梁帅

（河北钢铁集团矿业有限公司承德黑山铁矿，河北，承德）

摘要:黑山铁矿作为地下金属矿山，其通风系统面临漏风现象普遍、有效风量利用率低以及粉尘与有毒有害气体（炮烟、柴油废气）防控难度大等严峻痛点。随着开采深度增加，通风网络错综复杂，传统静态解算与周期人工巡检难以应对采掘动态扰动。本文引入数字孪生技术，基于其“虚实映射、双向迭代、多维融合”三大支柱特征，依托CAD图纸与近期断面实测数据构建标准化动态通风模型，将孪生体作为常量基准比对实测异常数据，从而实现通风系统异常的主动诊断与预演防控。在局部巷道应用中，中国恩菲数字孪生平台已成功识别多处漏风、风墙漏风及电源接触不良等隐患；结合南非矿山秒级映射告警与宏坤矿井三维流场优化等案例，验证了该技术对提升异常定位效率、降低失衡漏报风险及保障本质安全的显著作用。研究表明，数字孪生推动通风运维由被动故障处理转向主动智能寻优，未来通过打通多源异构数据壁垒，构建采掘—供风—安防一体化平台，将为深地矿山透明化、标准化运营提供核心支撑。

关键词：黑山铁矿；数字孪生；通风系统；异常诊断；

    1 黑山铁矿通风现状与痛点

1.1黑山铁矿通风现状

          图1-1河钢黑山铁矿智能通风监控系统

井采一作业区对应黑山铁矿Ⅰ号采场。目前460m以上包含580m以上及580m~460m之间开采工程，均采用机械通风。

580m以上：多级机站（3级），总风量122.35m³/s，万吨耗风1.22m³/s。

580m~460m：两级机站，总风量142.96m³/s，万吨耗风1.43m³/s（变更后580~520m同此值）。

新鲜风自进风井/斜井、580m平硐进入，污风经回风井排地表。

机站配置

580m以上：Ⅰ级（580m天井联络道，K40-4-No11）、Ⅱ级（628m回风天井，K40-8-No14）、Ⅲ级（628m回风平巷，K40-6-No22）。

580~460m：Ⅰ级（580m天井联络道）、Ⅱ级（580m回风井石门）；风机为DK-6-No19、K-8-No15、DK-6-No20等（变更设计用FBCDZ/FKZ型）。

井巷与构筑物

进风：进风井（Φ5.5m）、750m斜井、580m平硐（辅进风）、排水平硐。回风：回风井（Φ3.7m，至580m，梯子间）。设风门等构筑物，专人维护。

局部通风

独头面用JK58、FBD等压入式局扇，风筒口距面≤10m，阻燃风筒。

1.2 黑山铁矿通风痛点

在保障国家战略性矿产资源安全方面，金属矿山发挥着举足轻重的作用。相关数据显示，随着地下开采的深度也在不断加大，截至2024年，我国开采深度大于1000米的地下金属矿山数量占比已超过三成。随着向地球深部进军，井下作业环境面临的通风问题日益突出，矿井通风网络的结构也变得更加错综复杂。

黑山铁矿通风系统，作为矿山的“呼吸系统”，它由通风机、通风构筑物、井巷网络及各类控风设施组成，承担着向作业面输送新鲜风流、驱散粉尘与有毒有害气体的关键职能，同时还能改善井下气候，守护矿工的生命安全与身体健康。该系统运行效率的高低及风量调节的精准程度，是衡量矿山能否实现安全高效开采的重要基础^{［1］［2］}。

受制于黑山的采矿工艺、地质环境以及生产组织模式，地下铁矿的通风系统在实际运行中始终存在以下棘手难题：

（1）漏风现象普遍，有效风量利用率不高

目前国内多数地下铁矿（如黑山铁矿）普遍应用无底柱分段崩落法采矿工艺，由于采空区未实施充填且相互贯通，地表易引发大范围塌陷。这使得新鲜风流往往经由塌陷裂缝、废旧巷道及采空区直接流失，产生风流“短路”现象。主扇风机因此消耗了大量无效能耗，造成全矿有效风量率处于较低水平。这种做法既造成了高昂的电费支出，又使得一线采掘工作面难以获得充足的风量补给。

（2）粉尘及有毒有害气体（炮烟、柴油机废气）防控难度大

高浓度的粉尘危害：在铁矿的凿岩、爆破、装载与运输等生产工序中，会释放巨量可吸入性矽尘，极易诱发矿工尘肺病。尤其在通风受限的独头掘进巷道内，粉尘悬浮时间长、沉降速率慢。

柴油设备尾气积聚：随着矿山机械化程度提升，柴油驱动的铲运机与运输卡车等无轨装备被广泛使用，其排放的CO、氮氧化物及碳烟微粒若遇到供风不足或风流循环不良的情况，便会在局部空间内大量累积。

