硕士学位论文
新元煤矿通风系统仿真优化模拟及 应用研究
Simulation Optimization Simulation of Ventilation System and Applied Research
in Xinyuan Coal Mine
作 者：王海兵 导师：杨胜强教授
中国矿业大学 二○一五年四月
学位论文使用授权声明
本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理：
作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文的部分使用权，即：①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。
（保密的学位论文在解密后适用本授权书）。
作者签名： 导师签名：
年 月 日 年 月 日
中图分类号 TD75 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 新元煤矿通风系统仿真优化模拟及应用研究 Simulation Optimization Simulation of Ventilation System and Applied Research in Xinyuan Coal Mine 作 者 王海兵 导 师 杨胜强 教授 申请学位 专业学位 培养单位 安全工程学院 学科专业 安全工程 研究方向 矿井通风与安全 答辩委员会主席 评 阅 人 二○一五年四月
论文审阅认定书
研究生 王海兵 在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文，经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。
导师签字： 年 月
日
致 谢
首先，在呈交论文之际，献上我对导师杨胜强教授、课题组张淦星等硕士的深深敬意与谢意！本论文是在杨教授的悉心指导下完成的，从论文选题的确定、现场数据的收集和整理、论文的撰写和修改，导师和师兄弟都倾注极大的关怀、鼓励和帮助。在导师的言传身教中，自己受益匪浅，导师深厚的学术造诣，严谨的治学态度，忘我的工作精神，给我们树立起了潜移默化的典范作用，也成为了我职业生涯中一笔宝贵的财富！
在论文撰写期间，张淦星等硕士对论文提出了许多宝贵意见，感谢他们给予我很多无私的帮助，使论文得以顺利完成，在此向他们表示衷心的感谢！
感谢山西新元煤炭有限责任公司张肖峰总工程师、吕林奎副总工程师、史华荣副总工程师在现场调研及工程实践过程中给予的大力支持和帮助！
感谢我的通风团队工作小组在硕士研究生期间给予我学习和生活上的帮助！ 感谢我的父母和家人在我求学期间，在工作和生活上的大力支持和鼓励，使我能够安心在学校学习。在此，向家人表示衷心的感谢和深深的敬意！
再一次向多年来在本人成长历程中所有关心、帮助和支持过我的人致以最诚挚的谢意！
最后，感谢各位专家、教授在百忙之中评审本论文，由于作者水平有限，文中难免有不足之处，希望各位专家、教授给予批评指正，衷心希望得到您的指导和帮助。
摘 要
本文以山西新元煤炭有限责任公司矿井通风系统为研究对象，运用系统工程、网络图论、模糊数学、人工智能、最优化等理论与方法，利用现代计算机技术，建立了一套实用性强、集成化程度高、运行稳定、界面友好的矿井通风系统运行状态仿真模拟系统。从而使得矿井通风系统在从经验型设计到优化设计、从经验型管理到专家决策型辅助管理、从基础理论到计算机数值模拟和调节最优化等诸多方面，皆发生了深刻变化。正因如此，它改变了传统的经验管理为科学管理，提高了工作质量和效率，提升了新元煤矿的整体通风技术管理水平，结论如下：
（1）新元煤矿通风系统现状实时仿真和一系列通风系统运行状态的模拟解网与预测分析，对于我们深刻了解通风系统现状所存在的问题、通风系统优化改造时的风机与风网之间、风机能力彼此之间的合理匹配、通风网络结构的正确调整、矿井风量的最优调配等有着十分重要的指导意义。
（2）目前，新元煤矿的矿井通风系统总阻力较大，冀家垴、韩庄风井风机风压较高、工作风阻较大，风机运行与其风网之间不相匹配。故由本次的通风系统运行状态的模拟解网与预测分析之结果，有效指导了矿井加快实施通风系统的优化改造步伐，解决了近年内的风机与风网匹配不当、风机风压增高、通风阻力增大、矿井通风不畅、部分地段风速较高甚至超限、风量分配与调节困难，影响矿井生产能力发挥和安全生产问题。
（3）充分提高了新元煤矿通风系统的调节应变、防灾抗灾能力。随着矿井生产逐步向着深部、边远区域转移而形成的多风井风机联合运转作业，且开拓开采范围大而分散，瓦斯涌出量高，矿井需风量大，矿井风量一次调配工作量大而困难。用人工调节的方式往往响应速度慢，调节过程时间长且不易保证调节过程的可靠性等。应充分利用矿井通风系统运行状态仿真模拟系统这一有力工具，做好通风系统状态事前预测工作，提高矿井风量一次调配的成功率。
该论文有图21幅，表22个，参考文献52篇。
关键词：通风阻力；仿真模拟；风机工况点；风阻平差；优化；防灾抗灾
I
Abstract
This paper uses Mine Ventilation System of Shanxi Xinyuan Coal Mine Company Limited for Research object. Using Theory and Methods of Systems engineering, Network graph theory, Fuzzy mathematics, Artificial intelligence, Optimization, and Modern computer technology set up Mine ventilation system operation simulation system which is practical, high degree of integration, stable, user-friendly. So that the mine ventilation system is undergoned profound changes from experience design optimize design, from experience-based management to expert decision auxiliary management, from basic theory to computer simulation and adjustment optimization of many aspects. For this reason, it has changed the traditional management to scientific management experience, improved work quality and efficiency, improved the overall level of technical management of ventilation Xinyuan coal mine. The following conclusions:
The first, situation ventilation system real-time simulation and Solutions for network simulation and prediction of the ventilation system running status of Xinyuan coal mine have a very important significance for us to understand the status of the problems in the ventilation system, ventilation System Optimization transformation between the time and the wind turbine network, a reasonable match between each fan capacity, correctly adjust the ventilation network structure, optimal deployment of mine air volume.
