金属矿矿井通风与空气调节的研究展望

随着科技水平的不断发展和矿井开采强度、深度、难度的不断提高，矿井通风与空调这门古老的学科也得到日益完善和发展，新理论、新方法、新技术也不断涌现。

1 矿井通风与空调的复杂性

众所周知，采矿工业是工业生产所需原料和能源的基础工业，在国家现代化建设的进程中，占有极其重要的地位。与其他工业部门相比较，矿山生产的安全问题历来就显得非常突出。尤其是地下开采的矿山，由于矿床类型和性质的不同，地质情况千差万别，开采技术条件千变万化，无一固定生产模式，随着井下客观条件的变化，在生产过程中会不断出现新情况。因此，特殊的生产条件使采掘中的不安全因素增多，带来了矿山安全的特殊性，其主要表现为：1）工作面空间狭小。地下巷道采掘时，既要进行凿岩、爆破、支护、转载、运输等作业，又要进行钉道、铺轨、通风、排水、供风、供电等辅助工作。此外，各种生产设备还要求一定的生产空间，许多管线要沿巷道通向各工作面。于是，使井下有限空间显得更狭小，给安全管理增加了更大的难度。2）工作面不断变化。在井下，随着采掘工作面的推进，作业场所在时间和空间上是经常发生变化的，因而工人、设备和各种管线也要随着工作面不断移动。这一特点同样潜伏着许多不安全因素。3）工作面环境差。矿井通往地表的出口较少，空间有限，生产中产生的有毒有害气体、粉尘、噪声、污水及阴暗潮湿，使得作业环境差，不但易引发事故，而且对工人的身体健康造成极大的危害，易导致工人患职业病。4）矿井生产过程中产生的沼气、氢气、一氧化碳、硫化氢等气体和煤尘、硫化矿尘均具有爆炸性，也易引起火灾；炸药和爆破器材在使用、运输和管理中也易爆炸。5）在掘进和回采过程中，岩石的完整性及原岩内的应力平衡关系被破坏，在强大的地压作用下，可能导致冒顶、片帮、底鼓、支架变形、甚至大面积塌落、地表移动以及煤和瓦斯喷出等一系列事故。为此，矿山必须坚持安全第一、预防为主的生产方针，加强对矿内风流流动及风流控制的研究，加强安全管理和安全措施，积极采用现代化的管理模式和安全技术装备，力争控制和减少甚至避免事故的发生。

矿井通风就是向井下供氧、排除有毒有害物质、排热和除湿、为寒冷矿井供暖等。矿井污染物超标都充分反映出通风不足的问题；不存在通风问题的矿山，可能通风过度，能耗会额外增加。一般，其预防方法是根据矿山通风系统的复杂性情况，合理使用辅扇。对于生产中的矿井，其通风网络已经形成，主扇已定型，因此，若通风系统存在问题，一般靠加强通风构筑物及辅扇对风流的调控，达到完善通风系统的目的。可见，矿山通风工作是矿山安全管理的重中之重。因为，矿山生产中的凿岩、爆破、放矿、装运、破碎等环节会产生大量的粉尘，其中凿岩生产是主要的产尘源之一，作业区的粉尘浓度随凿岩时间的增长而升高，一般作业半小时后，矿尘浓度可达250 mg·m^-3，3小时后达800 mg·m^-3。而爆破作业的产尘量虽最大且飘散距离远，但含高浓度粉尘空气的持续时间较短。当然，若不及时采取有效的通风防尘措施，爆破数小时后，巷道内空气粉尘浓度仍比正常时高10～20倍。装运作业同样是重要的产尘源，一般，人工装岩时的粉尘浓度可达700～800mg·m^-3，机械装岩时可高于1000mg·m^-3。此外，矿内爆破炮烟、柴油机尾气、火灾、硫化物的燃烧等产生的大量有毒有害气体CO、H₂S、SO₂、NO_x等；开采铀矿床及含铀、钍伴生的金属矿床时产生的氡等放射性气体污染；深井开采矿山井下地热等对风流温度的影响；等等，均对井下作业人员、机械设备、安全生产以及巷道围岩的稳定性造成极大的危害。所以，矿山井下需要一完善的通风系统，源源不断地将地表的新鲜空气需送到井下的每一个作业面，排出污浊的空气。

