智能化通风技术在煤矿瓦斯治理中的应用研究

作者简介：赵攀攀（1987.11—），男，汉族，河南永城人，本科，中级工程师，主要研究方向为煤矿开采。999Sep127··第42卷第期2026年月ITREPORT,No.,202线大幅前移。2煤矿瓦斯治理智能化通风系统的架构2.1信号采集单元信号采集单元是系统基础单元，负责获取一切与通风安全和瓦斯治理相关的原始物理、状态信息，主要由如下组成部分构成：一是环境参数传感器，主要包括瓦斯（CH4）传感器（催化燃烧式、红外式）、风速传感器（超声波式、热敏式）、风压传感器、温度传感器、一氧化碳（CO）传感器、氧气（O2）传感器、粉尘浓度传感器等［2］。这些传感器需满足矿用防爆标准，并具备高精度、高稳定性与自诊断功能；二是设备状态传感器，主要用于监测主要通风机、局部通风机的开停状态、电流、电压、振动、温度等，并用于监测风门、风窗的开闭角度或位置，以及监测调节设施的工况；三是生产活动信息，即通过矿山生产系统获取采掘工作面的位置、推进速度、产量等信息，这是预测瓦斯涌出变化的重要输入参数［3］。对于采集单元的布置，需做到科学规划，覆盖所有进回风巷道、采掘工作面、硐室、采空区密闭墙内外等关键节点，形成立体监测网络。2.2信号转换单元信号转换单元负责对采集单元输出的各类模拟或数字信号进行标准化处理、协议转换，并通过工业网络进行可靠传输，主要包括如下几点：一是分站与网关，传感器信号通常先接入就近的监控分站或数据网关，随后，这些设备会对信号进行初步处理，并按照统一的通信协议（如Modbus、OPCUA）进行封装；二是传输网络，如采用矿用工业以太环网作为骨干，结合井下无线通信网络（如5G、UWB），形成有线无线融合、高带宽、低延迟的数据传输通道，确保海量监测数据及控制指令的实时、可靠交互。2.3人机界面人机界面（HMI）是系统与通风管理人员、调度人员进行交互的“窗口”，通常位于地面调度指挥中心，其主要功能是，是以图形化、可视化的方式，如通风系统图、三维立体图，动态展示井下各监测点的实时数据、设备状态、通风网络风流分布，并通过箭头大小、颜色表示风速与方向。此外，人机界面还可提供历史数据查询曲线、报警信息列表、报表生成、手动远程控制入口等功能。界面的设计需做到直观、友好，信息呈现层次应尽可能清晰，同时支持多屏协同与大屏展示，便于操作人员快速掌握全局、定位细节。2.4上位机系统上位机系统部署在地面数据中心服务器或云平台上，是软件核心所在，其主要功能模块包括如下几点：一是数据存储与管理，通过构建实时、历史数据库，可对海量的时序监测数据、设备日志、操作记录进行高效、安全的存储、压缩与归档，为数据分析提供基础；二是数据分析与模型计算，例如，可建立与井下实际拓扑一致的通风网络数学模型，实时解算，获取全网风量、风压分布，诊断通风阻力异常区域；三是瓦斯涌出预测与扩散模拟，即基于采掘活动、地质数据与历史瓦斯数据，利用时间序列分析、机器学习模型，预测未来时段瓦斯涌出量，并结合计算流体力学（CFD）技术，模拟瓦斯在复杂巷道中的积聚、运移规律；四是系统稳定性分析，即评估通风网络的稳定性，识别薄弱环节，进行通风系统抗灾变能力仿真；四是智能预警，即基于分析结果，建立多级预警模型，对单一参数超限或多参数耦合异常、趋势异常（如瓦斯浓度梯度异常增大）进行识别，实现早期预警和关联预警；五是智能调节，系统根据安全规程、实时需求（如瓦斯浓度、工作面需风量）和优化目标（如总能耗最小），利用智能优化算法，自动计算出一组最优的风量调节指令集。