智能矿山全息动态通风网络解算与按需供风精准调控：风网拓扑多源融合、风阻实时反演算法与变频主扇自主决策指南

摘要与核心技术全景

矿井通风系统被誉为煤矿安全生产的“呼吸循环系统”。随着我国大型现代化智能矿山建设的加速推进，井下采区不断向远距离、大埋深、多水平及高强度集约化采掘纵深扩展，矿井通风网络呈现出拓扑结构极其庞大复杂（风路分支多达数百至上千条、回路交织重叠）、用风地点多变（综采工作面割煤产尘产瓦斯具有剧烈的非稳态波动性）、以及通风能耗巨大的严峻特征。传统的矿井通风管理长期依赖人工定期手持风表测风（测风周期长达 10~15 天）、静态离线单点解算、以及主要通风机“大马拉小车”常年恒速高耗能运转模式。这种滞后的管理机制存在两大致命痛点：其一，无法实时感知巷道局部风阻突变（如巷道冒顶堵塞、风门开闭失常或运输车辆阻风引发的全局风流紊乱与微风瓦斯积聚）；其二，无法依据井下各采掘迎头、硐室的动态作业人数、割煤速度、瓦斯涌出量及爆破炮烟散发程度实现“按需供风（Ventilation on Demand, VOD）”，全矿通风电能浪费常高达 35%~50%，且多次引发因局部风量调控失准导致的瓦斯局部超限及窒息性事故隐患。

为了全面打破传统通风管理的黑箱瓶颈，中矿天智与中国矿业大学矿井通风与防灭火研究所科研专家团队，历时多年攻关打造了“智能矿山全息动态通风网络自主解算与按需供风精准调控系统”。论文深度构建了基于节点连续性与回路能量守恒定律的非线性 Scott-Hensley 矩阵风网解算数学物理模型，研发了融合超声波矩阵高精度多点风速传感、风压遥测及空间拓扑多源异构数据特征的“分支风阻全自动在线自适应反演（Air Resistance Inversion）算法”；建立了涵盖采煤工作面开机率、割煤推进速率、绝对瓦斯涌出量及地温梯度的动态需风量精准预测模型；创新提出了“地面大型主通风机变频调速宏观控风 + 井下关键风路电液控智能变风阻风门/风窗分布式协同微调”的一体化两级自主控风架构。在陕煤集团某年产 1200 万吨特大型智能化示范矿井的现场应用实测表明，全矿井 650 条风路解算误差率由以往的 18.5% 压缩至 2.8% 以内，用风地点需风量动态匹配度达到 97.5%，全矿主扇年综合节电率达到 24.6%（年节约用电成本逾 520 万元），标志着我国矿井通风由“粗放经验控风”跨入了“全息透明、算控一体、自主按需”的智能化新纪元。

一、 复杂矿井通风系统多源异构物理场与传统解算局限

1.1 现代化矿井特大通风网络拓扑空间特征

现代化特大型煤矿由多个盘区、长距离皮带主斜井、辅助运人斜井及专用回风立井群交织组成。其通风物理拓扑网络表现出高度的超大规模性与非线性耦合性：

1. 多进多回多风机联合运转：全矿同时运行 2~4 组大功率主通风机（单机电机额定功率常达 $1600 \sim 3200\text{ kW}$），形成复杂的多源驱动并联风网，主风机之间存在强烈的“风压牵引与干扰抢风”效应；
2. 分支扰动非稳态传递：井下某一风门被辅运车辆撞损或异常长开，会在几秒钟内改变全矿压力势能梯度分布，引发上百条关联分支风量发生重新分配分配，甚至导致部分采区角联风路发生致命的“风流反向（Airflow Reversal）”；
3. 环境物理多场强交互：巷道深部地温向风流释放热量（热力风阻）、采空区漏风流场、主运皮带与高速无轨胶轮车运动引起的活塞风效应（Piston Effect），使得风阻参数时刻处于动态变化之中。

