基于环境监测的矿井通风三维仿真辅助决策系统设计

＊孙嘉梅

（山西安标检验认证有限公司 山西 030031）

当前应用的矿井通风三维仿真软件多注重风网解算以及三维仿真设计工作，针对通风环境数据监测的系统尚未完善。基于此，为了有效完善矿井通风三维可视化仿真软件，全面提升矿井生产的安全性，可以积极开发矿井通风三维仿真辅助决策系统，从而完成环境监测工作。可以说，利用矿井通风三维仿真辅助决策系统能够实时传输井下的环境参数，并对异常情况进行监督，这是传统矿井通风三维仿真软件无法比拟的优势。此外，矿井通风三维仿真辅助决策系统也能够对风量、风速等数据进行收集整理，并与系统中的巷道参数相结合，实现针对性的仿真以及解算，真正掌握井下的通风数据，有利于促进企业安全生产，全面提升其管理水平。

1.矿井通风系统分析

矿井通风系统是一个复杂多变的立体结构，主要由通风动力、网络以及控制设施几部分构成，其能够与矿井下不同的作业点建立联系，并为其输送新鲜的空气，保证空气流通。同时，矿井通风系统也能够对有害物质进行稀释，并将生产过程中产生的粉尘以及瓦斯排出，为井下工作人员营造良好的工作环境。矿井通风系统中的风量以及风阻值会随着开采深度的增加而出现变动，这就增加了开采的不确定性，因此，为了保证矿井通风参数值始终保持在一定的范围内，就需要建立矿井通风管理模式，利用科学有效的管理办法控制矿井通风系统的参数，确保其运行正常。

在矿井通风系统管理中，需要有专业的管理人员以及制度、平台共同组建，同时利用矿井通风三维仿真辅助决策系统实施闭环管理，提升矿井生产的安全性以及可靠性，具体管理模式见图1。

图1 通风系统管理模式

2.矿井通风三维仿真辅助决策系统

(1)矿井通风三维仿真辅助决策系统介绍

矿井通风三维仿真辅助决策系统的开发平台为微软Visual Studio 2010，并与环境监测、计算机图形学以及计算机通信技术、GDI+等技术相结合，同时充分融合我国矿井通风系统以及相关理论，设计并研发了三维可视化仿真系统。为了能够更真实地模拟矿井通风系统的实际工作情况，在三维仿真辅助决策系统的设定上，操作者对通风系统图进行了大量的删减，并将风机以及巷道等加入到系统中。同时，也加入了通风构筑物，从而对风阻进行全面调节。此外，此系统实现了实时监测井下作业环境参数的要求，在充分收集通风参数、井巷参数、风流方向等数据信息后，开始对实时状况进行动态模拟，利用仿真解算功能真正完成了矿井通风三维仿真辅助支持工作。

(2)矿井通风三维仿真辅助决策系统开发理念

矿井通风三维仿真辅助决策系统在设计时，主要使用模块化的设计理念，并结合不同矿山的实际情况进行针对性的设计。在实地考察后，将所获得的关键数据统一整理录入到此系统中，从而获得相关参数，对参数进行管理，将数据与数据之间建立有效的关联。最后，借助通风参数以及井巷参数，开展实时风网解算，能够有效提升其解算的整体效率[1]。

(3)矿井通风三维仿真辅助决策系统系统结构

为了促使系统运行更加稳定且高效，需要对系统结构进行合理的开发以及设计。矿井通风三维仿真辅助决策系统设计上主要划分为管理、应用以及数据库三个模块，不同的模块具体功能如图2所示，每个模块之间相互独立又相互联系，彼此之间建立了良好的连接，完美地实现了不同模块之间的交互，这也促使该系统更为稳定且可靠。