Second, the total resistance of mine ventilation system is large in Xinyuan coal mine, ventilation Shaft fan pressure and work drag is great, fan operation does not match between ventilation network in Ji Nao, Hanzhuang Coal Mine. Therefore solutions for network simulation and prediction of this ventilation system running status guidance effectively the transformation of the mine ventilation system implementation, and solve the fan and air within the network, increased fan pressure, ventilation resistance increases, poor mine ventilation, some sections even higher wind speed gauge, air distribution and adjustment difficulties witch effect mine production capacity to play and safety issues in recent years.
Third, enhancing fully the Strain adjust the ventilation system and disaster prevention and resilience of Xinyuan coal mine. With mine production gradually toward the remote deep regional metastasis, it formed fan ventilation shaft joint operation jobs. And it have explore mining range and dispersion, Gas Emission volume, Mine air volume required, Mine air volume once the deployment workload.
II
Way manual adjustment is often slow to respond, adjustment process for a long time and difficult to ensure the reliability of the adjustment process. We must Make full use of the mine ventilation system operation simulation system of this powerful tool, doing ventilation system status prior forecasting greatly, improving mine air volume once deployment success rate.
Keywords:Ventilation resistance;Simulation;Fan operating point;
Windage adjustment;Optimization; Disaster prevention
III
目 录
摘 要............................................................................................................................ I 目 录......................................................................................................................... III 图清单........................................................................................................................ VII 表清单......................................................................................................................... IX 1 绪论............................................................................................................................ 1 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 研究的意义和目的 ................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................... 2 1.3 研究内容 ................................................................................................................. 8 1.4 研究方法及技术路线 ............................................................................................. 9 2 新元煤矿通风系统现状考察与分析 ..................................................................... 11 2.1 新元煤矿矿井概况 ............................................................................................... 11 2.2 矿井通风系统阻力测定 ....................................................................................... 11 2.3 矿井通风系统现状实时仿真 ............................................................................... 21 2.4 本章小结 ............................................................................................................... 26 3 矿井通风系统运行状态仿真模拟系统 ................................................................. 