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摘要：目前，智慧礦山是我國煤礦行業(yè)的熱點話題，按照國家相關(guān)政策的導(dǎo)向，智慧礦山的建設(shè)已經(jīng)開始實施。礦井通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦最重要的系統(tǒng)，本文通過分析我國煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出按需通風(fēng)的設(shè)計理念和方案，目的是探索一條合理高效的煤礦智能通風(fēng)系統(tǒng)，實現(xiàn)按需要通風(fēng)，為煤礦企業(yè)降低成本，節(jié)省費用，提高工人的安全，助力智慧礦山的建設(shè)，為國家早日實現(xiàn)工業(yè)自動化添磚加瓦。

關(guān)鍵詞：煤礦通風(fēng)、智能通風(fēng)、智慧礦山、按需通風(fēng)、風(fēng)機、節(jié)能

□1 前言

2016年，國土資源部、國家發(fā)改委等6部委正式發(fā)布了《全國礦產(chǎn)規(guī)劃（2016-2020年）》，明確提出了5年內(nèi)要大力推進礦業(yè)領(lǐng)域科技創(chuàng)新；同年，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》提出，到2030年，重點煤礦基本實現(xiàn)無人化，全面建成綠色、高效智能礦山體系，實現(xiàn)煤炭安全綠色、高效智能生產(chǎn)；2017年我國出臺的《安全生產(chǎn)“十三五“規(guī)劃》中強調(diào)，建設(shè)大中型煤礦機械化、自動化、信息化和智能化融合等示范企業(yè)，建設(shè)智慧礦山¹。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦井最重要的系統(tǒng)之一，煤礦要求“以風(fēng)定產(chǎn)”，就可以看出煤炭開采中通風(fēng)系統(tǒng)的重要性。目前，全球經(jīng)濟處于第四次工業(yè)革命邊緣之際，采礦業(yè)正在面臨數(shù)字化的進步如何在煤礦的日常運營，特別是通風(fēng)中發(fā)揮作用。在全球范圍內(nèi)，沒有任何國家、經(jīng)濟組織或行業(yè)不受數(shù)字化進步的影響。近年來，我們已經(jīng)看到礦業(yè)公司如何利用數(shù)字自動化的令人印象深刻的事例，比如無人駕駛的卡車可全天 24 小時運行、機器人裝載機,、WiFi 的安裝可以跟蹤人員和設(shè)備等等。

□2 我國煤礦通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前，對于我國大部分煤礦，通風(fēng)系統(tǒng)的參數(shù)是通過監(jiān)測風(fēng)道風(fēng)速、瓦斯?jié)舛群头蹓m濃度等指標(biāo)，然后根據(jù)這些指標(biāo)由人工操作來調(diào)節(jié)通風(fēng)參數(shù)的²，人工調(diào)節(jié)和監(jiān)測會造成風(fēng)量不均而且穩(wěn)定性差，不僅耗費了大量的人力物力，而且通風(fēng)系統(tǒng)的效率低并導(dǎo)致耗能高，屬于典型的粗放經(jīng)營管理，據(jù)不完全統(tǒng)計，煤礦通風(fēng)用電量占采礦用電量的40%左右，較低的通風(fēng)效率對礦企的利潤的影響還是很大的。

另一方面，目前，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中通風(fēng)設(shè)備的智能化水平比較低，有相當(dāng)一部分仍然靠手動調(diào)節(jié)，在通風(fēng)的主要設(shè)備中，主通風(fēng)機的智能化率較高，達到73%，有2%的局部通風(fēng)機可通過自動化控制，而對于構(gòu)筑物的調(diào)節(jié)風(fēng)門，自動化控制的比率也只有5%左右³。

國內(nèi)絕大部分煤礦沒有一套能夠?qū)崿F(xiàn)可視化管理的通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)，部分礦井采用了國際上知名的VentSim設(shè)計軟件，對通風(fēng)系統(tǒng)進行模擬，并對通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化。

對于通風(fēng)的核心設(shè)備主通風(fēng)機，當(dāng)前以對旋風(fēng)機和長軸寬曲線軸流風(fēng)機為主，其中對旋風(fēng)機是在本世紀(jì)初期替代早期老舊型號而逐步在市場上使用的，目前在市場上臺數(shù)占絕對多數(shù)，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前80%的主通風(fēng)機為對旋風(fēng)機。而長軸寬曲線軸流風(fēng)機是從2000年開始在國內(nèi)使用，目前在市場上的應(yīng)用越來越多。對旋風(fēng)機的實際效率低，自動化程度低⁴，這不利于智能通風(fēng)的建設(shè)。

