＊孫嘉梅

（山西安標檢驗認證有限公司 山西 030031）

當前應用的礦井通風三維仿真軟件多注重風網解算以及三維仿真設計工作，針對通風環(huán)境數據監(jiān)測的系統(tǒng)尚未完善。基于此，為了有效完善礦井通風三維可視化仿真軟件，全面提升礦井生產的安全性，可以積極開發(fā)礦井通風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，利用礦井通風三維仿真輔助決策系統(tǒng)能夠實時傳輸井下的環(huán)境參數，并對異常情況進行監(jiān)督，這是傳統(tǒng)礦井通風三維仿真軟件無法比擬的優(yōu)勢。此外，礦井通風三維仿真輔助決策系統(tǒng)也能夠對風量、風速等數據進行收集整理，并與系統(tǒng)中的巷道參數相結合，實現針對性的仿真以及解算，真正掌握井下的通風數據，有利于促進企業(yè)安全生產，全面提升其管理水平。

1.礦井通風系統(tǒng)分析

礦井通風系統(tǒng)是一個復雜多變的立體結構，主要由通風動力、網絡以及控制設施幾部分構成，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，礦井通風系統(tǒng)也能夠對有害物質進行稀釋，并將生產過程中產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。礦井通風系統(tǒng)中的風量以及風阻值會隨著開采深度的增加而出現變動，這就增加了開采的不確定性，因此，為了保證礦井通風參數值始終保持在一定的范圍內，就需要建立礦井通風管理模式，利用科學有效的管理辦法控制礦井通風系統(tǒng)的參數，確保其運行正常。

在礦井通風系統(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，同時利用礦井通風三維仿真輔助決策系統(tǒng)實施閉環(huán)管理，提升礦井生產的安全性以及可靠性，具體管理模式見圖1。

圖1 通風系統(tǒng)管理模式

2.礦井通風三維仿真輔助決策系統(tǒng)

(1)礦井通風三維仿真輔助決策系統(tǒng)介紹

礦井通風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、計算機圖形學以及計算機通信技術、GDI+等技術相結合，同時充分融合我國礦井通風系統(tǒng)以及相關理論，設計并研發(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系統(tǒng)的實際工作情況，在三維仿真輔助決策系統(tǒng)的設定上，操作者對通風系統(tǒng)圖進行了大量的刪減，并將風機以及巷道等加入到系統(tǒng)中。同時，也加入了通風構筑物，從而對風阻進行全面調節(jié)。此外，此系統(tǒng)實現了實時監(jiān)測井下作業(yè)環(huán)境參數的要求，在充分收集通風參數、井巷參數、風流方向等數據信息后，開始對實時狀況進行動態(tài)模擬，利用仿真解算功能真正完成了礦井通風三維仿真輔助支持工作。

(2)礦井通風三維仿真輔助決策系統(tǒng)開發(fā)理念

礦井通風三維仿真輔助決策系統(tǒng)在設計時，主要使用模塊化的設計理念，并結合不同礦山的實際情況進行針對性的設計。在實地考察后，將所獲得的關鍵數據統(tǒng)一整理錄入到此系統(tǒng)中，從而獲得相關參數，對參數進行管理，將數據與數據之間建立有效的關聯(lián)。最后，借助通風參數以及井巷參數，開展實時風網解算，能夠有效提升其解算的整體效率[1]。

(3)礦井通風三維仿真輔助決策系統(tǒng)系統(tǒng)結構

為了促使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定且高效，需要對系統(tǒng)結構進行合理的開發(fā)以及設計。礦井通風三維仿真輔助決策系統(tǒng)設計上主要劃分為管理、應用以及數據庫三個模塊，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)礦井通風三維仿真輔助決策系統(tǒng)功能設計

①環(huán)境監(jiān)測模塊設計。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行監(jiān)測，在此環(huán)節(jié)中，可以選擇安裝通風參數監(jiān)測傳感器，從而對井內溫度、風壓以及風速等參數進行監(jiān)測，并將所獲得的參數借助PLC控制柜以及光纖收發(fā)器傳輸到對應的數據庫中，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)境以及相關數據進行查看。該系統(tǒng)的監(jiān)測界面中包含報警功能，當系統(tǒng)監(jiān)測到相關數值超過正常值時，系統(tǒng)就會做出預警，方便管理人員及時進行處理[2]。此外，該系統(tǒng)中還設有歷史數據查詢的功能，管理人員能夠通過查看歷史數據分析以往的作業(yè)情況，從而對井下作業(yè)有全面了解，在遇到事故時，也能夠從容做出應對。

