（安全技术及工程专业论文）复杂矿井通风网络解算及参数可调度研究.pdf

中南大学硕士学位论文 一_-_-lh_-_-_h-h_hw_一 s t u d y o ft h ec o m p l i c a t e dm i n ev e n t i l a t i o nn e t w o r k a n a l y s i sa n d i t s a d j u s t m e n t l i m i t so f t h er e l e v a n tp a r a m e t e r s a b s t r a c t a l lm a n k j n da c t i v j t i e sa r ei nad e 6 n i t ec i r c u r n s t a n c e a t m o s p h e r eq u a l 】t yi sav e r v i m p o n a n tt oe m p l o y e ei nm i n i n gf i e l d ，e s p e c l a l i yi nu n d e r f o u l l dm i n e so n eo f t 1 1 ea l m so f m i n ev e n t i l a t i o ns v s t e mi st op r o v i d eas u i t a b l ee n v i r o n m e n tt om e e tt h es a m t a i a ns t a n d a r df o r t h ew o r kf a c et h o u g hm i n ea e r o d y n a m i c sw a sf o u n d e da n dt 1 et 1 e o f vo fm i n ea t m o s p h e r e w a sb r o u g h tf o f t h m a n yy e a r sa g o s t u d y o fm i n ev e m i l 砒i o na n dt e c h n o l o g yh a sb e e n c o n d u c t e dc o m l n u o u s l ya n dm a n ya c h j e v e m e m sh a v em a d et h i sp r o 盯e s sg r e a t l yp r o m o t e s a n de n r i c h e st h em i n ev e n t i l a t i o nd i s c i p “n e a sc o n c e m j n gw i t ht h eh i s t o r vo fm i n ev e n t l l a t i o nn e t w o r ks o l u t i o n ，s c o t ta n dh i n s l e v a r et h e o n e e r sw h ou s ec o m p u t e rt or e s o l v et h ep r o b j e m i nr e c e n tt w e n t vv e a r si nc h i n a ， m a n vs o f t w a r e t 0 rm i n ev e n “l a t i o nn e t w o r k a n a l y s i s h a v eb e e n d e v e l o p e d h o 、v e v e r ， c o m p a n n g w i t ht h ec o m m e r c i a ls o r 、v a r c ，t h ei n t e r l a c ea n do p e r a t i o nm e t h o d so fs o r w a r eh a v e g r e a td 珊c r e n t i nm a n yw a y st h ei n v e s t 垃a t l o no nt h ee f 琵c lo fm i n en e t w o r kp a r a m e t e r c h a n g i n go nt h ew h o l en e t w o r kh a sn o tb e e nd i s c o v e r e di nal i t e r a t u r es e a r c h a c c o r d i n g ly t h e a u t h o rs e l e c t e dt h i sa r e aa st h et o p j co fi n v e s t i g a t i o ni nt h ed i s s e n a t i o n b a s e do nas y s t e m a t i c s e a r c ho ft h ee “s t i n ga c h i e v e m e n t so fm i n ev e n t i i a t i o na n a l y s i ss o r w