随着计算机及信息技术的高速发展,数字与可视化等信息技术越来越广泛应用于工业化生产的各个领域,传统产业的信息化改造与技术升级成为大势所趋。矿业行业作为国家能源与原材料供应提供者,把握着国民经济发展的命脉。我国矿业经过半个世纪的快速发展,已建成国有矿山近万座,集体矿山和非国有矿山20多万座,年开采矿石量超过50亿t。因此,数字矿山技术已成为矿山企业技术进步的必由之路。矿井通风系统是传统的地下开采八大系统之一,与地下开采的生产安全息息相关。我国金属矿井自50年代以来逐步建立了机械通风系统,但风机的运转效率一直较低。据统计,国内矿山风机运转效率仅为40%左右,比设计的风机效率低一半以上。通风能耗约占矿井总能耗的1/3,通风电费约占通风能耗的70%。大型矿井的风机装机功率高达数千千瓦,年通风电费达数百万元。随着矿井服务年限的增长、开采深度的增加、生产规模的扩大,地下矿通风系统日益复杂,为满足井下各用风场所的风量需求,对通风系统的调控管理要求越来越高。矿井通风系统空间层位关系及网络拓扑结构复杂、通风动力设备及通风构筑物数量多、分布广,普遍存在设计与生产实际产能要求不相匹配的现象,且目前的通风管理手段及工具无法很好地满足实际需要。矿井通风系统的设计及调控作为矿山建设及日常管理的重要环节,是保障井下安全生产的基础。设计及管理方案的优劣直接影响到井下生产的安全性、生产成本、生产能力和整体经济效益。矿井通风系统是一个真三维的地理/地质环境,因此,要实现矿井通风系统的数字化设计及管理,其手段也应在真三维环境下进行的。因此,对于矿井通风优化调控系统的研究也必须在真三维环境下进行。本文着重对矿井通风系统优化调控算法与三维可视化关键技术展开研究,主要内容包含以下几个方面：(1)矿井通风优化调控系统软件体系构架的研究。针对矿山数字化软件涉及多专业、多功能、需求多样性等特点,提出“层次式平台+插件”的结构体系,有效地实现框架和构件的共享与复用,实现专业功能模块的任意扩展；将矿井通风优化调控系统作为矿山数字化系统平台的一个插件模块,并提出数据一体化管理机制,与平台以及其他专业功能模块共享基础数据,大大降低了通风系统建模难度,提高工作效率。(2)在全面分析二维及三维绘图环境下进行交互操作优缺点的基础上,结合矿井通风系统设计的特点,提出了“绘图工作面”的概念,大大提高了设计人员在真三维环境下矿井通风系统设计工作的精确性和便捷性。(3)对复杂矿井通风网络解算问题进行了系统、深入的研究,分析了现有通风网络解算算法的局限性,结合回路风量法和节点风压法的优点,提出了一种新的网络解算算法——INSA算法。该算法具有收敛速度快、能解决含有单向回路的通风网络等优点。(4)对矿井通风系统调控工作中的两大关键问题——风机选优和风网调节,进行了深入的研究。①提出构建风机数据库,用以存储较为全面的风机数据信息,为风机选型提供必须的基础数据；②提出了用于风机优化选型的FOMR模型,利用风网按需分配解算的结果来计算待选风机的工况点,然后搜索风机数据库查找匹配的风机；③提出了用于搜索通路的GAFP算法,降低了搜索通路算法的时间复杂度。为矿井通风系统调控工作提供了新的解决方法和更加行之有效的管理手段。(5)对全矿的污染物动态模拟进行了深入的研究,提出了DVNTM模型,将通风系统抽象成一个离散的拓扑结构模型,便于表达通风网络中任意位置的污染物浓度值；再结合流体扩散理论对井下污染物的扩散模拟算法进行了研究,并详细阐述了其基本原理及具体实现步骤。为全矿的污染物动态模拟提供了一种新的有效方法；(6)提出了CMCA算法,充分利用矿井通风系统单线图的节点—正向弧—反向弧网络拓扑结构图,采用最外层闭合轮廓线优先的逆时针搜索方法,在巷道顶底板间插入若干与巷道底板平行的面,从而得到多层闭合轮廓线；对这些闭合轮廓线进行三维重建,从而生成三维联通巷道表面模型；(7)已将本文的研究成果集成于DIMINE矿山数字化软件平台中,并应用于云南大红山铜矿的实际优化调控工作中,该矿通风系统非常复杂,通风网络中分支数达1014条,采用5级机站通风方式,同时运行的风机数达90台,极具代表性。应用结果表明：解算结果与井下实测结果吻合度较高,优化调控及污染物扩散模拟计算结果对生产实际起到较好的指导作用。本文的研究成果解决了真三维环境下矿井通风优化调控工作中存在的关键技术和难点问题,为复杂矿井通风系统设计及管理工作提供了理论基础和技术支持。