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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)政策的導向，智慧礦山的建設已經(jīng)開始實施。礦井通風系統(tǒng)是煤礦最重要的系統(tǒng)，本文通過分析我國煤礦通風系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出按需通風的設計理念和方案，目的是探索一條合理高效的煤礦智能通風系統(tǒng)，實現(xiàn)按需要通風，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，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、智能通風、智慧礦山、按需通風、風機、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)，建設智慧礦山¹。

礦井通風系統(tǒng)是礦井最重要的系統(tǒng)之一，煤礦要求“以風定產(chǎn)”，就可以看出煤炭開采中通風系統(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備等等。

□2 我國煤礦通風系統(tǒng)現(xiàn)狀

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

另一方面，目前，煤礦通風系統(tǒng)中通風設備的智能化水平比較低，有相當一部分仍然靠手動調(diào)節(jié)，在通風的主要設備中，主通風機的智能化率較高，達到73%，有2%的局部通風機可通過自動化控制，而對于構(gòu)筑物的調(diào)節(jié)風門，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)可視化管理的通風監(jiān)控系統(tǒng)，部分礦井采用了國際上知名的VentSim設計軟件，對通風系統(tǒng)進行模擬，并對通風系統(tǒng)進行優(yōu)化。

對于通風的核心設備主通風機，當前以對旋風機和長軸寬曲線軸流風機為主，其中對旋風機是在本世紀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%的主通風機為對旋風機。而長軸寬曲線軸流風機是從2000年開始在國內(nèi)使用，目前在市場上的應用越來越多。對旋風機的實際效率低，自動化程度低⁴，這不利于智能通風的建設。

當前煤礦企業(yè)的這種情況，導致工人的勞動量大，通風系統(tǒng)總體效率低，嚴重影響智慧礦山的建設。

□3 煤礦按需通風（VOD）的理念

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

按需通風能帶來以下的好處：

• 減少新風風機能源的浪費，僅在需要的時間和地點，開啟風機運行

• 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)相應的法規(guī)校準評估風量，大幅提升安全水準，確保生產(chǎn)人員工作于最佳環(huán)境

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

• 自動調(diào)整風量至實際需求水平，最大限度地降低風機的能耗

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

□4 按需通風應用的案例

如上所述，按需通風系統(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的案例，在這里舉一個加拿大礦井實施按需通風的成功案例，在實現(xiàn)安全、有效通風的同時降低能耗，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按需通風控制技術(shù)系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了真正意義上的按需通風。通過這套通風智能化控制系統(tǒng)，礦井能實現(xiàn)通風成本與通風網(wǎng)絡經(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，還可以進行火災和反風演習的模擬等。

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

該按需通風系統(tǒng)實施之后，該礦所有通風設備均實現(xiàn)自動化控制，這些設備主要包括：主通風機、局部通風機和增壓風機、風門和風窗。該礦共計安裝了30處通風監(jiān)測站（VMS），以監(jiān)測井下各地點處空氣的流量和質(zhì)量。通風監(jiān)測站是該按需通風系統(tǒng)的重要組成部分，每個通風監(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)絡覆蓋率為60%至70%，當?shù)V井達到設計生產(chǎn)能力后，無線網(wǎng)絡覆蓋率將達到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。

利用跟蹤定位系統(tǒng)捕捉到的實時數(shù)據(jù)，按需通風邏輯分析軟件可以解算出井下各區(qū)域的實際通風需求量；然后將計算結(jié)果反饋給井下的局部通風機，實現(xiàn)風機出力的自動調(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電耗。

Ventsim系統(tǒng)及其通風監(jiān)控站安裝后，所有通風設備可實現(xiàn)自動化控制，可向井下各區(qū)域供應充足的新鮮空氣，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(VOD)之后，風量根據(jù)實際生產(chǎn)的需要配風，所需風量有大幅的下降，每月所需風量的變化見圖3，平均風量下降23%。

圖4 實施按需通風后主要指標節(jié)省百分比示意圖

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

□5 煤礦實現(xiàn)按需通風的關(guān)鍵設備---主通風機

煤礦主通風機是確保井下通風的重要設備，風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，主通風機也是煤礦實現(xiàn)按需通風的關(guān)鍵設備。主通風機一般安裝在回風巷道的出口，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)主通風機基本上都采用軸流風機，主要有對旋風機和動葉可調(diào)軸流風機兩種型式，對旋風機的市場占有率非常高，但對旋風機的實際效率低，自動化程度低⁵，制約著礦井按需通風的應用和國家智慧礦山的建設。

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

煤礦主通風機一般有三種調(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)軸流風機是目前世界上技術(shù)最先進的風機產(chǎn)品。

實踐表明，動葉可調(diào)軸流風機的實際運行效率高⁵，與按需通風系統(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)軸流風機的高效區(qū)寬廣，即使風機在低負荷運行的時候，風機依然能有相對較高的效率，圖5 是動葉可調(diào)軸流風機與常用的對旋風機的性能對比，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)軸流風機的高效區(qū)范圍遠大于對旋風機。

圖5 動葉可調(diào)軸流風機與對旋風機的性能對比圖

動葉可調(diào)軸流風機在啟動的時候，葉片是全關(guān)閉的，風機可以直接啟動，啟動電流小，對電網(wǎng)的沖擊很小，所以動葉可調(diào)軸流風機完全沒有必要配套變頻器，也降低了為變頻器而設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致的停機事故，大大提高了主通風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)軸流風機由于調(diào)節(jié)方便，而且調(diào)節(jié)響應快、調(diào)節(jié)精度高、對井下阻力變化適應性強，為實現(xiàn)智慧礦山建設提供了強有力的保障，該類風機配有剎車裝置，采用反轉(zhuǎn)反風，10分鐘內(nèi)可實現(xiàn)一鍵反風，反風滿足國家標準的要求。動葉可調(diào)軸流風機結(jié)構(gòu)緊湊，風道設計簡單，簡化了反風的操作程序。

另外，動葉可調(diào)軸流風機倒機非常簡單，可以實現(xiàn)完全不停風的“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)軸流風機在運行，實際運行情況表明該類設備運行平穩(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)于智慧礦山建設的政策導向。但目前我國還處于智慧礦山建設的初級階段，大多數(shù)企業(yè)仍處于摸索階段，對智慧礦山建設的概念理解不清晰，智慧礦山建設的技術(shù)不成熟，智慧礦山的建設細節(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按需通風控制技術(shù)，非常值得我們學習和借鑒。國內(nèi)的礦企應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的解決辦法，真正實現(xiàn)井下的按需通風，降低能耗，實現(xiàn)通風的智能化。

隨著科學技術(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)軸流風機，智慧礦山的建設會加速發(fā)展。

“科技、人才、創(chuàng)新”是智慧礦山建設的核心，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)礦井按需通風和實現(xiàn)智慧礦山建設的關(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。