a r ci nt h ew o r i d ，t h e a u t h o rd e v e l o p e dan e wp m g r a m ，a n du s e di tf o rac a s eo fm i n ev e n t l l a t i o ns y s t e md e s i g n m e a n w h i l es o m ec r e a 廿v ew o r kh a sb e e nd o n ei nt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r 呦e t e rd e s c “p t i o na 1 1 d v e n t i i a t i o nn e t w o r ki m p r o v e m e n ta i s o ，t h ea u t h o rh a sg i v e ns o m ec o r r e s p o nd i n gt h e o r e t i c a n a i v s j st ot h er e s u i to f t h es t u d i e su s i n g t h et h e o r yo f d i s s i p a t i o ns 仃u c t u r e 1 ns u m m a f y t h e 小s s e f l 越i o nj n c l u d e dt h ef o l l o w i n gs y n o p s e s 1 m a n vm i n ev e n t i l a t j o ns o f 融a r e 佃v e n t e d 】nt h er e c e my e 甜s ，i n c i u d j n gt h e i ro p e f a t i o n p l a t f o r m ，u s e ri n t e 响c e ，1 a n g u a g es t o r a g et y p e o fd a t as t m c t u r ea n df u n c t i o n ，w e r e s u m m a r i z e db a s e do nt h i sr e v i ew t h ec o n t e n t so ft h ed i s s e f t a t i o nw c r ep u tf o r w a r d 。 2 d e p e n d i n 2o nt h er e i e v a n tm i n ev e n t i l a t i o nn e t w o r ka n a l y s i st h e o r y as o r w a r eo fm i n e ，e n t i l a t j o nn e t w o r ka n a 】y s i sh a sb e e nd e v e j o p e du s j n g s u a lc + 十l a n g u a g eb a s i n go n w l n d o w s ，w h i c hh a ss o m ed i s t i n c tc h a r a c t e r s ，s u c ha sv i s u a li n t e r f h c e ，s j m p l eo p e r a t i o na n d c o n v e n i e n c e t ou s e l 3a ne x a m p l eo f c o m p l i c a t e dm j n e v e n t i l a 石o nw a ss o l v e d b y t l l i sp r o 黟a m t h er e s u l t sm e e t t h ea i m so f o p t i m i z a “o no f 出em i n ev e n t n a t i o ns y s t e m 4 d e p e n d i n gu p o n n u l n e r i c a le x p e r i m e n ti nc o m p u t e r ，廿l er e l a t i o n s h i po f r c l e v a n tp a r a m e t e r s d u “n gm i n ev e n t i l a t i o nn e t w o r ka n a l y s j s ，s u c ha sb m n c hn u m b e r n o d en u m b e lm e s h n 啪b e r ，c o m p u t a t i o na c c u r a c y p r e l i m i n a r y v “u eo fa i r n o w r a t e ，j t e r a t i o n n u m b e r ， c o m p u t a t i o nt i m e ，c o n v e f g e n c e8 n ds oo n ，w a sj n v e