煤矿通风自动化系统能效提升与安全调控策略研究

一、引言

在我国能源结构中，煤矿占据关键地位，安全生产是其发展核心。煤矿通风自动化系统关乎井下人员生命安全与企业效益，负责供应新鲜空气、净化环境、调节气候。但随着开采向深部推进，地质条件恶化，对系统能效和安全调控能力提出挑战。目前系统存在能效差、预警滞后等问题，严重威胁安全生产。因此，深入研究并优化煤矿通风自动化系统的能效与安全调控策略，对推动煤矿行业可持续发展意义深远。

二、煤矿通风自动化系统现状与问题分析

2.1 系统现状

目前，我国多数煤矿已建立了通风自动化系统，该系统主要由通风机、通风网络、传感器、控制器和通信网络等部分组成。传感器实时监测井下的风速、风压、瓦斯浓度、温度、湿度等参数，并将数据传输至控制器。控制器根据预设的控制策略和阈值，对通风机的运行状态进行调节，实现通风系统的自动化控制。部分先进的煤矿通风自动化系统还引入了物联网、大数据等技术，实现了对通风系统的远程监控和智能化管理。

2.2 存在问题

能效层面，通风网络规划的科学性缺失是核心症结。部分煤矿巷道设计未充分考虑流体力学原理，狭窄的巷道断面迫使风流流速骤增，频繁的弯道设计更导致涡流现象频发，加之风窗、风桥等设施布局随意，造成通风阻力系数远超行业标准，直接推高能耗成本。通风设备的选型与运维同样存在显著短板，盲目追求高功率风机导致“大马拉小车”，设备长期偏离高效运行区间，而日常巡检制度的松散，使得风机叶片磨损、轴承老化等问题无法及时处置，机械效率逐年下降。控制策略方面，基于固定阈值的粗放式调控，难以适应井下瓦斯浓度波动、开采面推进等动态变化，导致风量供给与实际需求长期错位。

安全调控领域，传感器性能缺陷成为重大隐患。部分矿井使用的低价传感器受井下高湿、高尘环境侵蚀，零点漂移、量程衰减问题突出，监测数据与实际工况存在较大偏差。预警系统响应迟缓，从传感器数据采集到调控指令下达存在明显延迟，致使瓦斯超限等紧急状况下错失最佳处置时机。此外，通风系统与瓦斯抽采、人员定位等子系统间存在严重的数据壁垒，各系统独立运行，无法通过多源数据交叉验证实现隐患精准研判，削弱了安全防控体系的整体效能。

三、煤矿通风自动化系统能效提升策略

3.1 优化通风网络设计

1.科学规划巷道布局：在煤矿设计阶段，应根据地质条件和开采工艺，科学合理地规划巷道布局，尽量减少巷道长度和弯道数量，增大巷道断面，降低通风阻力。同时，合理布置通风设施（如风门、风桥、风窗等），确保风流稳定、顺畅。

2.开展通风网络优化计算：利用通风网络解算软件，对现有通风网络进行模拟分析，找出通风阻力较大的区域和风流分配不合理的环节，通过调整巷道断面、优化通风设施布置等方式，对通风网络进行优化，实现风流的合理分配，降低通风能耗。

3.2 改进通风设备选型与运行管理

1.合理选型通风机：根据煤矿的实际通风需求，综合考虑通风量、风压、效率等因素，选择合适型号的通风机。采用性能曲线匹配法，确保通风机在高效区运行，避免 “大马拉小车” 现象。同时，优先选用高效节能型通风机，如轴流式通风机，其具有效率高、调节性能好等优点。

2.加强设备运行维护管理：建立完善的通风设备运行维护管理制度，定期对通风机进行检查、维护和保养，及时更换磨损的零部件，确保设备处于良好的运行状态。同时，对通风机的运行参数进行实时监测和分析，根据设备的运行状况及时调整运行策略，提高设备运行效率。