(4)矿井通风三维仿真辅助决策系统功能设计

①环境监测模块设计。为了更好地监测矿井下的环境，需要在开采前对巷道位置进行监测，在此环节中，可以选择安装通风参数监测传感器，从而对井内温度、风压以及风速等参数进行监测，并将所获得的参数借助PLC控制柜以及光纤收发器传输到对应的数据库中，从而更好地实施监测，管理人员也能够通过该系统对井下的环境以及相关数据进行查看。该系统的监测界面中包含报警功能，当系统监测到相关数值超过正常值时，系统就会做出预警，方便管理人员及时进行处理[2]。此外，该系统中还设有历史数据查询的功能，管理人员能够通过查看历史数据分析以往的作业情况，从而对井下作业有全面了解，在遇到事故时，也能够从容做出应对。

②重点管理通风系统参数。在监测到通风系统相关参数后，系统会自动对相关参数进行后续的加工处理，最后建立节点编号，同时，在对应的巷道上链接相关的参数、风量以及通风构筑物、阻力值等。管理人员只需要点击二维操作平台便能够查看巷道的相关属性，既方便又快捷[3]。

③实时解算风网。在系统中录入相关参数后，需要对通风系统图进行全面监测，核实无误后，就需要针对矿井通风系统开展风网解算。在解算过程中，需要采用回路风量法进行解算，同时，也可以采用节点风压法进行解算[4]。矿井通风三维仿真辅助决策系统中主要利用回路风量法中的Scott-Hinsley法进行解算，首先，需要将图论作为基础，根据最小数对余数进行确认，而后选择合适的回路，最后需要计算出风量迭代，确保解算结果能够与精度要求相符。解算完毕后，需要建立环境监测与通风系统图两个数据库之间的联系，并将最后所获参数传输到通风系统图中，完成实时解算的任务。

④三维仿真设计。传统的通风系统图只能够实现二维效果，管理者无法观看到相关的立体效果，更新为三维仿真系统后，其能够与矿井通风系统中的数据相联系，建立三维模型，从而将风流方向以立体形式展示出现，并能够显示出风流的速度以及大小，方便了管理者查看。

⑤辅助决策系统设计。辅助决策系统设计上，需要实时解算环境监测以及风网系统，解算完毕后，矿井通风三维仿真辅助决策系统变能够直接显示出风机工况、通风阻力以及风流等情况，并作出针对性的分析，利用风机、风门等，对矿井通风系统进行模拟，最后得出设计方案，确保通风系统达到最优化，为系统监测提供辅助决策的依据[5]。

3.案例分析

(1)矿山基本情况

以山西某矿山为例，其生产能力为每天1000t，现已知铅加锌金属量达到1Mt。该矿山主要以脉状分布，采用分层充填采矿法进行矿金属开采。为了保证矿井下通风安全，该矿山采用两翼对角抽出方式进行通风处理，但是井下调风相关设备较少。该矿井西风井中：风机的工作风量为2750m3/min，工作风压为1361.28Pa，通风机为350kW的功率。东风井中，风机的工作风量为725m3/min，工作风压为233Pa，通风机为250kW功率。现主要以东翼为开采重点，因西风井中的风机功率更大，如果一直开启西风井，则会直接影响东翼的风量。基于此，在开采东翼区域时，暂停西风井风机的使用，确保东翼能够正常开采，但这也会直接导致井下风量较小，巷道中有循环风出现，使井下作业安全受到威胁，同时，因风量较小，导致新鲜风无法流通，资源出现浪费[6]。

图3 自由风流采场

(2)系统建设

为了对井下作业进行监测，需要及时建立三维可视化系统。在此过程中，第一步，需要对井下的风阻力值进行监测，其中需要详细记录分支风量、监测时间、标高、断面的尺寸以及形状、压力等数据。第二步，需要对所监测的数据进行处理。第三步，利用数据参数建立通风系统三维可视化仿真模型。在获得二维通风系统图后，需要将其转化为dxf格式，并将其直接与通风阻力数据导入到可视化仿真系统中。建立通风构筑物后，便能够建立三维立体通风系统图。第四步，将环境监测系统建立起来，为了更好地监测相关数据，需要将传感器安装到井下对应位置，便于分站控制柜接收信号。接收到相关信息后，分站控制柜需要利用PLC编程转化电流信号，最后将数据结果上传到公司局域网以及工控机中，方便监测人员查看。第五步，辅助决策系统建立过程中，需要解算出通风网络数据以及环境监测数据，重点分析风流、通风能力以及阻力后，建立并完善辅助决策系统。

