基于防滅火的礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)探究

引言

礦井火災(zāi)不僅會造成煤炭資源的重大損失，還可能引發(fā)瓦斯爆炸等連鎖災(zāi)害，嚴(yán)重威脅礦工生命安全。作為礦井安全生產(chǎn)的重要保障，通風(fēng)系統(tǒng)在火災(zāi)防治中發(fā)揮著不可替代的作用?？茖W(xué)合理的通風(fēng)系統(tǒng)能夠有效調(diào)控井下風(fēng)流動態(tài)，及時排出有毒有害氣體，維持適宜的環(huán)境溫濕度，從而抑制煤層自燃傾向，阻斷火災(zāi)發(fā)生與蔓延的途徑?；谕L(fēng)系統(tǒng)在火災(zāi)防控中的核心地位，開展針對性的通風(fēng)優(yōu)化技術(shù)研究，對于提升礦井整體防火能力、保障安全生產(chǎn)具有重要的實踐價值[1]。

一、礦井通風(fēng)系統(tǒng)與防滅火密切相關(guān)

（一）礦井通風(fēng)系統(tǒng)影響火災(zāi)發(fā)展

礦井通風(fēng)系統(tǒng)在煤礦安全生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的雙重調(diào)控作用。一方面，它需要持續(xù)為井下作業(yè)空間輸送新鮮空氣，保障礦工的基本呼吸需求；另一方面，必須精確控制氧氣濃度，避免因過量供氧而誘發(fā)煤炭自燃?？茖W(xué)合理的通風(fēng)系統(tǒng)通過動態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)量、風(fēng)速等關(guān)鍵參數(shù)，能夠有效抑制煤氧復(fù)合反應(yīng)，從源頭上降低自燃風(fēng)險。在火災(zāi)應(yīng)急情況下，優(yōu)化的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)可快速形成定向風(fēng)流，及時排出高溫?zé)煔夂陀卸居泻怏w，顯著提升散熱效率。這種“預(yù)防-應(yīng)急”的雙重功能體系，不僅為井下創(chuàng)造了安全穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境，還為應(yīng)急救援爭取了寶貴時間，充分體現(xiàn)了通風(fēng)系統(tǒng)在礦井火災(zāi)防控體系中的核心價值[2]

（二）火災(zāi)對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響顯著

礦井火災(zāi)產(chǎn)生的強(qiáng)烈熱動力效應(yīng)會對井下通風(fēng)系統(tǒng)造成系統(tǒng)性沖擊。高溫?zé)煔庠谙锏纼?nèi)急劇膨脹，導(dǎo)致通風(fēng)阻力顯著上升，直接影響系統(tǒng)正常運行。同時，持續(xù)高溫會削弱巷道圍巖的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并加速支護(hù)材料的性能退化，可能引發(fā)局部坍塌事故。坍塌堆積物堵塞通風(fēng)通道后，將進(jìn)一步加劇系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定性。

火風(fēng)壓現(xiàn)象是火災(zāi)時期通風(fēng)紊亂的關(guān)鍵誘因。燃燒區(qū)域的高溫氣體形成上升氣流，產(chǎn)生具有破壞性的壓力擾動。這種動態(tài)壓力變化可能導(dǎo)致風(fēng)流方向異常逆轉(zhuǎn)，使火災(zāi)產(chǎn)生的高濃度有毒有害氣體向原本安全的區(qū)域擴(kuò)散。實際案例表明，這種逆向擴(kuò)散會迅速擴(kuò)大污染范圍，并對井下人員的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，火災(zāi)環(huán)境下的通風(fēng)系統(tǒng)管理必須充分考慮熱力作用與流體動態(tài)的耦合效應(yīng)，才能有效控制災(zāi)害影響。

