基于環(huán)境監(jiān)測的礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)設(shè)計

＊孫嘉梅

（山西安標(biāo)檢驗認(rèn)證有限公司 山西 030031）

當(dāng)前應(yīng)用的礦井通風(fēng)三維仿真軟件多注重風(fēng)網(wǎng)解算以及三維仿真設(shè)計工作，針對通風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測的系統(tǒng)尚未完善?；诖耍瑸榱擞行晟频V井通風(fēng)三維可視化仿真軟件，全面提升礦井生產(chǎn)的安全性，可以積極開發(fā)礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)，從而完成環(huán)境監(jiān)測工作?？梢哉f，利用礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)能夠?qū)崟r傳輸井下的環(huán)境參數(shù)，并對異常情況進(jìn)行監(jiān)督，這是傳統(tǒng)礦井通風(fēng)三維仿真軟件無法比擬的優(yōu)勢。此外，礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)也能夠?qū)︼L(fēng)量、風(fēng)速等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，并與系統(tǒng)中的巷道參數(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)針對性的仿真以及解算，真正掌握井下的通風(fēng)數(shù)據(jù)，有利于促進(jìn)企業(yè)安全生產(chǎn)，全面提升其管理水平。

1.礦井通風(fēng)系統(tǒng)分析

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是一個復(fù)雜多變的立體結(jié)構(gòu)，主要由通風(fēng)動力、網(wǎng)絡(luò)以及控制設(shè)施幾部分構(gòu)成，其能夠與礦井下不同的作業(yè)點建立聯(lián)系，并為其輸送新鮮的空氣，保證空氣流通。同時，礦井通風(fēng)系統(tǒng)也能夠?qū)τ泻ξ镔|(zhì)進(jìn)行稀釋，并將生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵以及瓦斯排出，為井下工作人員營造良好的工作環(huán)境。礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)量以及風(fēng)阻值會隨著開采深度的增加而出現(xiàn)變動，這就增加了開采的不確定性，因此，為了保證礦井通風(fēng)參數(shù)值始終保持在一定的范圍內(nèi)，就需要建立礦井通風(fēng)管理模式，利用科學(xué)有效的管理辦法控制礦井通風(fēng)系統(tǒng)的參數(shù)，確保其運行正常。

在礦井通風(fēng)系統(tǒng)管理中，需要有專業(yè)的管理人員以及制度、平臺共同組建，同時利用礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)實施閉環(huán)管理，提升礦井生產(chǎn)的安全性以及可靠性，具體管理模式見圖1。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)管理模式

2.礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)

(1)礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)介紹

礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)的開發(fā)平臺為微軟Visual Studio 2010，并與環(huán)境監(jiān)測、計算機(jī)圖形學(xué)以及計算機(jī)通信技術(shù)、GDI+等技術(shù)相結(jié)合，同時充分融合我國礦井通風(fēng)系統(tǒng)以及相關(guān)理論，設(shè)計并研發(fā)了三維可視化仿真系統(tǒng)。為了能夠更真實地模擬礦井通風(fēng)系統(tǒng)的實際工作情況，在三維仿真輔助決策系統(tǒng)的設(shè)定上，操作者對通風(fēng)系統(tǒng)圖進(jìn)行了大量的刪減，并將風(fēng)機(jī)以及巷道等加入到系統(tǒng)中。同時，也加入了通風(fēng)構(gòu)筑物，從而對風(fēng)阻進(jìn)行全面調(diào)節(jié)。此外，此系統(tǒng)實現(xiàn)了實時監(jiān)測井下作業(yè)環(huán)境參數(shù)的要求，在充分收集通風(fēng)參數(shù)、井巷參數(shù)、風(fēng)流方向等數(shù)據(jù)信息后，開始對實時狀況進(jìn)行動態(tài)模擬，利用仿真解算功能真正完成了礦井通風(fēng)三維仿真輔助支持工作。

