智能通风专题：中小矿井通风网络解算与智能通风系统解决方案

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智能通风专题

中小矿井通风网络解算与智能通风系统解决方案

针对中小矿山企业智能化矿井建设需求，金码软件定制了针对中小矿山企业“低投入、高成效”的智能通风系统建设方案，大幅降低智能通风建设投入的同时，以高标准的要求搭建智能通风系统框架平台，最大幅度实现和发挥智能通风系统建设效果，助力中小型矿井在智能通风领域与大型现代化矿井跑在同一起跑线。

中小矿井通风网络解算

与智能通风系统解决方案

一、系统建设背景

矿井通风系统是矿井安全生产最重要的辅助生产系统。以往矿井安全事故统计发现，但凡能造成重特大事故发生的，一般都与通风系统有关，或者是通风系统不合理，或者是通风系统本身就没有完整地形成，导致有毒有害气体集聚、瓦斯爆炸、煤尘爆炸等重特大事故。随着矿井生产的不断推进，矿井通风系统需要相应动态调整，以满足井下用风点对新风的需求，并将井下污风排出井外。

智能通风是未来矿井通风发展的趋势。通过前端传感器采集准确可靠的现场数据，经过矿山通信系统将主要监测点数据汇总到控制中心，基于地面三维通风智能决策分析系统对通风实时数据进行分析决策，控制中心将通风调度和系统调整指令发送给调风执行机构。智能通风系统建设的目标是实现按需通风，保障安全生产、降低通风能耗。煤炭工业智能化矿井设计标准(GB/T51272—2018)首先提出矿井需监控全矿通风网络的运行状态参数，实现矿井通风网络和主要通风机工况模拟解算、各类风门自动控制和远程控制、主要通风机自动无级调节、一键式操作且无人值守等功能规定。各省智能化矿山建设标准均对矿井智能通风系统建设提出了要求，总体包含三个方面：

（1）实时可视化通风管理：从地面实时对全矿井通风系统进行参数监控，以三维通风网络模型为基础进行通风系统动态分析，实时提出通风系统调整方案，通过执行机构动态调整风机、风门、风窗工作状态，从而实现全矿井按需通风，帮助降低能耗、保障安全生产。

（2）通风系统动态优化、按需供风：智能通风系统通过使用实时数据，不断优化矿井风流配置，以实现矿井中所有采场、掘进面和其他工作区域的动态风量要求，并在全矿井供风量达到峰值时，按照区域优先级保障重点区域通风需求。

（3）企业合理投资、最大限度兼容现有设备：智能通风系统需最大限度的兼容现有通风设施，并增加必要的参数传感器和控制装置。

通风系统数值分析模型的建立、以及对井下主要位置实时风量的精准测量是实现智能通风的前提。准确的通风系统数值分析模型是建立智能通风系统的基础，金码在该领域具有十五年的经验积累，公司研发的GinVent三维智能通风决策分析平台具有完全自主知识产权，软件平台达到国际先进水平，是目前为数不多的兼具三维通风数值分析、智能通风分析决策和通风数字孪生功能的专业软件平台，可定制对接任意第三方系统和硬件设备，为矿井智能通风系统建设提供软件支撑。

图1 GinVent三维智能通风管控平台

二、智能通风系统实时步骤和系统整体架构

矿井智能通风系统是一项复杂的系统工程，关键技术包括：通风系统数值分析模型的建立与动态维护、井下主要位置通风参数实时精准测量、通风网络实时解算与数据可视化展现、基于实时数据的动态调风与控风策略制定与迭代优化，通风系统灵敏度与可靠性分析与检验、通风能效的评价与管理等，应用计算机信息技术与人工智能技术，结合矿井通风专业技术，建立安全、可靠、经济、实用的矿井智能通风系统，逐步实现矿井通风系统的自动化和智能化，将对矿井安全生产和减员提效起到重要作用。