當(dāng)前煤礦企業(yè)的這種情況，導(dǎo)致工人的勞動量大，通風(fēng)系統(tǒng)總體效率低，嚴(yán)重影響智慧礦山的建設(shè)。

□3 煤礦按需通風(fēng)（VOD）的理念

每個煤礦都面臨著生產(chǎn)過程中風(fēng)量受到影響而變化的問題，包括采礦方法、設(shè)備和人員、氣候條件、污染物和熱負荷、法律法規(guī)以及風(fēng)量的要求等。按需通風(fēng) （VOD） 系統(tǒng)，是一個根據(jù)井下生產(chǎn)情況來自動調(diào)節(jié)風(fēng)量從而實現(xiàn)按需求自動化通風(fēng)的系統(tǒng)，它的原理示意圖如圖1：

按需通風(fēng)能帶來以下的好處：

• 減少新風(fēng)風(fēng)機能源的浪費，僅在需要的時間和地點，開啟風(fēng)機運行

• 更加快速地抽取有害氣體，大幅降低停產(chǎn)時間，以便有效地組織生產(chǎn)和提升能

• 根據(jù)相應(yīng)的法規(guī)校準(zhǔn)評估風(fēng)量，大幅提升安全水準(zhǔn)，確保生產(chǎn)人員工作于最佳環(huán)境

• 根據(jù)人員及設(shè)備的實際需求實時計算并調(diào)整風(fēng)量，從而減少新風(fēng)的浪費

• 自動調(diào)整風(fēng)量至實際需求水平，最大限度地降低風(fēng)機的能耗

• 可以實現(xiàn)井下通風(fēng)可視化管理，不同巷道的通風(fēng)參數(shù)一目了然，盡在掌握

□4 按需通風(fēng)應(yīng)用的案例

如上所述，按需通風(fēng)系統(tǒng)能給煤礦帶來可觀的收益，目前國外已經(jīng)有很多成功實施按需通風(fēng)的案例，在這里舉一個加拿大礦井實施按需通風(fēng)的成功案例，在實現(xiàn)安全、有效通風(fēng)的同時降低能耗，節(jié)省礦井運營成本。

2014年，加拿大Goldcorp礦業(yè)，引入全新的豪頓Ventsim按需通風(fēng)控制技術(shù)系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了真正意義上的按需通風(fēng)。通過這套通風(fēng)智能化控制系統(tǒng)，礦井能實現(xiàn)通風(fēng)成本與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟性優(yōu)化和分析，可以動態(tài)監(jiān)測瓦斯、一氧化碳、熱力、污染物，還可以進行火災(zāi)和反風(fēng)演習(xí)的模擬等。

該礦所需的新鮮空氣量超過425 m³/s，目前該礦的通風(fēng)任務(wù)主要由兩臺并聯(lián)的抽出式軸流風(fēng)機承擔(dān)，每臺風(fēng)機的額定功率為1471 kW。同時，該礦還有一座用于勘探作業(yè)的勘探井，該勘探井的通風(fēng)任務(wù)主要由兩臺并聯(lián)的壓入式軸流風(fēng)機承擔(dān)，每臺風(fēng)機的額定功率為552kW，此外，該礦還配備了140多臺局部通風(fēng)機和增壓風(fēng)機，協(xié)同風(fēng)門風(fēng)窗以及丙烷加熱系統(tǒng)一起執(zhí)行礦井通風(fēng)任務(wù)。

該按需通風(fēng)系統(tǒng)實施之后，該礦所有通風(fēng)設(shè)備均實現(xiàn)自動化控制，這些設(shè)備主要包括：主通風(fēng)機、局部通風(fēng)機和增壓風(fēng)機、風(fēng)門和風(fēng)窗。該礦共計安裝了30處通風(fēng)監(jiān)測站（VMS），以監(jiān)測井下各地點處空氣的流量和質(zhì)量。通風(fēng)監(jiān)測站是該按需通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分，每個通風(fēng)監(jiān)測站配置一臺流量傳感器和三臺氣體傳感器，以監(jiān)測CO、NO和C₃H₈的濃度。

該通風(fēng)控制系統(tǒng)接入了礦井原有的礦山全范圍追蹤定位系統(tǒng)，用于實時獲取井下作業(yè)車輛和工作人員信息。該礦的144臺作業(yè)車輛均配備無線射頻識別卡，以實時、準(zhǔn)確地顯示這些車輛的井下位置以及車輛引擎的運行情況。每一名井下工作人員也配備了唯一的無線射頻識別卡，該識別卡可將信息傳輸至礦內(nèi)254個數(shù)據(jù)信息接入點中的其中一點，以進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

