改擴(kuò)建礦井通風(fēng)智能化技術(shù)研究現(xiàn)狀

丁玲玲

（云南工業(yè)技師學(xué)院，云南 曲靖 655000）

在礦井作業(yè)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，必須將地面新鮮空氣源源不斷地輸送到礦井下面各作業(yè)地點(diǎn)，用來供給工作人員呼吸，并且稀釋以及排除礦井下各種有毒、有害的氣體以及礦塵。只有科學(xué)地、可控地控制礦井中風(fēng)流，才能最有效地防止瓦斯爆炸、防止煤塵爆炸，創(chuàng)造健康的工作環(huán)境并保障礦井下作業(yè)人員的身體健康、勞動(dòng)安全以及設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[1]，為了解我國改擴(kuò)建礦井通風(fēng)智能化研究水平，提出改擴(kuò)建礦井通風(fēng)智能化技術(shù)研究現(xiàn)狀。本文從改擴(kuò)建礦井通風(fēng)智能化技術(shù)體系，以及智能化技術(shù)能力的研究現(xiàn)狀兩方面進(jìn)行分析。對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算數(shù)據(jù)采集與處理、通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化靈敏度與可靠性計(jì)算、漏風(fēng)處理技術(shù)、狀態(tài)識(shí)別方法、最優(yōu)調(diào)節(jié)與控制智能裝備等相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，闡述我國改擴(kuò)建礦井通風(fēng)智能化研究水平現(xiàn)狀。

1 改擴(kuò)建礦井通風(fēng)智能化技術(shù)體系的現(xiàn)狀分析

1.1 智能化結(jié)構(gòu)技術(shù)體系的研究現(xiàn)狀分析

礦井的通風(fēng)情況對(duì)于礦井中人員安全保障起著至關(guān)重要的作用。改擴(kuò)建礦井通風(fēng)智能化結(jié)構(gòu)技術(shù)體系主要包括：需風(fēng)量超前計(jì)算模型與控制算法，礦井通風(fēng)智能化系統(tǒng)技術(shù)。其中需風(fēng)量超前計(jì)算模型與控制算法的關(guān)于改建擴(kuò)建中用風(fēng)點(diǎn)和需風(fēng)量計(jì)算問題，雖然相關(guān)教課書及文獻(xiàn)給出了一些計(jì)算方法，但是這些計(jì)算方法都必須是已知：機(jī)械散熱、人員數(shù)量、瓦斯涌出量、環(huán)境溫度、粉煤塵產(chǎn)生量、炮煙產(chǎn)生量等參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算的，然而不同的礦井、不同的用風(fēng)點(diǎn)的環(huán)境、工藝差別都非常大，不可能用一樣的方法計(jì)算需風(fēng)量，即這種計(jì)算方法對(duì)改建擴(kuò)建礦井安全來說是不可行的；即使上述參數(shù)都已知后再進(jìn)行需風(fēng)量的計(jì)算，這時(shí)礦井已經(jīng)處于滯后狀態(tài)，中間會(huì)存在具有安全隱患的灰色區(qū)間，給礦井中人員安全造成一定的風(fēng)險(xiǎn)。關(guān)于改建擴(kuò)建礦井通風(fēng)智能化系統(tǒng)技術(shù)，隨著采礦技術(shù)不多的進(jìn)步，我國現(xiàn)代化大型礦井越來越多，大型無軌膠輪車已經(jīng)應(yīng)用在很多大型煤礦的輔助運(yùn)輸和人員輸送上。但是井下運(yùn)行的大量無軌膠輪車，不僅會(huì)排放一氧化碳等有害氣體，膠輪車產(chǎn)生的活塞風(fēng)將對(duì)整個(gè)礦井的通風(fēng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，導(dǎo)致礦井通風(fēng)系統(tǒng)紊亂[2]。

因此，這也是一個(gè)需要解決的問題，目前礦井只能借鑒地鐵和隧道的活塞風(fēng)處理方法，對(duì)大型復(fù)雜的礦井系統(tǒng)，其活塞風(fēng)的處理，還沒有系統(tǒng)性可用的成果，加大研究力度是科研人員的首要任務(wù)。