s t i g a t e db a s e do nf o u rc o m p l j c a t e d m i n ev e n t l l a t i o ns y s t e m s t h er e s u l t ss h o wt h a tah i g hg i v e nc o m p u t a t i o na c c u r a c y 簪e a t l y i n f l u e n c e so nt h ei t e r a t i o nn 哪b e lp a r t i c u l a r l y w h e nt l l eg i v e na c c 啪c yr e a c h e s l 0 1 0m s t os o l v eac o m p l i c a t e d 谢n ev e n t i l a t i o nn e t v v o r k ，t h em r u l i n gt i i t l ei st o ol o n gt os u 腩l i h 中南大学硕士学位论文 t h o u g hah j g hs p e e dc o m p u t e r i su s e ds i z eo ft h ep r e l i m i n a i y 舀v e nv a l u eo fa i r1 1 0 w r a t e h a s1 i m ee 仃b c to nt h ei t e r a t i o nn u m b e ra n da n yv a l u ee x c e d tz e r oc a nb es e ts t r u c t u r eo fa n e t 、v o r kh a sa l s os o m ee f f 如to nt l l ei t e r a t i o nn u m b e fw h e nr e s i s t a n to fab r a n c hi na n e t w o r ki si n c r e a s e dt oav e r yb 噜v a l u el j k es e n i n gas e a l i n gi nm eb r a n c h ，t h ew h o l e n e t w o r ka n a l y s i sr e s u l t sa r es t i l li nn o r m a la n dt h ei t e r a t i o nt e c h n l q u ec a np l a yt h es a m e f u n c “o n 5 b vu s i n gt 1 1 et h e o r yo fd i s s i p a t i v es t r u c t u r ea n df r o mt h er e l e v a n tp 盯a m e t e r so fam i n e v e m i i a t i o ns y s t e m ，t h ep a p e rb r i e n yd e s c r i b e st h ef o r m i n gp r o c e s so fam i n ev e n t i l a t i o n s y s t e ma n dt h es v s t e mb a l a n c e o nt h eb a s eo f t l l i sa p p r o a c h ，as e r i e so fr e s u l t sh a v eb e e n d r a 、v no u t ，w h l c hm a yb eu s e dt oo p t i m i z ea n dc o n t r o l t h em i n ev e m i l a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：m i n ev e n t i i a t i o n ；n e t w o r ka n a l y s i s ，s o f t w a r e ；n u m e r i c a le x p e r j m e n t ；p a r 锄e t e r a d j u s t m e n t ，d i s s i p a t j v es t r u c t u r c i v 中南大学硕士学位论文 前言 矿产资源的大规模开采与综合利用，给人类带来了大量的物质财富，同时也提出了 许多急需要解决的问题，如环境保护等问题。矿井通风是地下矿山环境保护的主要内容。 随着地下开采向深部发展，我国推行职业安全卫生管理体系( 0 咀s m s ) ，这给矿并通风 技术提出了新的要求和挑战。鉴于此，矿井通风的基本任务是：供给矿井新鲜空气，冲 淡并辛j l ：出井卜的毒性、窒息性和爆炸性气体和粉尘，保证井下风流的质量( 成分、温度 和捌奠) 符合国家安全卫生标准，为井下工作面创造一个良好的1 ：作环境，防l f = 各种职 业伤害和爆炸事故，保证工作人员身体健康和生命安全。在此基础上，力求经济效益达 到最优。