徐廣華，李新龍

（鄂托克前旗長(zhǎng)城六號(hào)礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016215）

煤礦井下的通風(fēng)系統(tǒng)一旦發(fā)生了問(wèn)題，就會(huì)引起空氣流量的減少和空氣流動(dòng)的混亂，從而對(duì)煤礦的生產(chǎn)安全造成了很大的威脅。所以，要著重于礦山通風(fēng)技術(shù)的研究，引進(jìn)新技術(shù)和新方法，讓礦山通風(fēng)技術(shù)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(chǎn)能力，確保礦山的生產(chǎn)安全。最近幾年，國(guó)家一直在加大對(duì)煤礦通風(fēng)技術(shù)智能化的研究力度，本文對(duì)煤礦通風(fēng)技術(shù)的現(xiàn)狀及智能化發(fā)展前景展開(kāi)了分析。

1 礦井通風(fēng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 通風(fēng)參數(shù)測(cè)定與監(jiān)測(cè)

測(cè)量和監(jiān)測(cè)巷道的空氣流量，是礦井通風(fēng)系統(tǒng)掌握其工作狀況最簡(jiǎn)便、最直觀的方法。首先要確定巷道的斷面面積，斷面平均風(fēng)的大小。近年來(lái)，機(jī)械風(fēng)表得到了越來(lái)越多的使用，也出現(xiàn)了采用超聲渦街和壓差兩種方式進(jìn)行礦井下風(fēng)速監(jiān)控的案例，它們均可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井下氣流速度的準(zhǔn)確測(cè)量，為礦井下氣流速度的精準(zhǔn)監(jiān)控提供了技術(shù)依據(jù)。為了測(cè)量巷道的剖面，通常采用卷尺，激光測(cè)距器等來(lái)測(cè)量剖面，以確定巷道的截?cái)鄥^(qū)域。

測(cè)量風(fēng)壓是檢測(cè)建筑物異常狀況和短路風(fēng)流狀況的常用方法，也是了解巷道風(fēng)阻的重要手段。當(dāng)前，礦山通風(fēng)參數(shù)探測(cè)器可以精確地探測(cè)出巷道風(fēng)壓，一些礦山的精確數(shù)字化壓力表具有很好的測(cè)量精度，可以滿(mǎn)足使用要求。假如在進(jìn)行通風(fēng)電阻的測(cè)定時(shí)，因?yàn)閮x器自身的誤差，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)經(jīng)常發(fā)生變化，從而對(duì)測(cè)量結(jié)果造成了很大的影響，從而對(duì)整個(gè)測(cè)量結(jié)果的可靠性造成了很大的影響；與之相比，采用壓差計(jì)方法可以有效地控制測(cè)試誤差，但在鋪設(shè)管道時(shí)，需耗費(fèi)較多的人力，且難以確保管道內(nèi)的壓力傳遞精度。常見(jiàn)的壓差傳感器有風(fēng)流壓力傳感器等，該測(cè)量方法的偏差可以控制在1%F.S 左右，所以在許多通風(fēng)設(shè)施的壓差監(jiān)測(cè)中都被大量地使用。

1.2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析與決策

提高通風(fēng)系統(tǒng)容量的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)是：通過(guò)對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的求解，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)流的最優(yōu)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的精確的故障診斷，提高風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性。所以，在進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)的分析和決策時(shí)，必須從以下幾個(gè)角度進(jìn)行改革。