该模块可设置为辅助建议模式，提供方案供人工确认，也可在安全许可范围内自动执行；六是应急联动控制，即预设火灾、瓦斯突出、爆炸等重大灾变情景下的控风预案，一旦系统判定进入某类灾变状态，可自动一键启动应急预案，快速调整通风设施，构筑控风屏障，引导有害气体流向，为人员逃生和救灾争取时间。图1展示的是一例煤矿智能化通风系统架构示例，实际设计中，可根据具体需求，结合上文所述要点，对其中的模块实施差异化调整。图1煤矿智能化通风系统架构示例3智能化通风技术在煤矿瓦斯治理中的应用路径3.1布置传感器对传感器的布置需遵循“全面覆盖、重点突出”的原则。举例而言，在矿井总进风、总回风、各水平、各采区的进回风巷、主要硐室入口，可设置风速传感器，掌握全矿风量分配基础数据，而在几个关键点，如采掘工作面，可在风机出口、回风流，以及采煤工作面的上隅角、回风巷距工作面10~15米处，设置瓦斯传感器［4］。一般来讲，上隅角是瓦斯易积聚点，常需增设多参数传感器，或布置抽排设施来实施联动监测。在通风构筑物前后，可设置压差传感器，评估其可靠性，在盲巷、废弃巷道密闭墙外，可设置瓦斯传感器。在采空区，可通过预埋或钻孔的方式安装传感器，监测采空区内部瓦斯、温度变化，预防自然发火。此外，还可在主要通风机处布置传感器，监测风机性能曲线的关键参数，如风压、风量、效率等。999Sep128··第42卷第期2026年月ITREPORT2,No.,20263.2故障监测智能化系统的核心功能是实施故障检测，目前比较常见的故障类型包括如下几种：一是通风动力故障，如主要通风机叶片角度异常、电机效率低，局部通风机停转，以及风筒破损漏风；二是通风网络故障，如风门非正常启闭、调节风窗卡滞、巷道发生局部冒顶或堵塞导致风阻突变；三是监测系统故障，如传感器漂移、失效、通信中断等。常用的智能诊断方法包括如下几种：一是基于实时数据的阈值与趋势报警，如对风机电流、风压、风速等参数，设置安全运行区间，一旦超限或发生骤变，系统会立即报警；二是基于通风网络实时解算的模型诊断，此方法下，系统后台会持续运行通风网络解算数字孪生模型，将实时监测的各节点风量、风压数据与模型理论计算值进行对比分析，当某个分支或区域的实际值与理论值出现偏差时，系统可自动推断故障类型，例如，某条巷道实测风量大幅减少，而模型显示其前后节点压差正常，则可推测该巷道发生了局部堵塞；三是多源信息融合诊断，技术人员可结合视频监控、设备开停信号、声学监测等多维度信息，对故障进行交叉验证，提高诊断准确率。系统在实施故障诊断后，可生成故障诊断报告，如提示技术人员疑似故障类型、影响范围、建议处置措施，从而极大提升了故障处理效率。3.3有害气体监测有害气体监测的主要要求，是超越浓度监控，实现对瓦斯时空演化规律的洞察，例如，可利用布置在井下空间的数十乃至上百个瓦斯传感器，结合巷道三维地理信息系统，通过空间插值算法，实时生成井下瓦斯浓度等值面图或云图，此种情况下，管理人员可直观地看到瓦斯在巷道网络中的分布、积聚区域及其变化趋势［5］。在此基础上，系统可自动关联并分析瓦斯数据与多元变量，例如，可与生产活动关联，分析采煤机割煤速度、推进度、掘进进尺与回风流瓦斯浓度变化曲线的相关性，量化单位产量瓦斯涌出量，并建立动态涌出预测模型；再如，可与地质因素相关联，如可结合地质勘探数据，分析过断层、煤层厚度变化、顶板周期来压期间，瓦斯涌出的异常特征，提前预警地质构造带的瓦斯风险；再如，可与通风参数相关联，分析风速变化对瓦斯积聚速率的影响，找出易积聚的“通风死角”，为优化局部通风设计提供依据。