（安全技术及工程专业论文）桓仁铅锌矿通风系统优化设计研究.pdf

at h e s i si ns a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fh u a n r e n l e a d z i n cm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m b yz h a n gr u i g u a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t e p r o f e s s o rq i nh u a l i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 一 h 。 一 一 ， 东北大学硕士学位论文摘要 桓仁铅锌矿通风系统优化设计研究 摘要 金属矿藏开采是工业原材料生产的基础工业，在整个国民经济发展中占有重要地 位。矿井通风系统是保证金属矿藏地下开采高效生产的重要环节，也是矿山工人职业健 康的基础保障。地表矿藏资源日益枯竭，矿藏采掘向纵深发展的趋势越来越明显，受围 岩散热、自然风压、井筒空气自压缩散热等因素的影响，井下工作环境变得更加复杂。 随着矿山开采年限的增长，桓仁铅锌矿出现了通风系统效率低、能耗高、井下工作 面风量不足等问题，很难保证矿山的安全生产。为了保障矿山的可持续发展，确保目前 和未来10 多年间井下采矿作业能够安全高效的进行，需对现有通风系统进行优化。 首先综述了现价段我国部分金属矿山通风系统普遍存在的问题、优化设计模式、多 级机站通风系统在我国的应用现状及其优缺点。根据桓仁矿山的实际生产管理，设计矿 井通风系统优化模型，应用矿井通风网路理论研究优化模型的合理性。研究工作主要有 以下几个方面： 计算桓仁铅锌矿井下生产总需风量及矿井通风阻力，研究矿山通风系统的阻力分布 特点。分析影响井下采掘工作面温度变化的主要因素，研究采掘工作面的通风降温。根 据矿山气候变化特点，研究矿井自然风压变化规律及特点。应用多级机站通风系统理论， 设计桓仁铅锌矿通风系统优化模型。 应用通风网路理论分析优化模型核心网路的拓扑关系，运用拟牛顿法进行网路分风 研究，迭代解算出网路近似风量的真实值，评价优化模型的分风效果。 在优化模型的核心网路中，改变不同风路的风阻时，根据通风网路性质计算网路中 风量的变化，研究风路的稳定程度及可靠度，综合分析优化模型核心网路的稳定性和可 靠性。 关键词：通风系统；优化设计：通风网路；网路分风；网路稳定性及可靠性； 碰- f 东北大学硕士学位论文 a b s u a c t r e s e a r c ho nt h eo p f i m i z z t i o nd e s i g no fh u a n r e n l e a d - - z i n cm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m a b s t r a c t ，n l ee x p l o i t a t i o no ft h em e t a lm i n ei sab a s i ci n d u s t r yo ft h ei n d u s t r i a lr a wm a t e r i a l s p r o d u c t i o n ，i tp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y m i n e v e n t i l a t i o ns y s t e mt a k e sav e r yi m p o r t a n tp a r ti ng u a r a n t e e i n gt h ee x p l o i t a t i o no fm e t a lm i n e s h i 曲e 衢c i e n ta n dt h eo c c u p a t i o n a lh e a l t ho f t h en l i n e r s t h em i n e r a lr e s o u r c e sa tt h ee a r t h s s u r f a c ei si n c r e a s i n g l ye x h a u s t e d ，t h et e n d e n c yo fm i n i n ge x p l o i t a t i o nd e v e l o p i n gi nd e p t h h a v eb e e nm o r ea n dm o r eo b v i o u s b e c a u s eo ft h eh e a tt r a n s f e ro ft h es u r r o u n d i n gr o c k s ， n a t u r a lv e n t i l a t i o np r e s s u r e ，h e a td i s s i p a t i o no ft h em i n e s h a f la i rc o m p r e s s i o ne e t ，t h ew o r k i n g e n v i r o n m e n tu n d e r g r o u n dw i l lb e c o m em o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d w i t ht h em i n es e r v i c el i f ei n c r e a s i n g , h u a n r e nl e a d - z i n cm i n eh a dt h ep r o b l e m so f v e n t i l a t i o nl o we f f i c i e n c y , h i g he n e r g yc o n s u m p t i o n ，t h ed e f i c i e n c yo fa i rv o l u m ea tm i n i n g f a c ee c t ，t h em i n ev e n t i l a t i o ns y s t e mc o u l dn o te i l s u l - et h en l i l es a f ep r o d u c t i o n f o rp u r p o s e o ft h eh u a n r e nm i n e ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，w en e e dt om o d i f yt h ee x i s t i n gv e n t i l a t i o n s y s t e mt oe n s u r et