由于矿产资源不可再生，人们为获取更多的资源，将向深部开采发展，所以矿 井通风网络越来越复杂。传统的矿井通风管理手段定性多于定量，以经验为基础，不能 满足现代矿业生产安全的需要。随着计算机技术的飞速发展，作为种研究手段，更多 地被应用到其它领域中，取得了，可喜的成绩，并且促进了相关科学的发展。本研究以计 算机为手段，用v i s u a lc + 十60 开发了基于w i n d o w s 的可视化矿井通风网络软件，给出 应用实例；在此基础上，对网络特征参数进行可调度研究和相关理论分析。 全文的组织如下： 笫一章为矿井通风系统研究现状综述，在查阅r 大量的相关文献的基础上，对本领 域的发展作了一个简单的回顾，提出了作者的建议及本文拟研究的内容；第二章介绍了 矿井通风网络的基本理论，主要包括图论的相关知识及通风领域中的有关理论：第三章 描述，通风系统网络解算软件的开发思路及过程；第四章给出了一个应用所开发的软件 解算矿井通风系统实例，项目名称为：大冶有色金属公司丰山铜矿矿井通风系统优化研 究：第五章分析了矿井通风网络参数可调度性，即通过修改网络的基本数据，采用单因 素分析法研究参数变化对系统的影响程度，得出了有意义的结论；第六章利用耗散结构 理论对矿井通风网络中的有关参数进行了分析，探讨了它们之间的关系，在此基础上提 f _ _ 了些有价值的建议。 如果本研究工作能对矿山及同行有所帮助，那将是对本人最大的肯定和鼓励。 由于本人的水平有限，文中肯定有疏漏和不妥之处，恳请大家批评指正。 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 其同j i 作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了确切的说明。 懈徽：沙侈啡川彻 关于学位论文使用授权说明 本人了懈中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阕：学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文： 学校可根据圜家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者躲淬铷貔爰乓嗍刎年m 。曰 中南大学硕士学位论文 第一章 复杂矿井通风网络解算研究现状综述 i i 矿井通风系统 矿井通风系统是由向井下各作业地点供给新鲜空气、排出污浊空气的通风嗍络和 通风动力及通风控制设施等构成的工程体系”。矿井通风系统与井下各作业点相联 系，对矿井通风安全状况具有全局性影响，是搞好矿井防尘的基础工程。无论新没计 的矿井或生产矿井，都应把建立和完善矿井通风系统，作为搞好安全生产，保护矿工 安套健康，提高劳动生产率的一项重要措施【”】。矿井通风系统按般务范围分为统一通 风和分区通风i z i ：按进风井和回风井在井范围内的布局分为中央式、对角式和中央 对角混合式：按主扇的工作方式分为压入式、抽出式和压抽混合式。此外，阶段通风 网络、采区通风网络和通风构筑物，也是通风系统的重要构成要素。防止漏风，提高 有效风垦率，是矿井通风系统管理的主要内容。 一个完整的矿井通风系统必须包括通风网络，通风动力和通风控制设施等。通风 网络是指由分支和节点构成的连通的物理网路。通风动力是指在通风系统中提供动力 以克服通风阻力部分，扇风机是提供通风动力的主要设备，自然风压也可为矿井通风 提供动力。矿井通风构筑物是矿井通风系统中的风流调控设施，用以保证风流按生产 需要的路线流动。凡用于引导风流、遮断风流和调节风量的装置，统称为矿井通风构 筑物。合理地安装矿井通风构筑物，并使其经常处于完好状态，是矿井通风技术管理 的一项重要任务。矿井通风构筑物可分为两大类：一类是通过风流的构筑物，包括主 扁风俐、反风装置、风桥、导风板、调节风窗和风障：另一类是遮断风流的构筑物， 包括挡风墙和风门等。 在通风系统中特别一提的是多级机站通风系统0 6 1 1 5 ，这是一利，有几级进风机以接 力的方式将新鲜空气经进风井巷压送到作业区，再由几级回风机站将作业丽形成的污 浊空气经回风巷排出矿井的通风系统。其通风方式属于压抽混合式。由于此系统在进 风段、需风段和回风段均设有扇风机，对全系统施行均压通风，能有效地控制漏风， 节省通风能耗，风量调节也比较灵活。随精矿井的深度与日俱增，多级机站通风系统 的应用将会愈来愈j “。 随着职业安全卫生体系( 0 h s m s ) 的贯彻实施，我国对企业工作场所的劳动条件要 求将会越来越严格。随人民生活水平的提高，人们对生活质量、品位的要求也日趋高 涨。同时，人们对工作环境，生活环境的要求越来越高。通风技术的应用和研究，不 仪仪限制在矿井通风的小范围内，还可以应用于各种地下建筑工程的通风和空调。从 广义上来说，有人活动的地方，就一定存在一个活动的环境，人与环境构成了一个小 系统，在此系统中，人与环境相互作用。甚至，在没有人员活动的地方，对环境也有 一定的要求，如存储粮食的仓库，要求空气干燥，以防粮食的糜烂。由于，大气环境 是我们日常所说的客观环境的必不可少的组成部分，所以，要保证大气环境的安全、 中南大学硕士学位论文 卫生是职p 安全卫生体系对环境的最低要求，就必须应用通风技术。 