引言

深部高瓦斯矿井开采深度大、地质条件复杂，通风系统需克服更大阻力才能实现风量合理分配，而阻力分布不均易导致局部风量不足，引发瓦斯积聚，威胁矿井生产安全。当前部分矿井通风系统存在阻力集中、瓦斯稀释效率低等问题，因此开展通风系统阻力分布优化与瓦斯高效稀释技术研究，对保障深部高瓦斯矿井安全生产具有重要现实意义。

一、深部高瓦斯矿井通风系统阻力分布特性分析

（一）通风系统阻力分布规律

通过理论分析与现场实测数据结合，可明确深部高瓦斯矿井通风系统阻力分布规律。从通风网络整体来看，阻力呈现“主干巷道低、分支巷道高，近井口低、深部高”的分布特征：主干巷道断面大、支护规整，气流流动顺畅，通风阻力较小；分支巷道断面窄、转折多，且受地质条件影响易出现变形，导致阻力增大；随着开采深度增加，空气密度变化、巷道长度延长及瓦斯涌出量增加，均会使深部区域通风阻力显著高于浅部。实测数据还显示，同一巷道内阻力分布也存在差异，巷道入口、出口及拐弯处阻力相对集中，直段阻力分布较为均匀。

（二）阻力集中区域的形成机制

阻力集中区域的形成受巷道结构、地质条件与通风参数多因素影响。巷道结构方面，断面突变、巷道拐弯角度过大或连续拐弯，会导致气流运动方向与速度突变，产生局部涡流，加剧能量损失，形成阻力集中；地质条件方面，深部巷道受地压影响易出现变形、垮塌，导致断面缩小，同时岩层裂隙发育可能引发漏风，漏风气流与主气流相互干扰，增加局部阻力；通风参数方面，若局部巷道风量分配不合理，风速过高或过低均会增加阻力，风速过高易产生湍流，风速过低则可能导致瓦斯积聚，间接影响气流稳定性，进一步加剧阻力集中。

（三）通风阻力与瓦斯浓度的关联性

结合流体力学原理量化分析可知，通风阻力与瓦斯浓度存在显著关联性。当通风阻力增大时，局部巷道风量会相应减少，若风量低于瓦斯稀释所需最低风量，瓦斯无法及时被带走，导致浓度升高；阻力集中区域往往伴随气流紊乱，紊乱气流会阻碍瓦斯与新鲜空气的充分混合，形成瓦斯积聚死角；同时，高阻力区域通风系统稳定性差，一旦出现风机故障或巷道堵塞，阻力骤增会导致风量骤降，瓦斯浓度在短时间内快速上升，增加爆炸风险。通过建立阻力与瓦斯浓度的关联模型，可量化不同阻力值对应的瓦斯浓度临界值，为通风系统优化提供明确依据[1]。

二、通风系统阻力分布优化模型构建

（一）基于通风网络理论的多目标优化模型

基于矿井通风网络理论，构建以“最小化通风阻力、均衡风量分配”为核心的多目标优化模型。模型以通风网络中各巷道的阻力系数、断面尺寸、长度等为输入参数，将总通风阻力最小化与各巷道风量偏差最小化作为优化目标——总通风阻力最小化可降低风机能耗，减少系统运行成本；风量偏差最小化能确保各用风点风量满足瓦斯稀释需求，避免局部风量不足。模型约束条件包括风机风压限制、巷道风速限制及瓦斯浓度限制，确保优化结果符合矿井安全运行要求。

（二）模型的数值模拟与算法求解

采用数值模拟与智能算法结合的方式求解优化模型。首先利用通风网络模拟软件构建矿井通风系统数字模型，输入实测的巷道参数、阻力数据与瓦斯涌出量，模拟不同工况下的阻力分布与风量分配情况，为模型求解提供基础数据；接着选择适用于多目标优化的智能算法，对模型进行求解——算法通过迭代搜索，生成多组Pareto最优解，每组解对应不同的阻力与风量分配方案；最后通过对比分析各最优解的风机能耗、风量均衡度与瓦斯控制效果，筛选出兼顾经济性与安全性的最优方案，确保模型求解结果的实用性。