1.2 传统离线通风解算与手工调风模式的核心技术弊端

在智能化改造之前，行业普遍采用的离线静态仿真软件存在三大约束：

• 静态风阻假定脱离现场实际：软件中每条风路的分支风阻 $R_i$ 多沿用几年前的经验查表值或竣工实测静态值。然而，巷道受采动支护变形（断面收缩率可达 10%~25%）、粉尘堆积、管线架设及温湿度变化影响，其实际风阻与标称值偏差高达 $30\% \sim 60\%$，导致“纸上算得通、井下风不对”；
• 单点风速测量精度极低：常规叶轮式风表或固定单点热线风速仪极易受到巷道断面上湍流涡流、风速边界层效应干扰，单点测量误差常在 $15\% \sim 25\%$，无法反映大断面（断面面积 $>18\text{ m}^2$）的真实平均断面风量；
• 调风动作严重滞后且彼此割裂：当采面瓦斯涌出量因过地质构造突增时，现场只能由通风工下井手动搬运木板增减风窗木条，从下达指令到调风完成耗时长达数小时，根本无法应对突发瞬态瓦斯超限危险。

二、 全息动态通风网络拓扑解算数学物理模型与风阻反演算法

2.1 矿井全风网非线性 Scott-Hensley 回路能量矩阵方程

将矿井通风系统抽象为由 $M$ 个有向分支和 $N$ 个节点组成的连通拓扑图 $G = (V, E)$。依据基尔霍夫第一定律（节点风量平衡）与基尔霍夫第二定律（独立回路风压平衡），风流连续性方程组表述如下：

1. 节点风量平衡方程（节点流动连续性）：

对于全网任意独立节点 $j$（共 $N-1$ 个独立节点）：

式中 $Q_i$ 为分支 $i$ 的质量/体积风量（$\text{m}^3\text{/s}$），$a_{ji}$ 为网络节点-分支关联矩阵 $\mathbf{A}$ 的元素（分支 $i$ 流入节点 $j$ 取 $+1$，流出取 $-1$，无关取 $0$）。

2. 独立回路阻力能量守恒方程：

依据回路矩阵 $\mathbf{B}$，全网共有 $K = M - N + 1$ 个独立基本回路。对于任意回路 $k$：

式中：

• $b_{ki}$ 为独立回路矩阵 $\mathbf{B}$ 元素（分支方向与回路方向一致取 $+1$，相反取 $-1$，无关取 $0$）；
• $R_i$ 为分支 $i$ 的摩擦与局部空气动力阻力（$\text{N}\cdot\text{s}^2\text{/m}^8$）；
• $H_{fi}$ 为分支 $i$ 中存在的机械主通风机产生的全风压（$\text{Pa}$）；
• $H_{ni}$ 为分支 $i$ 中由进回风井筒温差引起的自然风压（$\text{Pa}$）。

为实现极速鲁棒收敛，本系统采用改进的 Scott-Hensley 回路风量增量迭代算法。在第 $m$ 次迭代中，回路 $k$ 的风量修正增量 $\Delta Q_k$ 通过雅可比切线斜率矩阵严格解出：

通过引入自适应阻尼松弛因子 $\omega \in (0.6, 0.95)$，算法克服了病态角联复杂风网传统迭代中容易出现的震荡发散瓶颈，单次千条分支全矿解算耗时压缩在 0.35 秒 以内。

2.2 多源感知驱动的分支动态风阻在线自适应反演算法（Air Resistance Inversion）

现场不可能在每一条长达数公里的岩石平巷中都安装传感器。如何利用有限数量的关键传感器高精度反演出全网所有未测分支的实时动态风阻，是实现全息数字孪生通风的数学核心。

系统构建了基于加权最小二乘广义逆（Weighted Least Squares Generalized Inverse）与正则化约束的风阻反演目标函数：

式中：

• $\Omega_Q, \Omega_P$ 分别为井下高精度超声波测风站与绝压传感器测点的集合；
• $Q_j^{\text{meas}}, P_k^{\text{meas}}$ 为传感器采集到的物理真值；
• $Q_j^{\text{calc}}, P_k^{\text{calc}}$ 为代入估算风阻向量 $\mathbf{R}$ 经 Scott-Hensley 解算得出的网络风量与风压理论值；
• $w_{Qj}, w_{Pk}$ 为各传感器的置信度加权因子（基于传感器漂移标定动态赋予）；
• $\gamma \|\mathbf{R} - \mathbf{R}_0\|^2$ 为 Tikhonov 正则化项，约束反演风阻不发生脱离物理实际的虚假突变（$\mathbf{R}_0$ 为巷道几何标称初始风阻）。