通常来说，智能通风系统不是一蹴而就的，很难通过一个项目便完全建成并高枕无忧。智能通风系统建设需最大限度兼容矿井现有通风设施，同时在运行中不断迭代智能控风策略，建立适合本矿井的智能通风决策分析平台。推荐各矿井通过整体规划、分步投资和实施的方式来建立智能通风系统。典型智能通风系统项目实施步骤如下，各矿可以参照本矿井已经具备的条件分步实施。

第一步：采用专业软件系统对全矿井通风网络和通风基础设施进行三维建模和分析，建立通风网络解算平台，选择网络解算平台需充分考虑数据兼容性和易维护性，解算分析平台需具备数据接口或定制数据接口的能力，可以接入第三方子系统的数据，同时也应具备将解算分析数据通过数据接口自动提供给自动化控制系统能力。

第二步：对现有风门、风窗、风机设备进行升级改造，实现主要通风设施在线监测与远程自动控制，并将通风设施在线控制系统主要数据接入通风网络解算分析平台，结合三维解算平台数据分析和三维数据展现的功能，建立矿井主要通风设施数据孪生系统，实现数据同步与联动控制。

第三步：将矿井现有监测监控系统、测风系统、视频监控系统、火灾监测系统、人员定位系统等系统主要传感器数据接入通风网络解算分析平台，基于优化设计的通风系统，提出新增精准风速传感器、压差传感器、和多参数环境传感器布置要求，并将新增传感器接入网络解算平台。超声风速传感器，从测风原理上优于传统风速传感器，选择技术成熟、数据准确稳定的传感器非常重要。

第四步：基于矿井实际，优化制定智能控风策略，智能通风系统基于前端传感器实时数据、三维数值分析平台实时解算，以符合实际的智能控风策略驱动前端通风设施动作，完成动态调风和按需供风。

第五步：智能通风系统不是一蹴而就的，随着生产的推进，数值分析模型、智能控风策略都需要迭代演进，确保模型准确有效，智能通风系统才会自动使用最新实时数据自动计算调风、控风参数，并与前端设备联动实现智能调风。

准确可靠的三维通风数值分析模型是智能通风决策分析的基础，是智能通风系统成功运行的关键。

典型智能通风系统逻辑结构图如下图所示：

图2 典型矿井智能通风逻辑结构

三、GinVent智能通风决策分析平台

GinVent三维智能通风决策分析系统以流体力学和空气热力学为基础，通过对包括巷道、掘进面、采场、风机和通风构筑物等在内的通风网络分支进行建模和参数设置，通过网络解算，系统可模拟计算整个矿井通风网络中的风量、阻力、热量、温湿度、烟雾、粉尘和气体浓度动态分布，并以三维动态图形方式进行展现。GinVent可模拟火灾状态下矿井通风网络参数动态变化。

GinVent系统平台实现矿井通风全要素、全流程、全数据的集成和融合，达到当前矿井通风系统风流最优配置、灾害情况下风流快速调整和重点保供、未来通风系统调整方案及效果定量预判。通过三维建模，系统将复杂的通风参数和通风过程以三维动态图形的方式简单、直观的展现出来，基于GinVent平台，矿井通风管理人员可进行：矿井通风系统管理与优化，通风系统薄弱环节三维可视化展现与实时数据报警(如：风速过大、微风、污风循环)，通风系统调整方案制定及预先仿真模拟（如：预测巷道贯通、延伸、密闭、工作面搬迁或者风机叶片角调整后通风系统通风能力和稳定性），应急预案制定及避灾线路动态分析，风机工况点展现和假设性预测，自然风压分析，井下岩温、风温及火灾条件下非稳态通风系统模拟分析，反风演习模拟与分析、通风系统经济性分析，通过接入风机、井下环境参数、精准测风数据、主要有毒有害气体参数、通风构筑物状态数据，可实现智能分析、实时按需调风，帮助矿井实现实时、动态、合理和科学的通风管理。