(2)礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)開發(fā)理念

礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)在設(shè)計時，主要使用模塊化的設(shè)計理念，并結(jié)合不同礦山的實際情況進(jìn)行針對性的設(shè)計。在實地考察后，將所獲得的關(guān)鍵數(shù)據(jù)統(tǒng)一整理錄入到此系統(tǒng)中，從而獲得相關(guān)參數(shù)，對參數(shù)進(jìn)行管理，將數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間建立有效的關(guān)聯(lián)。最后，借助通風(fēng)參數(shù)以及井巷參數(shù)，開展實時風(fēng)網(wǎng)解算，能夠有效提升其解算的整體效率[1]。

(3)礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了促使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定且高效，需要對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的開發(fā)以及設(shè)計。礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)設(shè)計上主要劃分為管理、應(yīng)用以及數(shù)據(jù)庫三個模塊，不同的模塊具體功能如圖2所示，每個模塊之間相互獨立又相互聯(lián)系，彼此之間建立了良好的連接，完美地實現(xiàn)了不同模塊之間的交互，這也促使該系統(tǒng)更為穩(wěn)定且可靠。

(4)礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)功能設(shè)計

①環(huán)境監(jiān)測模塊設(shè)計。為了更好地監(jiān)測礦井下的環(huán)境，需要在開采前對巷道位置進(jìn)行監(jiān)測，在此環(huán)節(jié)中，可以選擇安裝通風(fēng)參數(shù)監(jiān)測傳感器，從而對井內(nèi)溫度、風(fēng)壓以及風(fēng)速等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并將所獲得的參數(shù)借助PLC控制柜以及光纖收發(fā)器傳輸?shù)綄?yīng)的數(shù)據(jù)庫中，從而更好地實施監(jiān)測，管理人員也能夠通過該系統(tǒng)對井下的環(huán)境以及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。該系統(tǒng)的監(jiān)測界面中包含報警功能，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到相關(guān)數(shù)值超過正常值時，系統(tǒng)就會做出預(yù)警，方便管理人員及時進(jìn)行處理[2]。此外，該系統(tǒng)中還設(shè)有歷史數(shù)據(jù)查詢的功能，管理人員能夠通過查看歷史數(shù)據(jù)分析以往的作業(yè)情況，從而對井下作業(yè)有全面了解，在遇到事故時，也能夠從容做出應(yīng)對。

②重點管理通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)。在監(jiān)測到通風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)后，系統(tǒng)會自動對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行后續(xù)的加工處理，最后建立節(jié)點編號，同時，在對應(yīng)的巷道上鏈接相關(guān)的參數(shù)、風(fēng)量以及通風(fēng)構(gòu)筑物、阻力值等。管理人員只需要點擊二維操作平臺便能夠查看巷道的相關(guān)屬性，既方便又快捷[3]。

③實時解算風(fēng)網(wǎng)。在系統(tǒng)中錄入相關(guān)參數(shù)后，需要對通風(fēng)系統(tǒng)圖進(jìn)行全面監(jiān)測，核實無誤后，就需要針對礦井通風(fēng)系統(tǒng)開展風(fēng)網(wǎng)解算。在解算過程中，需要采用回路風(fēng)量法進(jìn)行解算，同時，也可以采用節(jié)點風(fēng)壓法進(jìn)行解算[4]。礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)中主要利用回路風(fēng)量法中的Scott-Hinsley法進(jìn)行解算，首先，需要將圖論作為基礎(chǔ)，根據(jù)最小數(shù)對余數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，而后選擇合適的回路，最后需要計算出風(fēng)量迭代，確保解算結(jié)果能夠與精度要求相符。解算完畢后，需要建立環(huán)境監(jiān)測與通風(fēng)系統(tǒng)圖兩個數(shù)據(jù)庫之間的聯(lián)系，并將最后所獲參數(shù)傳輸?shù)酵L(fēng)系統(tǒng)圖中，完成實時解算的任務(wù)。

④三維仿真設(shè)計。傳統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)圖只能夠?qū)崿F(xiàn)二維效果，管理者無法觀看到相關(guān)的立體效果，更新為三維仿真系統(tǒng)后，其能夠與礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)相聯(lián)系，建立三維模型，從而將風(fēng)流方向以立體形式展示出現(xiàn)，并能夠顯示出風(fēng)流的速度以及大小，方便了管理者查看。

