摘要：目前，智慧矿山是我国煤矿行业的热点话题，按照国家相关政策的导向，智慧矿山的建设已经开始实施。矿井通风系统是煤矿最重要的系统，本文通过分析我国煤矿通风系统的现状，提出按需通风的设计理念和方案，目的是探索一条合理高效的煤矿智能通风系统，实现按需要通风，为煤矿企业降低成本，节省费用，提高工人的安全，助力智慧矿山的建设，为国家早日实现工业自动化添砖加瓦。

关键词：煤矿通风、智能通风、智慧矿山、按需通风、风机、节能

□1 前言

2016年，国土资源部、国家发改委等6部委正式发布了《全国矿产规划（2016-2020年）》，明确提出了5年内要大力推进矿业领域科技创新；同年，国家发改委、国家能源局发布《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》提出，到2030年，重点煤矿基本实现无人化，全面建成绿色、高效智能矿山体系，实现煤炭安全绿色、高效智能生产；2017年我国出台的《安全生产“十三五“规划》中强调，建设大中型煤矿机械化、自动化、信息化和智能化融合等示范企业，建设智慧矿山¹。

矿井通风系统是矿井最重要的系统之一，煤矿要求“以风定产”，就可以看出煤炭开采中通风系统的重要性。目前，全球经济处于第四次工业革命边缘之际，采矿业正在面临数字化的进步如何在煤矿的日常运营，特别是通风中发挥作用。在全球范围内，没有任何国家、经济组织或行业不受数字化进步的影响。近年来，我们已经看到矿业公司如何利用数字自动化的令人印象深刻的事例，比如无人驾驶的卡车可全天 24 小时运行、机器人装载机,、WiFi 的安装可以跟踪人员和设备等等。

□2 我国煤矿通风系统现状

目前，对于我国大部分煤矿，通风系统的参数是通过监测风道风速、瓦斯浓度和粉尘浓度等指标，然后根据这些指标由人工操作来调节通风参数的²，人工调节和监测会造成风量不均而且稳定性差，不仅耗费了大量的人力物力，而且通风系统的效率低并导致耗能高，属于典型的粗放经营管理，据不完全统计，煤矿通风用电量占采矿用电量的40%左右，较低的通风效率对矿企的利润的影响还是很大的。

另一方面，目前，煤矿通风系统中通风设备的智能化水平比较低，有相当一部分仍然靠手动调节，在通风的主要设备中，主通风机的智能化率较高，达到73%，有2%的局部通风机可通过自动化控制，而对于构筑物的调节风门，自动化控制的比率也只有5%左右³。

国内绝大部分煤矿没有一套能够实现可视化管理的通风监控系统，部分矿井采用了国际上知名的VentSim设计软件，对通风系统进行模拟，并对通风系统进行优化。

对于通风的核心设备主通风机，当前以对旋风机和长轴宽曲线轴流风机为主，其中对旋风机是在本世纪初期替代早期老旧型号而逐步在市场上使用的，目前在市场上台数占绝对多数，据不完全统计，目前80%的主通风机为对旋风机。而长轴宽曲线轴流风机是从2000年开始在国内使用，目前在市场上的应用越来越多。对旋风机的实际效率低，自动化程度低⁴，这不利于智能通风的建设。

当前煤矿企业的这种情况，导致工人的劳动量大，通风系统总体效率低，严重影响智慧矿山的建设。

□3 煤矿按需通风（VOD）的理念

每个煤矿都面临着生产过程中风量受到影响而变化的问题，包括采矿方法、设备和人员、气候条件、污染物和热负荷、法律法规以及风量的要求等。按需通风 （VOD） 系统，是一个根据井下生产情况来自动调节风量从而实现按需求自动化通风的系统，它的原理示意图如图1：