27 3.1 系统基本任务 ....................................................................................................... 27 3.2 软件总体功能 ....................................................................................................... 27 3.3 矿井通风系统运行状态仿真模拟方法及程序 ................................................... 29 3.4 主要通风机特性曲线求解方法及程序 ............................................................... 36 3.5 主要通风机工况点解析方法 ............................................................................... 38 3.6 主要通风机工况点优化调节方法及程序 ........................................................... 40 3.7 主要通风机优化选型方法及程序 ....................................................................... 42 3.8 井巷实测风阻值调整（平差）方法及程序 ....................................................... 43 3.9 本章小结 ............................................................................................................... 48 4 矿井通风系统运行状态模拟与优化控制 ............................................................. 49 4.1 矿井通风系统运行状态模拟方案拟定 ............................................................... 49 4.2 方案Ⅰ模拟解网与预测分析 ............................................................................... 49 4.3 方案Ⅱ模拟解网与预测分析 ............................................................................... 50 4.4 方案Ⅲ模拟解网与预测分析 ............................................................................... 51 4.5 方案比较 ............................................................................................................... 53
III
4.6 本章小结 ............................................................................................................... 53 5 最优矿井通风系统方案的经济技术及主通风机通风能力分析 ......................... 54 5.1 最优矿井通风系统方案的总阻力及阻力分布分析 ........................................... 54 5.2 最优矿井通风系统方案的总等积孔分析 ........................................................... 57 5.3 最优矿井通风系统方案的主通风机工况点及通风能力分析 ........................... 58 5.4 本章小结 ............................................................................................................... 59 6 结论与展望 ............................................................................................................. 61 6.1 本文的主要内容及结论 ....................................................................................... 61 6.2 本文展望 ............................................................................................................... 62 参考文献 ..................................................................................................................... 64 作者简历 ..................................................................................................................... 67 学位论文原创性声明 ................................................................................................. 68 学位论文数据集 ......................................................................................................... 69
IV
Contents