所有涉及到大气环境的主题，同通风必然存在或多或少的联系。通风技术同其它 的相关技术相结合，形成了新的实用技术如通风与空调等实用学科。这些技术，在不 同的领域，得到应用和推广 3 。j 7 | 。 1 2 近十五年国内外矿井通风网络分析成果评述 数字计算技术用于矿井通风网络分析始于1 9 5 3 年，2 0 世纪6 0 年代末，在世界 范围内，汁算机广泛用于矿井通风系统的设计和分析。到目前为此，已有大量有关矿 井通风的软件，用于解决地下开采中出现的不同问题。 总结了近几卜年有关矿井通风网络分析方面的文献【“8 l ，可以看出矿井通风网 络模拟变得越来越完善，也越来越有用。从大的方面来看，矿井通风网络分析软件人 体经历_ 如f 的几个大阶段。参见图卜i 。 1 9 5 3 年，s c o t t 和h i n s l e y 首先使用计算机来解决通风网络问题。1 9 6 7 年w a l l g 平h a n m a n 开发出解算含多风机和自然通风的立体通风网络程序，该软件表明，用于 解决矿井通风基本参数的应用程序走向一个成熟的阶段。从那之后，世界上很多通风 毋f 究人员开发m 人量的用于更加复杂的通风系统的程序。 1 9 7 4 年，宾夕法尼亚州州立大学，s t c f a n k o 和r a m a n j 对通风系统网络分析的发 胜作r 很火的贡献。他们的论文“矿井通风系统中柴油废气浓度的数值模拟”研究了 井f 柴油机对通风系统的影响，并提出1 r 一系列的相关数学公式，这些公式的有效性 得到r 相关实测数据的检验。1 9 8 1 年，g r e u e 发表了题为“矿井通风系统污染物和燃 烧实时分布的计算”的文章，该软件是矿井火灾时，污染模拟的最具代表性的程序之 。这个程序可阻模拟矿井大气中的烟尘和其它污染物的运动情况，计算在给定点、 给定时矧的浓度，判定矿井中不同位置的总污染强度。同样，它可以处理多个污染源 或污染源随时问变化的情况，还可以解决污风循环的问题。西方国家早期的通风软件 也较多，以美国和法国为例，列出软件的主要参数，如表1 1 。 我国的科技人员在这方面也做了大量的工作。1 9 8 4 年，沈斐敏等编写r 微 型电子计算机在矿井通风中的应用的讲义，于1 9 9 2 年改编为采矿专业本科生的教 材矿井通风微机程序设计与应用，为更多的人接触有关矿井通风网络解算的知识 开了一扇方便之门。1 9 8 7 年，原中南矿冶学院吴超在瑞典律勒欧工业大学做访问学者 期问，完成专著m i n ev e n t i l a d o nn e t w o r ka 砌y s i s a j l dp o l l u t i o ns i m u l a t i o n 。该 专著到顾了国内外通风网络分析的发展历史，阐述了通风网络基本理论并给出了相关 的源代码，使用的计算机语言主要是f o r t r a n 7 7 。1 9 9 1 年中国矿业大学的张惠忱编写 r 计算机在矿井通风中的应用【2 “，为计算机在矿井通风领域的进一步的应用提供 r 技术支持。 在西方，大多数的矿井通风系统网络解算的应用软件已经商品化，有自己的版权 和商标，同样也有一个较大的客户群。而在国内，大多数通风方面的软件是由科研机 一2 一 ! 壹查兰堡主堂堡垒塞 图1 1 小同时期矿井通风系统分析软件的主要功能 构或研究所自行开发的，客户仅限于与他们有项目合作的工矿企业，没有正规的商业 化的运作。软件的功能不是很完善，其发展也在一定的程度上受到制约，不利于该产 业的进一步发展。 在检索了自1 9 8 9 年以来的围内有关矿井通风的软件文献后，发现只有一个软件 较为正式，即通风专家30 版吼有正式的版本号，是低版本的升级版，功能较为完 善，有一定的推广价值。下面简单的介绍一卜| 通风专家3 o 。 该通风专家系统开发始于2 0 世纪8 0 年代中期，经历近l o 年的不断完善，是翻 前国内较为先进的采矿类应用软件，适用于各类井下开采矿山( 煤矿、金属矿、非金 属矿) 矿井通风系统优化设计或相关系统设计。目前通过该系统设计的国内外大中型 矿i j 己超过5 0 座，如大红山铜矿、大红山铁矿、会东铅锌矿、大寨锗煤矿、谦比西 铜矿等，己投产的矿山大部分取得了较好的通风效果和经济效益。通风专家3 0 版采 一3 一 一 ! 塑奎兰堡主堂堡垒壅一 表l l 美国、法国早期通风网络程序豹技术参数 机构名称时间 程序g 称所用语言 输入数据输出数据 协点号斡点数，鞫 1 9 8 7p c v e n t f o r “a 1 1 7 7 定风量，分支矾力，飚终参数，风机工况 c h e r c h a t 飘梳曲线 1 9 8 7 、把n d i sf o r 霄柚7 7 i j 用数值化铰输入 可诗算讽路的各种参 c h e r c h a t 数 b 吐m e h e m r 一刚 徽巍辇鐾裟 1 9 7 5 s t e 岛u s a c o i a d o 风趣，风速，风流压 s c h o o l1 9 7 9 f o 巾a n 0 f m l n e s l ；晕，风机工况 标高，分支长度，局 风阻，废气，风盎 c o n f r 0 1d a t 31 9 8 0m i v d e s f o r 七r a l l 部阻j ， 温度 工况，瓦斯，放射胜 固定风擐 压力，风机风颦，酣 g e c n l mj 9 8 1 h pb a s ，c 塌小风最 隔寓的特枢。 