盘江矿区松软突出煤层护-封-联瓦斯治理新技术体系研究
定，记录表格如表2.6所示，对比试验孔与原钻孔的瓦斯抽采参数的变化情况。
表2.6 试验孔与原钻孔的瓦斯抽采参数表
参数 孔号 1 2 3 … … … 100
负压 （kPa）
流量（m3/min）
浓度 （%）
测定 人员
测定 时间
备注
2.2.4 装备研发
经过反复设计和改进，自主研制出MK-3型粉料输送机。其结构如图2.29所示。
（a）主视图 (b)左视图
1-顶盖;2-料仓;3-缓冲器;4-气体调压阀门;5-泄压阀门;6-气体调压阀门;7-推车把手;8-振动器; 9-进气管路;10-进气旁通阀门;11-车轮;12-出口压力表;13-料仓压力表;14-出料口;15-流量计
图2.29 MK-3型粉料输送机结构图
该设备的工作流程及相关操作如下： 1)检查气密性并加粉料
设备所有阀门处于关闭状态，进气管路与巷道内风管接通，并在进气口和出气口（14）管路连接处安装球阀，以上为设备的原始状态。打开所有球阀，打开
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气体调压阀（6），气流经过流量计（15），流量计透明外罩内的浮子会上浮，关闭气体出口处的阀门，检验设备的气密性，气密性检验完毕后将调压阀门（6）压力调至0.25-0.3MPa，气体调压阀门（4）处于关闭状态，进气口球阀关闭，出气口球阀打开，球阀（10）关闭，将顶盖（1）打开，加入适量粉料，盖上顶盖并拧紧。
2)粉料输送
加入粉料后，打开进气口球阀，观察调压阀门（6）的压力，若有所变化，将其调至合理范围，此时打开（4），压力调至0.3MPa左右，每隔60s，观察气体流量计（15）的变化，若（15）的浮标下沉至底部则关闭进气口球阀，读压力表（13）的读数，若读数较大，则打开泄压阀门5，待压力泄完，打开顶盖，继续加入粉料并输送。
2.3 研究内容之三：瓦斯抽采管网优化
为了提高矿井瓦斯抽放系统的效率和可靠性，根据图论理论和矿井瓦斯抽放系统的关系，采用图论的理论和方法来表示抽放系统图，依据现场实测数据，结合数值软件计算瓦斯抽放系统各管路流体力学参数，灵活调控各管路开关，以输出量最大为优化目标，解决抽放系统局部浓度过低、抽采能量分配不合理等问题。目的是增加矿井瓦斯抽放量，提高矿井安全性，为瓦斯利用奠定坚实基础，从而形成一个“以抽保用、以用促抽、安全生产”的良性循环，更好地实现瓦斯综合治理。
2.3.1 管网优化设计原理
在图论中，一个图G定义为一个偶对（V，E），即G=（V，E），其中V=︱v1，v2，…，vm︱，是图G的节点(或顶点)的集合；E=︱e1，e2，…，en︱，是图G的边（或分支）的集合。因此图是由节点的集合和分支的集合构成的，其本质是节点和分支之间的联接关系即拓扑关系。根据不同的标准可将图划分为不同的种类，若V，E都是有限的集合，称图G为有限图，否则称为无限图，若偶对（V，E）是有序，即图由节点和有向的边组成，称为有向图,否则称为无向图。既含有向分支，又含无向分支的图称为混合图。没有圈（始终节点重合的分支构成）又不含平行分支（有向图中连接两个相同节点、方向也相同）的图称为简单图；含平行分支的图称为多重图。当用点边关系图来揭示具体事物之间的量值关系时，
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可以在E或V上定义权函数，从而构成赋权图。在图中若任意两个节点之间至少存在一条路则称为连通图，瓦斯抽放系统拓扑示意图如图2.30。
（a）简单图 （b）网络图
图2.30 瓦斯抽放系统
矿井瓦斯抽放系统是抽放管网、抽放方式和抽放方法的总称，通常绘制的矿井瓦斯抽放系统图是一个三维空间的图形，它反映了各抽放管道的空间位置、流量、流向、抽放方法和抽放方式。它比较客观地反映了矿井抽放系统的实际情况。由于一个矿井瓦斯抽放系统的抽放稳定性、合理性及安全性往往在很大程度上取决于瓦斯管路的结构情况，因而对其结构进行研究上很有意义的。
