣做可以將工作人員從工作中解脫出來，但是調整的速度并沒有提升。此外，因為沒有解決好對風量進行精確監(jiān)控的問題，所以也不能真正地做到對風量進行量化調整。礦井風量調整通常需要多套設備同步調整，方能在調整位置上達到按需分風，而不會對其他地區(qū)的安全工作造成干擾。為此，需要解決以下三個方面的問題：（1）遠距離、無人、自動控制風門；（2）迅速、準確地調節(jié)通風窗口內的空氣流量；（3）在多個機組平行調節(jié)條件下調節(jié)設備數目、調節(jié)設備位置和調節(jié)數量的智能化優(yōu)化決策。

2.3 通風動力與通風網絡自主匹配

1.主排氣扇和風網自動配合。目前，煤礦主風機的能耗已達到了整個煤礦能耗的8%～15%，是煤礦能耗大戶，許多煤礦主風機對整個煤礦的環(huán)境適應能力較弱，且經常采用改變葉片角度和調節(jié)導流器來降低其工作效率。如今，在高壓變頻技術已趨成熟的情況下，應該對自動變頻風扇進行研究和開發(fā)，并以風扇控制區(qū)域中實時計算出的總需風量為依據，對風扇的運轉狀態(tài)進行遠程監(jiān)視，并對風扇的速度進行自動調整，從而對主要通風扇的工作狀態(tài)進行合理的設定，讓主要通風扇的實際供風量與實時計算出的總需風量相匹配；在礦山進行反風的時候，按照設計的反風風量，對主排風扇進行頻率和速度的調節(jié)，從而讓主排風扇的實際回風風量與其設計的反風風量相吻合。

2.局部通風設備與用風點需求的自動配對。由于對煤層賦存狀態(tài)、地質構造和瓦斯異常等控制方法的局限性以及非連續(xù)性和非平衡性，采場巷道已經成為煤礦安全風險集中區(qū)，現行的定量分析通風方式明顯存在諸多不確定性，嚴重制約著煤礦的安全生產。所以，應該積極地發(fā)展和普及智能調頻局部通風扇，以實時監(jiān)測與分析的結果為依據，來對巷進工作面的供風量進行自主的調節(jié)。

3.通風動力裝置的遠程控制與調節(jié)。在需要調節(jié)主要通風機、局部通風機開停、工況點調節(jié)的時候，可以通過遙控來進行調節(jié)，還可以完成主要通風機附件裝置的自動聯動調節(jié)[2]。

2.4 通風隱患自動識別與災變應急控制

確保煤礦井下的安全開采是煤礦通風工作的終極目標，現有的監(jiān)控方法可以識別風速超限、風流短路、風路堵塞、角聯風路等潛在危險，但是要識別瓦斯突出、火災、瓦斯爆炸等嚴重危險，還存在著很大的困難，為此，需要將這些危險因素納入通風網絡決策中，開發(fā)出一套先進的預報預警系統(tǒng)，并制定相應的防治措施。

3 礦井智能通風技術發(fā)展展望

3.1 智能感知

首先，要開展井下巷道全截面風流特性的智能感應技術研究，要著重提高井下巷道風流超聲檢測設備的穩(wěn)定性，以及多普勒雷達檢測設備，要進一步提高檢測的準確性。此外，還必須了解如何確定風速傳感器的設置位置，并能與風流脈沖特性相結合，對風速進行高精度的單點監(jiān)控，使其可以根據傳感器的監(jiān)控數據來反應巷道的真實風速。此外，眾多的專家和學者還針對整個網路上的風阻力進行了各種準確的反演，以期為確定礦井絕對壓強、相對壓強提供借鑒。使用激光雷達掃描技術，可以讓我們得到一個高精度的巷道全截面模型，為確定巷道截面提供了一個依據。

對通風系統(tǒng)圖表數據進行智能感知，采用陀螺實現煤礦3D 圖的精確構建，并結合慣性導航等技術實現對通風系統(tǒng)圖的繪制，減少了人力的投資。同時，考慮到防災減災的需要，采用定標技術，實現了防災減災的目標，為防災減災工作奠定了基礎。通過對以上技術的研究與應用，能夠為下一步的通風系統(tǒng)智能化模型的建立與應用提供準確的數據支持，并為智能化的決策與風險的智能識別奠定堅實的理論與實踐基礎[3]。

3.2 智能決策

煤礦安全生產管理中，必須要有一套以數據為基礎的煤礦安全生產管理系統(tǒng)的建設方法。為此，必須通過合理的布點數目及布點方式來實現對通風系統(tǒng)的優(yōu)化，以防止出現“盲區(qū)”。要實現對煤礦通風系統(tǒng)的可視化管理，必須采用融合監(jiān)測技術和系統(tǒng)動態(tài)圖形呈現技術，將圖形和數據有機地結合在一起，并形成聯動分析，在系統(tǒng)中共享融合成果，從而達到數據的可視化管理。在管理的時候，數據會出現一些錯誤，所以，如果可以將多變量數據和網絡模型相結合，來修改已有的數據，可以更加高效地確保模型的精度，還可以對數據展開高效的篩選[4]。

實現了對礦井通風控制的綜合分析和智能化的決策。首先，每一臺風機都要與中央控制網連接，將所有的信息都傳送到中央控制網，這樣才能為實現對中央控制網的遠程控制提供便利。此外，還必須對智能控制邏輯進行深度的優(yōu)化，對核心監(jiān)測參數和參數范圍進行清晰的認識，并對在不同參數的調節(jié)過程中有關參數所產生的變化進行把握。通過對監(jiān)控分析的結果和基礎數據的綜合，來識別和判定系統(tǒng)中存在的隱患和問題。特別是要對有毒有害氣體展開分析，并產生云圖及評級評價結果，從而實現對空間面域有毒有害氣體的分析評估。

3.3 應急調控

在災難來臨時，該系統(tǒng)必須具備對災難狀況的精確識別能力，以及執(zhí)行智能化的協(xié)助決策能力。首先，通過對監(jiān)控數據的分析，確定火災、爆炸和瓦斯突出等危險源，確定危險源的具體位置和具體位置。此外，還要結合災難范圍的預報技術，來對接下來的可能的影響區(qū)域作出相應的警告，為人員疏導和機電設備斷電的實施提供必要的保障。在該系統(tǒng)中，有必要對其進行相應的添加，如：自動復位防爆門等，為人員逃生、緊急避難創(chuàng)造良好的環(huán)境[5]。

4 結論

在礦山的生產環(huán)節(jié)中，對通風技術的應用顯得特別關鍵。在礦山中，應該遵守“一通三防”的原則，選擇科學、安全且有效的通風方法，以確保井下作業(yè)安全。最近幾年，煤礦的通風技術一直在持續(xù)發(fā)展，朝著智能化的方向發(fā)展，在線辨識技術、在線調節(jié)技術和總體優(yōu)化技術都顯示出了煤礦的智能化通風。在今后的煤礦通風智能化技術發(fā)展過程中，還應該著重于全自動管理系統(tǒng)、智能感知、自動檢測技術、智能決策及緊急調控等方面，在上述領域的持續(xù)發(fā)展下，推動煤礦通風技術的智能化發(fā)展。