适用读者： 煤矿矿长、总工程师、通风副总、通风科长、通风队长、机电副总、智能化办公室主任
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司｜中国矿业大学科研团队技术支持
一、现代复杂矿井通风系统瓶颈与按需智能调风核心架构
随着矿井开采深度增加、延伸范围扩大以及综采工作面产量的成倍提升，传统煤矿“以风定产、粗放供风、人工调风”的被动通风模式已无法满足高瓦斯与高地温深部矿井的安全生产需求。
当前通风系统面临三大核心矛盾：
- 供需时空错配：采煤机割煤高峰期瓦斯涌出量剧增，而检修期瓦斯涌出量锐减，传统固定风门风窗无法实现风量动态跟随，导致“割煤时风量不足易超限，检修时大风量空转浪费”；
- 风网角联分支稳定性差：多采区并联或角联风路中，单一地点风阻改变（如风门启闭、运输车辆通行）会引发全矿井风网风流震荡，甚至导致角联风路风流逆转；
- 主通风机能耗巨大：传统主扇常年维持高转速恒压运行，通风电耗往往占矿井总用电量的 $15\% \sim 25\%$。
【智能矿井通风云端决策控制中枢】
║ (OPC UA / 工业以太网 5G 传输)
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【主通风机智能变频站】 【数字孪生风网拓扑解算】 【井下通风执行终端群】
- 永磁变频调速电机 - Scott-Hinsley 实时矩阵 - 电动多叶伺服调风窗
- 动叶可调轴流风机 - 灵敏度矩阵风阻反演 - 智能防夹自锁风门
- 智能一键反风系统 - 灾变烟气演化动态模拟 - 局部通风机智能双三专
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║ (实时多参数物联网反馈)
【井下全断面超声波与气体微感台网】
- 全断面三维超声波风速仪
- 激光甲烷 / 高精度 CO 传感器
- 温湿度 / 微差压变送器
二、多分支复杂通风网络非线性拓扑解算与控制方程
2.1 矿井通风网络图论与定律
矿井通风网络可抽象为由 $n$ 个节点和 $b$ 条分支构成的有向连通图 $G=(V, E)$。风网中风量与风压分布严格遵循流体力学两大基尔霍夫定律：
#### 1. 基尔霍夫第一定律（节点风量平衡方程）
对于风网中任意节点 $i$（不含气源节点），流入与流出节点的风量代数和恒等于零：
其中 $a_{ij}$ 为节点-分支关联矩阵 $\mathbf{A}$ 的元素，$Q_j$ 为分支 $j$ 的风量（$\text{m}^3/\text{s}$）。
#### 2. 基尔霍夫第二定律（回路风压平衡方程）
对于风网中任意独立回路 $k$，回路中各分支风压降与风机风压、自然风压的代数和恒等于零：
其中 $c_{kj}$ 为独立回路矩阵 $\mathbf{C}$ 的元素，$h_{Rj} = R_j |Q_j| Q_j$ 为分支摩擦阻力定律（$R_j$ 为风阻，$\text{N}\cdot\text{s}^2/\text{m}^8$），$h_{Fj}$ 为机械通风风压，$h_{Nj}$ 为自然风压。
2.2 改进型 Scott-Hinsley 矩阵迭代风网解算模型
在复杂非线性风网解算中，为消除大型稀疏矩阵病态性，采用牛顿-拉夫逊修正的 Scott-Hinsley 循环风量迭代算法：
通过循环逐回路迭代修正风量 $\Delta Q_k$，直至全网最大风量修正值 $\max |\Delta Q_k| < \varepsilon = 10^{-4}\text{ m}^3/\text{s}$，解算耗时 $< 200\text{ ms}$，完全满足井下毫秒级按需通风动态响应。
三、智能化通风感知体系与执行装备成套配置
精准调风的前提是“全息感知”与“高精执行”。传统叶轮风速表存在阻风漂移、粉尘污染失效等缺陷，智能通风系统需全面升级为固态物联网装备。