②重點管理通風系統(tǒng)參數。在監(jiān)測到通風系統(tǒng)相關參數后，系統(tǒng)會自動對相關參數進行后續(xù)的加工處理，最后建立節(jié)點編號，同時，在對應的巷道上鏈接相關的參數、風量以及通風構筑物、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屬性，既方便又快捷[3]。

③實時解算風網。在系統(tǒng)中錄入相關參數后，需要對通風系統(tǒng)圖進行全面監(jiān)測，核實無誤后，就需要針對礦井通風系統(tǒng)開展風網解算。在解算過程中，需要采用回路風量法進行解算，同時，也可以采用節(jié)點風壓法進行解算[4]。礦井通風三維仿真輔助決策系統(tǒng)中主要利用回路風量法中的Scott-Hinsley法進行解算，首先，需要將圖論作為基礎，根據最小數對余數進行確認，而后選擇合適的回路，最后需要計算出風量迭代，確保解算結果能夠與精度要求相符。解算完畢后，需要建立環(huán)境監(jiān)測與通風系統(tǒng)圖兩個數據庫之間的聯(lián)系，并將最后所獲參數傳輸到通風系統(tǒng)圖中，完成實時解算的任務。

④三維仿真設計。傳統(tǒng)的通風系統(tǒng)圖只能夠實現二維效果，管理者無法觀看到相關的立體效果，更新為三維仿真系統(tǒng)后，其能夠與礦井通風系統(tǒng)中的數據相聯(lián)系，建立三維模型，從而將風流方向以立體形式展示出現，并能夠顯示出風流的速度以及大小，方便了管理者查看。

⑤輔助決策系統(tǒng)設計。輔助決策系統(tǒng)設計上，需要實時解算環(huán)境監(jiān)測以及風網系統(tǒng)，解算完畢后，礦井通風三維仿真輔助決策系統(tǒng)變能夠直接顯示出風機工況、通風阻力以及風流等情況，并作出針對性的分析，利用風機、風門等，對礦井通風系統(tǒng)進行模擬，最后得出設計方案，確保通風系統(tǒng)達到最優(yōu)化，為系統(tǒng)監(jiān)測提供輔助決策的依據[5]。

3.案例分析

(1)礦山基本情況

以山西某礦山為例，其生產能力為每天1000t，現已知鉛加鋅金屬量達到1Mt。該礦山主要以脈狀分布，采用分層充填采礦法進行礦金屬開采。為了保證礦井下通風安全，該礦山采用兩翼對角抽出方式進行通風處理，但是井下調風相關設備較少。該礦井西風井中：風機的工作風量為2750m3/min，工作風壓為1361.28Pa，通風機為350kW的功率。東風井中，風機的工作風量為725m3/min，工作風壓為233Pa，通風機為250kW功率?，F主要以東翼為開采重點，因西風井中的風機功率更大，如果一直開啟西風井，則會直接影響東翼的風量。基于此，在開采東翼區(qū)域時，暫停西風井風機的使用，確保東翼能夠正常開采，但這也會直接導致井下風量較小，巷道中有循環(huán)風出現，使井下作業(yè)安全受到威脅，同時，因風量較小，導致新鮮風無法流通，資源出現浪費[6]。

圖3 自由風流采場

(2)系統(tǒng)建設

為了對井下作業(yè)進行監(jiān)測，需要及時建立三維可視化系統(tǒng)。在此過程中，第一步，需要對井下的風阻力值進行監(jiān)測，其中需要詳細記錄分支風量、監(jiān)測時間、標高、斷面的尺寸以及形狀、壓力等數據。第二步，需要對所監(jiān)測的數據進行處理。第三步，利用數據參數建立通風系統(tǒng)三維可視化仿真模型。在獲得二維通風系統(tǒng)圖后，需要將其轉化為dxf格式，并將其直接與通風阻力數據導入到可視化仿真系統(tǒng)中。建立通風構筑物后，便能夠建立三維立體通風系統(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)測相關數據，需要將傳感器安裝到井下對應位置，便于分站控制柜接收信號。接收到相關信息后，分站控制柜需要利用PLC編程轉化電流信號，最后將數據結果上傳到公司局域網以及工控機中，方便監(jiān)測人員查看。第五步，輔助決策系統(tǒng)建立過程中，需要解算出通風網絡數據以及環(huán)境監(jiān)測數據，重點分析風流、通風能力以及阻力后，建立并完善輔助決策系統(tǒng)。