在任何矿井的抽放系统中，所有分支管道的瓦斯按其会合的结构形式来构成一个有向的连通体系。在相应的瓦斯抽放网络图中，瓦斯流动方向标定相应的边的方向，其有向边称为弧。如把瓦斯抽放管道中的有关参数（如阻力、流量、长度、断面积等）对应相应的边，则就形成了矿井瓦斯抽放网络图。矿井抽放网络图的绘制：任取对应于抽放系统中某一瓦斯交汇点的一个节点，按其与弧的关联关系逐一加入各弧，从而得到其相邻的节点，并不断挪动各相邻节点的位置,使各弧尽可能地不在节点以外相交。这样依次将各节点和弧加入图内，得到一个平面图,即矿井抽放网络图。
因此，可以把瓦斯抽放管路系统优化归结于矿井抽放网络图的研究，抽放系统优化实际上可以看成是抽放网络图的优化。 2.3.2 管网优化设计研究 2.3.2.1 研究内容
1）制约瓦斯抽采系统能力与效果的主要原因分析；
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2）瓦斯抽采系统优化，包括基于多源抽采的瓦斯抽采系统设置、能力与抽采泵优选，瓦斯抽采系统抽采负压优化，预抽钻孔孔径与孔间距优化，预抽钻孔合理长度优化。
3）“抽采泵—管网—钻孔”的能力匹配力学机制； 2.3.2.2 研究方案
依据图论优化设计原理，按照优化目标，遵循相应的约束条件，采用数值优化分析软件平台iSIGHT将流体力学软件FLUENT、几何建模软件ProE、网格划分工具GAMBIT结合起来，实现瓦斯抽采管网的全自动化优化分析，从而确定合适的瓦斯管路系统。
瓦斯抽采管网示意图如图2.31所示，回采工作面抽出的瓦斯通过工作面支管、大巷干管经回风立井总管输送到地面瓦斯抽放站（泵站）。其中，各抽采管的直径、支管上连接的钻孔数目以及各管路的拓扑结构（由开关闭合控制）均可作为设计变量。管内某点的瓦斯浓度、流量、负压损失、钻孔数目上下限、拓扑结构尺寸上下限以及管路开关闭合情况等均可作为约束条件，泵站处的瓦斯输出量作为优化目标变量。
图2.31 瓦斯抽采管网示意图
iSIGHT最大的特点就是能够集成常用的商业软件，本优化分析所使用的CAD软件Pro/E、网格划分软件GAMBIT以及流体分析软件Fluent都是常用的商业软件，它们与iSIGHT的调用关系如图2.32所示。首先，根据预先给定的设计变量，利用ProE生成几何模型，然后由iSIGHT将生成的几何模型导入到GAMBIT内，由GAMBIT生成网格后结束GAMBIT。再调用FLUENT，对GAMBIT生成的网格进行流场计算。最后用编写的iSIGHT图论优化算法对FLUENT的计算结果进行分析，得出优化参数，再次执行上述过程，实现整个优化流程的自动化。由此过程可见，所有的外部软件都是由iSIGHT控制调用的。
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图2.32 基于iSIGHT的优化流程图
以上过程涉及多个外部程序和相关文件，iSIGHT具有强大的数据管理功能，可对其进行灵活处理。当优化分析任务执行时，iSIGHT引导操作系统执行各个程序，同时提供各个程序需要的输入输出信息。具体优化过程以及优化过程中的文件传递如图2.33所示。详细步骤如下：
（1）给出设计变量的初值，存入input.txt文件中；
（2）执行RunProE.bat批处理文件，读入input.txt内的参数，建立并输出可被GAMBIT读取的标准几何模型stp文件；
（3）执行RunGambit.bat批处理文件，依据mesh.jou文件对stp几何模型进行网格划分，输出msh文件；
（4）执行RunFluent.bat批处理文件，将msh文件传入Fluent进行流体分析，得到流体力学分析结果文件output.txt；
（5）从分析结果文件output.txt中提取优化变量，利用iSIGHT的优化分析模块搜索设计变量组成的设计空间，对设计变量进行调整；
（6）输出调整后的设计变量并重新存入input.txt并返回回到步骤（2）。 重复步骤（2）至步骤（6）直到满足优化目标，即可实现管网的全自动优化分析过程。
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