h em i n ec a np r o d u c es a f e l ya n de f f i c i e n t l ya tp r e s e n ta n dt h ef u t u r et e n y e a r s a tf i r s t , t h i st h e s i ss u m m a r i z e st h eu b i q u i t yp r o b l e m so fm e t a lm i n e s ，t h em o d e l so f o p t i m i z a t i o n ，t h ea p p l i c a t i o n s t a t u so fm u l t r s t a g e - s t a t i o nv e n t i l a t i o ns y s t e m ，a n dt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h em u l t r s t a g e s t a t i o nv e n t i l a t i o ns y s t e m a c c o r d i n gt ot h e a c t u a lp r o d u c t i o nm a n a g e m e n to fh u a n r e nl e a d z i n cm i n e ，d e s i g n st h ev e n t i l a t i o ns y s t e m o p t i m i z a t i o nm o d e l ，u s e sm i n e sv e n t i l a t i o nn e t w o r kt h e o r yt oe v a l u a t et h er a t i o n a l i t yo f m o d e l t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri sm a i n l yi nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s w es t u d yt h em i n i n gr e q u i r e da i r f l o wa n dv e n t i l a t i o nr e s i s t a n c eo fh u a n r e nl e a d z i n c m i n e , s t u d yt h e d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h em i n er e s i s t a n c e ，a n a l y s i st h em a i n i n f l u e n c i n gf a c t o r so fm i n i h ga n dd r i v i n gf a c e st e m p e r a t u r e ；a n dr e s e a r c ht h ed e c r e a s i n g t e m p e r a t u r eb yv e n t i l a t i o n b a s e d0 1 1t h ec l i m a t ec h a n g eo fh u a n r e nm i n e ，w es t u d yt h e c h a n g el a wa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h en a t u r a lv e n t i l a t i o np r e s s u r e ，a n dm a k el l s e o ft h e m u l t r s t a g e - s t a t i o nv e n t i l a t i o ns y s t e mt od e s i g nt h eo p t i m i z a t i o nm o d e l s t u d yt h eo p t i m i z a t i o nm o d e l sn e t w o r k st o p o l o g i c a lr e l a t i o n sb yu s eo fv e n t i l a t i o n n e t w o r k st h e o r y , r e s o l v en e t w o r k ss p l i t t i n gu s i n gq u a s i - n e w t o nm e t h o dt oo b t a i nt h et r u e v a l u eo fa p p r o x i m a t es p l i t t i n g ，a n de v a l u a t et h ev e n t i l a t i o ne f f e c to f o p t i m i z a t i o nm o d e l g i v es o m ec h a n g e st ot h em a i nv e n t i l a t i o nn e t w o r k so fo p t i m i z a t i o nm o d e l ，c a l c u l a t et h e v e n t i l a t i o nv o l u m ec h a n g e so ft h ec i r c u i t sa c c o r d i n gt ov e n t i l a t i o n n e t w o r k s p r o p e r t i e s ，s t u d y t h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i wo ft h ev e n t i l a t i o nc i r c u i t s ，a n da n a l y s i st h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y o ft h eo p t i m i z a t i o nm o d e l sk e yv e n t i l a t i o nn e t w o r k sc o m p r e h e n s i v e k e yw o r d s ：v e n t i l a t i o ns y s t e m ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；v e n t i l a t i o nn e t w o r k ；n e t w o r k s p l i t t i n g ；s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fn e t w o r k ； i v 一 目录v 第一章绪论1 1 1 概j 苤1 j1 1 1 我国金属矿山通风系统现存主要问题2 1 1 2 矿井通风系统节能的重要意义2 1 2 矿井通风系统优化设计研究现状3 1 2 1 矿井通风网络优化研究。