⑤輔助決策系統(tǒng)設(shè)計。輔助決策系統(tǒng)設(shè)計上，需要實時解算環(huán)境監(jiān)測以及風(fēng)網(wǎng)系統(tǒng)，解算完畢后，礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)變能夠直接顯示出風(fēng)機(jī)工況、通風(fēng)阻力以及風(fēng)流等情況，并作出針對性的分析，利用風(fēng)機(jī)、風(fēng)門等，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，最后得出設(shè)計方案，確保通風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化，為系統(tǒng)監(jiān)測提供輔助決策的依據(jù)[5]。

3.案例分析

(1)礦山基本情況

以山西某礦山為例，其生產(chǎn)能力為每天1000t，現(xiàn)已知鉛加鋅金屬量達(dá)到1Mt。該礦山主要以脈狀分布，采用分層充填采礦法進(jìn)行礦金屬開采。為了保證礦井下通風(fēng)安全，該礦山采用兩翼對角抽出方式進(jìn)行通風(fēng)處理，但是井下調(diào)風(fēng)相關(guān)設(shè)備較少。該礦井西風(fēng)井中：風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)量為2750m3/min，工作風(fēng)壓為1361.28Pa，通風(fēng)機(jī)為350kW的功率。東風(fēng)井中，風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)量為725m3/min，工作風(fēng)壓為233Pa，通風(fēng)機(jī)為250kW功率。現(xiàn)主要以東翼為開采重點，因西風(fēng)井中的風(fēng)機(jī)功率更大，如果一直開啟西風(fēng)井，則會直接影響東翼的風(fēng)量?；诖?，在開采東翼區(qū)域時，暫停西風(fēng)井風(fēng)機(jī)的使用，確保東翼能夠正常開采，但這也會直接導(dǎo)致井下風(fēng)量較小，巷道中有循環(huán)風(fēng)出現(xiàn)，使井下作業(yè)安全受到威脅，同時，因風(fēng)量較小，導(dǎo)致新鮮風(fēng)無法流通，資源出現(xiàn)浪費[6]。

圖3 自由風(fēng)流采場

(2)系統(tǒng)建設(shè)

為了對井下作業(yè)進(jìn)行監(jiān)測，需要及時建立三維可視化系統(tǒng)。在此過程中，第一步，需要對井下的風(fēng)阻力值進(jìn)行監(jiān)測，其中需要詳細(xì)記錄分支風(fēng)量、監(jiān)測時間、標(biāo)高、斷面的尺寸以及形狀、壓力等數(shù)據(jù)。第二步，需要對所監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。第三步，利用數(shù)據(jù)參數(shù)建立通風(fēng)系統(tǒng)三維可視化仿真模型。在獲得二維通風(fēng)系統(tǒng)圖后，需要將其轉(zhuǎn)化為dxf格式，并將其直接與通風(fēng)阻力數(shù)據(jù)導(dǎo)入到可視化仿真系統(tǒng)中。建立通風(fēng)構(gòu)筑物后，便能夠建立三維立體通風(fēng)系統(tǒng)圖。第四步，將環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)建立起來，為了更好地監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)，需要將傳感器安裝到井下對應(yīng)位置，便于分站控制柜接收信號。接收到相關(guān)信息后，分站控制柜需要利用PLC編程轉(zhuǎn)化電流信號，最后將數(shù)據(jù)結(jié)果上傳到公司局域網(wǎng)以及工控機(jī)中，方便監(jiān)測人員查看。第五步，輔助決策系統(tǒng)建立過程中，需要解算出通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以及環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，重點分析風(fēng)流、通風(fēng)能力以及阻力后，建立并完善輔助決策系統(tǒng)。

(3)系統(tǒng)測試結(jié)果及改進(jìn)方案

通過礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)分析顯示，該礦山在礦井作業(yè)中，風(fēng)量較小，上部以及中段位置出現(xiàn)嚴(yán)重的漏風(fēng)現(xiàn)象，一些巷道仍未關(guān)閉，風(fēng)量損失嚴(yán)重。因此，需要積極擴(kuò)大斷面，封閉多余的采場以及巷道，同時，增加風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)風(fēng)量，確保通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

