基于防滅火的礦井通風系統優化技術探究

引言

礦井火災不僅會造成煤炭資源的重大損失，還可能引發瓦斯爆炸等連鎖災害，嚴重威脅礦工生命安全。作為礦井安全生產的重要保障，通風系統在火災防治中發揮著不可替代的作用。科學合理的通風系統能夠有效調控井下風流動態，及時排出有毒有害氣體，維持適宜的環境溫濕度，從而抑制煤層自燃傾向，阻斷火災發生與蔓延的途徑。基于通風系統在火災防控中的核心地位，開展針對性的通風優化技術研究，對于提升礦井整體防火能力、保障安全生產具有重要的實踐價值[1]。

一、礦井通風系統與防滅火密切相關

（一）礦井通風系統影響火災發展

礦井通風系統在煤礦安全生產中發揮著重要的雙重調控作用。一方面，它需要持續為井下作業空間輸送新鮮空氣，保障礦工的基本呼吸需求；另一方面，必須精確控制氧氣濃度，避免因過量供氧而誘發煤炭自燃。科學合理的通風系統通過動態調節風量、風速等關鍵參數，能夠有效抑制煤氧復合反應，從源頭上降低自燃風險。在火災應急情況下，優化的通風網絡可快速形成定向風流，及時排出高溫煙氣和有毒有害氣體，顯著提升散熱效率。這種“預防-應急”的雙重功能體系，不僅為井下創造了安全穩定的作業環境，還為應急救援爭取了寶貴時間，充分體現了通風系統在礦井火災防控體系中的核心價值[2]

（二）火災對礦井通風系統的影響顯著

礦井火災產生的強烈熱動力效應會對井下通風系統造成系統性沖擊。高溫煙氣在巷道內急劇膨脹，導致通風阻力顯著上升，直接影響系統正常運行。同時，持續高溫會削弱巷道圍巖的結構強度，并加速支護材料的性能退化，可能引發局部坍塌事故。坍塌堆積物堵塞通風通道后，將進一步加劇系統運行的不穩定性。

火風壓現象是火災時期通風紊亂的關鍵誘因。燃燒區域的高溫氣體形成上升氣流，產生具有破壞性的壓力擾動。這種動態壓力變化可能導致風流方向異常逆轉，使火災產生的高濃度有毒有害氣體向原本安全的區域擴散。實際案例表明，這種逆向擴散會迅速擴大污染范圍，并對井下人員的生命安全構成嚴重威脅。因此，火災環境下的通風系統管理必須充分考慮熱力作用與流體動態的耦合效應，才能有效控制災害影響。

二、礦井通風系統在防滅火方面存在不足

（一）風量分配不合理

部分礦井通風系統存在設計與實際需求脫節的問題。由于通風網絡規劃未能充分考慮開采布局的動態變化和地質構造特征，其系統調控能力與井下實際需求產生偏差。在復雜地質條件下，現有通風設施往往難以實現精準的氣流調控，加之設備維護保養不到位，風機等關鍵設備長期超負荷運行，性能衰退明顯。這種系統性缺陷直接造成井下風量分配失衡，致使重要作業區域風量持續不足，不僅影響瓦斯等有毒有害氣體的及時稀釋和排放，還因局部通風不良進而顯著增加煤炭自燃風險，給礦井安全生產帶來嚴重威脅[3]。

（二）通風網絡不完善

礦井通風系統的結構缺陷已成為制約礦井安全生產的重要瓶頸，主要表現在通風網絡設計和設施配置。在通風網絡架構方面，部分礦井存在線路規劃不合理的現象，主要表現為通風路徑設計過長、分支管路過多等系統性缺陷。這種冗余設計不僅顯著增加了風流傳輸阻力，導致新鮮風流難以有效輸送至作業面，還因結構復雜化而大幅提升了系統管理難度。實地調查顯示，在這種網絡結構下，通風故障的平均排查時間延長了 40% ，嚴重影響了應急處置效率。

在通風設施配置方面，關鍵控制元件設置失當問題尤為突出。風門啟閉機構缺乏靈活性、風橋結構設計存在固有缺陷等問題，往往會導致風流異常流動。具體表現為風流短路、局部渦流等不良現象，這些局部故障通過系統耦合效應會產生級聯放大，最終導致整個通風網絡的性能指標下降 30%-50% 。更嚴重的是，這種結構性缺陷會形成正反饋循環，導致系統效率降低，迫使風機提高運行負荷，進而加速設備損耗，進一步惡化通風狀況。這種惡性循環不僅造成能源的巨額浪費，還直接威脅礦井的安全生產[4]。