這些接入點通過混合光纖網(wǎng)絡(luò)將追蹤定位信息傳輸至地面的控制室。目前該礦的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋率為60%至70%，當(dāng)?shù)V井達到設(shè)計生產(chǎn)能力后，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋率將達到100%。借助無線射頻識別卡反饋的數(shù)據(jù)，井下車輛和人員的安全保障顯著提升，礦方也更易于加強井下車輛和人員的管理和調(diào)度，同時可以實現(xiàn)礦井的按需通風(fēng)。

利用跟蹤定位系統(tǒng)捕捉到的實時數(shù)據(jù)，按需通風(fēng)邏輯分析軟件可以解算出井下各區(qū)域的實際通風(fēng)需求量；然后將計算結(jié)果反饋給井下的局部通風(fēng)機，實現(xiàn)風(fēng)機出力的自動調(diào)整，在實現(xiàn)井下各區(qū)域新鮮空氣充足供給的同時，最大程度地減少通風(fēng)電耗。

Ventsim系統(tǒng)及其通風(fēng)監(jiān)控站安裝后，所有通風(fēng)設(shè)備可實現(xiàn)自動化控制，可向井下各區(qū)域供應(yīng)充足的新鮮空氣，為所有井下人員創(chuàng)造舒適的作業(yè)環(huán)境。礦井通風(fēng)控制系統(tǒng)可以顯著提升礦井的生產(chǎn)率和安全性，實現(xiàn)礦井可持續(xù)開采。

在實施了按需通風(fēng)(VOD)之后，風(fēng)量根據(jù)實際生產(chǎn)的需要配風(fēng)，所需風(fēng)量有大幅的下降，每月所需風(fēng)量的變化見圖3，平均風(fēng)量下降23%。

圖4 實施按需通風(fēng)后主要指標(biāo)節(jié)省百分比示意圖

通過計算，實施按需通風(fēng)后，該礦2015年節(jié)約的通風(fēng)費用達到411萬美元，這還不包括產(chǎn)能提升方面的收益。由此可見，按需通風(fēng)系統(tǒng)帶來的收益是非?？捎^的。

□5 煤礦實現(xiàn)按需通風(fēng)的關(guān)鍵設(shè)備---主通風(fēng)機

煤礦主通風(fēng)機是確保井下通風(fēng)的重要設(shè)備，風(fēng)機的可靠運行不僅關(guān)系到煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效益，而且對礦企的安全生產(chǎn)至關(guān)重要，與此同時，主通風(fēng)機也是煤礦實現(xiàn)按需通風(fēng)的關(guān)鍵設(shè)備。主通風(fēng)機一般安裝在回風(fēng)巷道的出口，位于地面上，其作用是把礦井下面的氣體抽出來，而新鮮空氣通過主井進入到礦井下面，達到空氣循環(huán)的目的。

目前，國內(nèi)主通風(fēng)機基本上都采用軸流風(fēng)機，主要有對旋風(fēng)機和動葉可調(diào)軸流風(fēng)機兩種型式，對旋風(fēng)機的市場占有率非常高，但對旋風(fēng)機的實際效率低，自動化程度低⁵，制約著礦井按需通風(fēng)的應(yīng)用和國家智慧礦山的建設(shè)。

動葉可調(diào)軸流風(fēng)機采用先進的三元流設(shè)計，是國外八十年代早期研發(fā)出來的高效風(fēng)機，其葉片采用高性能的翼型設(shè)計，風(fēng)機的性能范圍寬廣，從本世紀(jì)初期就已經(jīng)成功應(yīng)用于礦業(yè)主通風(fēng)機市場，將近二十年的運行情況表明該類產(chǎn)品在礦上的應(yīng)用很成功。

煤礦主通風(fēng)機一般有三種調(diào)節(jié)方式，停機逐片調(diào)節(jié)、停機一次可調(diào)、動葉可調(diào)，其中動葉可調(diào)方式是通過液壓缸自動調(diào)節(jié)葉片角度來實現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)機負荷的，調(diào)節(jié)快速平穩(wěn)，自動化程度很高，動葉可調(diào)軸流風(fēng)機是目前世界上技術(shù)最先進的風(fēng)機產(chǎn)品。

