金码软件公司自2009年开始最先在国内推广应用矿井三维通风动态仿真模拟系统，截止目前，在国内的用户数量超300家，在矿山企业、设计院、高校和咨询公司均有分布。随着我们与矿井通风行业的深入接触，让我们看到了目前矿井通风领域在应用现代技术手段方面还相对比较薄弱，大马拉小车情况普遍、通风管理主要依靠经验、缺乏定量分析工具和对通风系统数据的深度解译，导致不必要的能源浪费、未达标的井下工作环境每时每刻都在发生。
一、矿山通风系统管理总体现状
随着我国地下开采矿井开采深度逐渐加深，矿井通风管理难度也日益加大，主要表现在：井下巷道贯通点多、通风网络复杂、采空区漏风问题、通风设施缺乏有效管理、风机效率低下、采场等实际需风点风量不足、采场放炮与掘进巷道放炮后炮烟排放缓慢等，尤其在金属非金属矿山领域，严重缺乏专业通风技术人员，造成部分矿井通风系统设计不合理、滥用多级机站通风方式、通风系统整体紊乱等情况普遍存在。通风系统中存在的问题给矿井生产带来极大安全隐患。与此同时，由于采深加深而出现的地热和高湿环境的影响，造成井下作业人员劳动效率下降，无法发挥现有生产系统的产能。
而由火灾和炮烟等引起的中毒窒息事故一直是造成矿井人员伤亡的重大安全威胁，事故起数占比高，通常造成群死群伤等重大事故。以往事故调查分析表明，造成金属矿山井下中毒窒息事故的主要原因包括：通风系统设计不合理、未构成完整的进回风系统、通风管理制度不完善、风机效率低、采场风量不足，造成放炮后炮烟排出缓慢或者炮烟长时间滞留在采场内，或者放炮后产生的炮烟通过漏风点流向其他采场造对其他地点的人员造成伤害等等。这些原因均是由于我们对通风系统建设和管理的忽视或者技术薄弱而造成，均可以通过合理的构建矿井通风系统，加强井下通风管理来解决。
目前，我国金属非金属矿井通风管理水平还相对有限，大部分仍然主要依靠经验来进行管理。通风系统调整和风量调节，往往缺乏整体性和长期规划，头疼医头脚痛医脚，调风方案实施效果不理想，起不到预期的调风效果。与此同时，通风系统反复调整以及调风期间的通风系统不稳定状态，也给矿井安全生产带来隐患。所以，从科学合理通风管理考虑，矿山企业需要配置通风系统仿真模拟分析平台，通过建立全矿井三维通风仿真模型，来辅助矿井日常通风管理。
二、建立矿井三维智能通风决策分析系统的作用和意义
构建合理的矿井通风系统，就是根据矿井条件，选择最优的通风方式和通风方法，构建通风网络，利用通风动力，以最经济的方式，向井下各用风地点提供足量的新鲜空气，保持井下工作环境温度、湿度、空气质量条件适宜，保证井下作业人员的生命安全并提供良好的劳动环境，并且要求在发生灾害时，能及时而有效地控制风向及风量，并配合其它措施，将事故控制在一定范围内，防止灾害的进一步扩大。一套合理的通风系统对于保证矿井安全生产极为重要。
先进的矿山企业，往往都非常重视矿井通风安全定量评估工作。矿山通常配备专业人员或者委托第三方技术人员，采用先进的三维数值模拟分析和决策支持系统，定期对矿井进行通风定量评估优化工作。根据经验，一个矿井通常3-6个月需要对全矿井风量定量评估一次。我国目前的矿井通风能力核定，大多处于定性的评估阶段，虽然规程对全矿井通风阻力测定和日常测风工作进行了要求，但数据大多停留在纸面，缺乏对数据的深入建模分析和可视化解译。少数矿井也开展了相关的通风网络解算工作，但因为缺乏专业技术人员，通风数据分析管理总体还处于比较初级的水平。
为实现以上目的，必须借助于现代化的信息管理技术，以计算机作为辅助手段，来对矿井通风系统进行管理。使用计算机图形技术建立矿井真三维通风网络模型，对巷道的断面、风阻以及通风构筑物等参数进行赋值，实现通风系统的数字化和三维可视化，然后通过成熟的算法对通风网络数据进行处理、解算，对通风过程进行动态模拟，对矿井调风方案进行预先仿真模拟，从而为矿山安全管理决策提供定量的数据支持，提升矿井通风系统安全保障水平。
矿井三维智能通风决策分析系统建成后可作为矿山通风辅助决策分析平台，可广泛应用于：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预警(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、作业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，风机工况点分析，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以及以三维通风仿真为基础的通风管理决策支持等领域，帮助矿井实现实时、动态、合理和科学的通风管理。