(3)系統(tǒng)測試結果及改進方案

通過礦井通風三維仿真輔助決策系統(tǒng)所得數據分析顯示，該礦山在礦井作業(yè)中，風量較小，上部以及中段位置出現嚴重的漏風現象，一些巷道仍未關閉，風量損失嚴重。因此，需要積極擴大斷面，封閉多余的采場以及巷道，同時，增加風機，調節(jié)風量，確保通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

礦井監(jiān)測中，雖然礦井通風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據實時解算，但是，在實際應用中，要求對安裝的傳感器數量以及安裝的實際位置進行規(guī)范，從而將礦井通風系統(tǒng)結構全面顯示出來，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，還需要在實際應用中，充分了解并結合實際生產需求進行改進，從而更好地輔助礦井施工。

4.未來發(fā)展展望

基于網絡參數信息分析可知，借助環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能夠將通風網絡數據進行實時解算，解算數據再通過計算機輸出到Excel中，借助表格查看，能夠極大地提高管理人員的工作效率，通風網絡信息也會更為可靠。同時，在未來的發(fā)展中，礦井通風三維仿真輔助決策系統(tǒng)也能夠對井下通風系統(tǒng)進行改造，并對其進行全面優(yōu)化，確保優(yōu)化的經濟性，避免在優(yōu)化過程中有資源浪費的現象出現，從而促使礦井通風管理的綜合水平得到全面提升，企業(yè)經營成本也能夠得到節(jié)約。此外，礦井通風三維仿真輔助決策系統(tǒng)也能夠將與通風系統(tǒng)相關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系統(tǒng)進行觀察，借助三維圖，也能夠對通風系統(tǒng)整體結構進行全面了解，一旦某一環(huán)節(jié)出現問題，監(jiān)測管理人員便能夠第一時間發(fā)現，并作出應對。最后，礦井通風三維仿真輔助決策系統(tǒng)中環(huán)境監(jiān)測技術的融入，有利于對該系統(tǒng)進行優(yōu)化并完善，有效彌補了單個系統(tǒng)的不足，可以說，礦井通風三維仿真輔助決策系統(tǒng)不僅能夠對井下通風環(huán)境相關數據信息進行全面監(jiān)控，且能夠將所獲得的數據實時同步到通風系統(tǒng)數據庫中，完成實時解算。監(jiān)測管理人員根據解算后的結果，便能夠查看通風系統(tǒng)是否正常運行。針對于其中存在的不合理之處，也能夠及時進行改進并優(yōu)化，從而全面提升通風系統(tǒng)的合理性以及可靠性。

5.結束語

綜合上述分析可知，礦井開采中，會出現通風不良、瓦斯積聚以及風流紊亂等問題，對礦井施工人員的生命安全造成嚴重的威脅。為了更好地監(jiān)測礦井內生產狀況以及通風情況，傳統(tǒng)礦井開采中會使用通風系統(tǒng)緩解壓力。但是，隨著礦井開采深度的增加，傳統(tǒng)通風措施已經無法滿足開采需求，急需引進更為先進的技術以及系統(tǒng)，解決當前開采壓力。將礦井通風三維仿真輔助決策系統(tǒng)投入使用，能夠實時監(jiān)測各項通風參數并完成信息數據的融合，對于優(yōu)化礦井通風系統(tǒng)提供了可靠及合理的依據。同時，對礦井生產的安全性及穩(wěn)定性也起到了保障作用。如不能及時解決這一問題，則會導致礦井工作人員出現中毒癥狀。因此，為了保障礦井生產安全性，則需要對礦井通風系統(tǒng)進行合理有效設計，保證空氣流通，確保人身安全。基于此，國內外相關人員開始積極開發(fā)礦井通風三維仿真軟件，借助軟件系統(tǒng)，對通風環(huán)境相關參數進行監(jiān)測，確保能夠及時有效地發(fā)現礦井生產中的異常。此外，借助軟件系統(tǒng)，管理人員能夠及時發(fā)現礦井生產中存在的問題，對于礦井通風系統(tǒng)的管理起到了重要作用。