實踐表明，動葉可調(diào)軸流風(fēng)機的實際運行效率高⁵，與按需通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合在一起，更能達到節(jié)能降耗的目的。最主要的是，動葉可調(diào)軸流風(fēng)機的高效區(qū)寬廣，即使風(fēng)機在低負荷運行的時候，風(fēng)機依然能有相對較高的效率，圖5 是動葉可調(diào)軸流風(fēng)機與常用的對旋風(fēng)機的性能對比，圖中藍色的區(qū)域是效率高于80%的區(qū)域，可以看出，動葉可調(diào)軸流風(fēng)機的高效區(qū)范圍遠大于對旋風(fēng)機。

圖5 動葉可調(diào)軸流風(fēng)機與對旋風(fēng)機的性能對比圖

動葉可調(diào)軸流風(fēng)機在啟動的時候，葉片是全關(guān)閉的，風(fēng)機可以直接啟動，啟動電流小，對電網(wǎng)的沖擊很小，所以動葉可調(diào)軸流風(fēng)機完全沒有必要配套變頻器，也降低了為變頻器而設(shè)的恒溫恒濕電控間的投資，同時也消除了由于變頻器故障而導(dǎo)致的停機事故，大大提高了主通風(fēng)機的可靠性和煤礦的安全性。另外，也要正確評估變頻器帶來的節(jié)能效益，在計算節(jié)能效益的時候，要考慮變頻器自身的效率損失，一般約為5%。

動葉可調(diào)軸流風(fēng)機由于調(diào)節(jié)方便，而且調(diào)節(jié)響應(yīng)快、調(diào)節(jié)精度高、對井下阻力變化適應(yīng)性強，為實現(xiàn)智慧礦山建設(shè)提供了強有力的保障，該類風(fēng)機配有剎車裝置，采用反轉(zhuǎn)反風(fēng)，10分鐘內(nèi)可實現(xiàn)一鍵反風(fēng)，反風(fēng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。動葉可調(diào)軸流風(fēng)機結(jié)構(gòu)緊湊，風(fēng)道設(shè)計簡單，簡化了反風(fēng)的操作程序。

另外，動葉可調(diào)軸流風(fēng)機倒機非常簡單，可以實現(xiàn)完全不停風(fēng)的“一鍵倒機”，大大提高了倒機的可靠性和縮短倒機的時間，是智慧礦山通風(fēng)的最佳選擇。

目前國內(nèi)市場上有數(shù)百臺動葉可調(diào)軸流風(fēng)機在運行，實際運行情況表明該類設(shè)備運行平穩(wěn)可靠，維護保養(yǎng)周期長，降低了維護費用，與其他煤礦風(fēng)機產(chǎn)品相比，在市場上處于技術(shù)領(lǐng)先水平⁶。

□6 結(jié)束語

通過前面的論述，礦井按需通風(fēng)系統(tǒng)能給礦業(yè)帶來很可觀的收益，符合國家關(guān)于智慧礦山建設(shè)的政策導(dǎo)向。但目前我國還處于智慧礦山建設(shè)的初級階段，大多數(shù)企業(yè)仍處于摸索階段，對智慧礦山建設(shè)的概念理解不清晰，智慧礦山建設(shè)的技術(shù)不成熟，智慧礦山的建設(shè)細節(jié)做的不到位⁷，要實現(xiàn)國家號召的綠色、高效的智慧礦山還有很長的路要走。

國外在實現(xiàn)智能化通風(fēng)方面走在歷史的前沿，有很成功的技術(shù)和經(jīng)驗，比如文中提到的Ventsim按需通風(fēng)控制技術(shù)，非常值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。國內(nèi)的礦企應(yīng)該借助于這些先進的技術(shù)平臺，與國外經(jīng)驗豐富的公司加強合作，結(jié)合自己的特點和需求，開發(fā)一條適合自己的智能通風(fēng)的解決辦法，真正實現(xiàn)井下的按需通風(fēng)，降低能耗，實現(xiàn)通風(fēng)的智能化。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，在工業(yè)4.0、云計算、人工智能等技術(shù)的支撐下，借助于目前最先進技術(shù)的動葉可調(diào)軸流風(fēng)機，智慧礦山的建設(shè)會加速發(fā)展。

“科技、人才、創(chuàng)新”是智慧礦山建設(shè)的核心，礦業(yè)經(jīng)營者需要轉(zhuǎn)變觀念，接受新的技術(shù)，這才是實現(xiàn)礦井按需通風(fēng)和實現(xiàn)智慧礦山建設(shè)的關(guān)鍵。降低成本，提高效率，綠色發(fā)展是企業(yè)立足的永恒的根本。