按需通风能带来以下的好处：

• 减少新风风机能源的浪费，仅在需要的时间和地点，开启风机运行

• 更加快速地抽取有害气体，大幅降低停产时间，以便有效地组织生产和提升能

• 根据相应的法规校准评估风量，大幅提升安全水准，确保生产人员工作于最佳环境

• 根据人员及设备的实际需求实时计算并调整风量，从而减少新风的浪费

• 自动调整风量至实际需求水平，最大限度地降低风机的能耗

• 可以实现井下通风可视化管理，不同巷道的通风参数一目了然，尽在掌握

□4 按需通风应用的案例

如上所述，按需通风系统能给煤矿带来可观的收益，目前国外已经有很多成功实施按需通风的案例，在这里举一个加拿大矿井实施按需通风的成功案例，在实现安全、有效通风的同时降低能耗，节省矿井运营成本。

2014年，加拿大Goldcorp矿业，引入全新的豪顿Ventsim按需通风控制技术系统，成功实现了真正意义上的按需通风。通过这套通风智能化控制系统，矿井能实现通风成本与通风网络经济性优化和分析，可以动态监测瓦斯、一氧化碳、热力、污染物，还可以进行火灾和反风演习的模拟等。

该矿所需的新鲜空气量超过425 m³/s，目前该矿的通风任务主要由两台并联的抽出式轴流风机承担，每台风机的额定功率为1471 kW。同时，该矿还有一座用于勘探作业的勘探井，该勘探井的通风任务主要由两台并联的压入式轴流风机承担，每台风机的额定功率为552kW，此外，该矿还配备了140多台局部通风机和增压风机，协同风门风窗以及丙烷加热系统一起执行矿井通风任务。

该按需通风系统实施之后，该矿所有通风设备均实现自动化控制，这些设备主要包括：主通风机、局部通风机和增压风机、风门和风窗。该矿共计安装了30处通风监测站（VMS），以监测井下各地点处空气的流量和质量。通风监测站是该按需通风系统的重要组成部分，每个通风监测站配置一台流量传感器和三台气体传感器，以监测CO、NO和C₃H₈的浓度。

该通风控制系统接入了矿井原有的矿山全范围追踪定位系统，用于实时获取井下作业车辆和工作人员信息。该矿的144台作业车辆均配备无线射频识别卡，以实时、准确地显示这些车辆的井下位置以及车辆引擎的运行情况。每一名井下工作人员也配备了唯一的无线射频识别卡，该识别卡可将信息传输至矿内254个数据信息接入点中的其中一点，以进行后续的数据分析。

这些接入点通过混合光纤网络将追踪定位信息传输至地面的控制室。目前该矿的无线网络覆盖率为60%至70%，当矿井达到设计生产能力后，无线网络覆盖率将达到100%。借助无线射频识别卡反馈的数据，井下车辆和人员的安全保障显著提升，矿方也更易于加强井下车辆和人员的管理和调度，同时可以实现矿井的按需通风。

利用跟踪定位系统捕捉到的实时数据，按需通风逻辑分析软件可以解算出井下各区域的实际通风需求量；然后将计算结果反馈给井下的局部通风机，实现风机出力的自动调整，在实现井下各区域新鲜空气充足供给的同时，最大程度地减少通风电耗。

Ventsim系统及其通风监控站安装后，所有通风设备可实现自动化控制，可向井下各区域供应充足的新鲜空气，为所有井下人员创造舒适的作业环境。矿井通风控制系统可以显著提升矿井的生产率和安全性，实现矿井可持续开采。

在实施了按需通风(VOD)之后，风量根据实际生产的需要配风，所需风量有大幅的下降，每月所需风量的变化见图3，平均风量下降23%。

图4 实施按需通风后主要指标节省百分比示意图

通过计算，实施按需通风后，该矿2015年节约的通风费用达到411万美元，这还不包括产能提升方面的收益。由此可见，按需通风系统带来的收益是非常可观的。

□5 煤矿实现按需通风的关键设备---主通风机

煤矿主通风机是确保井下通风的重要设备，风机的可靠运行不仅关系到煤矿企业的生产效益，而且对矿企的安全生产至关重要，与此同时，主通风机也是煤矿实现按需通风的关键设备。主通风机一般安装在回风巷道的出口，位于地面上，其作用是把矿井下面的气体抽出来，而新鲜空气通过主井进入到矿井下面，达到空气循环的目的。