1.2 智能化數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)體系的研究現(xiàn)狀分析

改擴(kuò)建礦井通風(fēng)智能化網(wǎng)絡(luò)解算數(shù)據(jù)采集與處理是改建擴(kuò)建礦井內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)分析，狀態(tài)估計(jì)、調(diào)控、優(yōu)化的基礎(chǔ)，盧建軍教授提出《管道網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)問題解法與規(guī)劃》提出的非線性動(dòng)力網(wǎng)絡(luò)方程組的性質(zhì)與解法，解決了礦井中通風(fēng)系統(tǒng)多態(tài)(包括紊流、層流等)流動(dòng)的智能網(wǎng)絡(luò)分析計(jì)算問題，不僅使得漏風(fēng)通道風(fēng)流、采空區(qū)風(fēng)流、巷道風(fēng)流、低速風(fēng)流和高速風(fēng)流可以混合解算，得出的解更符合礦井內(nèi)通風(fēng)的實(shí)際情況，而且給出了算法的收斂性條件和定理，后修乃華，張國樑，王旭東的《非線性管道網(wǎng)絡(luò)中的一類改進(jìn)數(shù)學(xué)規(guī)劃算法及收斂性》對(duì)其的算法進(jìn)行簡化，使其解算效率得到進(jìn)一步提高。

關(guān)于測量改建擴(kuò)建礦井內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)的平差和阻力測定與研究。眾所周知，無論是調(diào)風(fēng)控風(fēng)、分風(fēng)解算、系統(tǒng)改造還是系統(tǒng)優(yōu)化，都需要知道礦井內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)的參數(shù)，特別是各系統(tǒng)內(nèi)分支的風(fēng)阻。如果知道的的參數(shù)精度較低，甚至是錯(cuò)誤參數(shù)，則無論計(jì)算方法有多先進(jìn)，計(jì)算過程再精確也是徒勞無功。如何提高參數(shù)精度，以前大都局限于測定儀器和測定方法，但由于礦井內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)是復(fù)雜多變的，測定時(shí)還有眾多不可控的干擾因素，即便消除了礦井通風(fēng)的系統(tǒng)誤差，隨機(jī)誤差也在無可避免。為此，戚穎敏的《礦井通風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量測量的平差》首次提出了礦井通風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量測量平差的概念，后來科研人員將這一概進(jìn)行了完善，利用最大似然原理不僅可以識(shí)別和消除礦井內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，也得到了比較完整的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)測量平差方法。

關(guān)于改建擴(kuò)建礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠度和靈敏度的研究，1985年在原阜新礦業(yè)學(xué)院的遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)首次提出了礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠度的概念，并且利用數(shù)學(xué)和一些網(wǎng)絡(luò)知識(shí)給出了確定礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠度的方法。目前主流的礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠度計(jì)算方法主要分為兩類，以遼寧工程技術(shù)大學(xué)為代表的主要研究者大部分沿用原有的計(jì)算思想，其他大部分學(xué)者沿用了文獻(xiàn)盧建軍的《礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化以及可靠度計(jì)算》研究思路。截至目前，除盧建軍的《礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化以及可靠度計(jì)算》外，關(guān)于如何優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠度的研究成果還很少，然而實(shí)際礦井工作中上，優(yōu)化可靠度對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。

2 改擴(kuò)建礦井通風(fēng)智能化技術(shù)能力的研究現(xiàn)狀分析

2.1 在線狀態(tài)識(shí)別技術(shù)與在線調(diào)節(jié)技術(shù)的研究現(xiàn)狀分析

在線狀態(tài)識(shí)別與在線調(diào)節(jié)技術(shù)主要包括改建擴(kuò)建礦井通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)識(shí)別技術(shù)的研究，以及改建擴(kuò)建礦井通風(fēng)系統(tǒng)在線調(diào)節(jié)方法和裝置的研究。

其中關(guān)于改建擴(kuò)建礦井通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)識(shí)別技術(shù)的研究，是因?yàn)榈V井內(nèi)自然風(fēng)壓、風(fēng)道風(fēng)量、風(fēng)道風(fēng)阻、漏風(fēng)狀態(tài)在調(diào)風(fēng)控風(fēng)的時(shí)具有可變性，單純依賴機(jī)械測定和測量平均值已經(jīng)不能滿足實(shí)現(xiàn)礦井內(nèi)通風(fēng)智能化通風(fēng)的需要。有專家給出了一些根據(jù)測量礦井內(nèi)通風(fēng)從而求風(fēng)阻的研究成果，但是這些方法不僅需要人為主動(dòng)的對(duì)礦井內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，影響礦井內(nèi)正常通風(fēng)，而且當(dāng)調(diào)節(jié)地點(diǎn)、調(diào)節(jié)時(shí)間和調(diào)節(jié)量設(shè)置不當(dāng)時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)病態(tài)的方程組，從而很難得到正確的結(jié)果。盧建軍、尹紅的《一種礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)道參數(shù)的多態(tài)自動(dòng)識(shí)別方法》利用礦井相關(guān)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不僅給出了計(jì)算礦井內(nèi)傳感器最優(yōu)布置方法，而且還建立了關(guān)于礦井內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)的狀態(tài)識(shí)別的數(shù)學(xué)規(guī)劃算法，相對(duì)比較完整地解決了除漏風(fēng)之外其他參數(shù)的偏差問題。目前有了局部漏風(fēng)測量和計(jì)算方法以及漏風(fēng)通道的參數(shù)計(jì)算，但迄今為止還沒有完整的礦井通風(fēng)系統(tǒng)的漏風(fēng)點(diǎn)和漏風(fēng)通道識(shí)別模型和測量計(jì)算方法。