3.1 核心智能化测控装备技术参数表
| 装备名称 | 核心技术与工作原理 | 量程与控制精度 | 关键防护与合规要求 |
|---|---|---|---|
| 全断面三维超声波风速仪 | 超声波时差传播法，多声道阵列布置 | 范围 $0.1 \sim 30.0\text{ m/s}$，精度 $\pm 0.05\text{ m/s}$ | 防爆标志 Ex d I Mb，防尘防滴抗结露 |
| 智能伺服百叶调风窗 | 防爆伺服电机 + 蜗轮蜗杆高精度转角控制 | 开度 $0^\circ \sim 90^\circ$ 无级连续可调，步进 $\pm 0.5^\circ$ | 故障时具备断电机械自锁与应急手动复位 |
| 智能防夹自锁风门 | 电液一体化驱动，红外光幕人体识别 | 门扇耐压 $\ge 3000\text{ Pa}$，开闭响应 $< 8\text{ s}$ | 双向互锁联锁，防夹人保护与声光警示 |
| 主通风机永磁变频调速系统 | 宽频永磁同步电机，四象限变频驱动 | 频率范围 $10 \sim 50\text{ Hz}$，调速精度 $\pm 0.1\text{ Hz}$ | 具备毫秒级反转与母线失电穿越保护 |
| 局部通风机智能双三专装置 | 双风机双电源自适应变频闭锁切换 | 切换时间 $< 0.1\text{ s}$，风电闭锁、瓦斯电闭锁 | 掘进迎头供风量根据瓦斯涌出量自适应变频 |
【电动百叶调风窗伺服闭环控制】
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│ 目标工作面需风量 Q_demand (由瓦斯/人员/温湿度实时计算得出) │
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│ 实测风量对比偏差 e(t) = Q_demand - Q_actual (超声波实时反馈) │
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│ PID+前馈自适应算法输出最佳百叶开度 θ_target │
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│ 伺服驱动电机调整百叶转角，风阻发生阶梯变化 R_window(θ) │
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│ 风网风量瞬间重平衡，实测风量精确逼近设定值 (稳态误差 < 3%) │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘四、全矿井反风演习合规流程与应急风流灾变重构 SOP
反风演习是检验矿井在发生外因火灾或突发灾变时控制风流方向、防止烟气侵入人员作业区的法定实战检验。
4.1 国家新版《煤矿安全规程》反风核心硬性指标
- 反风演习频次：每年必须至少进行 1 次 生产矿井全系统反风演习；
- 反风风量比率：矿井主要通风机反风后的风量，不得小于正常供风量的 $40\%$；
- 反风切换时间：改变通风机运转方向改变风流方向的时间，必须在 $10\text{ min}$ 内完成（智能通风系统力争缩短至 $5 \sim 6\text{ min}$）；
- 反风风流稳定性：进风井口、井底车场及各主要回风巷道在反风状态下严禁发生风流紊乱与微风停风。
4.2 智能一键反风与风流重构实战 SOP
【SOP 步骤 1：演习前环境安全确认与参数锁定】
- 调度中心锁定全矿井瓦斯监控、一氧化碳、温度及风速风向传感器原始基线；
- 井下重点区域设置人工观测小分队（佩戴正压呼吸器及便携式瓦斯检定器）；
- 井下主进风、回风系统所有电动风门切换为智能反向受控状态。
【SOP 步骤 2：主扇变频制动与一键反转指令下发】