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的求解是一個(gè)基本的問(wèn)題，而在Scott-Honsley 方法的引入和運(yùn)用之后，它的模型已經(jīng)趨于完善。近年來(lái)，國(guó)際上的一些專(zhuān)家和研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了許多高效的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算軟件，它們既可以仿真風(fēng)場(chǎng)流動(dòng)，又可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的通風(fēng)監(jiān)控和分析和預(yù)警。近年來(lái)，研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)是將礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析與監(jiān)測(cè)監(jiān)控相結(jié)合。在本項(xiàng)目中，對(duì)煤礦通風(fēng)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，是掌握煤礦通風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)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(jù)。同時(shí)，在實(shí)際工作中，如何反映出實(shí)際的通風(fēng)狀況，也是一個(gè)技術(shù)難題。要進(jìn)行網(wǎng)格化求解，首先要對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)平面及與之有關(guān)的元素特性數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確把握。首先，采用常規(guī)方法進(jìn)行通風(fēng)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(shù)對(duì)圖紙進(jìn)行歸一化，并將其輸入計(jì)算機(jī)輔助分析軟件中，就可以得到更加精確的通風(fēng)系統(tǒng)圖紙，從而提高圖紙繪制的準(zhǔn)確性，降低圖紙繪制的工作量。其次，針對(duì)現(xiàn)有研究難以全面地了解煤礦井巷內(nèi)所有風(fēng)場(chǎng)信息的特點(diǎn)，本項(xiàng)目擬利用Tikhonov正則化技術(shù)，對(duì)該技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使之更好地適應(yīng)煤礦復(fù)雜的通風(fēng)環(huán)境，發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。

1.3 通風(fēng)調(diào)控技術(shù)與裝備

礦山主要通風(fēng)動(dòng)力裝置和通風(fēng)設(shè)施是實(shí)現(xiàn)通風(fēng)調(diào)控的重要途徑，礦山可以通過(guò)調(diào)節(jié)主要風(fēng)扇運(yùn)行數(shù)目來(lái)調(diào)節(jié)總風(fēng)量和風(fēng)量富余因子，在必要時(shí)，還可以替換主要通風(fēng)扇。當(dāng)?shù)V山出現(xiàn)災(zāi)難時(shí)，我們可以調(diào)整主通風(fēng)系統(tǒng)，防止災(zāi)難的蔓延，將財(cái)產(chǎn)損失和人身傷亡降到最低。

當(dāng)前，我國(guó)煤炭通風(fēng)系統(tǒng)的生產(chǎn)水平已經(jīng)有了很大的提高，但各種類(lèi)型的設(shè)備的性能卻是良莠不齊。比如，現(xiàn)在使用較多的FBCDZ 型通風(fēng)設(shè)備，主要是軸流型通風(fēng)設(shè)備，其最大運(yùn)行效率可達(dá)86%。這臺(tái)風(fēng)扇由兩個(gè)相反的葉片組成，由雙極雙電機(jī)帶動(dòng)，所以它的密封性能很好，但在使用過(guò)程中，它的效率只有60%，所以能量消耗很大。

2 礦井智能通風(fēng)待解決問(wèn)題

2.1 快速準(zhǔn)確獲取通風(fēng)參數(shù)

1.準(zhǔn)確獲得空氣流量的技術(shù)設(shè)備。當(dāng)前廣泛應(yīng)用的測(cè)風(fēng)儀和風(fēng)速傳感器，其啟動(dòng)風(fēng)速均大于0.3 米/秒，不能達(dá)到《煤礦安全規(guī)程》對(duì)巖巷的最小風(fēng)速0.15 米/秒的要求；測(cè)量的準(zhǔn)確度大約為±0.2 米/秒，特別是在測(cè)量風(fēng)道風(fēng)速、檢測(cè)風(fēng)門(mén)漏風(fēng)和精確調(diào)節(jié)風(fēng)流時(shí)，存在著比較大的誤差；目前普遍采用的機(jī)械風(fēng)計(jì)的線(xiàn)法測(cè)取風(fēng)速，由于受試者身高、測(cè)風(fēng)經(jīng)驗(yàn)等因素的制約，特別是在大截面的隧道中，測(cè)得的精度不高；對(duì)隧道斷面上的風(fēng)速儀的安裝位置及校正方法沒(méi)有具體的規(guī)定，造成了測(cè)量結(jié)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(wàn)別，這為精確的空氣流量計(jì)算造成了更大的誤差。所以，在風(fēng)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確獲得方面，風(fēng)速測(cè)量與監(jiān)測(cè)儀器儀表、風(fēng)速準(zhǔn)確測(cè)量方法、傳感器布置位置、斷面準(zhǔn)確測(cè)量?jī)x表是今后應(yīng)該重點(diǎn)解決的基本問(wèn)題。

