1 引言
本着学习与梳理初衷，我整理并总结了矿井通风网络压能图领域的过往研究成果，希望通过系统的梳理，帮助自己在矿井通风网络压能图方面进行学习和实践。
矿井通风网络压能图，是一种以图形化方式直观呈现矿井通风系统内各分支巷道压力分布、能量损耗及流动状态的专业技术图件。其核心作用在于将抽象的通风压力参数转化为可视化的图形信息，不仅能帮助技术人员快速定位通风系统中的阻力异常点、判断风量分配合理性，更能为通风系统的优化设计、工况调整以及灾变时期的应急通风方案制定，提供关键的决策依据。
在本文中，读者将清晰了解矿井通风网络压能图从理论雏形到技术成熟的完整研究脉络，深入掌握该领域在理论模型、绘制技术、实践应用等维度的核心成果，同时也能明确当前研究存在的痛点与未来的发展方向，全方位把握这一技术在矿井安全生产中的应用价值。
2 研究背景与意义
矿井通风系统作为矿山安全生产的“生命线”，直接关系到井下作业人员的生命健康、生产作业的连续开展以及矿山的整体安全管控水平。井下巷道纵横交错、通风环境复杂多变，高瓦斯、高突水、深井高温等复杂工况进一步加剧了通风系统的调控难度，如何精准掌握通风系统内的压力分布、风量分配及能量损耗情况，成为保障矿井安全高效生产的核心课题之一。传统的通风参数计算多依赖数值分析与表格统计，存在信息抽象、直观性差、系统问题定位滞后等痛点，难以快速适配复杂通风网络的分析与优化需求，亟需一种可视化、高效化的技术手段作为支撑。
矿井通风系统作为矿山安全生产的 “生命线”，直接关系到井下作业人员的生命健康、生产作业的连续开展以及矿山的整体安全管控水平。井下巷道纵横交错、通风环境复杂多变，高瓦斯、高突水、深井高温等复杂工况进一步加剧了通风系统的调控难度，如何精准掌握通风系统内的压力分布、风量分配及能量损耗情况，成为保障矿井安全高效生产的核心课题之一。传统的通风参数计算多依赖数值分析与表格统计，存在信息抽象、直观性差、系统问题定位滞后等痛点，难以快速适配复杂通风网络的分析与优化需求，亟需一种可视化、高效化的技术手段作为支撑。
矿井通风网络压能图作为通风系统分析与调控的核心技术工具，其核心价值在于打破了传统数值分析的局限性，通过图形化的方式将通风系统的压力场及能量损耗状态进行具象化呈现。相较于传统分析方式，压能图不仅能直观反映各巷道分支的通风阻力、静压等关键参数的分布特征，帮助技术人员快速识别阻力过大、风量不足等系统异常问题，还能为通风系统的设计优化、工况调整以及灾变时期（如火灾）的应急通风方案制定提供数据支撑与决策依据，是实现矿井通风系统安全、高效运行的关键技术载体。
梳理与总结矿井通风网络压能图的过往研究成果，具有重要的理论价值与实践意义。从理论层面来看，系统复盘该领域的研究历程、核心突破与技术演进，能够理清压能图理论模型、绘制技术的发展脉络，填补现有研究梳理的空白，为后续研究者搭建清晰的理论框架与研究基础，助力技术理论的进一步迭代与创新。从实践层面来讲，通过整合不同阶段、不同应用场景的研究成果与实践案例，能够为矿山一线技术人员提供可借鉴的技术方案与应用经验，降低压能图技术在现场落地的难度，推动其在各类矿井通风系统优化、安全管控中的广泛应用。同时，通过总结研究现存问题与挑战，能够为行业后续研究指明方向，促进压能图技术与智能化、数字化技术的深度融合，为矿井通风系统的智能化升级与矿山安全生产高质量发展注入动力。
3 压能图研究的发展脉络梳理
压能图研究始于 20 世纪 80 年代，历经概念引入、技术优化、软件研发到智能化升级的演进，核心围绕定义规范、绘制方法、应用场景三大方向逐步深化。
1980 年代 - 1990 年代：概念引入与基础应用阶段
- 核心突破：明确压能图核心定义与基础逻辑。1987 年马逸吟首次系统阐述压能图概念，区分其与我国传统矿井通风学中 “压能” 的差异，明确相对静压、等熵静压的计算方法，提出倾斜巷道或漏风通道需考虑实际位能差与等熵位能差的修正原则。
- 实践探索：1993 年徐瑞龙总结压能图基本性质，指出其在阻力分布反映、均压防灭火定位定量中的核心功能，同期大同煤峪口矿将波兰 “压能图” 应用于均压防灭火，验证其工程价值。
- 技术特点：绘制依赖人工计算与手动绘图，核心应用聚焦矿井漏风方向判别、通风阻力测算。
1990 年代中后期 - 2010 年代：软件研发与自动化初步实现阶段
- 软件工具突破：1996 年曹庆贵研发 YNTU1.0 压能图绘制软件，实现压能计算、绘图、结果打印一体化，支持用户选择基点与计算方法，首次将计算机技术引入压能图绘制。
- 应用场景拓展：1994 年傅清国通过压能图实施大范围均压防灭火调控，优化通风系统风压分布，降低采空区漏风风险；后续在兴隆庄矿、徐庄矿等案例中，压能图成为指导漏风检测、防火措施制定的关键工具。
