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摘要：目前，智慧礦山是我國煤礦行業(yè)的熱點(diǎn)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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)按需要通風(fēng)，為煤礦企業(yè)降低成本，節(jié)省費(fèi)用，提高工人的安全，助力智慧礦山的建設(shè)，為國家早日實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)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(jī)、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(jìn)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(dòng)計(jì)劃（2016-2030年）》提出，到2030年，重點(diǎn)煤礦基本實(shí)現(xiàn)無人化，全面建成綠色、高效智能礦山體系，實(shí)現(xiàn)煤炭安全綠色、高效智能生產(chǎn)；2017年我國出臺(tái)的《安全生產(chǎn)“十三五“規(guī)劃》中強(qiáng)調(diào)，建設(shè)大中型煤礦機(jī)械化、自動(dòng)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(jì)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(jìn)步如何在煤礦的日常運(yùn)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(jì)組織或行業(yè)不受數(shù)字化進(jìn)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(dòng)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(shí)運(yùn)行、機(jī)器人裝載機(jī),、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(duì)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(huì)造成風(fēng)量不均而且穩(wěn)定性差，不僅耗費(fèi)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(jì)，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(duì)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(dòng)調(diào)節(jié)，在通風(fēng)的主要設(shè)備中，主通風(fēng)機(jī)的智能化率較高，達(dá)到73%，有2%的局部通風(fēng)機(jī)可通過自動(dòng)化控制，而對(duì)于構(gòu)筑物的調(diào)節(jié)風(fēng)門，自動(dòng)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(jì)軟件，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，并對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

對(duì)于通風(fēng)的核心設(shè)備主通風(fēng)機(jī)，當(dāng)前以對(duì)旋風(fēng)機(jī)和長軸寬曲線軸流風(fēng)機(jī)為主，其中對(duì)旋風(fēng)機(jī)是在本世紀(jì)初期替代早期老舊型號(hào)而逐步在市場上使用的，目前在市場上臺(tái)數(shù)占絕對(duì)多數(shù)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前80%的主通風(fēng)機(jī)為對(duì)旋風(fēng)機(jī)。而長軸寬曲線軸流風(fēng)機(jī)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(duì)旋風(fēng)機(jī)的實(shí)際效率低，自動(dòng)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(dòng)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(gè)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(fù)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(gè)根據(jù)井下生產(chǎn)情況來自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量從而實(shí)現(xiàn)按需求自動(dòng)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(jī)能源的浪費(fèi)，僅在需要的時(shí)間和地點(diǎn)，開啟風(fēng)機(jī)運(yùn)行

• 更加快速地抽取有害氣體，大幅降低停產(chǎn)時(shí)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(píng)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(shí)際需求實(shí)時(shí)計(jì)算并調(diào)整風(fēng)量，從而減少新風(fēng)的浪費(fèi)

• 自動(dòng)調(diào)整風(fēng)量至實(shí)際需求水平，最大限度地降低風(fēng)機(jī)的能耗

• 可以實(shí)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(shí)施按需通風(fēng)的案例，在這里舉一個(gè)加拿大礦井實(shí)施按需通風(fēng)的成功案例，在實(shí)現(xiàn)安全、有效通風(fēng)的同時(shí)降低能耗，節(jié)省礦井運(yùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)通風(fēng)成本與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化和分析，可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測瓦斯、一氧化碳、熱力、污染物，還可以進(jìn)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(tái)并聯(lián)的抽出式軸流風(fēng)機(jī)承擔(dān)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)的額定功率為1471 kW。同時(shí)，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(tái)并聯(lián)的壓入式軸流風(fēng)機(jī)承擔(dān)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)的額定功率為552kW，此外，該礦還配備了140多臺(tái)局部通風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)，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(shí)施之后，該礦所有通風(fēng)設(shè)備均實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，這些設(shè)備主要包括：主通風(fēng)機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)、風(fēng)門和風(fēng)窗。該礦共計(jì)安裝了30處通風(fēng)監(jiān)測站（VMS），以監(jiān)測井下各地點(diǎn)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(gè)通風(fēng)監(jiān)測站配置一臺(tái)流量傳感器和三臺(tái)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(shí)時(shí)獲取井下作業(yè)車輛和工作人員信息。該礦的144臺(tái)作業(yè)車輛均配備無線射頻識(shí)別卡，以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地顯示這些車輛的井下位置以及車輛引擎的運(yùn)行情況。每一名井下工作人員也配備了唯一的無線射頻識(shí)別卡，該識(shí)別卡可將信息傳輸至礦內(nèi)254個(gè)數(shù)據(jù)信息接入點(diǎn)中的其中一點(diǎn)，以進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

這些接入點(diǎn)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(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力后，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋率將達(dá)到100%。借助無線射頻識(shí)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(qiáng)井下車輛和人員的管理和調(diào)度，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)礦井的按需通風(fēng)。

利用跟蹤定位系統(tǒng)捕捉到的實(shí)時(shí)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(shí)際通風(fēng)需求量；然后將計(jì)算結(jié)果反饋給井下的局部通風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)出力的自動(dòng)調(diào)整，在實(shí)現(xiàn)井下各區(qū)域新鮮空氣充足供給的同時(shí)，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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)礦井可持續(xù)開采。