m i c h 增a 1 1 1 9 8 1f o 糟n 4 j 南9 络参数，污絷源，晟羹分配，污豢物浓 t b c h nl 抽l v 几何参数，地热条件度 v 1 r g l n l a 1 9 6 8v e n l s l mf o r 打a n 4 阻力，风概曲线功 s t 砒eu n 】v 率，流速风茧蠲糍 v 1 r g m l a s t a t bl j n l o 9 7 6f o m a n 4 阻力取】水头损失 p e n n s “v a n i a 】9 6 7f 。r m n s 妇t eu n i v p e n n s v l v 鲫l a 1 9 7 jf 0 r b n 4 瓦蜥捕放量 s t a 托u n v p e n n s v l v a n l a 特点，1 咀力系数巷刚络参数飙机特睦 1 9 7 3f o m a i l s t a t el n l v 道尺寸，风路荑型曲线 p e n n s v l v a n l a 使用扩敲浃分析网络 i 9 7 4f o r 日a n 4 s t a ( eu n l v 中柴油机废气浓度 p e n n s v l v 籼1 诅 1 9 7 9f o r h a n s 船u n l v p e n n s v l v a n l 8 1 9 7 9p s u ，m v sf o m a n s “n ee j n i v p 口帆s v i v 锄1 l a 压力损失，同部攒失， 1 9 7 9b a s i c速度调节，以及通m s 协抛u n i v 巷道的费用分析。 注：自鲫诎纪9 0 年代以米，掰方闽家出现 r 专门从事开发用于采矿业的软件， 其开发队伍鏖大，资金雄绰，= i 1 ：发的软件功能相当完善。但价格较贵，一般的中小型 企、陛难雌承受，著名的有m m 强c h 公司和d a t a m i n e 公哥等。 4 一 中南大学硕士学位论文 用汇编语言、编译b a s i c 、数据库( f o x p r o ) 等计算机语言综合编程，兼容d o s 62 2 w i n d o w s 9 x 操作系统，软件系统全部为菜单结构，界面友好华丽，使用简单，支持 键盘以及鼠标操作、程序代码简洁，运算速度极快，不易被病毒攻击。通风专家系统 主要有原始数据处理、通风网络计算、通风绘图、结果报表、风机数据库、知识库等 六大模块组成，可对复杂通风系统进行网络生成、网孔圈定、风机优选、网络解算、 结果报表生成等：系统可自动记录原始节点坐标、自动组建通风系统网络。此外，通 风专家还可以采用任意角度和比例生成通风系统立体图以及通风平面团等大量辅助 性报表。， 其它与通风有关的软件，从不同的角度来反映、解决矿井通风中的不同问题，对 完善矿井通风软件是有益的探索，充实了矿井通风的研究内容。根据检索结果，列举 山软件的主要性能指标，如表1 2 。 从表1 2 中可以看出，这些网络分析程序使用的语言各异，有f o n r a j l ，v j s u a l b a s i c 和v i s u a lc + + 等。最常用的迭代方法是h a r d v c r o s s 迭代法。这些程序可以处理 多捧点、多风机的复杂通风系统，有些还考虑自然通风的影响。主要数据输入肯：摩 擦阻力，断面尺寸( 高度和宽度) ，面积，周长及长度。局部阻力也是重要的输入数 搬之一。考虑自然通风的情况，就需要给出节点的空间位置。大多数程序中，风机的 特征曲线是给定的。有些还考虑到巷道的漏风，有些还可以用数字化仪来输入网络数 据。一般的输出数据为：各风路分支的风量，阻力和压降；固定风量分支的调节：风 机的工况和最优的叶片安装角；各分支的温度：柴油机废气、放射性元素和瓦斯的浓 度；相关费用：立体通风网络图：有关火灾等有价值的数据。一般来说，矿井通风软 件有如卜的一些功能：确定矿井通风系统的最优布局：评判通风网络中风流的稳定性 年通风网络的调节；分析和估计通风网络参数，如阻力，风量，温度，湿度，主、辅 扇参数，粉尘、爆破炮烟、甲烷、柴油机排放的废气的浓度；对通风系统进行实时的 控制，制定未来通风的计划：用计算机数值模拟矿井火灾的发生、发展过程，解算火 灾时期矿井通风系统的风流状态，从而对火灾的救灾、避灾的决策，如m t u 的升级 版本m f i r e 。之后，法国、波兰、原苏联、保加利亚、日本等国学者也相继投入大 曩的人力、物力和财力，对此问题展开研究，陆续提出了各具特色的矿井火灾模型及 程序。 陶内对火灾的计算机模拟研究始于2 0 世纪8 0 年代中期。1 9 8 5 年，中国矿业大学 编制，矿井火灾时期瞬态模拟的计算机程序。1 9 9 2 年，淮南矿院在m f 眦软件j 发计 研究中，实现了在通风系统网络图上在线显示火灾模拟结果。