關(guān)于改建擴(kuò)建礦井通風(fēng)系統(tǒng)在線調(diào)節(jié)方法和裝置的研究。相關(guān)文獻(xiàn)雖然針對(duì)礦井內(nèi)不同的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)提出了一些調(diào)節(jié)裝置，但無論是在理論上，還是在實(shí)際礦井通風(fēng)系統(tǒng)上都是局部的監(jiān)測和局部的調(diào)節(jié)。部分文獻(xiàn)表示，可以通過不斷的調(diào)節(jié)礦井內(nèi)風(fēng)道的卷簾門開啟的高度，利用風(fēng)自身的流速使卷簾門處的風(fēng)量達(dá)到預(yù)期風(fēng)量值，但在原理上根本就行不通，因?yàn)榈V井中各風(fēng)道相互制約，整體風(fēng)道都要滿足平衡定律，假設(shè)，礦井中有兩個(gè)風(fēng)道，采用并聯(lián)方式排列，即做A和B，要想使A風(fēng)道的通風(fēng)量達(dá)到最大，需將A風(fēng)道卷簾門開啟到最大，而且要把所在B風(fēng)道的卷簾門關(guān)閉到最小，通過不斷的節(jié)A風(fēng)道的通風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)風(fēng)量。但通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證證明無法達(dá)到預(yù)期效果，并且A風(fēng)道產(chǎn)生的風(fēng)流同時(shí)影響其他風(fēng)道，造成整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)混亂。現(xiàn)科研人員發(fā)明了卷簾式、百葉窗式、推拉式及其它們的組合的門窗智能調(diào)控裝置，利用這些智能調(diào)控裝置能在不影響正常運(yùn)行的情況下，可進(jìn)行大范圍的通風(fēng)量調(diào)節(jié)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)識(shí)別和全局優(yōu)調(diào)優(yōu)控方案計(jì)算，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)控的改建擴(kuò)建礦井通風(fēng)系統(tǒng)智能化。

2.2 故障診斷技術(shù)與整體優(yōu)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀分析

實(shí)際上，要實(shí)現(xiàn)改建擴(kuò)建礦井中通風(fēng)系統(tǒng)的故障診斷，要用到：識(shí)別風(fēng)阻異常、構(gòu)筑物的狀態(tài)異常、熱力風(fēng)壓異常等相關(guān)礦井通風(fēng)系統(tǒng)知識(shí)，即狀態(tài)識(shí)別方法和風(fēng)道參數(shù)識(shí)別方法進(jìn)行解決。

關(guān)于改建擴(kuò)建礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化問題的研究，一般有線性規(guī)劃法、最大通路法、非線性規(guī)劃法，以及固定風(fēng)量法等。其中，最大通路法和線性規(guī)劃法對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行大量的簡化，計(jì)算結(jié)果只是在特定的某種條件下的近似解。固定風(fēng)量法定解礦井通風(fēng)求出的風(fēng)阻可能為負(fù)值，使得方案不可行。非線性規(guī)劃方法雖然沒有對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡化，但就最優(yōu)調(diào)節(jié)的一系列問題而言，黃元平，李湖生的《非線性規(guī)劃解法的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)節(jié)問題》將礦井內(nèi)風(fēng)道的風(fēng)壓作為可調(diào)節(jié)的變量進(jìn)行處理，這種處理方法對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)而言，其計(jì)算結(jié)果有很多不可行之處，例如當(dāng)風(fēng)壓調(diào)節(jié)值的正負(fù)數(shù)值和風(fēng)流方向不一致時(shí)，就只能通過采用輔助通風(fēng)機(jī)或者降阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，這在礦井中大部分地點(diǎn)是不允許的。

3 結(jié)語

本文提出了改擴(kuò)建礦井通風(fēng)智能化技術(shù)的研究現(xiàn)狀分析，基于改擴(kuò)建礦井通風(fēng)智能化技術(shù)體系的現(xiàn)狀分析，以及改擴(kuò)建礦井通風(fēng)智能化技術(shù)能力的研究現(xiàn)狀分析，完成提出的現(xiàn)狀分析。希望本文的研究能夠?yàn)楦臄U(kuò)建礦井通風(fēng)智能化技術(shù)研究提供理論依據(jù)。