2010 年代 - 至今：智能化算法升级与多场景适配阶段
- 绘制算法革新：贺晓阳以分层法为框架，整合最长路径法、最小生成树排序等算法，提出椭圆形、直角折线形、折线对称形三种绘图策略，解决节点分布无序、分支交叉过多问题；司俊鸿提出以独立不相交通路为骨架的节点分布方法，设计 19 种分支连接模型，实现节点有序布局与压能线规律连接。
- 智能化与集成化：压能图绘制模块嵌入矿井通风管理信息系统（MVIS），支持从拓扑数据自动生成压能图，结合时间序列拟合等技术优化图形可读性；算法适配复杂通风网络，可处理含虚拟节点、多风机联合运转等场景。
- 应用深化：在智能化矿井建设中，压能图与通风仿真、安全监控系统结合，不仅用于防灭火与漏风治理，还为避灾路线规划、有毒有害气体扩散预测提供数据支撑。
4 压能图基本理论
压能的定义：压能是矿井主要通风机与自然风压共同作用于某点的实际通风压力，反映该点在通风系统中的能量状态。其核心是通过图形化方式具象化通风系统的压力场分布，纵坐标为各节点压能绝对值，横坐标为节点相对位置关系，连接特性与通风网络图一致。
理论基础：通风能量方程
矿井巷道中单位体积（1 m³）空气所含的总机械能（即总压力）由三部分组成：
- 静压能（静压，P） ：空气分子对巷道壁产生的压力，是压能的主要部分，有绝对静压和相对静压之分。
- 位压能（位压，ρ g Z） ：空气因在重力场中具有位置高度而产生的能量。Z为相对于基准面的高度，ρ为空气密度。
- 动压能（动压，0.5ρ v²） ：空气因流动速度而具有的能量。v为风速。
对于巷道中任意两个断面1和2，其能量守恒关系（忽略空气压缩性等次要因素）为：
P₁ + ρ g Z₁ + 0.5ρ v₁² = P₂ + ρ g Z₂ + 0.5ρ v₂² + Hᵣ₁₋₂
- P₁， P₂： 断面1、2的绝对静压。
- Hᵣ₁₋₂： 空气从断面1流到断面2所克服的通风阻力（能量损失）。
该方程的含义是：上游断面的总机械能等于下游断面的总机械能加上沿途的能量损失（阻力）。
压能与压能图
- 通风压力（风流压能） ：通常指单位体积空气所具有的 （绝对）静压能与位压能之和，即 E = P + ρ g Z。它反映了空气在某一位置储存的“压力势能”。
- 压能图：一种以通风压力（E = P + ρ g Z） 为纵坐标（Y轴），以通风网络节点位置或流程为横坐标（X轴）的二维坐标图。它直观地描绘了风流沿程及分支中通风压力的变化情况。
5 压能图的绘制
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坐标选择：
- 纵坐标：表示通风压力 E。通常采用绝对压力值（Pa）。需要设定一个统一的位压基准面（如矿井最低点或地表面），巷道内某点的Z值即相对于该基准面的高度。
- 横坐标：表示通风网络的空间位置或流程。可以按巷道节点顺序展开，也可以简化按主要路径（如从进风井口到回风井口的主流程）展开。
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图形的物理意义：
- 压能线（曲线） ：连接各点通风压力值形成的线。线的下降趋势代表能量损失（通风阻力） 。
- 垂向落差（Hᵣ） ：任意两点间压能线的垂直高度差，即该段巷道的通风阻力 Hᵣ。Hᵣ = E₁ - E₂。
- 水平段：在水平或位能差可忽略的巷道中，压能线呈水平线，表明没有阻力或阻力极小。
- 上升段：当风流通过通风机时，风机对空气做功，补充能量，压能线会急剧上升。上升的高度即为风机的全压（H_f） 。
- 自然风压影响：当存在由于井筒内、外空气密度和高度差形成的自然风压时，会在相关回路中表现为一个“虚拟”的压能升或降。
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两种主要的压能图形式：
- 绝对压能图：直接绘制各点的 E = P_abs + ρgZ。能最完整地反映能量分布，特别适用于分析包含自然风压的复杂系统。
- 相对压能图（或称“压力坡度图”） ：选择一个参考基准（如进风口的大气压），计算相对值进行绘图。图形更简洁，便于观察阻力分布和风机作用。
6 核心应用价值
- 直观分析能量分布与消耗：一目了然地看出全矿或某条线路的能量（压力）在哪里损失最大（最陡的下降段），即通风困难的区段。
- 诊断通风问题：对比设计压能图与实际测定压能图，可定位异常阻力点（如堵塞、垮塌）。
- 分析通风动力：清晰显示主扇、辅扇、自然风压的作用位置和大小。
- 优化通风系统：为调整风阻（如扩巷、增设调阻设施）、优化风机工况提供理论依据。
- 理解风流稳定性：通过分析并联分支间的压能平衡关系，判断风流是否稳定，是否会发生逆转