与国外许多矿山比较，我国矿井通风网络比国外复杂。由于我国矿山机械化程度较低，阻碍矿山规模的扩大，而矿石品位不高，又要求有一定的生产规模才能保证矿山的经济效益，维持矿山的简单再生产。这就形成了我国矿山作业面多、作业面生产能力低，井下作业工人多的现状。所以，我国许多矿山的矿井通风网络远比国外矿山复杂。

2 矿井通风的优化研究

矿井通风的优化研究离不开计算机。1953年，Scott和Hinsley首先使用计算机来解决矿井通风网络问题。1967年Wang和Hartman开发出计算包含多风机和自然通风的立体矿井通风网络程序，该软件表明用于解决矿井通风基本参数的应用程序走向一个成熟阶段。之后，世界上很多通风研究人员开发出大量的用于更加复杂的矿井通风系统分析软件。矿井通风软件的功能越来越多：能够确定矿井通风系统的最优布局；评判矿井通风网络中风流稳定性和矿井通风网络调节；分析和估计矿井通风网络参数，如阻力，风量，温度，湿度，主、局扇参数，粉尘，爆破炮烟，柴油机排放废气浓度等；对通风系统进行实时控制，制定未来通风计划；用计算机数值模拟矿井火灾的发生、发展过程，解算火灾时期矿井通风系统的风流状态，从而对火灾的救灾、避灾进行决策。总结了国内近年有关矿井通风网络分析方面的文献，可以看出矿井通风网络模拟作为分析矿井通风系统的有力工具，得到了很好发展，使矿井通风技术得到新的发展。

矿井中风流的引进、分布、汇集和排出是通过许多纵横交错、彼此连通的井巷网进行的，风流通过的井巷所构成的网路，称为通风网络。用图论的方法对通风网络进行抽象描述，把通风网络变成一个由线、点及其属性组成的系统，就是通风网络图。矿井的自然分风往往不能满足生产的需要，一般都需要对风流进行人为的调节和控制，才能满足实际的需要，而且该调节工作非常复杂多变。为此，必须掌握矿井通风网络的风量与调节和计算方法。

矿井通风系统优化是从系统分析开始到给出最优矿井通风系统为止的一系列工作的总称。其工作步骤是：矿井通风系统分析（对改扩建矿井通风系统，应进行系统现状调查测定），拟定系统优化改造（或建设）方案，各拟定方案的风量计算，各拟定方案的网络调节优化，最优矿井通风系统方案选择及技术经济效果评价等。由此可知，矿井通风系统优化分为两个类型，第一是矿井通风网络内部调节最优化，其目标是对拟定的各系统方案得出一个最优的技术经济参数方案；第二是在网络内部优化调节的基础上，在各拟定的系统方案之间选择最优矿井通风系统。

3 矿井通风自动化的研究

3．1 智能化矿井通风优化设计系统

智能化矿井通风优化设计系统应是实际矿井通风设计的一个模拟系统，它应包含矿井通风设计的基本内容，与设计人员进行有机的配合，有效地辅助、支持设计人员进行矿井通风设计，成为设计人员的有利工具。所以，智能化矿井通风优化设计系统的功能应由矿井通风设计的内容、要求及特点来确定。

（1）信息管理功能。矿井通风设计首先要明确它的外部环境（诸如矿石和围岩的含硅量、放射性物质含量、矿岩自然发火性等）、矿床地质条件和开采技术条件，掌握有关的安全规程及有关的技术经济参数等。这些内容数据量大，准备工作繁琐，而计算机的数据库及其管理系统能够方便地存储、管理、查询和提取矿井通风设计所需的数据和资料。

（2）图形处理功能。矿井通风系统立体图和网络图是通风设计最有用的语言之一，从简单的系统布局表示到设计结果的表达都离开图。AutoCAD系统是这一功能的基础，而且矿井通风图应是矿床开拓模型和采矿方法模型的组成部分。

（3）科学计算及灾变过程模拟功能。矿井通风设计中有大量的测定数据统计处理、指标计算、设备选型计算、网络参数解算以及对不确定性的灾变过程进行计算机模拟，以获得为决策服务的数量概念。