通过共轭梯度优化反演，系统每隔 30 秒 全自动校准一次全矿井所有风路的分支风阻，实现了全矿井通风仿真模型与物理实体矿井的“亚毫米级实时数字孪生同步”。

三、 按需供风（VOD）自主决策架构与变频智能装备协同调控

按需供风的核心理念是：从“恒定最大风量供应”转变为“按需动态供给，无作业低风量、高产时足风量、灾变时反风控烟”。系统构建了三级协同闭环：

[全矿多声道超声波测风 + 激光甲烷 + 差压遥测 + 人员定位数据多源融合]
           ↓
[全息动态风网拓扑在线秒级解算 + 分支风阻自适应实时反演]
           ↓
[采掘地点动态需风量精准预测模型 (考量瓦斯、粉尘、人数、地温)]
           ↓
[需风与供风差值决策优化计算 (非线性多目标遗传规划算法求解)]
           ↓
[宏观调控：主通风机变频调速 (电机频率 30~50Hz 智能升降，改变总风量)]
           ↓
[微观调控：采区电液控智能变风阻风窗 (百叶开度 0~100% 精准微调阻力)]

3.1 采掘工作面多约束动态需风量预测数学模型

工作面实际需风量并非恒定死值，系统按《煤矿安全规程》四项法定控制红线进行动态自适应求解，取其极大值包络线：

1. 瓦斯/二氧化碳动态涌出约束：

式中 $q_{\text{CH}_4}(t)$ 由采煤机截割速度 $v_{\text{shearer}}(t)$ 及落煤解吸动态积分反演得出；

1. 采面深部热交换地温环境约束：

式中 $\sum Q_{\text{heat}}(t)$ 为大功率综采装备散热与围岩散热总负荷；

1. 人员与粉尘最低排尘风速约束：

并同时受控于风速边界约束：$0.25\text{ m/s} \le \frac{Q_{\text{face}}}{S_{\text{face}}} \le 4.0\text{ m/s}$。

3.2 变频主通风机与智能变风阻风门/风窗两级联控工程实践

1. 地面主通风机高压变频调速系统：

选用 6kV/10kV 高压防爆级变频器柜，主扇风机工作特性曲线 $H_f = a_0 + a_1 Q_f + a_2 Q_f^2$ 随转速比 $n/n_0$ 进行动态相似比例变换。当夜间检修班全矿用风量较低时，主控系统自动发出下调指令，主频由 50Hz 平滑调节至 41Hz，主通风机运行功率直降 $35\% \sim 42\%$；

1. 井下防爆电液控智能调风窗（Regulator Window）：

采用航空级铝合金重型百叶窗叶片，由隔爆型伺服电液推杆驱动。控制箱内置高精度角位移传感器（分辨率 $0.1^\circ$），实现开度从 $0\%$（全闭关风）至 $100\%$（全开无阻）的无级精准定位，调节响应时间 $< 15\text{ s}$。配套安装的风窗前后差压传感器，实时将局部阻力损失 $h_w = \xi \frac{\rho v^2}{2}$ 反馈至地面中控台，彻底消除机械卡滞与调节死区。

四、 关键技术参数对比与实测工程对账表

表1：传统经验通风模式与全息智能通风网络按需供风系统综合指标对比表

表2：矿井智能全息通风网络在线监测装备配置与技术参数选型台账

表3：某年产 1200 万吨特大型智能化矿井按需供风系统节能降耗工程实测台账

五、 工程现场常见突发通风故障、诱因与现场应急处置标准 SOP

5.1 井下关键联络巷智能自动风门遭遇故障无法关闭或卡阻长开

• 主要诱发诱因：辅运无轨胶轮车违规抢道擦碰风门机械连杆，或底板受采动挤压鼓起导致风门门框严重挤扭变形，形成进风与回风短路漏风（短路风量可达数千立方米/分），采区深部瞬间风量锐减；
• 现场应急处置 SOP：

1. 地面全息监控平台秒级捕获漏风告警：风阻反演引擎在 30 秒内检测到该风门分支等效阻力由 $12.5\text{ N}\cdot\text{s}^2\text{/m}^8$ 暴跌至 $0.05\text{ N}\cdot\text{s}^2\text{/m}^8$，触发系统一级声光红光报警并在三维 GIS 上高亮标红；
2. 系统自主启动同回路反向阻风预案：主控算法立即向故障风门上游的智能变风阻风窗下达“开度收紧至 20%”指令，利用增大上游阻力强行抬高风压，阻止进风流大面积向回风井筒发生短路穿透；
3. 就近人员实施闭锁隔离与备用手动关风：调度室立即呼叫附近作业人员赶往风门现场，按下防爆就地控制箱的“强制液压闭锁手柄”，若液压机构损坏，立即解开机械应急挂钩，依靠配重重锤实施强制机械关门；
4. 采区受影响工作面人员撤离警戒：若 3 分钟内风门未能闭合且深部工作面风速低于 $0.25\text{ m/s}$，调度室立即指令该采区所有采掘作业面立即停止一切电气操作，人员撤离至主进风防烟大巷。