Abstract ........................................................................................................................ II Contents ....................................................................................................................... V List of Figures ........................................................................................................... VII List of Tabels .............................................................................................................. IX 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Project meaning and purpose ................................................................................... 1 1.2 Research status ......................................................................................................... 2 1.3 Research Contents .................................................................................................... 8 1.4 Research Content and Research Route of the Paper ................................................ 9 2 Investigation and Analysis Status of the ventilation system in Xinyuan Coal Mine ............................................................................................................................. 11 2.1 Overview of Xinyuan Coal Mine ........................................................................... 11 2.2 Determination of mine ventilation system resistance ............................................ 11 2.3 Status of real-time simulation of mine ventilation system .................................... 21 2.4 Summary ................................................................................................................ 27 3 Mine ventilation system operation simulation system ......................................... 28 3.1 Basic System Tasks ................................................................................................ 28 3.2 Software overall function ....................................................................................... 28 3.3 Current Situation Simulation of Yunhe Coal Mine Ventilation Network System.. 29 3.4 The main fan curve solving methods and procedures ............................................ 37 3.5 The main fan operating point analysis method) ..................................................... 39 3.6 The main fan operating point adjustment method and program optimization ....... 41 3.7 The main fan selection method and program optimization ................................... 43 3.8 Roadway measured wind resistance adjustment (adjustment) methods and procedures .................................................................................................................... 44 3.9 Summary ................................................................................................................ 49 4 Operation simulation and optimization control of Mine ventilation system ..... 50 4.1 Mine ventilation system operation simulation programming ................................ 50 4.2 Solutions Network simulation and prediction of Program 1 ................................. 50 4.3 Solutions Network simulation and prediction of Program 2 ................................. 51 4.4 Solutions Network simulation and prediction of Program 3 ................................. 52 4.5 Comparison of the parameters ............................................................................... 54
V
4.6 Summary ................................................................................................................ 54 5 Technical and economic capacity of the main fan ventilation optimal mine