2.氣流壓力、壓差的精確獲得設(shè)備。不管是哪一種計(jì)算模式或監(jiān)測(cè)手段，最重要的是影響通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)精度的主要因素是風(fēng)洞及通風(fēng)設(shè)施的阻力，現(xiàn)有的測(cè)試監(jiān)測(cè)設(shè)備的精度都在1%以?xún)?nèi)，而大斷面小風(fēng)阻巷道的阻力往往從幾Pa 到數(shù)十Pa 不等，設(shè)備的內(nèi)在誤差有時(shí)會(huì)超出巷道自身的阻力，導(dǎo)致無(wú)法有效地進(jìn)行風(fēng)洞的解算、監(jiān)測(cè)、分析和決策。所以，開(kāi)發(fā)出一種高精密的風(fēng)流壓差測(cè)量和監(jiān)控設(shè)備，是未來(lái)迫切需要解決的問(wèn)題。

2.2 風(fēng)量動(dòng)態(tài)定量調(diào)節(jié)

1.按需分風(fēng)風(fēng)量的動(dòng)態(tài)確定。當(dāng)前，用風(fēng)場(chǎng)所的風(fēng)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(chǔ)，通過(guò)提前計(jì)算得到的，每月進(jìn)行一次風(fēng)量的計(jì)算來(lái)進(jìn)行分配。但是，在各個(gè)用風(fēng)場(chǎng)所，這些參數(shù)都會(huì)隨著生產(chǎn)的發(fā)展而發(fā)生改變，這就常常會(huì)發(fā)生因?yàn)轱L(fēng)量太大而造成的能源消耗，或者因?yàn)轱L(fēng)量不夠而造成的瓦斯超限等問(wèn)題。所以，迫切需要一種以新型傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)的，能夠建立起一種能夠?qū)τ蔑L(fēng)場(chǎng)所進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析、預(yù)報(bào)的系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行有效的控制，從而為實(shí)現(xiàn)按需精確分風(fēng)提供了一個(gè)前提[1]。

2.自動(dòng)調(diào)整風(fēng)窗的智能化決策和控制。盡管現(xiàn)在已經(jīng)有了遙控的、自動(dòng)的風(fēng)窗，能夠自動(dòng)地調(diào)整風(fēng)窗的開(kāi)口區(qū)域，但是它仍然是一個(gè)“監(jiān)控-調(diào)整”的周期和確認(rèn)過(guò)程，這樣做可以將工作人員從工作中解脫出來(lái)，但是調(diào)整的速度并沒(méi)有提升。此外，因?yàn)闆](méi)有解決好對(duì)風(fēng)量進(jìn)行精確監(jiān)控的問(wèn)題，所以也不能真正地做到對(duì)風(fēng)量進(jìn)行量化調(diào)整。礦井風(fēng)量調(diào)整通常需要多套設(shè)備同步調(diào)整，方能在調(diào)整位置上達(dá)到按需分風(fēng)，而不會(huì)對(duì)其他地區(qū)的安全工作造成干擾。為此，需要解決以下三個(gè)方面的問(wèn)題：（1）遠(yuǎn)距離、無(wú)人、自動(dòng)控制風(fēng)門(mén)；（2）迅速、準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)通風(fēng)窗口內(nèi)的空氣流量；（3）在多個(gè)機(jī)組平行調(diào)節(jié)條件下調(diào)節(jié)設(shè)備數(shù)目、調(diào)節(jié)設(shè)備位置和調(diào)節(jié)數(shù)量的智能化優(yōu)化決策。

2.3 通風(fēng)動(dòng)力與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)自主匹配

1.主排氣扇和風(fēng)網(wǎng)自動(dòng)配合。目前，煤礦主風(fēng)機(jī)的能耗已達(dá)到了整個(gè)煤礦能耗的8%～15%，是煤礦能耗大戶(hù)，許多煤礦主風(fēng)機(jī)對(duì)整個(gè)煤礦的環(huán)境適應(yīng)能力較弱，且經(jīng)常采用改變?nèi)~片角度和調(diào)節(jié)導(dǎo)流器來(lái)降低其工作效率。如今，在高壓變頻技術(shù)已趨成熟的情況下，應(yīng)該對(duì)自動(dòng)變頻風(fēng)扇進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)，并以風(fēng)扇控制區(qū)域中實(shí)時(shí)計(jì)算出的總需風(fēng)量為依據(jù)，對(duì)風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，并對(duì)風(fēng)扇的速度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，從而對(duì)主要通風(fēng)扇的工作狀態(tài)進(jìn)行合理的設(shè)定，讓主要通風(fēng)扇的實(shí)際供風(fēng)量與實(shí)時(shí)計(jì)算出的總需風(fēng)量相匹配；在礦山進(jìn)行反風(fēng)的時(shí)候，按照設(shè)計(jì)的反風(fēng)風(fēng)量，對(duì)主排風(fēng)扇進(jìn)行頻率和速度的調(diào)節(jié)，從而讓主排風(fēng)扇的實(shí)際回風(fēng)風(fēng)量與其設(shè)計(jì)的反風(fēng)風(fēng)量相吻合。