（三）通風設備老化

礦井通風系統的穩定運行面臨設備老化帶來的嚴峻挑戰。作為系統核心的通風機長期處于高負荷運轉狀態，性能衰退問題日益凸顯。風量供給不足與風壓下降直接影響礦井的正常通風需求，這種供需矛盾在火災應急情況下尤為突出一—風機性能衰減導致有毒有害煙氣排放不暢，不僅阻礙滅火作業開展，還造成火區范圍擴大，顯著提升災害風險等級。同時，通風監測系統的老化問題同樣不容忽視。風速傳感器和瓦斯檢測儀等關鍵監測設備性能退化，導致通風參數采集的準確性和可靠性下降。這種監測失效直接影響對井下通風狀況的實時掌握，使得火災預警和應急響應機制的有效性大打折扣。設備性能的全面衰退已形成制約礦并通風系統效能的瓶頸，亟須通過系統性更新改造來提升整體運行水平。

三、礦井通風系統防滅火優化技術

（一）風量合理分配技術

隨著礦井開采向深部及復雜地質條件區域延伸，傳統基于經驗公式的風量計算方法已難以滿足精準調控需求。現代通風技術采用計算流體力學（CFD）數值模擬方法，通過構建三維通風網絡模型，整合地質構造、開采動態、瓦斯涌出規律等多維參數，實現了對各用風節點需求的精確計算。這種基于多物理場耦合的仿真技術有效克服了傳統方法的局限性，使風量分配精度提升至新的水平。在設備調控層面，智能通風系統通過物聯網技術實現了革命性突破。由智能變頻風機、電動調節風門和分布式傳感器組成的閉環控制系統，可根據實時監測數據動態優化運行參數。特別是在采空區管理方面，系統通過維持精準的微負壓環境 （-10Pa--30Pa） ，將氧氣濃度控制在煤自燃臨界值 （7% ）以下，從源頭上切斷了自燃的必要條件。實踐表明，該技術體系可使通風能耗降低25% 以上，同時將火災隱患發生率控制在0.1次/萬噸以下，為深部開采提供了可靠的安全保障[5]。

（二）通風網絡優化技術

精簡通風網絡架構是提升通風性能的核心環節，必須開展系統性梳理工作，篩選冗余支路與管線，重新規整布局，通過優化巷道走向來壓縮線路總長，實現降低阻力、改善通風效能的目標。特別是礦山工程領域，在新建礦井或舊礦井技術改造的實際應用中，采用分區式通風方法，能夠細化各區域通風單元的通路結構，有效避免路徑交疊和重復設計，保障整體通風順暢并強化其效果。礦井通風網絡的設計與管理需充分考慮其特殊結構和防滅火安全需求，通風設施的布置應兼具科學性與合理性，風門、風橋等核心設施的位置設置必須精準，數量規劃也要契合實際調控需求，以便對風流走向及風量大小進行精確操控。本機制通過系統化的日常巡檢、及時的應急維修和持續的長效養護方案實施，構建了多維度的設施管理體系，有效保障了礦并設施持續處于最佳工作狀態，從而為礦井整體安全生產需求提供了有力支撐。

（三）通風設備智能化技術

本研究設計并構建了一種基于智能控制技術的新型礦井通風系統，該系統在能效優化與安全調控方面展現出顯著優勢。通過集成高效軸流式風機與分布式傳感器網絡，系統實現了對礦井環境參數的實時動態監測，數據采集與傳輸延遲控制在 50ms 以內。實驗測試表明，該通風裝置在典型工況下可提供 ±30% 的流量調節范圍，同時將壓力波動幅度控制在 5% 以下，較傳統系統節能15%-20% 。系統采用模塊化設計架構，包含數據采集層、邊緣計算層和云端決策層，通過融合物聯網通信技術和大數據分析算法，實現了通風參數的自主優化調節。在安全性能方面，系統搭載的多模態傳感器可準確識別CO、 CH₄ 等危險氣體濃度變化（檢測精度達 ±0.5% FS），當檢測到異常工況時，可在3s內啟動預設的應急通風模式。模擬火災實驗數據顯示，該系統的快速響應機制可使控火效率提升 40% 以上，同時將煙氣擴散范圍減少35% 。此外，系統采用的深度學習故障診斷模型實現了92% 以上的故障識別準確率，大幅提升了設備的運行可靠性。這種智能通風系統的成功應用為礦山安全生產提供了新的技術解決方案，其設計理念也可推廣至其他工業通風領域。