同年，中国矿大编制了 ：j ：维非稳态火灾烟流流动状态的计算机模拟程序；煤炭科学总院抚顺分院、西安矿院 对火灾模拟的计算方法、软件用户界面作了重要的改进。由于国外的相关软件较为专 业，功能较强，价格也较为昂贵，加上各国的单位体系不同，界面汉化等问题，给用 户带来了极大的不便。所以很多国家开发自己的通风网络软件，解决自身的特殊问题， 一3 一 ! 堕奎堂堕圭堂堡垦塞 表1 2 国内通风软件览表 推出 所用语言 作者 丰要结构及功能 时问数据库 根据多孔介质流体动力学理语，葡粟蚕区看耀趸磊丽丽莲凄芥 赵以蕙1 9 9 2f o r m m 7 7 质风流在介质中的流动是过渡流邻近层沼气稳定地均匀地f 或 非均匀地) 涌入采空区，沼气在介质中的扩散符合f l c k 定律，由此 建立了系列稳态条件f 的数学模型。 计算机集散控制系统的管理程序，下级计算机的采 孩矗丽覆蓐。 谢贤平1 9 9 5g w b a s i c 两者之间利闩j 通讯软件相互联系进行数据交换和信息传递。 软件的用户界面良好，使用方便：采用动态内存管理技术可以直矮 黄元，f1 9 9 5c 语言 使用扩展内存，因而原则l 可用于任意大小的网络优化问题 程序为菜单式结构，具有汉字自动提示功能；巷道可按任意顺序排 范明洲 列和调整；具有问路解算和绘图功能；具有参数及图形修改功能： 【 可实现网路解算与绘图的计算机自动控制。 j 自动完成数据处理、通风网路解算、数据选择传递、编制风机风压 计算表并绘制矿井通风系统立体图等一系列工作；操作简单，输入 黄继声l1 9 9 5 数据文件后，只需少量人机对活选择，其它一切皆自动完成：采用 j 链式回路输入法、代码法、统计法和编辑输入法后，使输入数据量 减少8 0 以上。 包含矿井通风管理中的矿井通风、矿井防突、瓦斯抽放、矿井防火、 曾无& l1 9 9 4d b a s e 矿井防尘。、矿井防尘：一、安全技措和矿井通风质量评比八个项目， f o ， 每个项目中均具有编辑数据、修改数据、查询数据和打印数据功能。 利用专家系统技术，符火灾救灾专家经过多年实践得出的经验和教 戚宵欣 训收集起来，经过整理加工，形成有关控风措施的知识库：此外， ! 根据巷道供风作用为巷道分类，从而形成数据库，最后编制成推理 rl 机。 i h 用于生产矿井风量优化调节计算和新井通风设计时的调风计算： 蒋军成1 9 9 5f o n r a l l 既可进行局部风网的风量调节计算，也可进行全矿规模的风量凋节 计算( 包括多风机系统的风量调节计算) 。 刘帅i 少 1 9 9 4 1f o x b a s e 程序设计模块化；舒适可靠的人机交互式工作环境；内存开销小； + 2 】0 具有较强的图形处理功能。 可查询采场剖分信息，根据漏风源汇位置坐标，可查询对应的单元 f o 吐n i n 号是否为边界单元等等；根据漏风源汇的漏风量，计算单元号， 刘剑 1 9 9 3 确定单元均质区号及渗透系数等；绘制二维或三维的采场域图、均 c a d 系统 质区划分图、漏风源汇位嚣及编号图、采场剖分图、流线或流管图、 等压线或等压面圈等。 f o 珩a n 7 7 采用通路法进行风量调节，在计算风网调节的同时可以发现通风阻 谭国运力最大的区段和地点，为降低阻力改造通风系统提供途径；其次， d b a s e 该系统采用一体化通风管理方法，收到良好效果。 v i s u a l c + +主要包括动态调节系统、数据库系统与通风网络图绘制系统等模 扬娟 2 0 0 1 o d b c 块。 一6 中南大学硕士学位论文 使之百花齐放。时至今日，国内外对矿井火灾计算机模拟的研究工作方兴未艾。 1 3 综述结论与建议 通过对国内外计算机在通风领域中应用研究成果的系统文献检索和分析，可以得 出以 f 的评价和建议以及需要进一步研究的问题，有关存在的问题也是本论文研究的 主要内容。 1 3 1小结 】) 计算机在通风领域的应用十分广泛。 2 ) 近年来，软件的界甚i 简单，对用，- 友好。 3 ) 人工智能、专家系统、优化方法等领域的发展以及在通风领域的应用，扩展 ，对通风的研究方法和手段。 4 1 随着人们对环境质量要求不断的提高，通风技术的应用领域越来越j ，对通 风的研究和应用具有良好的前景。 5 ) 工业通风与其他的实用技术相结合形成了新的专业，如工业通风与空调，建 筑e | 的采暖与通风等。 6 1 网络特征参数与通风系统关系的研究甚少，各网络参数变化对系统的影响程 度不是很清楚。 7 1 在通风系统网络解算方面，对网络解算结果的可靠性分析不足。 1 3 2建议 1 1 从我川司情出发，为减少重复的开发，节约成本，提高经济效益，应使通风软 件形成一种产业。 2 ) 各研究所、科研机构、学校等应加强合作，资源菇享，发挥各自的长处，其同 开发功能较完善的软件。 3 1 注重多学科的融合，把其它领域的新工具、新手段和新方法引入到通风领域， 使该学科不断的发展。 4 1 应用数值模拟方法，研究网络特征参数与通风系统关系，分析网络解算结果的 可靠性；并对研究结果进行理论分析，深化对通风系统的认识，用于指导日常 通风管理t 作。 1 3 3本文拟定的研究内容 根究以卜结论和建议，本文拟定的研究内容如下： 1 1 总结与通风有关的理论，给出有关的公式及推导。 