GinVent系统通风网络解算算法经过多年实际工程验证，软件计算结果在复杂通风系统矿山中得到验证。系统适用于包括煤矿、金属非金属矿井在内的井工矿山，系统既可作为矿山建立智能通风系统的通风网络解算与通风决策分析支撑平台，也可以用于生产矿山通风管理、井下环境与通风能耗参数管理的重要工具。

图3接入三维激光扫描数据

3.1 GinVent与第三方数据集成

目前，智能通风已经成为井工矿井发展的必然趋势。通过布置前端传感器采集井下环境、通风构筑物、风机等准确可靠的现场数据，通过网络将主要实时数据汇总到控制中心，基于地面三维通风决策分析系统对通风实时数据进行分析决策，控制中心将通风调度和系统调整指令发送给调风执行机构。从而实现按需通风，降低通风能耗，保障安全生产。

图4 接入文本、数据库、Modbus实时数据

GinVent三维智能通风决策分析系统需接入的设备和系统包括包括：

（1）主扇、局扇风机：变频调速、风机开停；

（2）通风设施：风门、风窗、其他增阻设备（监测状态、自动控制）；

（3）监控数据：实时通风参数（风压、风量或风速、温度、湿度、大气压），一氧化碳等气体参数，粉尘、柴油机尾气等环境参数；

（4）其它系统数据：监测监控系统、人员定位系统、精准测风系统、车辆调度数据（按需调风）、视频监控系统、束管监测系统、避难硐室在线监测等。

GinVent通讯接口需支持多种协议，主要包括：

ModbusTCP/ SCADA/SqlDataSource/txt/csv等。

3.2系统功能特点及优势

1、金码软件公司在通风仿真领域具有15年技术开发和项目积累，系统经过大量工程验证和大量矿山现场检验，功能成熟，系统稳定，系统代表了通风数值模拟分析和通风实时三维展现的先进水平。通过大量矿山、设计院、高校客户应用证实：金码公司“矿井三维智能通风决策分析系统”是目前矿井通风专业功能性、实用性和易用性相对优秀的软件系统。

2、系统基于真三维可视化平台，系统界面直观、简单易学、后期维护简单。三维通风仿真系统兼容AutoCAD数据，可直接在现有ＣＡＤ格式图形文件基础上进行建模（导入巷道中心线、赋断面参数、拐点标高等），系统模型与实际矿井比例为1:1，可任意角度旋转、缩放、移动三维模型。通风系统模型直观反应矿下巷道的实际空间位置关系，整个矿井的通风方式、各通风设施一目了然、易于理解和掌控。

3、系统支持复杂风网（可支持30000条巷道），解算速度快，基本实现实时解算、风流动态展现，解算数据和实测数据误差小，可直接指导通风管理和应急救援。

4、多方案对比模拟功能：可针对可能的多种通风系统优化方案或局部通风方案进行假设性建模，系统可对假设条件下的解算结果进行对比分析，帮助更快验证和确定较优设计方案。

5、系统支持定制开发，通过开发可定制接入安全监测系统、人员定位系统、视频监控系统、火灾监测系统、局扇控制系统、主扇控制系统、风门风窗控制系统等第三方系统数据接口，将第三方系统数据集成到三维通风模型中，通过多元数据融合，在矿井实时通风网络解算的基础上，实现实时预警或动态调风。

6.系统具有完全自主知识产权，技术自主可控，可以根据甲方的需求进行定制开发。系统支持针对客户进行定制化开发，金码软件为系统提供长期稳定可靠的升级和维护服务。

7.系统技术成熟、易于推广，欢迎区域合作伙伴加盟发展。

图5 矿井通风系统实时解算与超限报警

图6 工作面回路

图7 根据参数或属性类别设置巷道不同颜色

（红色-回风巷道，绿色-新风巷）

图8 不同视角三维通风决策分析系统