未来现代化的矿井要求：矿井通风技术人员人人精通通风解算技术，用数据指导通风管理；通风系统调整前先建模模拟，拿出可行方法再实际实施，通过假设性分析和预先模拟基本杜绝通风系统安全隐患；接入井下环境监测系统传感器实时数据，基于实时数据进行通风动态管理，通过统一规划、分步实施的方式逐步建立智能通风系统。矿井通风管理水平的提高，将大幅提升矿井安全生产保障水平、改善井下作业环境，降低矿井能耗。
图1 GinVent矿井三维智能通风决策分析系统
三、矿井通风系统三维建模技术服务
通过全矿井通风阻力测定，通风系统三维数值分析建模，通风系统现状定量分析与数据展现，通风系统优化方案制定、建模与预先模拟等内容，通过三维建模，定量分析当前矿井通风系统的通风阻力分布状况、风机工矿点、通风构筑物调风效果、风流热量交换等，确定通风系统关键参数，提出矿井通风系统优化方案；应用GinVent矿井三维智能通风决策分析系统构建矿井通风系统模型，从多维度对通风系统优化改造方案进行预先效果模拟，通过对比分析，确定最优矿井通风系统优化改造方案；针对矿井今后5～10年内开拓开采规划，对中远期通风方案进行预先模拟，甄选合理通风方案，预测未来通风系统参数，为矿井安全生产提供保障。
项目将充分考虑通风系统优化方案的经济性与可行性，所有方案和关键参数，均通过数值模拟分析软件进行建模并展现，可直接应用于后期通风系统改造工程。通过借鉴通风先进矿井的高标准和经验对通风系统管理进行改造，对矿井深部采区的开采进行通风保障模拟预测，提高矿井通风系统保障能力，从根本上解决通风系统存在的实际问题，从而保障矿井的安全高效生产和可持续发展。
通过项目所建立的GinVent三维通风仿真模型，是未来建立矿井智能通风系统的基础工程，在此基础上进一步接入主要测风站高精度风速传感器、环境监测实时数据和主通风机自动控制系统，建立主要风门、风窗远程自动控制系统，即可实现全矿井按需供风、自动调风，在保障矿井安全生产的前提下，最大限度降低通风成本，大幅缩短井下放炮后炮烟排出时间，提高生产效率。
三维建模主要研究内容包括：
（1）全矿井通风系统现场勘查、参数测定与现状评价
通过现场调研和井下实测，掌握全矿井风机、通风构筑物工作状态参数，掌握全矿井巷道空气动力学参数、围岩放热参数，这些参数包括：风速、巷道断面、巷道摩擦阻力系数、干湿球温度、风机运行工况、主要通风构筑物压力；主要中段巷道围岩岩性和原岩温度 (导热性、比热容、密度)；设备功率、使用率及活动位置；井下涌水及生产用水参数等。通过测量诊断系统外部漏风与内部漏风，确定漏风地点与漏风风量。
（2）全矿井通风系统三维可视化建模
依据第一步采集的全矿井通风系统基础数据、热力学数据和风机特性曲线数据，基于GinVent三维通风智能分析系统平台，构建全矿井通风系统可视化数值分析模型，模型1：1真实反映矿井巷道空间关系，并可随矿井通风系统的变化灵活进行开拓、延伸与密闭。通过模拟解算并结合通风实测数据对数值分析模型进行校准，将模型误差控制在国家标准范围之内，确保所建立的通风三维数值分析模型真实反映矿井通风系统现状。
（3）通风系统现状模拟与分析
通过三维建模与数值分析，对当前通风系统通风线路合理性、通风阻力分布状况、主要风机工况点、矿井自然风压、现有通风构筑物布置合理性等进行定量分析，用图形和数据动态展现当前通风系统的主要问题及造成原因，从而为确定通风系统合理参数、提出矿井通风系统优化方案建立实际数据支撑。
（4）通风系统优化方案拟定、三维建模及方案优化
在通风现状模拟的基础上，结合矿井现有条件和中长期开拓开采计划，拟定多维度通风系统优化方案，并建立对应的三维仿真模型，实现通风优化方案的数值化和可视化，预先模拟方案对应的通风优化效果，在此基础上优选能长期保障安全生产、实施成本经济的通风系统优化方案。通过方案定量确定矿井通风线路、主要巷道经济断面、风机布置与运行工况、构筑物设置与状态、通风系统经济边界参数、矿井降温经济边界参数等。
（5）通风系统优化方案实施技术指导
提供优化方案的具体实施指导，优化方案实施完毕后，对优化方案调风效果进行实测，并根据实测结果对调风方案进行微调。
（6）矿井通风管理制度编制及培训
协助编制矿井通风系统管理制度，并组织对相关管理技术人员进行通风系统管理制度培训，切实完善井下通风设施日常使用和维护管理。通过培训为矿方培养1~2名精通通风数值模拟分析技术的工程师。
图2 GinVent矿井三维智能通风决策分析系统