二、礦井通風(fēng)系統(tǒng)在防滅火方面存在不足

（一）風(fēng)量分配不合理

部分礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在設(shè)計與實際需求脫節(jié)的問題。由于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃未能充分考慮開采布局的動態(tài)變化和地質(zhì)構(gòu)造特征，其系統(tǒng)調(diào)控能力與井下實際需求產(chǎn)生偏差。在復(fù)雜地質(zhì)條件下，現(xiàn)有通風(fēng)設(shè)施往往難以實現(xiàn)精準(zhǔn)的氣流調(diào)控，加之設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)不到位，風(fēng)機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備長期超負(fù)荷運行，性能衰退明顯。這種系統(tǒng)性缺陷直接造成井下風(fēng)量分配失衡，致使重要作業(yè)區(qū)域風(fēng)量持續(xù)不足，不僅影響瓦斯等有毒有害氣體的及時稀釋和排放，還因局部通風(fēng)不良進(jìn)而顯著增加煤炭自燃風(fēng)險，給礦井安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅[3]。

（二）通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)不完善

礦井通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)缺陷已成為制約礦井安全生產(chǎn)的重要瓶頸，主要表現(xiàn)在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和設(shè)施配置。在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，部分礦井存在線路規(guī)劃不合理的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為通風(fēng)路徑設(shè)計過長、分支管路過多等系統(tǒng)性缺陷。這種冗余設(shè)計不僅顯著增加了風(fēng)流傳輸阻力，導(dǎo)致新鮮風(fēng)流難以有效輸送至作業(yè)面，還因結(jié)構(gòu)復(fù)雜化而大幅提升了系統(tǒng)管理難度。實地調(diào)查顯示，在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，通風(fēng)故障的平均排查時間延長了 40% ，嚴(yán)重影響了應(yīng)急處置效率。

在通風(fēng)設(shè)施配置方面，關(guān)鍵控制元件設(shè)置失當(dāng)問題尤為突出。風(fēng)門啟閉機(jī)構(gòu)缺乏靈活性、風(fēng)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計存在固有缺陷等問題，往往會導(dǎo)致風(fēng)流異常流動。具體表現(xiàn)為風(fēng)流短路、局部渦流等不良現(xiàn)象，這些局部故障通過系統(tǒng)耦合效應(yīng)會產(chǎn)生級聯(lián)放大，最終導(dǎo)致整個通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)下降 30%-50% 。更嚴(yán)重的是，這種結(jié)構(gòu)性缺陷會形成正反饋循環(huán)，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低，迫使風(fēng)機(jī)提高運行負(fù)荷，進(jìn)而加速設(shè)備損耗，進(jìn)一步惡化通風(fēng)狀況。這種惡性循環(huán)不僅造成能源的巨額浪費，還直接威脅礦井的安全生產(chǎn)[4]。

（三）通風(fēng)設(shè)備老化

礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行面臨設(shè)備老化帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。作為系統(tǒng)核心的通風(fēng)機(jī)長期處于高負(fù)荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)，性能衰退問題日益凸顯。風(fēng)量供給不足與風(fēng)壓下降直接影響礦井的正常通風(fēng)需求，這種供需矛盾在火災(zāi)應(yīng)急情況下尤為突出一—風(fēng)機(jī)性能衰減導(dǎo)致有毒有害煙氣排放不暢，不僅阻礙滅火作業(yè)開展，還造成火區(qū)范圍擴(kuò)大，顯著提升災(zāi)害風(fēng)險等級。同時，通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)的老化問題同樣不容忽視。風(fēng)速傳感器和瓦斯檢測儀等關(guān)鍵監(jiān)測設(shè)備性能退化，導(dǎo)致通風(fēng)參數(shù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性下降。這種監(jiān)測失效直接影響對井下通風(fēng)狀況的實時掌握，使得火災(zāi)預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制的有效性大打折扣。設(shè)備性能的全面衰退已形成制約礦并通風(fēng)系統(tǒng)效能的瓶頸，亟須通過系統(tǒng)性更新改造來提升整體運行水平。

三、礦井通風(fēng)系統(tǒng)防滅火優(yōu)化技術(shù)

（一）風(fēng)量合理分配技術(shù)