ventilation system analysis ........................................................................................ 56 5.1 Total resistance and resistance of optimal mine ventilation system distribution analysis ......................................................................................................................... 56 5.2 Total optimal mine ventilation system and other product-well assay solutions .... 59 5.3 Main fan operating point and optimal ventilation capacity analysis of mine ventilation system ........................................................................................................ 60 5.4 Summary ................................................................................................................ 59 6 Conclusions and Outlook ....................................................................................... 63 6.1 The main contents and conclusions ....................................................................... 63 6.2 Prospect article ....................................................................................................... 74 References ................................................................................................................... 64 Author’s Resume ........................................................................................................ 67 Declaration of Thesis Originality.............................................................................. 68 Dissertation Date Collection ...................................................................................... 80
VI
图清单（List of Figures）
图序号 图1-1 Figure 1-1 图1-2 Figure 1-2 图2-1 Figure 2-1 图2-2 Figure 2-2 图2-3 Figure 2-3 图2-4 Figure 2-4 图2-5 Figure 2-5 图2-6 Figure 2-6 图2-7 Figure 2-7 图2-8 Figure 2-8 图3-1 Figure 3-1 图3-2 Figure 3-2 图3-3 Figure 3-3 图3-4 Figure 3-4 图3-5 图名称 多风井风机联合运转通风系统示意图 Joint operation of ventilation fan ventilation shaft system diagram 技术路线图 Technology Roadmap 东区310105综采工作面路线通风阻力分布规律图 Mechanized mining face ventilation resistance line distribution FIG of East 310105 北区310302综采工作面路线通风阻力分布规律图 Mechanized mining face ventilation resistance line distribution FIG of North 310302 西区310205综采工作面路线通风阻力分布规律图 Mechanized mining face ventilation resistance line distribution FIG of West 310205 南区31007掘进工作面路线通风阻力分布规律图 Mechanized mining face ventilation resistance line distribution FIG of Southern 31007 南区集中辅运、集中东回下山掘进工作面路线通风阻力分布规律图 Mechanized mining face ventilation resistance line distribution FIG of Southern centralized auxiliary transport, centralized back down the mountain heading East Face 西区西胶带运输、北西回风大巷掘进工作面路线通风阻力分布规律图 Mechanized mining face ventilation resistance line distribution FIG of West West Belt Conveyor, North West Air roadway Heading Face 冀家垴风井风机（装置）风压—风量性能曲线图 Ppressure - air flow performance curve of Ji Nao air shaft fan (device) 韩庄风井风机（装置）风压—风量性能曲线图 Pressure - air flow performance curve of Well Hanzhuang wind turbine (equipment) 软件总体功能设计图 Overall functional design software 通风网络解算程序设计模块框图 Ventilation Network Solution Block Diagram programming 通风网络分支参数输入界面图 Ventilation branch network parameter input interface Figure 风机安装数据输入界面图 Wind turbine installation data input interface Figure 风网解算程控数据输入界面图 VII
页码 15 15 18 18 24 24 25 25 26 26 26 26 27 26 28 28 33 33 34 34 36 36 42 42 43 43 43 43 43
硕士学位论文