3.3 应用智能控制技术

1.引入智能控制系统：采用人工智能、物联网、大数据等技术，构建煤矿通风自动化智能控制系统。该系统能够实时采集井下的各种参数，通过数据分析和处理，自动调整通风机的运行状态，实现通风量的动态优化调节。例如，利用模糊控制算法，根据瓦斯浓度、风速等参数的变化，自动调整通风机的转速，在满足安全生产的前提下，降低通风能耗。

2.实现通风系统的自适应控制：基于井下环境的动态变化，建立通风系统自适应控制模型。该模型能够根据工作面的推进、开采工艺的变化等因素，自动调整通风系统的运行参数，使通风系统始终处于最优运行状态，提高能效。

四、煤矿通风自动化系统安全调控策略

4.1 构建基于多源数据融合的安全监测预警模型

1.数据采集与融合：整合井下瓦斯浓度、风速、风压、温度、湿度、一氧化碳浓度等多种传感器的数据，同时结合人员定位数据、设备运行数据等，采用数据融合技术，如分布式卡尔曼滤波算法、贝叶斯网络等，对多源数据进行处理和融合，提高数据的准确性和可靠性。

2.安全预警模型建立：基于融合后的数据，利用机器学习算法（如神经网络、支持向量机等）建立安全监测预警模型。该模型能够对井下的安全状况进行实时评估和预测，当检测到安全隐患时，及时发出预警信号，并提供相应的预警等级和处理建议。

4.2 设计动态安全调控策略

1.分级调控机制：根据安全隐患的严重程度，建立分级调控机制。当出现轻微安全隐患时，系统自动调整通风机的运行参数，增加通风量，降低有害气体浓度；当安全隐患较为严重时，系统立即发出警报，并启动应急通风预案，确保井下人员的安全。

2.多系统协同调控：加强通风自动化系统与其他安全监测系统的协同工作，实现数据共享和联动控制。例如，当瓦斯抽采系统检测到瓦斯浓度异常时，通风自动化系统自动调整通风量，同时人员定位系统将人员疏散到安全区域，形成多系统协同的安全调控体系，提高事故处理效率。

五、实例验证

以某煤矿为例，对所提出的能效提升与安全调控策略进行应用验证。在能效提升方面，通过优化通风网络设计，将通风阻力降低了 15% ；更换高效节能型通风机，并采用智能控制系统进行调节，通风系统能效提高了20% ，年节约电能约 50 万度。在安全调控方面，构建基于多源数据融合的安全监测预警模型后，安全隐患预警准确率提高了 30% ；实施动态安全调控策略后，事故处理响应时间缩短了 50% ，有效保障了煤矿的安全生产。

六、结论

本论文针对煤矿通风自动化系统能效与安全调控问题，提出了一系列有效的提升和调控策略。通过优化通风网络设计、改进通风设备选型与运行管理、应用智能控制技术等措施，能够显著提高系统的能效；构建基于多源数据融合的安全监测预警模型，设计动态安全调控策略，可增强系统的安全调控能力。实例验证表明，所提策略具有良好的可行性和有效性，为煤矿通风自动化系统的优化升级提供了理论依据和实践指导。未来，随着人工智能、物联网等技术的不断发展，煤矿通风自动化系统将朝着更加智能化、高效化、安全化的方向发展，需要进一步深入研究和探索新的技术和方法，不断完善系统性能，保障煤矿安全生产。

参考文献

[1]邱实， 张平松， 胡泽安， 李圣林. 煤矿巷道超前探测多数据融合技术研究进展与分析[J]. 煤矿安全， 2021， 52（7）： 215-223.

[2]张 俞. 松软煤层近水平孔解卡机理研究[J]. 煤矿安全， 2023， 54（2）：201-205.

[3]杨焱钧， 王季， 刘海东， 杨小刚. 非在线式随掘地震与钻爆法超前探测技术对比研究[J]. 煤矿安全， 2023， 54（3）： 187-192.