(3)系统测试结果及改进方案

通过矿井通风三维仿真辅助决策系统所得数据分析显示，该矿山在矿井作业中，风量较小，上部以及中段位置出现严重的漏风现象，一些巷道仍未关闭，风量损失严重。因此，需要积极扩大断面，封闭多余的采场以及巷道，同时，增加风机，调节风量，确保通风系统的稳定性。

矿井监测中，虽然矿井通风三维仿真辅助决策系统发挥了重要的作用，能够借助传感器获得数据实时解算，但是，在实际应用中，要求对安装的传感器数量以及安装的实际位置进行规范，从而将矿井通风系统结构全面显示出来，更好地完成监测工作。因此，为了促使矿井通风三维仿真辅助决策系统能够更为优化，还需要在实际应用中，充分了解并结合实际生产需求进行改进，从而更好地辅助矿井施工。

4.未来发展展望

基于网络参数信息分析可知，借助环境监测系统能够将通风网络数据进行实时解算，解算数据再通过计算机输出到Excel中，借助表格查看，能够极大地提高管理人员的工作效率，通风网络信息也会更为可靠。同时，在未来的发展中，矿井通风三维仿真辅助决策系统也能够对井下通风系统进行改造，并对其进行全面优化，确保优化的经济性，避免在优化过程中有资源浪费的现象出现，从而促使矿井通风管理的综合水平得到全面提升，企业经营成本也能够得到节约。此外，矿井通风三维仿真辅助决策系统也能够将与通风系统相关的三维立体图建立起来，监测管理人员能够全方位无死角地对通风系统进行观察，借助三维图，也能够对通风系统整体结构进行全面了解，一旦某一环节出现问题，监测管理人员便能够第一时间发现，并作出应对。最后，矿井通风三维仿真辅助决策系统中环境监测技术的融入，有利于对该系统进行优化并完善，有效弥补了单个系统的不足，可以说，矿井通风三维仿真辅助决策系统不仅能够对井下通风环境相关数据信息进行全面监控，且能够将所获得的数据实时同步到通风系统数据库中，完成实时解算。监测管理人员根据解算后的结果，便能够查看通风系统是否正常运行。针对于其中存在的不合理之处，也能够及时进行改进并优化，从而全面提升通风系统的合理性以及可靠性。

5.结束语

综合上述分析可知，矿井开采中，会出现通风不良、瓦斯积聚以及风流紊乱等问题，对矿井施工人员的生命安全造成严重的威胁。为了更好地监测矿井内生产状况以及通风情况，传统矿井开采中会使用通风系统缓解压力。但是，随着矿井开采深度的增加，传统通风措施已经无法满足开采需求，急需引进更为先进的技术以及系统，解决当前开采压力。将矿井通风三维仿真辅助决策系统投入使用，能够实时监测各项通风参数并完成信息数据的融合，对于优化矿井通风系统提供了可靠及合理的依据。同时，对矿井生产的安全性及稳定性也起到了保障作用。如不能及时解决这一问题，则会导致矿井工作人员出现中毒症状。因此，为了保障矿井生产安全性，则需要对矿井通风系统进行合理有效设计，保证空气流通，确保人身安全。基于此，国内外相关人员开始积极开发矿井通风三维仿真软件，借助软件系统，对通风环境相关参数进行监测，确保能够及时有效地发现矿井生产中的异常。此外，借助软件系统，管理人员能够及时发现矿井生产中存在的问题，对于矿井通风系统的管理起到了重要作用。