- 调度总指挥在上位机按下“一键反风启动”授权密钥；
- 主通风机变频器启动电气能耗制动，主扇转速在 90s 内降至零；
- 变频系统自动调整相序，驱动电机反向平滑加速至额定反风转速（耗时 120s）。
【SOP 步骤 3：井下智能调风设施协同联动】
- 反风风流压差传感器触发反风门自动开启与闭锁机构；
- 井下智能调风窗自动旋转至预设灾变反风开度，保障关键避险风路风阻匹配；
- 变电所、火药库等独立通风硐室专用控风设施瞬间闭锁，杜绝烟气倒灌。
【SOP 步骤 4：反风效果验证与数据对账】
- 连续 10 分钟采集各主要测风站数据，核算全矿井总反风量与主要分支反风风量比；
- 人工测风员与超声波风速仪数据交叉校核（误差 < 5%）；
- 恢复正常通风：主扇再次平滑制动并正转复位，各智能风门风窗自动归位。五、千万吨级智能化煤矿按需通风工程实践与能耗对账
5.1 工程背景与改造方案
某大型现代化矿井核定生产能力 $1000\text{ 万吨/年}$，矿井采用多井筒进风、两翼对角式回风布局。风网包含 380 条分支、260 个节点，原通风系统存在总风量冗余大（总进风量达 $36,000\text{ m}^3/\text{min}$）、部分采面风速超限、年通风耗电超 1800 万度等突出问题。
5.2 实施成效与定量指标对账
该矿全面部署“三维通风网络数字孪生平台 + 28 组智能电动调风窗 + 主扇永磁变频调速控制系统”，实现了从“盲目多供”到“毫米级精准按需供风”的跨越。
#### 智能通风改造前后关键指标对账表
| 核心考核指标 | 传统固定通风状态 | 改造目标要求 | 智能通风实测运行值 | 改善成效综合评价 |
|---|---|---|---|---|
| 全矿总供风量 | $36,000\text{ m}^3/\text{min}$ | 按需动态调节 | $27,800 \sim 32,500\text{ m}^3/\text{min}$ | 平均消减冗余风量 18.6% |
| 采面用风精准度 | 误差 $\pm 18.5\%$ | 误差 $< 8\%$ | 稳态误差 $\pm 3.2\%$ | 工作面风流平稳，杜绝超限 |
| 反风切换耗时 | 8 分 40 秒（人工倒风门） | $< 10\text{ min}$ | 5 分 12 秒 | 响应速度提升 40%（一键完成） |
| 反风风量比率 | $43.2\%$ | $\ge 40\%$ | $68.5\%$ | 反风能力远超国家规程红线 |
| 主通风机年耗电量 | 1850 万 kWh | 节电率 $> 15\%$ | 1435 万 kWh | 年节电 415 万度（降耗 22.4%） |
| 年节约电费 | 0 | 降低运营成本 | 约 290 万元/年 | 投资回收期仅 1.4 年 |
| 瓦斯瞬态超限报警 | 年均 14 次（小扰动） | 零超限 | 0 次 | 通风安全本质化水平大幅提升 |
六、智能通风验收台账与迎检自查清单
6.1 智能化矿井通风建设资料清单
- 《矿井三维通风网络数字化建模与按需供风系统设计方案》
- 主要通风机永磁变频调速控制系统出厂检验报告与联调报告
- 井下全断面超声波风速传感器计量标定合格证书（附周期检定单）
- 智能电动百叶调风窗、防夹自锁风门防爆合格证及 MA 煤安认证
- 年度矿井全系统反风演习专项方案、演习全过程音视频与总结报告
- 灾变风流智能重构应急控制策略库（含火灾、瓦斯爆炸、突水不同场景）
- 通风系统阻力测定报告与阻力分布三维拓扑图件（最近 3 年内实测）
- $Q_{gas} = \frac{100 \cdot q_{CH4}}{C_{limit}}$（根据激光传感器测得的实时瓦斯涌出量与安全浓度限值计算）；
- $Q_{dust}$ 为排尘临界风量（满足排尘最优风速 $1.5 \sim 2.5\text{ m/s}$）；