Figure 3-5 图3-6 Figure 3-6 图3-7 Figure 3-7 图3-8 Figure 3-8 图3-9 Figure 3-9 图3-10 Figure 3-10 图5-1 Figure 5-1 Ventilation network operator programmable data input interface Figure 风机风压—风量特性曲线图 Fan pressure - air flow characteristic curve 风机特性曲线计算界面图 Fan characteristic curve interface map 风机工况分析图 Fan operating mode analysis chart 风机风压—风量特性曲线修改图 Fan pressure - air flow characteristic diagram modifications 风机优化选型界面图 Fan optimized selection interface Figure 风机性能曲线 Fan performance curve 43 46 46 46 46 47 47 48 48 50 50 66 66
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表清单（List of Tabels）
表序号 表2-1 Table 2-1 表2-2 Table 2-2 表2-3 Table 2-3 表2-4 Table 2-4 表2-5 Table 2-5 表2-6 Table 2-6 表2-7 Table 2-7 表2-8 Table 2-8 表2-9 Table 2-9 表2-10 Table 2-10 表2-11 Table 2-11 表2-12 Table 2-12 表3-1 Table 3-1 表4-1 表名称 测算结果表 Calculation Results Table 东区310105综采工作面路线通风阻力分布表 Mechanized mining face ventilation resistance line distribution table of East 310105 北区310302综采工作面路线通风阻力分布表 Mechanized mining face ventilation resistance line distribution table of North 310302 西区310205综采工作面路线通风阻力分布表 Mechanized mining face ventilation resistance line distribution table of West 310205 南区31007掘进工作面路线通风阻力分布表 Mechanized mining face ventilation resistance line distribution table of Southern 31007 南区集中辅运、集中东回下山掘进工作面路线通风阻力分布表 Mechanized mining face ventilation resistance line distribution table of Southern centralized auxiliary transport, centralized back down the mountain heading East Face 西区西胶带运输、北西回风大巷掘进工作面路线通风阻力表 Mechanized mining face ventilation resistance line distribution table of West West Belt Conveyor, North West Air roadway Heading Face 冀家垴风井风机运行工况仿真结果表 turbine operating conditions simulation results table of Ji Nao air shaft 韩庄风井风机运行工况仿真结果表 turbine operating conditions simulation results table of Hanzhuang air shaft 主要用风地点风量实测与仿真结果表 Principal place of wind with wind measurement and simulation results table 部分风速、阻力较高井巷汇总表 Part of the wind speed, the higher the resistance roadway Summary 矿井通风网络结构复杂度分级标准表 Mine ventilation network complexity grading table 新元煤矿矿井部分井巷百米风阻R100典型值表 Part one hundred meters of mine roadway drag R100 typical table of Xinyuan Coal Mine 各方案参数比较 IX
页码 21 21 24 24 25 25 25 25 26 26 27 27 27 27 29 29 29 29 29 29 30 30 32 32 55 55 60 硕士学位论文
Table 4-1 表5-1 Table 5-1 表5-2 Table 5-2 表5-3 Table 5-3 表5-4 Table 5-4 表5-5 Table 5-5 表5-6 Table 5-6 表5-7 Table 5-7 表5-8 Table 5-8 Comparison of the parameters of the programs 3414工作面通风阻力参数 Ventilation resistance parameter of 3414 Face 3414工作面路线通风阻力分布表 Line ventilation resistance distribution table of 3414 Face 31009工作面通风阻力参数 Ventilation resistance parameter of 31009 Face 31009工作面路线通风阻力分布表 Line ventilation resistance distribution table of 31009 Face 3404工作面通风阻力参数 Ventilation resistance parameter of 3404 Face 3404工作面路线通风阻力分布表 Line ventilation resistance distribution table of 3404 Face 矿井通风难易程度评价 The evaluate the degree of difficulty of mine ventilation 矿井通风阻要求 Mine ventilation resistance requirements 60 61 61 62 62 62 62 62 62 63 63 63 63 64 64 64 64
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1 绪论
1 绪论 1 Introduction
1.1 研究的意义和目的(Project meaning and purpose)
煤炭工业是关系国家经济命脉的重要基础产业，支撑着国民经济持续快速健康发展。煤炭作为基础能源和重要原料，在我国一次性能源生产和消费结构中，煤炭的比重一直占70%左右，煤炭在相当长时期内仍将是我国的主体能源。随着国民经济的快速发展，对能源的消耗加大，煤炭的需求量会越来越大，因此必须保证矿井安全高效的开采[1]。然而随着矿井开采强度和深度的增加，矿井逐渐由浅部开采发展到深部开采，矿井巷道结构复杂程度增加、通风线路变长、阻力变大，通风安全管理复杂困难，严重影响矿井采掘生产效率，制约矿井的发展。