爆破炮烟难以及时排出：爆破作业生成的CO与氮氧化物等炮烟，若因通风网络的风流分配失当而无法快速稀释外排，不仅会大幅延长采掘作业的循环周期，还会带来严峻的窒息与中毒隐患。

2数字孪生技术理论框架

早在2003年，学者Grieves便前瞻性地勾勒出数字孪生（Digital Twin, DT）的理论雏形；直至2010年，美国宇航局（NASA）在航天工程实践中对其进行了正式界定与命名。广义而言，该技术旨在借助先进的数字化建模工具，在信息空间内为高维度的物理实体打造一个高度拟真的虚拟映像。它远不止于静态的三维几何展示，而是依托海量实时传感数据驱动与高精度的动态仿真，贯穿工业制品从设计、制造到运维的全生命周期，促成虚实两端持续的交互反馈与自主闭环寻优，这也使之区别于传统的离线CAE仿真^[5]。

从学理层面剖析，数字孪生的三大支柱特征尤为关键：

首先是“虚实映射”，它依赖广域部署的物联网终端，确保物理资产与数字模型的状态参数实现同步。

其次是“双向迭代”，虚拟端的演化预测能够作用于实体端的控制策略，形成具备前瞻性的控制闭环。同样，实体端的客观存在够反向作用于虚拟端的优化完善，提供不同作业更加接地气的独立模型

最后是“多维融合”，即将空间几何、物理机理与历史数据挖掘进行深度耦合。当前学术界与工业界普遍采纳“物理实体-虚拟实体-孪生数据-服务系统-连接通道”的五维结构联系。支撑这一框架落地的底层技术架构涵盖多源数据融合、高保真度几何与物理建模、低延时实时仿真引擎以及沉浸式可视化交互等^［6］。

聚焦至矿业工程场景，面对地下铁矿通风网路普遍存在的微小漏风难以察觉、粉尘毒气管控难度大等问题，数字孪生已跃升为驱动智能矿山建设的核心杠杆技术。通过构建虚拟孪生体，工程师能够在虚拟环境中秒级复现复杂的井下风网，精准推演爆破炮烟与悬浮粉尘的输运轨迹；结合气象与工况边界条件，系统可前瞻性预估主通风机的电力消耗峰谷，并借助寻优算法动态生成分风调控指令，从而切实达成“按需供风、节能降碳”与作业场所的本质安全^［4］。

值得注意的是，现阶段该技术正努力打破早期单点环节的实验室验证壁垒，朝着采选冶全产业链、全业务流程的协同闭环管控方向深度演进，力求化解数据孤岛并提升模型泛化能力，为深部矿山的透明化运营提供数字基石。

3 黑山铁矿数字孪生模型构建论证

3.2标准化动态通风模型建立

基于黑山铁矿现有巷道的CAD三维图及近期断面实测数据，解析出节点与分支的关联，据此搭建三维通风网络的基础骨架。

依据《冶金矿山通风设计规范》，为各巷道分支标定标准的通风参数，并整合通风机特性曲线库，由此生成初始的“标准化”静态模型。

进而基于理想工况构想，为该静态模型注入动态通风效能，驱动其在数字空间内按预设作业逻辑运转，从而演化为动态的“标准化”模型^［3］。

3.3挑战

但要注意的是，现有地下矿山数字孪生系统的数据来源较为复杂，且对建模能力与地下矿井经验要求较高，除去通风系统以外，可视化多为二维或静态三维，难以满足矿山复杂场景的需求。

3.4异常诊断对比实验设计

当真实的通风系统与孪生通风系统出现差异时，则有以下两种可能发生的情况：

（1）真实的通风系统出现的异常数据，其指向了目前通风的问题，比如漏风问题，温度气压差问题，传感器失灵等。快速准确的判断后解决此类问题。

（2）孪生通风系统较为简单理想，忽略了实际生产情况中客观存在的事物以及各个矿山系统之间的影响。例如潮湿多水或井口内外带来的温度差，溜井口也会导致漏风等，需要进一步完善孪生通风系统。

总之，孪生通风系统作为常量基准，用以比对实测真实的通风系统出现的异常数据。提高地下铁矿通风系统异常诊断的准确度。

4 应用效益与改变

4.1 黑山铁矿的推行使用

在局部巷道，使用中国恩菲数字孪生平台，配合通风系统图、近期反风实验数据，风速传感器数据以及各类通风构筑物台账，构建局部巷道天井数字孪生模型，取得了一定成果。通过数字孪生模型，已经发现多处漏风情况、电源接触不良、风墙漏风等问题并予以解决。同时由于矿山其他系统以及客观情况的影响，数字孪生模型持续升级中，下一步主攻带水的巷道，将温度湿度纳入参考。