- $Q_{temp}$ 为热湿平衡排热风量；
- $Q_{person} = 4 \times N_{person}$（满足工作面作业人数最低供风标准）。
- 执行器机械锁定：调风窗与风门驱动机构内置机械常闭或自锁装置，断电瞬间开度保持锁定，防止风流突变；
- 边缘控制器独立运行：各分站具备离线独立计算能力，在主干网络中断时仍可根据本地传感器数据维持恒定安全供风；
- 现场手动优先权：所有智能设施均配备防爆手动操作手轮，现场人员可随时进行机械解锁与手动接管。
- 《煤矿安全规程》（国家矿山安全监察局 2024 年最新修订版）
- GB 50215-2015《煤炭工业矿井设计规范》
- AQ 1028-2006《煤矿井下通风瓦斯监测监控系统使用规范》
- T/CCS 008-2020《煤矿智能通风系统技术规范》
- MT/T 449-1995《煤矿用主要通风机现场性能测定方法》
6.2 迎检现场自查与常见隐患排查表
| 检查项目 | 规程与标准红线 | 现场常见违规问题 | 整改处置措施 |
|---|---|---|---|
| 风速风量传感器 | 主要测风站必须安装连续监测设备 | 传感器安装位置距拐弯近，乱流严重 | 移至平直巷道段（前后 5 倍巷道当量直径无阻挡） |
| 调风窗伺服自锁 | 断电状态下调风窗开度必须保持锁定 | 断电后叶片因自重下垂滑落，风阻骤变 | 更换具备机械自锁特性的高强度蜗轮减速执行器 |
| 风门开闭互锁 | 联锁装置可靠，严禁两道风门同时开启 | 机械闭锁连杆断裂，仅靠电气闭锁 | 恢复“机械连杆 + 红外光幕电气”双重强制闭锁 |
| 反风演习记录 | 每年实操演练，详细记录各测点风量 | 纸质记录与调度台账不一致，无实测视频 | 调出演习全时段数字化曲线，归档多路高清视频 |
七、常见问题 FAQ
答： 系统通过多源信息融合算法实时求解综合需风量：
其中：
系统每隔 $5\text{ s}$ 自动刷新一次工作面需风目标值，并下发至调风执行器实现跟随控制。
答： 传统单点风速表仅能测得局部流速，受巷道壁面摩擦边界层影响巨大。全断面超声波时差测风仪采用“交叉对射双声道或四声道矩阵”算法，超声波束斜穿整个巷道截面，利用多点线积分原理自动补偿巷道断面风速分布不均匀性，并通过内置激光测距仪实时校正巷道变形引起的截面积变化，从而输出高精度的真实体积流量。
答： 会，这是通风网络典型的“交叉耦合效应”。智能系统的核心优势在于全局拓扑解算与前馈解耦控制：当系统决定增大 A 工作面风窗开度时，算法会在下发指令的同时，预判出受影响的 B、C 分支风量变化，并联动微调主通风机转速及相关风路的辅助调风窗，实现全网多执行机构的“协同自适应微调”，将其他分区的风量波动抑制在 $\pm 2\%$ 以内。
答： 系统设计遵循“失电安全、故障导向安全”原则：
答： 主要通风机必须具备高可靠性变频调速与快速反转能力。推荐选用高效率的对旋防爆轴流式通风机或动叶可调轴流风机，配套防爆高压变频调速装置；电机绝缘等级需达到 H 级，具备低频高转矩启动特性；风机中控系统需开放标准工业通信协议（如 Modbus TCP、OPC UA），支持调度端毫秒级远程指令响应与全参数上传。
参考依据
关于作者
张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司，智能矿山与矿井通风数字化解决方案专家。深耕陕西榆林、神木、山西及内蒙煤炭产区，专注于复杂通风网络拓扑解算、按需智能通风成套装备落地、一键反风系统设计及矿山通风节能降碳技术服务。方案设计依托中国矿业大学安全工程国家重点实验室专家团队支持。
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声明：文中工程数据及案例参数经脱敏处理，具体矿井工程实施需结合矿井实测通风网络与阻力数据进行专项设计。