（4）知识库的管理及推理功能。矿井通风设计中有许多定性问题不能用数学模型进行分析，设计过程又有较强的经验性和艺术性，要靠设计人员的经验、知识和智慧来把握和处理。这些不良结构特点正适合用人工智能的专家系统技术来解决。但是，矿井通风设计系统不同于诊断咨询型专家系统，它既要大量的推理判断，又要复杂的数值计算，两者往往交织在一起；同时，矿井通风设计的经验知识具有一定的结构性，所以知识的表示应有一定的结构，推理中的知识抽取、组织则根据问题及上下文的不同而变化。

（5）决策模型、方法及决策内容的选择功能。能根据给定的前提条件完成系统的局部设计，也可以组织协调各设计子系统进行整个系统的设计，设计内容可以灵活选择。根据解决的问题，可选择不同的模型、方法进行处理，如线性规划、非线性规划、目标规划、计算机模拟、网络方法、单目标决策、多目标决策、模糊数学、层次分析法、灰色系统理论等。

（6）友好、灵活的人—机会话处理功能。众所周知，目前人工智能在知识表达、认识过程及推理能力还存在一定的困难和局限性。设计系统不能完全代替人进行矿井通风设计，而只能作为辅助的支持工具，人和计算机相互补充、共同作用是比较现实而可行的。发挥人和计算机各自的优势，就必须进行人—机交流。友好的人—机配合的基础。通过人—机会话设计，人员可以控制设计的内容及进程，得到设计说明和图表的中间结果和最终结果，能对矿井通风的基本问题给出回答、评价和解释。

3．2  矿井通风优化决策的集成化与智能化

矿井通风系统是一个开放的复杂大系统。当前，矿井通风系统优化决策技术计算机方法的研究前沿在于多种方法的从定性到定量的综合集成方面，并了得了一些进展，有的方法已得到实际应用，但远不成熟；智能矿井通风框架、综合集成方法的研究本身还存在着大量的困难。因此，矿井通风系统优化决策技术综合集成研究的宗旨在于实用，辅助实际矿井通风系统建设中的决策问题。

（1）矿井通风安全管理计算机系统的功能集成化。

目前矿井通风安全管理采用传统方法，即以人力为主，检查、测定和分析问题，依此作出判断指挥生产，缺乏现代化管理方法和手段，难以发现问题防止事故，所以远远不能满足生产的需要，针对此问题。在实际的管理实践中，用户的需求往往是综合性的，矿井通风安全管理系统的智能化应该具有多层次、多方面、多阶段的全方位服务功能。为此，应将矿井通风安全智能办公信息系统、智能管理系统和智能决策支持系统的功能加以集成，使其具有综合性功能。

（2）矿井通风安全管理智能系统的技术集成化。

矿井通风安全管理智能系统采用常规管理方法与现代科学方法相结合的集成方法，矿井通风安全管理智能系统的集成模型由数学模型、知识模型、网络模型等模型进行集成，以适用于各种矿井通风安全实际问题的描述。

从发展远景看，矿井通风安全管理智能系统的管理软件，也为多库协同软件。由数据库、知识库、模型库、方法库、图形库等进行集成。

3．3  矿井监测与控制自动化

矿井通风控制的三个主要组成部分：1)矿井通风网络状态的监测与模拟；2)控制方案的决策；3)控制方案的实施。对矿井通风控制的大量研究也都可以归结为对这三个方面的研究。

国外早已实现井下风量、粉尘、有害气体、温度、湿度的自动检测，并已形成计算机管理系统，在矿井通风自动化上己取得可喜的成果。相比之下，我国矿井通风系统的自动化水平较低，目前我国大多数矿井的通风控制仍主要是由人工进行的。有些矿井安装了遥控风门，可远距离控制风门的开与关。现有的矿井自动风门主要是相对于行车与行人而言的，并不是根据通风控制的要求进行自动控制。风机与风窗的调节也主要靠人工完成。