4.2 漏风地点诊断实例

现有研究已充分印证数字孪生技术在矿山通风系统中从实时异常诊断到系统状态优化的全链条实用价值。

在通风安全监控与异常诊断维度，《南非矿山部署数字孪生技术优化通风系统》所述案例表明，其数字孪生通风系统实现了物理空间的秒级映射，通过持续输出“预期风量vs实测风量”等可量化比对结果，可在风流短路发生时90秒内触发三级告警并推送复位方案；现场上线后，通风失衡导致的局部高温报警数量下降73%，实质性提升了异常定位与诊断效率，有效降低了失衡漏报风险。

与此同时，在通风系统定量分析与状态识别层面，《基于三维通风数字孪生系统的通风系统优化研究》以宏坤金属矿井为对象，构建了矿区三维通风数字孪生系统，通过开展通风系统现状定量分析及柴油车尾气扩散路径模拟，精准刻画了系统运行状态与异常流场特征；基于此的优化方案使深部有效风量实现翻倍，并大幅缩短了污风排出时间。综上所述，上述文献分别从“秒级映射与快速告警”的安全管控角度和“三维定量与流场刻画”的系统优化角度，共同印证了数字孪生对矿山通风全域感知与智能增效的支撑能力。

5 总结与延申

5.1总结

依托于虚实空间的同步差异表现、海量信息瞬时互馈、高保真模拟预演以及智能寻优辅助等禀赋，数字孪生技术为化解地下金属矿风量分配失衡、微小漏风难以察觉及污风无序串联等顽固痛点提供了切实可行的技术方向。

传统通风系统多依赖静态网络解算与周期性人工巡检，难以实时应对采掘工作面频繁推进带来的动态扰动；而数字孪生凭借动态测算，能够持续比对预期与实测风量，高保真复现风流路径，将被动式故障运维转变为主动式异常诊断与预演防控，从根本上提升了通风系统的韧性与安全性。

在工程实践借鉴层面，通过系统学习南非矿山实现秒级映射与风流短路快速告警的运维逻辑、宏坤金属矿井开展三维定量分析与深部流场优化的技术路径，并融合校准数字孪生识别深井高温粉尘高危区域的前瞻理念，黑山铁矿在通风系统异常诊断方面有了较大提升，初步构建了精准高效的异常定位体系。

展望未来，黑山铁矿可能会将机电与采矿系统扩入囊中，彻底打通多源异构数据壁垒，实现黑山数字孪生一体化动态标准模型。这一蓝图不仅意味着单一通风专业的智能化延伸，更将迈向全矿井全生命周期的协同管控与智能寻优，为深地金属矿山的透明化、标准化运营提供核心架构支撑。

5.2 延申构想

5.2.1一体化平台建设

眼下，金属矿山的各类系统普遍呈孤岛式运作，生产工序之间没有紧密联动，面对多工种交叉扰动引发的复杂灾害时，往往陷入被动应对的局面。

展望后续发展，聚合“采掘—供风—安防”的融合型架构将跻身高阶智能矿山的建设主干，从根本上消弭信息隔绝状态。

同时，此融合体将与安保数智系统无缝嵌套，构筑通风异变同灾险评级的双向触发链条。若监获悉某采面风速不足，算法便自主比对该点位的害气富集度；一旦确诊险情，迅即下达“调风—撤员—停枢”的联锁控险指令，塑成自感知到遏灾的完备闭环，兑现矿山跨域统管^［7］。

5.2.2绿色与智慧化效益

未来，地下矿山将借力数字孪生技术，从规划、运转到检修的全周期环境友好型管控，贯通通风体系。在蓝图构想环节，利用虚拟推演，评测各类风网的能效表现与生态损益，借此精炼个性化模型与地下巷道排布。

面向未来，各异的数据汇集与临场感交互呈现将成为该技术演进的核心方向，以同步精进模型的模拟保真度与系统操控便利性。在固有通风量测之外，须增补多种参量来优化搭建个性孪生体^[3]。

［参考文献］

［1］ LIU Q S，PAN Y C，YU H G，eta l. Application status and research progress of TBM tunnelling technology in deep metal mine roadways［J］. Nonferrous Metals（Mining Section），2024

［2］ 戴剑勇，汪恒浩.矿井通风网络系统复杂性特征及其抗毁性研究［J］.南华大学学报（自然科学版），2021

［3］ LONGM，SCHAFRIKS，KOLAPOP，eta l. Equipment and operations automation in mining：A review［J］.Machines，2024

［4］ SALEEM H A. Energy consumption reduction in underground mine ventilation system：An integrated approach using mathematical and machine learning models toward sustainable mining［J］.Sustainability， 2025

［5］ 王小龙，吕志文，董峰，等.基于三维通风数字孪生系统的通风 系统优化研究［J］.现代矿业，2023

［6］ 王小刚，张松.数字孪生技术的金属矿采矿作业智能化控制研究［J］.世界有色金属，2025（11）

［7］ 李涛，孙琰，侯建硕，等.人工智能在矿山设备预测性维护中的应用研究［J］.黄金，2025，46（1）