礦井監(jiān)測中，雖然礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用，能夠借助傳感器獲得數(shù)據(jù)實時解算，但是，在實際應(yīng)用中，要求對安裝的傳感器數(shù)量以及安裝的實際位置進(jìn)行規(guī)范，從而將礦井通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)全面顯示出來，更好地完成監(jiān)測工作。因此，為了促使礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)能夠更為優(yōu)化，還需要在實際應(yīng)用中，充分了解并結(jié)合實際生產(chǎn)需求進(jìn)行改進(jìn)，從而更好地輔助礦井施工。

4.未來發(fā)展展望

基于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)信息分析可知，借助環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)⑼L(fēng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時解算，解算數(shù)據(jù)再通過計算機(jī)輸出到Excel中，借助表格查看，能夠極大地提高管理人員的工作效率，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)信息也會更為可靠。同時，在未來的發(fā)展中，礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)也能夠?qū)峦L(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，并對其進(jìn)行全面優(yōu)化，確保優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)性，避免在優(yōu)化過程中有資源浪費的現(xiàn)象出現(xiàn)，從而促使礦井通風(fēng)管理的綜合水平得到全面提升，企業(yè)經(jīng)營成本也能夠得到節(jié)約。此外，礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)也能夠?qū)⑴c通風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)的三維立體圖建立起來，監(jiān)測管理人員能夠全方位無死角地對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行觀察，借助三維圖，也能夠?qū)νL(fēng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面了解，一旦某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，監(jiān)測管理人員便能夠第一時間發(fā)現(xiàn)，并作出應(yīng)對。最后，礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)中環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的融入，有利于對該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并完善，有效彌補了單個系統(tǒng)的不足，可以說，礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)不僅能夠?qū)峦L(fēng)環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全面監(jiān)控，且能夠?qū)⑺@得的數(shù)據(jù)實時同步到通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，完成實時解算。監(jiān)測管理人員根據(jù)解算后的結(jié)果，便能夠查看通風(fēng)系統(tǒng)是否正常運行。針對于其中存在的不合理之處，也能夠及時進(jìn)行改進(jìn)并優(yōu)化，從而全面提升通風(fēng)系統(tǒng)的合理性以及可靠性。

5.結(jié)束語

綜合上述分析可知，礦井開采中，會出現(xiàn)通風(fēng)不良、瓦斯積聚以及風(fēng)流紊亂等問題，對礦井施工人員的生命安全造成嚴(yán)重的威脅。為了更好地監(jiān)測礦井內(nèi)生產(chǎn)狀況以及通風(fēng)情況，傳統(tǒng)礦井開采中會使用通風(fēng)系統(tǒng)緩解壓力。但是，隨著礦井開采深度的增加，傳統(tǒng)通風(fēng)措施已經(jīng)無法滿足開采需求，急需引進(jìn)更為先進(jìn)的技術(shù)以及系統(tǒng)，解決當(dāng)前開采壓力。將礦井通風(fēng)三維仿真輔助決策系統(tǒng)投入使用，能夠?qū)崟r監(jiān)測各項通風(fēng)參數(shù)并完成信息數(shù)據(jù)的融合，對于優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)提供了可靠及合理的依據(jù)。同時，對礦井生產(chǎn)的安全性及穩(wěn)定性也起到了保障作用。如不能及時解決這一問題，則會導(dǎo)致礦井工作人員出現(xiàn)中毒癥狀。因此，為了保障礦井生產(chǎn)安全性，則需要對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行合理有效設(shè)計，保證空氣流通，確保人身安全?；诖?，國內(nèi)外相關(guān)人員開始積極開發(fā)礦井通風(fēng)三維仿真軟件，借助軟件系統(tǒng)，對通風(fēng)環(huán)境相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，確保能夠及時有效地發(fā)現(xiàn)礦井生產(chǎn)中的異常。此外，借助軟件系統(tǒng)，管理人員能夠及時發(fā)現(xiàn)礦井生產(chǎn)中存在的問題，對于礦井通風(fēng)系統(tǒng)的管理起到了重要作用。