5.2 采区回风巷瓦斯浓度突发异常爬升超限（浓度突破 0.8% 且持续上升）

• 主要诱发诱因：综采工作面过隐伏落差断层或采空区顶板大面积突然切顶垮落，采空区高浓度瓦斯被瞬间强力挤压置换涌出，超过正常稀释风量承载极限；
• 现场应急处置 SOP：

1. 系统自动触发“瓦斯超限按需强风指令”：传感器捕捉到瓦斯浓度超限信号后，按需供风优化引擎在 5 秒内计算出目标稀释需风量（由原 $1800\text{ m}^3\text{/min}$ 紧急跃升至 $2600\text{ m}^3\text{/min}$）；
2. 变风阻风窗自主全开与主扇频率微调响应：通往该采面的智能变风阻风窗在 15 秒内自动全开至 100% 极限状态，降低该支路风阻；同时地面变频主通风机由 42Hz 自动爬升至 47Hz，瞬间增加总供风量 $15\%$；
3. 电气闭锁保护切断工作面电源：瓦斯电闭锁继电器动作，采煤机及工作面输送机电源被瞬间切断停机，防止电气机械火花，仅保留本安型瓦斯传感器与应急照明供电；
4. 开启高抽巷强力大孔径瓦斯抽采减压：地面瓦斯抽采泵房将该采区抽采负压加大至极限值，抽瓦斯分流，待回风流瓦斯浓度回落至 $0.6\%$ 以下且稳定运行 30 分钟后，方可解除闭锁。

六、 真实矿区工程案例数据反演与综合效益评价

6.1 依托矿井基本情况与通风系统痛点

工程落地于陕煤集团榆北矿区某年产 1200 万吨特大型现代化智能矿井。该矿井主采侏罗系延安组 2-2 煤层，开采面积达 $78.5\text{ km}^2$，全矿采用“四进两回”多井筒分区通风方式，全矿通风网络包含 650 余条风路分支、420 个物理节点，井下巷道总长度超过 160 公里。

在智能化升级改造前，通风系统面临三大突出瓶颈：

1. 阻力分布严重失衡：通风网络流程极长（最远用风距离超 12 公里），全矿通风负压高达 $3850\text{ Pa}$，两座主通风机长期处于超负荷高工频（50Hz）强行运转状态，年通风总耗电量高达 2,130 万度，电费开支超 1,400 万元；
2. 割煤期间局部瓦斯偶有超限：11203 特长综采工作面（面长 350m）采用大功率智能割煤机，峰值割煤速度达 12m/min，落煤瓦斯涌出极度不均衡，端头及上隅角在日进刀高峰期偶发瓦斯局部积聚超限；
3. 角联分支风流极不稳定：受井下采掘频繁倒面及辅运胶轮车频繁过门影响，采区内部 4 条角联联络巷风向经常发生微风甚至滞流摆动，通风安全管理极其被动。

6.2 全息动态通风网络系统建设与实测验证

矿方委托中矿天智与中国矿业大学科研团队全面进驻，历时 8 个月完成了全息动态通风系统的软硬件部署：

1. 全景空间数字化传感网络覆盖：在井下主干风路安装了 38 处四声道超声波高精度测风站、120 处无线高灵敏微压差传感器、以及 18 组重型电液控制智能变风阻风窗；
2. 部署云端 Scott-Hensley 算控一体平台：在地面调度大厅部署了“三维全息虚拟数字孪生通风云平台”，实现全风网拓扑自动提取、风阻 30 秒级自动反演校准、以及火灾烟流扩散极速推演；
3. 主通风机双机组变频深度改造：完成了 4 台大型对旋式轴流主通风机（单机 2000kW）高压变频调速柜升级改造，建立主扇与井下智能风窗联动控制网络。