目前，国内主通风机基本上都采用轴流风机，主要有对旋风机和动叶可调轴流风机两种型式，对旋风机的市场占有率非常高，但对旋风机的实际效率低，自动化程度低⁵，制约着矿井按需通风的应用和国家智慧矿山的建设。

动叶可调轴流风机采用先进的三元流设计，是国外八十年代早期研发出来的高效风机，其叶片采用高性能的翼型设计，风机的性能范围宽广，从本世纪初期就已经成功应用于矿业主通风机市场，将近二十年的运行情况表明该类产品在矿上的应用很成功。

煤矿主通风机一般有三种调节方式，停机逐片调节、停机一次可调、动叶可调，其中动叶可调方式是通过液压缸自动调节叶片角度来实现调节风机负荷的，调节快速平稳，自动化程度很高，动叶可调轴流风机是目前世界上技术最先进的风机产品。

实践表明，动叶可调轴流风机的实际运行效率高⁵，与按需通风系统结合在一起，更能达到节能降耗的目的。最主要的是，动叶可调轴流风机的高效区宽广，即使风机在低负荷运行的时候，风机依然能有相对较高的效率，图5 是动叶可调轴流风机与常用的对旋风机的性能对比，图中蓝色的区域是效率高于80%的区域，可以看出，动叶可调轴流风机的高效区范围远大于对旋风机。

图5 动叶可调轴流风机与对旋风机的性能对比图

动叶可调轴流风机在启动的时候，叶片是全关闭的，风机可以直接启动，启动电流小，对电网的冲击很小，所以动叶可调轴流风机完全没有必要配套变频器，也降低了为变频器而设的恒温恒湿电控间的投资，同时也消除了由于变频器故障而导致的停机事故，大大提高了主通风机的可靠性和煤矿的安全性。另外，也要正确评估变频器带来的节能效益，在计算节能效益的时候，要考虑变频器自身的效率损失，一般约为5%。

动叶可调轴流风机由于调节方便，而且调节响应快、调节精度高、对井下阻力变化适应性强，为实现智慧矿山建设提供了强有力的保障，该类风机配有刹车装置，采用反转反风，10分钟内可实现一键反风，反风满足国家标准的要求。动叶可调轴流风机结构紧凑，风道设计简单，简化了反风的操作程序。

另外，动叶可调轴流风机倒机非常简单，可以实现完全不停风的“一键倒机”，大大提高了倒机的可靠性和缩短倒机的时间，是智慧矿山通风的最佳选择。

目前国内市场上有数百台动叶可调轴流风机在运行，实际运行情况表明该类设备运行平稳可靠，维护保养周期长，降低了维护费用，与其他煤矿风机产品相比，在市场上处于技术领先水平⁶。

□6 结束语

通过前面的论述，矿井按需通风系统能给矿业带来很可观的收益，符合国家关于智慧矿山建设的政策导向。但目前我国还处于智慧矿山建设的初级阶段，大多数企业仍处于摸索阶段，对智慧矿山建设的概念理解不清晰，智慧矿山建设的技术不成熟，智慧矿山的建设细节做的不到位⁷，要实现国家号召的绿色、高效的智慧矿山还有很长的路要走。

国外在实现智能化通风方面走在历史的前沿，有很成功的技术和经验，比如文中提到的Ventsim按需通风控制技术，非常值得我们学习和借鉴。国内的矿企应该借助于这些先进的技术平台，与国外经验丰富的公司加强合作，结合自己的特点和需求，开发一条适合自己的智能通风的解决办法，真正实现井下的按需通风，降低能耗，实现通风的智能化。

随着科学技术的不断发展和进步，在工业4.0、云计算、人工智能等技术的支撑下，借助于目前最先进技术的动叶可调轴流风机，智慧矿山的建设会加速发展。

“科技、人才、创新”是智慧矿山建设的核心，矿业经营者需要转变观念，接受新的技术，这才是实现矿井按需通风和实现智慧矿山建设的关键。降低成本，提高效率，绿色发展是企业立足的永恒的根本。