矿井通风的全自动控制是科学技术发展的目标。但由于自动控制系统的高昂代价和技术上还有许多问题没有解决，因此，矿井通风自动控制系统在实际矿井获得应用还有很大困难。一方面，进行全自动控制，应具备三个条件：1)完善的风流状态监测系统；2)性能完善的通风控制方案决策软件和计算机系统；3)可自动控制的调节设施及控制执行系统。由于矿井生产条件复杂，作业地点分散，情况变化频繁，使通风系统不断变化，其控制系统也要随之改变。这样复杂的一个系统，不仅设备的安装、维护和管理很费钱、费力，而且系统的可靠性也难于保证。另一方面，对矿井正常通风来说，人工设置一些简单的通风构筑物，一般就可以满足工作地点的风量要求，因此建立自动的通风控制系统，对大多数矿井来说并不是十分迫切的；对矿井灾变通风来说，由于灾变可能由许多偶然因素引起，即使建立了通风自动控制系统，也很难保证不发生事故；而且灾变对通风控制系统还有较大的破坏性，一旦控制系统受到破坏，也不能对风流状态进行有效的控制。由此看来，矿井通风的全自动控制系统在可预见的一个时期内仍将处于试验研究阶段。

3．4 矿井风流调节技术

    在许多地下开采的矿山，尤其是大型机械化或井下地质条件不太好的矿山，多年来，井下的通风过程中一直存在着风流控制的难题，如新鲜风流短路或漏风、无风死角、风流反向、污风循环等，特别是在主要的运输巷道中，此类问题解决的难度更加突出，常常出现井下作业面风量不足、污风不能及时排出等问题，这无疑对井下通风的有效风量率、风流的分配等影响很大，直接威胁到矿山井下的安全生产。因此，在矿山井下生产过程中加强风流调节和通风管理工作就显得十分重要。

矿井通风过程中，虽然风流调节与控制的方法及技术措施很多，但有时也受到一定条件的制约，如在主要运输和行人巷道内实施增阻调节风流、隔断风流、辅扇通风或引射风流、在易变形巷道内安装风门控制风流、在作业中段的运输巷道内设置风机机站分配风流等。一般，用常规的方法均难以实现调控风流的目的，因而，常常出现影响运输和行人、设备或设施被破坏、效果不理想、管理麻烦等问题。因此，研究能在主要运输巷道或易变形巷道内实现风流调节与控制的技术就显得十分必要和有意义。

目前，在国内对于在主扇的作用下新鲜风流不能达到工作地点或通风网络中出现漏风、风流短路、风流循环等问题时，一般是人工采取措施对风流的大小和方向进行调控。控制风流的措施主要有通风构筑物、辅扇、引射器等。

在发达国家，矿井风流的自动控制系统研究与应用情况较好，但在国内矿山仍处于试验研究阶段，受矿山条件的影响，对井下风流大多是采用传统的人工调控方法，因而，矿井通风的全自动控制系统在可预见的一个时期内仍将处于试验研究阶段。二十世纪60年代，虽然有人将空气幕应用于地下矿山的风流控制―阻隔风流，但其主要是在巷道断面较小、需隔断的风流阻力较小的巷道中应用单机空气幕来实现，且隔断风流的效率难以适应环境条件的变化，空气幕的作用比较单一，对于大断面大压差巷道一般不易满足要求。研究与应用的大门空气幕技术及理论不能直接应用于井下的风流控制，尤其是在大断面、大压差的井下运输巷道内不能简单引用。

3．5  矿井通风系统可靠性

矿井通风系统是一个特殊的系统，其可靠度的定义和计算都应在充分考虑系统的以下特点的基础上进行。

（1）矿井通风系统是风机、巷道和通风构筑物三者组成的有机整体，其中风机和通风构筑物是相互独立的单元，而某分支与风机和通风构筑物以及其它分支是密切相关的。在讨论矿井通风系统及其各单元可靠性的定义和计算方法时，应充分考虑各单元的特点以及各单元的相互联系、相互制约；

（2）各通风构筑物单元在使用过程中的可靠性是相对的、动态变化的，其在某一时刻的可靠度不仅依赖于当时构筑物所处的状态，也与预计的剩余服役期有关。而对整体构筑物子系统，其可靠度只能通过其对矿井通风系统的影响来体现；

（3）各分支的风量在系统结构不变时，不仅与风阻和风压和有关，而且与风机和通风构筑物当时所处的状态有关。