（三）优化前后的系统性能差异分析

对比优化前后通风系统的性能差异，可验证模型有效性。从阻力分布来看，优化后阻力集中区域的阻力值显著降低，各巷道阻力分布更均匀，总通风阻力较优化前下降，风机运行负荷减轻，能耗降低；从风量分配来看，优化后各用风点风量偏差缩小，原本风量不足的区域风量得到补充，满足瓦斯稀释所需风量，同时避免部分区域风量过剩导致的能源浪费；从瓦斯控制效果来看，优化后的通风系统能更高效地将瓦斯稀释并排出，各区域瓦斯浓度均控制在安全范围内，瓦斯积聚风险大幅降低。性能差异分析表明，优化模型能有效改善通风系统运行状态，提升系统安全性与经济性[2]。

三、瓦斯高效稀释技术研究

（一）局部增风稀释技术

局部增风稀释技术通过增加瓦斯积聚区域的风量，提升瓦斯稀释效率。该技术主要通过两种方式实现：一是在瓦斯积聚区域附近的巷道内增设局部通风机，直接向积聚区域输送新鲜空气，局部通风机选型需根据积聚区域的空间大小与瓦斯涌出量确定，确保输出风量能有效稀释瓦斯；二是优化通风网络，通过调整巷道风门开度、清理巷道堵塞物，减少局部阻力，引导更多新鲜空气流向瓦斯积聚区域。局部增风技术的优势在于响应速度快，能快速缓解突发瓦斯积聚问题，但需注意局部通风机的稳定性与风量控制，避免风量过大导致巷道内粉尘飞扬或风速超限。

（二）定向抽采与智能调控技术

定向抽采技术针对深部高瓦斯矿井瓦斯涌出量大的特点，通过在瓦斯富集区域钻孔，利用抽采泵负压抽采瓦斯，从源头减少瓦斯向巷道空间的涌出量。钻孔位置与深度需结合地质勘探数据确定，确保精准定位瓦斯富集区；抽采参数需根据瓦斯涌出量动态调整，避免抽采过度导致巷道顶板变形。智能调控技术依托物联网与传感器，实时监测各区域瓦斯浓度、风量与阻力数据，当监测到瓦斯浓度接近安全阈值时，自动触发调控指令——如增加局部通风机转速、调整抽采泵负压或打开备用通风通道，实现瓦斯稀释的实时化、精准化控制，减少人工干预的滞后性。

（三）复杂地质条件下的技术组合方案

针对深部高瓦斯矿井复杂的地质条件，单一稀释技术难以达到理想效果，需采用技术组合方案。典型组合方案为“定向抽采+局部增风+智能调控”：定向抽采技术从源头控制瓦斯涌出，减少进入巷道的瓦斯量；局部增风技术补充局部区域风量，确保剩余瓦斯被充分稀释；智能调控技术实时监测并调整各技术的运行参数，实现三者协同工作——例如当智能系统监测到某区域瓦斯浓度上升时，先加大该区域的定向抽采负压，若瓦斯浓度仍未下降，再启动局部通风机增风，直至瓦斯浓度降至安全范围。技术组合方案能充分发挥各技术优势，适应复杂地质条件下的瓦斯稀释需求，确保矿井瓦斯控制的稳定性与可靠性[3]。

结语

本文对深部高瓦斯矿井通风系统阻力分布优化与瓦斯高效稀释技术进行系统研究，明确了通风阻力分布规律、构建了优化模型并提出了高效稀释技术组合方案。未来可进一步结合人工智能技术提升模型求解精度与智能调控的响应速度，同时探索适用于超深部矿井的通风与瓦斯控制技术，为深部高瓦斯矿井的安全高效开采提供更有力的技术支撑。

参考文献：

[1]闫振国,张龙成,王延平,等.矿井通风网络风阻智能校准研究[J/OL].工矿自动化,1-10[2025-10-17].https://doi.org/10.13272/j.issn.1671-251x.2025060004.

[2]杨中星，刘艳华.矿井通风大数据分析与预警机制研究[J].煤矿机械，2025,46(10):108-112.

[3]褚光辉，吕庆山，王运朋，等.矿井通风阻力影响因素分析及通风系统优化研究[J].内蒙古煤炭经济，2025,(16):7-9.