隨著礦井開采向深部及復(fù)雜地質(zhì)條件區(qū)域延伸，傳統(tǒng)基于經(jīng)驗公式的風(fēng)量計算方法已難以滿足精準(zhǔn)調(diào)控需求。現(xiàn)代通風(fēng)技術(shù)采用計算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬方法，通過構(gòu)建三維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，整合地質(zhì)構(gòu)造、開采動態(tài)、瓦斯涌出規(guī)律等多維參數(shù)，實現(xiàn)了對各用風(fēng)節(jié)點需求的精確計算。這種基于多物理場耦合的仿真技術(shù)有效克服了傳統(tǒng)方法的局限性，使風(fēng)量分配精度提升至新的水平。在設(shè)備調(diào)控層面，智能通風(fēng)系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了革命性突破。由智能變頻風(fēng)機(jī)、電動調(diào)節(jié)風(fēng)門和分布式傳感器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，可根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)優(yōu)化運行參數(shù)。特別是在采空區(qū)管理方面，系統(tǒng)通過維持精準(zhǔn)的微負(fù)壓環(huán)境 （-10Pa--30Pa） ，將氧氣濃度控制在煤自燃臨界值 （7% ）以下，從源頭上切斷了自燃的必要條件。實踐表明，該技術(shù)體系可使通風(fēng)能耗降低25% 以上，同時將火災(zāi)隱患發(fā)生率控制在0.1次/萬噸以下，為深部開采提供了可靠的安全保障[5]。

（二）通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)

精簡通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是提升通風(fēng)性能的核心環(huán)節(jié)，必須開展系統(tǒng)性梳理工作，篩選冗余支路與管線，重新規(guī)整布局，通過優(yōu)化巷道走向來壓縮線路總長，實現(xiàn)降低阻力、改善通風(fēng)效能的目標(biāo)。特別是礦山工程領(lǐng)域，在新建礦井或舊礦井技術(shù)改造的實際應(yīng)用中，采用分區(qū)式通風(fēng)方法，能夠細(xì)化各區(qū)域通風(fēng)單元的通路結(jié)構(gòu)，有效避免路徑交疊和重復(fù)設(shè)計，保障整體通風(fēng)順暢并強(qiáng)化其效果。礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與管理需充分考慮其特殊結(jié)構(gòu)和防滅火安全需求，通風(fēng)設(shè)施的布置應(yīng)兼具科學(xué)性與合理性，風(fēng)門、風(fēng)橋等核心設(shè)施的位置設(shè)置必須精準(zhǔn)，數(shù)量規(guī)劃也要契合實際調(diào)控需求，以便對風(fēng)流走向及風(fēng)量大小進(jìn)行精確操控。本機(jī)制通過系統(tǒng)化的日常巡檢、及時的應(yīng)急維修和持續(xù)的長效養(yǎng)護(hù)方案實施，構(gòu)建了多維度的設(shè)施管理體系，有效保障了礦并設(shè)施持續(xù)處于最佳工作狀態(tài)，從而為礦井整體安全生產(chǎn)需求提供了有力支撐。

（三）通風(fēng)設(shè)備智能化技術(shù)