在實(shí)施了按需通風(fēng)(VOD)之后，風(fēng)量根據(jù)實(shí)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(shí)施按需通風(fēng)后主要指標(biāo)節(jié)省百分比示意圖

通過計(jì)算，實(shí)施按需通風(fēng)后，該礦2015年節(jié)約的通風(fēng)費(fèi)用達(dá)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)帶來的收益是非常可觀的。

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

煤礦主通風(fēng)機(jī)是確保井下通風(fēng)的重要設(shè)備，風(fēng)機(jī)的可靠運(yùn)行不僅關(guān)系到煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效益，而且對(duì)礦企的安全生產(chǎn)至關(guān)重要，與此同時(shí)，主通風(fēng)機(jī)也是煤礦實(shí)現(xiàn)按需通風(fēng)的關(guān)鍵設(shè)備。主通風(fēng)機(jī)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(jìn)入到礦井下面，達(dá)到空氣循環(huán)的目的。

目前，國內(nèi)主通風(fēng)機(jī)基本上都采用軸流風(fēng)機(jī)，主要有對(duì)旋風(fēng)機(jī)和動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)兩種型式，對(duì)旋風(fēng)機(jī)的市場占有率非常高，但對(duì)旋風(fēng)機(jī)的實(shí)際效率低，自動(dòng)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(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)采用先進(jìn)的三元流設(shè)計(jì)，是國外八十年代早期研發(fā)出來的高效風(fēng)機(jī)，其葉片采用高性能的翼型設(shè)計(jì)，風(fēng)機(jī)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(jī)市場，將近二十年的運(yùn)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(jī)一般有三種調(diào)節(jié)方式，停機(jī)逐片調(diào)節(jié)、停機(jī)一次可調(diào)、動(dòng)葉可調(diào)，其中動(dòng)葉可調(diào)方式是通過液壓缸自動(dòng)調(diào)節(jié)葉片角度來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)負(fù)荷的，調(diào)節(jié)快速平穩(wěn)，自動(dòng)化程度很高，動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)是目前世界上技術(shù)最先進(jìn)的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品。

實(shí)踐表明，動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行效率高⁵，與按需通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合在一起，更能達(dá)到節(jié)能降耗的目的。最主要的是，動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的高效區(qū)寬廣，即使風(fēng)機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)候，風(fēng)機(jī)依然能有相對(duì)較高的效率，圖5 是動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)與常用的對(duì)旋風(fēng)機(jī)的性能對(duì)比，圖中藍(lán)色的區(qū)域是效率高于80%的區(qū)域，可以看出，動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的高效區(qū)范圍遠(yuǎn)大于對(duì)旋風(fēng)機(jī)。

圖5 動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)與對(duì)旋風(fēng)機(jī)的性能對(duì)比圖

動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)在啟動(dòng)的時(shí)候，葉片是全關(guān)閉的，風(fēng)機(jī)可以直接啟動(dòng)，啟動(dòng)電流小，對(duì)電網(wǎng)的沖擊很小，所以動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)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(shí)也消除了由于變頻器故障而導(dǎo)致的停機(jī)事故，大大提高了主通風(fēng)機(jī)的可靠性和煤礦的安全性。另外，也要正確評(píng)估變頻器帶來的節(jié)能效益，在計(jì)算節(jié)能效益的時(shí)候，要考慮變頻器自身的效率損失，一般約為5%。

動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)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(duì)井下阻力變化適應(yīng)性強(qiáng)，為實(shí)現(xiàn)智慧礦山建設(shè)提供了強(qiáng)有力的保障，該類風(fēng)機(jī)配有剎車裝置，采用反轉(zhuǎn)反風(fēng)，10分鐘內(nèi)可實(shí)現(xiàn)一鍵反風(fēng)，反風(fēng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，風(fēng)道設(shè)計(jì)簡單，簡化了反風(fēng)的操作程序。

另外，動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)倒機(jī)非常簡單，可以實(shí)現(xiàn)完全不停風(fēng)的“一鍵倒機(jī)”，大大提高了倒機(jī)的可靠性和縮短倒機(jī)的時(shí)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(tái)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)在運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行情況表明該類設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)可靠，維護(hù)保養(yǎng)周期長，降低了維護(hù)費(fèi)用，與其他煤礦風(fēng)機(jī)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(jí)階段，大多數(shù)企業(yè)仍處于摸索階段，對(duì)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(xì)節(jié)做的不到位⁷，要實(shí)現(xiàn)國家號(hào)召的綠色、高效的智慧礦山還有很長的路要走。

國外在實(shí)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(yàn)，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(jìn)的技術(shù)平臺(tái)，與國外經(jīng)驗(yàn)豐富的公司加強(qiáng)合作，結(jié)合自己的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)井下的按需通風(fēng)，降低能耗，實(shí)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(jìn)步，在工業(yè)4.0、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)的支撐下，借助于目前最先進(jìn)技術(shù)的動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，智慧礦山的建設(shè)會(huì)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(shí)現(xiàn)礦井按需通風(fēng)和實(shí)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。