矿井通风系统是矿井生产系统的重要组成部分，主要任务是向井下各用风地点输送充足的新鲜、合格空气，稀释与排除各种有毒有害气体、粉尘等，创造良好的井下劳动环境，保障井下人员的身体健康和劳动安全[2]。它是由驱动风流的通风动力及装置、通风方式所决定的通风网络及调节控制风流的通风构筑物所构成。矿井通风系统是一个具有复杂性、动态性和随机性的系统，其优劣程度直接影响着矿井的安全生产、经济效益和可持续发展[3]。
安全可靠的矿井通风系统是防止各种灾害发生的重要保障。而且在矿井发生瓦斯、火灾等事故时，可靠的通风系统能够有效的控制事故的扩展范围，最大限度的降低事故的损害程度和人员伤害等[4]。因而，研究如何实现矿井通风系统运行的稳定、高效、可靠，是一项安全工程，也是一项效益工程，对保障矿井安全生产、改善井下劳动健康条件和防灾减灾抗灾都具有重要的现实意义。
为了保障矿井通风系统安全可靠的运行，通风技术人员需及时获取相关的通风基础数据和信息[5]，为矿井通风系统管理和决策提供依据。然而，矿井通风系统是复杂多变的，井下各用风地点较分散，信息量庞大，且影响因素众多。随着矿井采掘接替的进行，通风参数实时发生着变化，依靠井下工作人员测量通风参数不仅工作量庞大[6]，而且获取的信息比较滞后，很难实时准确地获取矿井通风基础数据信息，使得通风技术管理人员很难及时发现系统中存在的安全隐患，无法有效的针对存在的问题及时采取措施，从而增加了事故发生的可能性[7]。
矿井安全监控系统作为安全避险六大系统之一，在矿井瓦斯防治、灾害预警和事故调查中起着重要作用[2-3]。通过对煤矿井下环境和生产参数的自动监测，
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硕士学位论文
使用相关软件分析系统对监测到的数据进行处理，并依据处理结果对生产进行信息反馈，实现矿井通风系统的预警预报和管理控制。安全监控系统具有保障矿井通风系统安全、提高抗灾变能力等特点，是煤矿安全生产不可缺少的设备。然而目前多数矿井的安全监控系统，只是对井下关键用风地点进行监测，存在很多监控盲区，监测数据缺乏有效利用，很难实现对灾害的预警预报，没有充分发挥矿井安全监控的安全保障作用[8-10]。
随着采掘范围的扩大和矿井产量的增加，煤矿会逐渐形成复杂的矿井多区域通风系统，矿井逐渐呈现出通风系统结构不合理、井下采掘地点风量不足、局部巷道通风阻力过大、风机超期服务效率降低等一系列问题[11]。本文基于此，以新元煤矿通风系统为研究对象，通过理论分析、实验室试验、现场试验对通风系统进行分析研究，形成了一套符合新元煤矿实际的矿井通风系统运行状况实时仿真与运行状态预测模拟系统，从而为实际条件下通风系统优化提供一种新的方法，降低通风阻力，为矿井安全生产提供技术支撑[12]。
1.2 国内外研究现状(Research status)
1.2.1 矿井通风软件的研究现状
随着计算机技术的飞速发展和[13]通风网络理论的不断完善，应用于矿井通风系统管理的软件不断增多，这对科学管理矿井通风技术水平的提高，起着极大的推动作用，计算机在通风安全管理中的应用也越来越广泛。国内外的科技工作者在这方面也做了大量的研究并取得了丰硕的成果[14, 15]。
1953年，英国人D.Scott和F.Hinsley首先使用计算机来解决通风网络分析的问题。而世界上第一个通风网络解算程序，是日本学者Hashimoto在1958年编写的，通风网络电算法研究也由此正式开始[16]。波兰科学院的W.Dziurzy`nski教授团队研发了VENTGRAPH系统，真正实现了可视化，现已被推广应用到波兰70%的矿井，是目前世界上影响力最大的风网解算软件。此外，波兰科学院还研发了Mine Fire Simulator软件，可以将火灾蔓延过程以动态图形的表示出来。美国开发的Ventilation Design矿井通风可视化软件，具有交互式设计功能，可应用三维图形的形式显示矿井自然通风和机械通风网络。VENDIS软件可以将通风网络解算的结果以交互式图形显示[17]。MFIRE仿真模拟软件是由美国矿业局研发的，可实现火灾发生时风流状态、烟雾及温度分布的仿真模拟。英国诺丁汉大学MMS科研团队，研发了基于虚拟现实技术的VR-MNE系统，可实现从真三维的方位观察系统的运行状态。此外，法国研发了基于RTD理论的通风网络仿真系统，可以实现更为综合化的动态模拟效果。目前，在印度尼西亚，普遍采用
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3 矿井通风系统运行状态仿真模拟系统
矿井通风系统仿真模拟系统 通风阻力测定 通风网络管通风机管理 气压计法压差计法 测定精度检验 设计风道 风阻计算 网络 解算 风机特性 曲线拟合 风机优调风机优选 不可压缩流体 可压缩流体 按标准摩擦系数库计算 按实测摩擦 系数计算 多项式 拟合 最小二 乘法
图3-1 软件总体功能设计图 Fig.3-1 Overall functional design software
当测量系统稳定时，可利用各主要通风机风压与其工作的风网阻力的关系，采用通路法检验，具有自选最大和最小阻力通路，并进行主干线分别检验和自闭合检验的功能。
当测量系统不稳定时，通路法则不适用了，必须采用网络法，即根据矿井通风网络风流流动理论，按照风网回路风压平衡定律和节点质量流量守恒定律，进行风网解算，得出矿井各风机系统的总阻力，再对测量精度进行总体检验。
值得申明的是，网络法具有普遍意义，既适用于不稳定的测量系统，也适用于稳定的测量系统，因此网络法是一种通用的检验方法。为了满足不同的精度检验需要，本软件具有通路法和网络法两种测量精度检验功能。
3、矿井通风系统运行状态仿真模拟
目前，解算通风网络的数值计算法可分为两大类：一类是回路风量法，即首先根据节点风量平衡定律假定初始风量，由回路风压平衡方程推导出风量修正计算式，逐步对风量进行修正，直至满足回路风压平衡方程；另一类是节点风压法，即首先根据回路风压平衡方程定律假定初始节点压力[43]，由节点风量平衡方程推导出压力修正式，逐步对节点压力进行修正，直至满足节点风量平衡方程。目前使用较广泛的是回路风量法，因此选择回路风量法作为通风系统运行状态仿真模拟的计算方法。为了适应日常通风管理的需要，具有以下的特殊功能：
①网络节点号任意编写，不要求连续；
②网络分支号可任意编写，并具有重新生成连续编号功能；
③网络分支和节点输入顺序任意，通过选择分支类别，定义风机分支、预选
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硕士学位论文
风机分支、定流分支、大气连通分支等，可完成风网模拟不同功能的需要，如现行通风系统不同运行状态模拟、通风设计、风网调节和通风机工况点调节等；
④网络分支风阻值区分为巷道风阻和调节设施风阻两部分，并将当前风网调节计算的结果（包括风机调节）立即回写，从而满足风网实时连续调节计算和通风设计需要；
⑤通风网络解算结果输出具有分类输出功能，以便快速查询； ⑥为了保证风网解算的正确性，可进行输入数据有效性检验。 4、主要通风机优化选型和优化调节
当矿井主要通风机与矿井风网联合解算时，其工况点在规定的合理范围内，则该风机为可选风机。用计算机优选风机，就是在一组可选风机中挑选出一台最合理的风机。所选风机在其服务期内，应满足不同时期通风的要求，对于通风阻力变化较大的系统，应考虑风机性能调节，如改变风机叶片安装角、前导器角和风机转速等。为此，实现了下列具体功能：
①建立通风机个体特性曲线方程系数库，用2次多项式拟合风机风压特性曲线，以简化风机工况点的求解方法；用3次多项式拟合风机效率和功率特性曲线，提高曲线拟合精度。当使用已知风机特性曲线时，采用4个点Vadermonde多项式拟合方法求解通风机特性曲线；当实测风机特性曲线时，采用4～10点数据按最小二乘法进行风机特性曲线的拟合计算；