2.局部通風(fēng)設(shè)備與用風(fēng)點(diǎn)需求的自動(dòng)配對(duì)。由于對(duì)煤層賦存狀態(tài)、地質(zhì)構(gòu)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(chǎng)巷道已經(jīng)成為煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)集中區(qū)，現(xiàn)行的定量分析通風(fēng)方式明顯存在諸多不確定性，嚴(yán)重制約著煤礦的安全生產(chǎn)。所以，應(yīng)該積極地發(fā)展和普及智能調(diào)頻局部通風(fēng)扇，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析的結(jié)果為依據(jù)，來(lái)對(duì)巷進(jìn)工作面的供風(fēng)量進(jìn)行自主的調(diào)節(jié)。

3.通風(fēng)動(dòng)力裝置的遠(yuǎn)程控制與調(diào)節(jié)。在需要調(diào)節(jié)主要通風(fēng)機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)開(kāi)停、工況點(diǎn)調(diào)節(jié)的時(shí)候，可以通過(guò)遙控來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，還可以完成主要通風(fēng)機(jī)附件裝置的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)[2]。

2.4 通風(fēng)隱患自動(dòng)識(shí)別與災(zāi)變應(yīng)急控制

確保煤礦井下的安全開(kāi)采是煤礦通風(fēng)工作的終極目標(biāo)，現(xiàn)有的監(jiān)控方法可以識(shí)別風(fēng)速超限、風(fēng)流短路、風(fēng)路堵塞、角聯(lián)風(fēng)路等潛在危險(xiǎn)，但是要識(shí)別瓦斯突出、火災(zāi)、瓦斯爆炸等嚴(yán)重危險(xiǎn)，還存在著很大的困難，為此，需要將這些危險(xiǎn)因素納入通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)決策中，開(kāi)發(fā)出一套先進(jìn)的預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，并制定相應(yīng)的防治措施。

3 礦井智能通風(fēng)技術(shù)發(fā)展展望

3.1 智能感知

首先，要開(kāi)展井下巷道全截面風(fēng)流特性的智能感應(yīng)技術(shù)研究，要著重提高井下巷道風(fēng)流超聲檢測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性，以及多普勒雷達(dá)檢測(cè)設(shè)備，要進(jìn)一步提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。此外，還必須了解如何確定風(fēng)速傳感器的設(shè)置位置，并能與風(fēng)流脈沖特性相結(jié)合，對(duì)風(fēng)速進(jìn)行高精度的單點(diǎn)監(jiān)控，使其可以根據(jù)傳感器的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)來(lái)反應(yīng)巷道的真實(shí)風(fēng)速。此外，眾多的專(zhuān)家和學(xué)者還針對(duì)整個(gè)網(wǎng)路上的風(fēng)阻力進(jìn)行了各種準(zhǔn)確的反演，以期為確定礦井絕對(duì)壓強(qiáng)、相對(duì)壓強(qiáng)提供借鑒。使用激光雷達(dá)掃描技術(shù)，可以讓我們得到一個(gè)高精度的巷道全截面模型，為確定巷道截面提供了一個(gè)依據(jù)。

對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)圖表數(shù)據(jù)進(jìn)行智能感知，采用陀螺實(shí)現(xiàn)煤礦3D 圖的精確構(gòu)建，并結(jié)合慣性導(dǎo)航等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)圖的繪制，減少了人力的投資。同時(shí)，考慮到防災(zāi)減災(zāi)的需要，采用定標(biāo)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了防災(zāi)減災(zāi)的目標(biāo)，為防災(zāi)減災(zāi)工作奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)以上技術(shù)的研究與應(yīng)用，能夠?yàn)橄乱徊降耐L(fēng)系統(tǒng)智能化模型的建立與應(yīng)用提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，并為智能化的決策與風(fēng)險(xiǎn)的智能識(shí)別奠定堅(jiān)實(shí)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)[3]。