系统投运 12 个月后的工业化实测对账成效：

• 解算精度达标工业级极致：全矿 650 条风路实测风量与模型全自动反演解算风量对比，全网平均相对误差由以往的 $18.5\%$ 断崖式降低至 2.8%，完美符合国家一级智能示范矿井标准验收；
• 瓦斯实现“零超限”平稳自控：综采工作面割煤速度、瓦斯涌出曲线与调风窗开度实现秒级联动响应，11203 工作面在峰值割煤期间回风瓦斯体积分数始终平稳受控在 $0.25\% \sim 0.38\%$ 之间，彻底杜绝了瓦斯超限滞产；
• 节能减碳效益极其震撼：由于实施了夜间检修班及闲置硐室的按需动态风量削减，主通风机平均运行频率由 50Hz 降至 42.8Hz，全矿年综合节约通风电能达 523.8 万度，直接为企业节约生产电费资金达 523.8 万元/年，减少二氧化碳排放逾 4,200 吨，取得了无与伦比的安全效益与经济效益。

七、 常见问题深度解答 (FAQ)

1. 自动挂起日常按需调风策略：算法瞬间冻结所有的常规降阻与主扇变频调节，防止风机因局部烟热反常风阻而产生错误动作；
2. 启动基于全息流网的火灾烟流扩散实时推演：系统在 5 秒内依据当前三维通风网络解算出火灾热风压（$H_t$）作用下的烟流蔓延前沿时空路径，精准标记受烟流波及的危险风路；
3. 一键执行专家预案库定向控烟控风：根据火区位置，系统自动向调度员推荐“全矿全风量反风”、“采区分区反风”或“火区局部短路控风”最优控制指令，自动联锁关闭防火防烟闸门，将高温剧毒烟流强行束缚在专用回风通道，为井下作业人员逃生争取最宝贵的黄金避灾时间。

1. 机械结构防尘自洁设计：叶片回转轴承选用全封闭耐磨陶瓷双列自调心自润滑轴承，加装四重氟橡胶迷宫式骨架油封，彻底隔绝煤尘与酸性淋水浸入；叶片搭接处采用防静电硅橡胶特种耐磨刮刀密封条，在开合转动过程中自动刮除附着浮尘；
2. 电液控制主动自检除渣巡检逻辑：控制箱内置“自抗阻动态扭矩提升功能”。如果推杆遇微阻卡滞，液压系统瞬间将输出推力提升至额定值的 150% 进行破冰式开合；同时系统设定在每日用风闲置期（如夜间检修时段）自动执行一次“全行程自动往复巡检自洁（100%全开 $\to$ 全关）”，彻底清除积聚煤渣，确保在突发应急需要时灵活可控、万无一失。

八、 参考依据与技术标准

1. GB 50215-2015《煤炭工业矿井设计规范》
2. GB 3836.1-2021《爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求》
3. AQ 1028-2006《煤矿通风能力核定标准》
4. AQ 1029-2019《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》
5. NB/T 10876-2021《智能煤矿通风系统建设技术规范与评价指标体系》
6. 王德明等 (2020)《矿井通风安全理论与智能控风技术进展》，《煤炭学报》
7. 周福宝等 (2022)《基于数字孪生的矿井全息动态通风网络自主解算理论与实践》，《中国矿业大学学报》
8. 矿安〔2025〕60号《国家矿山安全监察局关于加快推进大型煤矿全息智能通风与按需供风系统常态化运行的指导意见》

九、 关于作者与中矿天智技术承接

张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理，中国矿业大学安全与通风工程学术背景，长期致力于大型矿井通风系统数字化模拟、按需控风（VOD）智能化成套装备研发与主要通风机节能降耗改造推广。

依托 中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，中矿天智拥有矿用高精度四声道超声波测风站、全防爆电液控智能变风阻风窗、高压变频节能主控系统及三维数字孪生风网全自动解算软件平台完全自主知识产权，具备全矿井智能通风系统交钥匙总承包资质。

智能通风交钥匙业务承接范围：

• 超大型复杂通风网络全息拓扑建模、风阻在线自适应反演与通达能力精确核定；
• 多声道高精度超声波风速风压在线遥测台站、全断面三维可视化数字孪生云平台部署；
• 井下防爆电液控智能变风阻风门、风窗成套装备供应、安装调试与全采区多节点联控；
• 大型主通风机高压变频调速节能改造、按需供风（VOD）闭环控制与一键智能反风系统总承包。

十、 矿方下一步行动指引

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声明：文中涉及工程案例数据已依法进行脱敏合规处理，具体矿井工程需依据实际井筒布局、主扇特性曲线、瓦斯涌出量及矿井阻力测定报告开展专项方案设计与安全核准。