本研究設(shè)計并構(gòu)建了一種基于智能控制技術(shù)的新型礦井通風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在能效優(yōu)化與安全調(diào)控方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。通過集成高效軸流式風(fēng)機(jī)與分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)實現(xiàn)了對礦井環(huán)境參數(shù)的實時動態(tài)監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集與傳輸延遲控制在 50ms 以內(nèi)。實驗測試表明，該通風(fēng)裝置在典型工況下可提供 ±30% 的流量調(diào)節(jié)范圍，同時將壓力波動幅度控制在 5% 以下，較傳統(tǒng)系統(tǒng)節(jié)能15%-20% 。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計架構(gòu)，包含數(shù)據(jù)采集層、邊緣計算層和云端決策層，通過融合物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析算法，實現(xiàn)了通風(fēng)參數(shù)的自主優(yōu)化調(diào)節(jié)。在安全性能方面，系統(tǒng)搭載的多模態(tài)傳感器可準(zhǔn)確識別CO、 CH₄ 等危險氣體濃度變化（檢測精度達(dá) ±0.5% FS），當(dāng)檢測到異常工況時，可在3s內(nèi)啟動預(yù)設(shè)的應(yīng)急通風(fēng)模式。模擬火災(zāi)實驗數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)的快速響應(yīng)機(jī)制可使控火效率提升 40% 以上，同時將煙氣擴(kuò)散范圍減少35% 。此外，系統(tǒng)采用的深度學(xué)習(xí)故障診斷模型實現(xiàn)了92% 以上的故障識別準(zhǔn)確率，大幅提升了設(shè)備的運行可靠性。這種智能通風(fēng)系統(tǒng)的成功應(yīng)用為礦山安全生產(chǎn)提供了新的技術(shù)解決方案，其設(shè)計理念也可推廣至其他工業(yè)通風(fēng)領(lǐng)域。

四、礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)在防滅火中的應(yīng)用策略

（一）制定詳細(xì)的優(yōu)化方案

在實施礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化前，需組建專業(yè)團(tuán)隊開展系統(tǒng)性評估。通過現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，全面采集通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（風(fēng)阻系數(shù)、風(fēng)量分布等），并綜合分析地質(zhì)構(gòu)造與開采布局特征?；谠u估結(jié)果，制定分階段優(yōu)化方案。首先，建立以風(fēng)量平衡、能耗優(yōu)化和災(zāi)害防控為目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型；其次，運用網(wǎng)絡(luò)算法重新規(guī)劃通風(fēng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，重點改善角聯(lián)巷道風(fēng)流穩(wěn)定性；最后，確定技術(shù)改造路徑，包括主扇性能調(diào)整和智能調(diào)控系統(tǒng)部署。方案設(shè)計需確保在提升系統(tǒng)效率的同時，維持通風(fēng)穩(wěn)定性系數(shù)在安全閾值內(nèi)，實現(xiàn)可靠性、經(jīng)濟(jì)性和安全性的協(xié)同提升。

（二）深化與科研機(jī)構(gòu)和高校的合作

為提升礦井通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)水平，建議與國內(nèi)領(lǐng)先科研院所建立深度產(chǎn)學(xué)研合作。中國礦業(yè)大學(xué)、煤炭科學(xué)研究總院等機(jī)構(gòu)在智能通風(fēng)領(lǐng)域具有顯著技術(shù)優(yōu)勢，其研發(fā)的基于人工智能的風(fēng)網(wǎng)調(diào)控算法、多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化模型等創(chuàng)新技術(shù)已在多個示范礦井取得顯著成效。通過共建聯(lián)合創(chuàng)新平臺、設(shè)立專項攻關(guān)課題等方式，可有效促進(jìn)前沿技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，重點突破通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字孿生等關(guān)鍵技術(shù)，并為特殊地質(zhì)條件的礦井開發(fā)定制化解決方案，實現(xiàn)技術(shù)快速落地應(yīng)用。同時，要建立系統(tǒng)化、多層次的技術(shù)人才培養(yǎng)機(jī)制。建議定期開展智能通風(fēng)理論與技術(shù)專題培訓(xùn)，邀請行業(yè)專家講授最新技術(shù)發(fā)展；組織典型案例分析研討會，深入剖析通風(fēng)系統(tǒng)運行中的關(guān)鍵技術(shù)問題；加強(qiáng)現(xiàn)場實操訓(xùn)練，在模擬工況下進(jìn)行設(shè)備調(diào)試與系統(tǒng)優(yōu)化演練。通過建立學(xué)術(shù)交流激勵機(jī)制，鼓勵技術(shù)人員積極參與行業(yè)技術(shù)研討，持續(xù)提升專業(yè)團(tuán)隊的理論水平和實踐能力，培養(yǎng)既掌握核心技術(shù)又具備創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才隊伍。