四、礦井通風系統優化技術在防滅火中的應用策略

（一）制定詳細的優化方案

在實施礦井通風系統優化前，需組建專業團隊開展系統性評估。通過現場實測與數值模擬相結合的方式，全面采集通風網絡參數（風阻系數、風量分布等），并綜合分析地質構造與開采布局特征。基于評估結果，制定分階段優化方案。首先，建立以風量平衡、能耗優化和災害防控為目標函數的數學模型；其次，運用網絡算法重新規劃通風拓撲結構，重點改善角聯巷道風流穩定性；最后，確定技術改造路徑，包括主扇性能調整和智能調控系統部署。方案設計需確保在提升系統效率的同時，維持通風穩定性系數在安全閾值內，實現可靠性、經濟性和安全性的協同提升。

（二）深化與科研機構和高校的合作

為提升礦井通風系統技術水平，建議與國內領先科研院所建立深度產學研合作。中國礦業大學、煤炭科學研究總院等機構在智能通風領域具有顯著技術優勢，其研發的基于人工智能的風網調控算法、多參數協同優化模型等創新技術已在多個示范礦井取得顯著成效。通過共建聯合創新平臺、設立專項攻關課題等方式，可有效促進前沿技術成果轉化，重點突破通風系統數字孿生等關鍵技術，并為特殊地質條件的礦井開發定制化解決方案，實現技術快速落地應用。同時，要建立系統化、多層次的技術人才培養機制。建議定期開展智能通風理論與技術專題培訓，邀請行業專家講授最新技術發展；組織典型案例分析研討會，深入剖析通風系統運行中的關鍵技術問題；加強現場實操訓練，在模擬工況下進行設備調試與系統優化演練。通過建立學術交流激勵機制，鼓勵技術人員積極參與行業技術研討，持續提升專業團隊的理論水平和實踐能力，培養既掌握核心技術又具備創新能力的復合型人才隊伍。

（三）設立專項基金

為系統推進礦井通風技術升級，建議設立專項技術研發基金，構建多層次資金保障體系。首先，組建由企業內部技術骨干與外部科研院所專家組成的聯合攻關團隊，重點突破智能通風調控、數字孿生等前沿技術；其次，更新關鍵設備，逐步淘汰老舊通風設備，引進新型高效軸流風機和高精度環境監測系統；最后，支持開展產學研合作項目，促進新技術的快速轉化、應用。通過這種系統性投入，可全面提升通風系統的技術水平和運行效能，為礦井安全生產提供堅實保障。

（四）完善通風系統管理制度

在礦井通風系統管理中，科學劃分管理職責是確保系統高效運行的關鍵。通風管理部門應履行雙重職能。一方面，負責制定系統整體規劃方案，包括通風網絡設計、風量分配策略等頂層架構；另一方面，需實施精細化管控，重點監測各作業區域的風流動態參數，確保系統穩定運行。設備管理部門需建立完善的維護保養制度，定期對主通風機、局部通風設備及環境監測傳感器進行預防性檢修，同時制定分級響應機制，確保設備故障能夠在最短時間內得到有效處置。這種職責明確的協同管理機制，為礦井安全生產提供了重要保障。

結語

礦井通風系統優化技術是防滅火體系中的關鍵環節。本研究通過風量動態調控、管網拓撲重構、設施升級改造及智能算法融合等手段，有效彌補了傳統通風系統在防火功能上的結構性缺陷，顯著提升了系統安全冗余度與運行穩定性，從而降低了礦井火災風險。實踐表明，此類技術革新需結合科學的實施路徑設計與配套保障措施，以確保技術落地過程中的平穩性與實效性。隨著智能化技術的快速發展，礦井通風系統正朝著動態感知、自適應調控的方向迭代升級。未來研究可進一步探索多源信息融合的實時決策模型以及極端工況下的系統容災機制，從而為井下安全生產提供更加智能化的技術保障。

參考文獻

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[4］魯劍波，梅洋洋.強化學習驅動的煤礦通風系統設計與實現[J].自動化應用，2024，65（24）：73-75.

[5]郭曉芳.礦井通風設施常見故障分析及處理措施探討[J].能源與節能，2024（12）：102-104.