2 1 应用先进的编程语言开发矿井通风软件，使界面友好，操作简单n 3 ) 应用该软件对湖北大冶有色金属公司丰山铜矿进行通风系统改造。 4 1 研究复杂矿井通风网络解算特征参数的可调度性。 5 1 分析复杂矿井通风系统耗散条件和耗散行为。 中南大学硕士学位论文 第二章矿井通风网络分析的基本理论 图论是应用非常广泛的一个数学分支。运输规划、电工学、化学、销售学、教育 学等各个不同的领域内的许多问题都可以描述为图论的问题。图论作为一门科学是由 1 8 世纪的瑞士数学家欧拉创立的，在电子计算机问世以后，应用更加广泛。矿井通风 网络的数学基础是图论。同样矿井通风网络解算理论与矿井通风本身的知识基础是不 可分的删【4 3 4 “。 本章简单地介绍图论中的基本知识和通风网络中风流流动的基本规律以及矿井 通风网络解算的迭代方法等2 9 3 2 i 6 4 j 。 2 1基本术语 存网络解析中，常应用以下几个术语： 1 、节点：三条或三条以上风路汇合或分岔的交点。 2 、分支风路：连接两个节点的任一风道。任何支路仅在它的端点才有节点。 3 、网络：由矿井各风路组成的网状系统，它是由通风系统转化而成的一个1 1 1 节点 和支路组成的线性图，它反映r 原通风系统中节点与支路相联结的结构关系。 在矿井通风网络巾，流经其问的介质为空气。 4 、网孔：在网络中由二：条以上的支路于二个以上的不同节点所构成的闭合路径。 在刚孔中除旨节点外，节点与支路皆不重复。 5 、胍向：表示风流在支路中的流动方i 询。分支的方向用箭头表示，与分支有关的 两个端点中，箭头指向的为终结点、另一个为始节点。网孔的方向一般规定顺 时针为正，逆时针为负。 6 、伪节点：为增设伪风道所增加的节点。 7 、伪风道：虚拟分支网路，非网络中的真实风道，其风阻为零。 8 、网络通风参数：一般指的是构成网络的每一支路的风阻、风压和风量，以及整 个网络巾的总风阻、总风压和总风最，此外，还包括通风机的风最、风压和自 然风压值。 2 2 通风网络中风流流动的基本规律 通风网络风量自然分配遵守以下几个规律3 “2 1 【6 2 1 【6 7 】：风量平衡定律、风压平衡 定律、矿井空气流动定律等，介绍如下： 2 2 1 风量平衡定律 在通风网络中，当风流为不可压缩流时，流入任一节点的风量等于流出的风量， 即： 8 一 一 生要查兰堡主堂篁堡奎 q ，= o( 2 一1 ) 式巾：9 第，条支路的风量，流入节点的风量取正、流出的取负： 一相应节点所汇集的支路数。 使用该定律时，为反映支路的风流方向，在考虑方向函数时，则( 2 i ) 式可修改成： - 口“q ，= o( 仁l ，2 ，“，爿2 ) ( 2 2 ) ，= l 式巾：a 。节点流向函数 广o ，当支路，与t 节点不相连时： l 口。刊i ，当支路，的风流流入节点t 时； i l 1 ，当支路f 的风流流出节点女时； 爿网络中一个节点分支风道总条数； 爿，网络节点的总数。 2 2 2 风路平衡定律 在通风网络中，对任一闭合回路，各种能量的代数和等于零“】 6 ，即 止。一，p = o ( 2 3 ) 式中： 闭合网孔中某一支路的风压值，p a ； ，c 闭合网孔中某一支路的风阻值，ns 2 m 8 ： q 一一闭合网孔中某一支路的风量值，m 3 s ； ，闭合回路中通风机的风胝值，当作用方向逆时针时，取正号，顺时针 方向时取负号，p a ； j v 。闭合回路中自然风压值，p a ： 招闭合网孔中所包含最大支路数。 在考虑方向函数时，则( 2 4 ) 式可写成： 一q 一 )4 2( p + 一 ， 日 = qq r m 或 中南大学硕士学位论文 6 。r 。q ，l q ，l - 6 。口+ 6 。， ( 2 5 ) ，= l，= 1 式中： r1 ，当第，条支路属于第七个网孔，且风流流向为顺时针方向时； l 6 。 l ，当第f 条支路属于第 个网孔，且风流流向为逆时针方向时： i lo ，当第f 条支路不属于第个网孔。 h 。一回路七中支路，的风机压力值，p a ； 。回路七巾支路，的自然压力值，p a 。 在无通风机及自然风压作用的网孔中，回路平衡定律可简化为： 毋 ，= o ( 2 6 ) r = l 或： 6 。= o 式z f z ：m 网络中的独立网孔数。 2 2 3 矿井空气流动定律 在完全紊流状态下，空气在任一巷道中流动时的能量消耗为： ，= 月，q 。2 ( 2 8 ) 式巾： 。第f 条支路所耗的风压，p a ； 月第f 条支路所具有的风阻，n s 2 m 8 ； p ，经过第，条支路的风量值，m 3 s 。 2 3网络解算迭代技术 2 ，3 。l 迭代技术 通风网络的解算，以往常采用分析法、图解法、通风模拟法，近年来，由于电子 计算机的迅速发展，电算法的使用已趋普遍，利用计算机进行解算的主要依据 h a r d v c m s s 教授提出的迭代法。它最早是用于水分配系统，后来，作了相应的修改， 提高了稳定性和迭代的效率，才用于矿井通风网络的。 采用h a r d v c r o s s 迭代法求解通风网络的实质是：根据网络中个分支风道的初拟 风量，近似的求