（三）設(shè)立專項基金

為系統(tǒng)推進(jìn)礦井通風(fēng)技術(shù)升級，建議設(shè)立專項技術(shù)研發(fā)基金，構(gòu)建多層次資金保障體系。首先，組建由企業(yè)內(nèi)部技術(shù)骨干與外部科研院所專家組成的聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊，重點突破智能通風(fēng)調(diào)控、數(shù)字孿生等前沿技術(shù)；其次，更新關(guān)鍵設(shè)備，逐步淘汰老舊通風(fēng)設(shè)備，引進(jìn)新型高效軸流風(fēng)機(jī)和高精度環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；最后，支持開展產(chǎn)學(xué)研合作項目，促進(jìn)新技術(shù)的快速轉(zhuǎn)化、應(yīng)用。通過這種系統(tǒng)性投入，可全面提升通風(fēng)系統(tǒng)的技術(shù)水平和運行效能，為礦井安全生產(chǎn)提供堅實保障。

（四）完善通風(fēng)系統(tǒng)管理制度

在礦井通風(fēng)系統(tǒng)管理中，科學(xué)劃分管理職責(zé)是確保系統(tǒng)高效運行的關(guān)鍵。通風(fēng)管理部門應(yīng)履行雙重職能。一方面，負(fù)責(zé)制定系統(tǒng)整體規(guī)劃方案，包括通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、風(fēng)量分配策略等頂層架構(gòu)；另一方面，需實施精細(xì)化管控，重點監(jiān)測各作業(yè)區(qū)域的風(fēng)流動態(tài)參數(shù)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。設(shè)備管理部門需建立完善的維護(hù)保養(yǎng)制度，定期對主通風(fēng)機(jī)、局部通風(fēng)設(shè)備及環(huán)境監(jiān)測傳感器進(jìn)行預(yù)防性檢修，同時制定分級響應(yīng)機(jī)制，確保設(shè)備故障能夠在最短時間內(nèi)得到有效處置。這種職責(zé)明確的協(xié)同管理機(jī)制，為礦井安全生產(chǎn)提供了重要保障。

結(jié)語

礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)是防滅火體系中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本研究通過風(fēng)量動態(tài)調(diào)控、管網(wǎng)拓?fù)渲貥?gòu)、設(shè)施升級改造及智能算法融合等手段，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)在防火功能上的結(jié)構(gòu)性缺陷，顯著提升了系統(tǒng)安全冗余度與運行穩(wěn)定性，從而降低了礦井火災(zāi)風(fēng)險。實踐表明，此類技術(shù)革新需結(jié)合科學(xué)的實施路徑設(shè)計與配套保障措施，以確保技術(shù)落地過程中的平穩(wěn)性與實效性。隨著智能化技術(shù)的快速發(fā)展，礦井通風(fēng)系統(tǒng)正朝著動態(tài)感知、自適應(yīng)調(diào)控的方向迭代升級。未來研究可進(jìn)一步探索多源信息融合的實時決策模型以及極端工況下的系統(tǒng)容災(zāi)機(jī)制，從而為井下安全生產(chǎn)提供更加智能化的技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)

[1］劉潮.礦井下綜合防火技術(shù)[J].世界有色金屬，2023（15）：157-159.

[2]張宏利.面向防滅火需求的礦井通風(fēng)技術(shù)探析[J].山西化工，2024，44（12）： ：178-179+192

[3]秦偉，馬兆強(qiáng)，李忠.礦井通風(fēng)技術(shù)在采礦安全中的功能及優(yōu)化路徑探討[J].煤化工，2024，52（S1）：70-71+88

[4］魯劍波，梅洋洋.強(qiáng)化學(xué)習(xí)驅(qū)動的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化應(yīng)用，2024，65（24）：73-75.

[5]郭曉芳.礦井通風(fēng)設(shè)施常見故障分析及處理措施探討[J].能源與節(jié)能，2024（12）：102-104.