对于重点区域，如采煤工作面上隅角、复杂巷道交汇处，可建立精细化计算流体力学（CFD）模型，将实时监测的边界条件输入模型，模拟未来短时间内瓦斯的运移和积聚过程，同时，可利用长短时记忆网络（LSTM）等时间序列预测算法，基于海量历史数据训练模型，预测未来数小时工作面或区域的瓦斯浓度趋势，实现从“现状监测”到“趋势预报”的升级。3.4智能预警相关工作者可建立分层次、分等级的预警体系，将事故防线最大限度前移。例如，针对已发生的事故，严格执行《煤矿安全规程》规定的报警浓度阈值。这一预警层级一旦触发，系统立即在监控大屏、相关终端上发出声光强警，并自动弹出关联摄像头画面，启动应急预案提示；针对即将发生的事故，系统可通过算法识别以下弱信号：一是速率预警，如某点瓦斯浓度虽未超限，但单位时间内上升速率超过设定阈值，如30分钟内上升超过0.3%；二是关联预警，瓦斯浓度缓慢上升的同时，该区域风速持续下降，温度异常升高，或CO微量出现等耦合信号；三是概率预警，即基于预测模型，输出未来一段时间内瓦斯超限的概率值，当概率超过某一等级，即发出预警。此外，当主要通风机运行工况点进入不稳定区、通风网络解算显示某关键分支风阻异常增大，影响全局，或多区域同时出现瓦斯小幅度波动，提示可能有大的地质变化，系统需给出红色警报，提示技术人员需对系统进行全面的安全评估。3.5风量调节常态调节中，系统可以“保证所有作业地点瓦斯等有害气体浓度不超限”为硬约束，以“总通风功耗最小”或“风机运行效率最高”为目标函数，周期性或触发式运行优化算法，自动调整变频风机频率，远程控制调节风窗开度，实现风量的精准分配。在接到重大灾害预警后，系统可自动调用对应应急预案，在数十秒内完成一系列风门、风窗、风机的联动控制，快速改变风流路径，隔绝灾变区域，保障逃生路线安全。3.6成效分析系统需持续记录所有运行数据、调节动作和预警事件，为优化管理提供数据支撑。例如，可进行安全成效分析，统计瓦斯超限次数、时长、预警准确率、应急响应时间，并量化评估技术应用前后的安全水平提升程度。再如，可对比应用前后通风电耗、分析“避峰就谷”运行效果，计算节能效益，进行经济与节能分析。长远角度上，通过分析传感器故障率、网络通信稳定性、控制执行成功率，可持续优化系统设计。系统可自动生成日、周、月运行报告，总结规律，发现问题，为通风系统改造、生产接续计划提供决策依据。4结语综上所述，智能化通风技术是煤矿瓦斯治理从被动应对迈向主动防控的革命性突破，它通过构建感知、决策、执行的闭环系统，可实现瓦斯风险的超前预警与风量的动态、精准调控，显著提升矿井本质安全水平。在后续的研究中，需深化该系统与地质、采掘系统的融合，并借助数字孪生、边缘计算等前沿技术，推动系统向自学习、自适应方向发展，为构建安全、高效、绿色的现代化煤炭工业提供坚实支柱。参考文献：［1］周俊虎.智能化通风技术在煤矿瓦斯治理中的应用［J］.凿岩机械气动工具,2025,51(11):186-188.［2］荣金厚.智能化通风技术在煤矿瓦斯治理中的应用研究［J］.凿岩机械气动工具,2025,51(9):216-218.［3］王浩,刘家霖,王青海.智能化通风技术在煤矿瓦斯治理中的应用探索［J］.内蒙古煤炭经济,2025(6):163-165.［4］刘海军,孙庆灿,吕超.关于煤矿瓦斯灾害防治技术及其应用［J］.内蒙古煤炭经济,2024(23):139-141.［5］姚吉荣.煤矿瓦斯防治安全分析［J］.能源与节能,2024(4):314-317.999Sep129