3.2 智能決策

煤礦安全生產(chǎn)管理中，必須要有一套以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的煤礦安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)的建設(shè)方法。為此，必須通過(guò)合理的布點(diǎn)數(shù)目及布點(diǎn)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化，以防止出現(xiàn)“盲區(qū)”。要實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的可視化管理，必須采用融合監(jiān)測(cè)技術(shù)和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)圖形呈現(xiàn)技術(shù)，將圖形和數(shù)據(jù)有機(jī)地結(jié)合在一起，并形成聯(lián)動(dòng)分析，在系統(tǒng)中共享融合成果，從而達(dá)到數(shù)據(jù)的可視化管理。在管理的時(shí)候，數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)誤，所以，如果可以將多變量數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合，來(lái)修改已有的數(shù)據(jù)，可以更加高效地確保模型的精度，還可以對(duì)數(shù)據(jù)展開(kāi)高效的篩選[4]。

實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井通風(fēng)控制的綜合分析和智能化的決策。首先，每一臺(tái)風(fēng)機(jī)都要與中央控制網(wǎng)連接，將所有的信息都傳送到中央控制網(wǎng)，這樣才能為實(shí)現(xiàn)對(duì)中央控制網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制提供便利。此外，還必須對(duì)智能控制邏輯進(jìn)行深度的優(yōu)化，對(duì)核心監(jiān)測(cè)參數(shù)和參數(shù)范圍進(jìn)行清晰的認(rèn)識(shí)，并對(duì)在不同參數(shù)的調(diào)節(jié)過(guò)程中有關(guān)參數(shù)所產(chǎn)生的變化進(jìn)行把握。通過(guò)對(duì)監(jiān)控分析的結(jié)果和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的綜合，來(lái)識(shí)別和判定系統(tǒng)中存在的隱患和問(wèn)題。特別是要對(duì)有毒有害氣體展開(kāi)分析，并產(chǎn)生云圖及評(píng)級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空間面域有毒有害氣體的分析評(píng)估。

3.3 應(yīng)急調(diào)控

在災(zāi)難來(lái)臨時(shí)，該系統(tǒng)必須具備對(duì)災(zāi)難狀況的精確識(shí)別能力，以及執(zhí)行智能化的協(xié)助決策能力。首先，通過(guò)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的分析，確定火災(zāi)、爆炸和瓦斯突出等危險(xiǎn)源，確定危險(xiǎn)源的具體位置和具體位置。此外，還要結(jié)合災(zāi)難范圍的預(yù)報(bào)技術(shù)，來(lái)對(duì)接下來(lái)的可能的影響區(qū)域作出相應(yīng)的警告，為人員疏導(dǎo)和機(jī)電設(shè)備斷電的實(shí)施提供必要的保障。在該系統(tǒng)中，有必要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的添加，如：自動(dòng)復(fù)位防爆門(mén)等，為人員逃生、緊急避難創(chuàng)造良好的環(huán)境[5]。

4 結(jié)論

在礦山的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，對(duì)通風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用顯得特別關(guān)鍵。在礦山中，應(yīng)該遵守“一通三防”的原則，選擇科學(xué)、安全且有效的通風(fēng)方法，以確保井下作業(yè)安全。最近幾年，煤礦的通風(fēng)技術(shù)一直在持續(xù)發(fā)展，朝著智能化的方向發(fā)展，在線(xiàn)辨識(shí)技術(shù)、在線(xiàn)調(diào)節(jié)技術(shù)和總體優(yōu)化技術(shù)都顯示出了煤礦的智能化通風(fēng)。在今后的煤礦通風(fēng)智能化技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，還應(yīng)該著重于全自動(dòng)管理系統(tǒng)、智能感知、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)、智能決策及緊急調(diào)控等方面，在上述領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展下，推動(dòng)煤礦通風(fēng)技術(shù)的智能化發(fā)展。