②对于生产矿井主要通风机优化调节，是在通风网络风量调节计算完成后，在主要通风机可行的个体特性曲线中寻找一条效率最高、功率消耗最小的通风机特性曲线，并将其自动写入风机安装选择表中，以便回代计算；
③对于新矿井风机设计选型或老矿井风机更换选型，必须考虑该风机在其服务年限内，通风容易和困难两个时期的矿井风量、阻力、自然风压。可以通过通风系统运行状态模拟和预测计算出风机选型设计参数值。并以两个时期的平均风机工作效率最大和功率消耗最小选择最优的通风机；
④选择通风机时，可事先限定优选的范围，允许设定选择离心式风机、轴流式风机或任意选择。
5、矿井风道风阻计算
为了进行矿井通风设计和通风系统未来状况预测，除了利用通风系统阻力测量参数和风机特性参数外，还需要对新设计巷道的风阻进行计算。因此，建立了井巷标准摩擦阻力系数库，并采用引入井巷摩擦阻力系数模型计算井巷风阻值。
3.3 矿井通风系统运行状态仿真模拟方法及程序
3.3.1 通风网络自然分风求解算法
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3 矿井通风系统运行状态仿真模拟系统
由式CRdiagCTQydiag?Qy??CRdiagCTQyF CTQy?CPf?0，设：
diagCTQy?CPf?0 （1）
由于上式为非线性方程组，只能采用迭代法进行求解。设第K次迭代后的
k风量近似值向量为Qy??qy1,qy2,???,qyn?，将式（1）用泰勒级数展开，并略去二
次以上微分项得：
k?1FQy?F(QYK)????F?Qy?1kQy?Qyk?Qy?0 （2）
故：
??Fk?Qy?????Q?y?k?F(Qy) （3） ??Qy?Qykkk?1k?Qy?Qy式中?Qy，为独立回路风量的修正值列向量；
?F 为雅可比矩?Qy阵，即：
??f1??q?y1??f2?F???qy1?Qy???????fN???qy1?F?2CRdiag?Qy?f1?qy1?f2?qy2????fN?qy2CTRy?f1?qyN?f2????qyN???????fN????qyN???diagCT?C????? （4） ?????dPf （5）
dQy第k+1次迭代后的风量可由下式计算：
k?1kkQy?Qy??Qy （6） 上式（3）和式（6）即为牛顿法解算通风网络的迭代计算模型。
若雅可比矩阵具有对角线优势，即： N?fi?f???i， i=1，2，…，N （7） ?qyii?1?qyjj?i则可略去雅可比矩阵的非对角元素，式（3）可简化为：
kfiQyk， i=1，2，…，N （8） ?qyi???fi?qyi??式（8）称Scott-Hinsley法。使用上述迭代算法解算通风网络，一般要经过以下步骤：
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硕士学位论文
①输入网络结构及数据，并进行分支风阻排序；
②选择余树分支，即选最小生成树，确定独立回路的分支构成；
③拟定初始风量。通常，先给余树分支先赋一组初值，再计算各树枝初始风量。拟定的初始风量应接近真实风量，以加速迭代计算的收敛速度；
④计算修正风量。使用式（8）计算出独立回路的风量修正值，然后用式（10）对独立分支的风量进行修正，再用式（8）计算所有分支的新风量。当计算出一个回路的风量修正值△Qi后，立即对回路所有分支的风量进行修正，以加快收敛速度；
⑤检查精度是否满足要求：
每计算完一次所有分支的修正风量，成为迭代一次。每次迭代后应判别计算结果是否已满足给定的精度要求，即检查是否满足：
max?qyi??，1?i?N （9）
ε为迭代精度指标，根据不需要人为给定，一般可取0.001～0.0001m3/s，若上式已满足，则迭代计算终止。否则转第（5）步继续迭代。
??3.3.2 通风网络按需分风求解算法
⑴ 调节点的数量与位置
由节点风量平衡方程式可见，只要网络中的（n－m＋1）条独立分支的风量已确定，则其他分支的风量也就被确定。假设在每条独立分支中安设一个调节设施，就可以实现对风网风量的完全控制。因此通风网路中的最多有效调节点数量为（n－m＋1）。若网络紧靠自然分风就能满足全部风量要求，则网络内部不需调节。但每个通风系统至少应由一台通风机提供通风动力，而通风机可视为一个调解设施，因此通风网络的最少调节点数为1。
在实际通风网络中，常有些不需调节的自然分风子网络包含k个独立回路，则网络中应具有的独立调节点数目为：
S=n－m－k＋1 （10）
虽然在通风网络中仅需S个调节点，且这S个调节点必须包括在网络的同一棵树中，但由于通风网络的生成树数目非常之多，网络中任何一条分支都有可能成为调节点。如何在通风网络的全部分支中选取所需的S个调节分支，就是确定风量调节方案的重要内容之一。
⑵ 调节计算方法
当事先确定出需调节的分支，并将它们包含在网络的某一棵余树中时，其调节量大小由回路风压平衡方程即可算出。
设所有余树弦的风量均已确定，且可调节的分支包含在余树中，则有
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3 矿井通风系统运行状态仿真模拟系统
Hcy?CPf?CRdiagCTQydiagCTRy （11）
这种方法求解出的调节方案的优劣取决于调节分支的选择，适用于调节点位置确定后计算其调节量的大小。在实际通风网络调节计算中，为计算简便起见，一般将固定风量分支作为当然的余树弦，即为需调节分支。这种简单处理要求除去固定风量分支后的子图必须仍然是包含原图中所有节点的连通图，已保证可选出包含所有节点的一棵最小生成树。
3.3.3 通风网络解算程序设计
随着计算机技术的发展和普及，目前国内外出现了不少矿井通风系统运行状态仿真模拟的计算模型、算法和相关软件。即系统模拟的数学模型选用回路法或节点法，其求解算法采用斯考德——恒斯雷法或牛顿法，并编了相应的非通风自动化条件下的计算机软件，并正在逐步向着实用性强、可视化程度高、兼有实时分析和智能控制功能的方向发展。
根据通风网络解算求解算法，本项目采用Visual C++编制了通风网络解算程序（模块）。其中包括分支风阻排序、统计使用的节点号、节点数和最大节点号，选择独立回路、迭代计算、分支类型识别等功能函数。其模块框图如图3-2所示，具体执行说明如下：
①输入有关参数——通常需输入分支的始末节点、风阻、风机风压和固定风量等参数。若网络风阻值未知，则需输入巷道断面几何形状特征尺寸、摩擦阻力系数、局部阻力系数、巷道长度等参数，以便计算风阻值。
②各分支风阻按降序排列——风网各分支参数的输入先后次序是任意的，程序执行时按其风阻大小以降序排列。
③确定余树弦——余树弦是作为选择回路的基底分支，除固定风量分支和风机分支作为当然的余树弦外，还要从一般分支中选择风阻较大者作为余树弦，使余树弦的总数达到(n－m＋1)个。这类分支为回路的非公共分支，每个回路只有一个，并且其风阻值在回路的各分支中最大。选余树弦的方法是在网络中形成最小树，而未包含在最小生成树中的分支即为余树弦。
程序中采用“避圈法”寻找最小树。从最小风阻分支开始，按风阻由大到小逐个取出各分支添加到原图位置上，检查该分支，如果与前面添加的分支构成回路，则将其从图中移出，成为余树弦；否则将此填入树中，成为树枝。如此继续下去，直到找出(m－1)条分支所构成无回路的连通图为止，此图即为所要求的一棵最小树。同时也找出了(n－m＋1)个余树弦。
④选回路——选回路是以余树弦为基础，从一般分支中风阻最大的分支开始，逐一查找可与余树弦出风节点相联的分支，反复操作直至构成回路为止。程
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