4 1 2 2 矿井通风系统优化设计6 1 3 多级机站通风系统应用综述8 1 3 1 多级机站通风系统发展历程。8 1 3 2 多级机站通风系统节能原理9 1 3 3 多级机站通风系统的优缺点。9 1 3 4 多级机站通风系统各机站作用9 1 4 矿井通风系统的求解模式1 0 1 4 1 基于案例的求解模式10 1 4 2 基于数学模型的求解模式1 1 1 4 3 基于逻辑的求解模式11 1 5 主要研究内容及研究方法1 1 1 5 1 主要研究内容11 1 5 2 研究方法1 2 第二章矿井通风网路基本理论1 5 2 1 矿井通风网路性质15 2 1 1 矿井通风网路的基本定义1 5 2 1 2 矿井通风网路基本性质一1 5 2 2 矿井通风网路拓扑关系：1 7 v 东北大学硕士学位论文目录 2 2 1 网路节点邻接矩阵d 1 7 2 2 2 网路关联矩阵彳1 7 2 2 3 网路回路矩阵召18 2 2 4 网路割集矩阵c 18 2 2 5 网路通路矩阵尸1 9 2 3 矿井通风网路分风算法1 9 2 3 1 自然分风算法2 0 2 3 2 按需分风算法2 2 2 4 矿井通风网路分风优化2 3 2 5 本章小结2 4 第三章矿井通风系统优化设计研究2 5 3 1 桓仁铅锌矿地下开采现状简述：2 5 3 1 1 矿井开采现状及气象条件2 5 3 1 2 矿井开拓及采矿方法2 5 3 1 3 矿井通风系统简述2 5 3 1 4 现矿井通风系统存在的问题2 6 3 1 5 矿井通风系统优化改造思路2 7 3 2 矿井生产需风量计算2 7 3 2 1 全矿总风量计算2 7 3 2 2 回采工作面需风量计算：2 8 3 2 3 掘进工作面需风量计算。3 0 3 2 4 独立通风硐室需风量分析3 1 3 2 5 矿井需风量汇总3 2 3 3 矿井通风降温研究3 3 3 3 1 井下主要热源分析3 3 3 3 2 矿井通风降温研究3 7 3 4 矿井通风系统阻力计算3 8 3 4 1 矿井通风系统摩擦风阻研究3 8 3 4 2 矿井通风系统阻力计算分析4 0 3 5 深井自然风压影响分析4 2 3 5 1 深井自然风压影响定性分析。4 2 3 5 2 深井自然风压影响定量计算4 2 3 6 多级机站通风系统设计4 6 3 6 1 矿井通风系统优化设计分析：4 6 舢 ，、 3 8 本章小结5 0 第四章优化模型分风研究5 1 4 1 通风网路拓扑关系研究5 1 4 2 矿井通风网路分风研究5 6 4 2 1 求解网路初始风量5 6 4 2 2 拟牛顿法迭代解算5 7 4 2 3 井下网路分风迭代结果分析6 1 4 - 4 优化模型的通风效果评价6 3 4 4 1 优化模型评价概述- 6 3 4 4 2 网路分风结果评价6 4 4 5 本章小结6 4 第五章优化模型核心网路稳定性与可靠性分析6 5 5 1 矿井通风系统网路稳定性分析6 5 5 1 1 矿井通风系统稳定性概述6 5 5 1 2 通风网路风流变化影响分析6 6 5 1 3 通风网路稳定性定量分析6 7 5 1 4 通风网路稳定性计算结果分析7 1 5 2 矿井通风系统网路可靠性分析7 4 5 2 1 可靠性分析概述7 4 5 2 2 通风网路可靠性定量分析7 5 5 2 3 通风网路可靠度计算结果分析7 9 5 3 本章小结_ 8 0 第六章结论与展望8 1 6 1 结论8 1 6 2 展望8 2 参考文献8 3 致谢8 5 v 一 ，i 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第一章绪论 地下矿藏开发是人类生存和社会发展活动中一个非常重要的组成部分，世界9 0 的 工业品和1 7 的消费品是用矿物原料来生产的。目前我国的工业生产活动中9 5 的能源 和8 5 的原材料依赖于矿产资源，因此，矿业开发是人类社会发展不可或缺的活动。 金属矿藏开采是现代生产工业原料的基础工业，它在我国的国民经济发展中占有重要地 位。矿井通风工作是保证井下矿工的安全与健康，促进金属矿藏地下开采高效生产的一 个重要方面，对实现金属矿藏地下开采可持续发展具有重要的现实意义。 矿井通风作为矿井安全生产的基本保证，其主要任务是把地面新鲜空气源源不断地 输送到井下各用风场所，供给人员呼吸，稀释并排除各种有害的矿尘和气体，降低环境 温度，创造舒适、良好的井下气候条件，保障井下人员的身体健康和安全生产，提高矿 工的劳动生产率。矿井通风系统是受内、外部因素综合作用的开放式系统，涉及到地表 环境、采矿方法、井下的开拓、巷道布置、通风机工作方式等多个影响因裂1 1 。 目前，我国有部分矿井随着通风系统服务年限的增长，井下通风设备逐渐出现老化， 作业方式发生变化，矿井通风网络结构出现变动，促使通风系统参数发生改变，系统逐 渐趋于不稳定，造成通风系统的预定功能降低。采用多级机站串并联的方法对现有通风 系统进行优化改造，对于研究矿井通风具有重要意义。 随着地表金属矿藏资源的日趋枯竭，金属矿藏开采向纵深发展将是必然趋势。据统 计，我国的金属矿山约有1 0 的开采深度在7 0 0 - 10 0 0 r n ，2 0 的开采深度在5 0 0 , - 7 0 0 m 。 在未来1 0 1 5 年，我国将有近三分之一的有色矿山进入深井开采模式。深部开采通风线 路长，通风阻力大，矿源热辐射高，矿井通风系统变得更加重要，同时也更加复杂【2 】。 因此，对于桓仁矿通风系统优化设计模型的研究可为将来深部开采矿井通风提供技术支 持，有一定的研究意义和实用价值。 1 1 概述 矿井通风是矿山防止矿内大气污染，保护矿工劳动卫生，促进矿山发展的重要方面。 它的运营好坏，不仅影响到矿山企业的经济效益，而且与井下矿工的职业健康安全息息 相关。随着矿山开采年限的增长，开采深度不断增加，与较浅部开采相比，矿井通风系 统扮演的角色将更加重要，它的内、外部条件将变得更加复杂。矿内采掘工作面温度、 自然风压等对矿井通风系统的影响形式及程度都将发生变化【勿。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 1 我国金属矿山通风系统现存主要问题 目前，在我国金属矿山中，一半以上存在着总风量、采掘面供风量不足，或风流串 联使用次数过多的情况，造成某些地点矿尘浓度超标，严重影响着矿山的安全生产和井 下矿工的身体健康。究其原因，主要有以下两方面：一是通风设计问题，设计单位只是 按理想情况设计，没有考虑一些漏风或循环风等，井下实际通风量达不到需求的风量， 如我国某大型铜矿设计时没有考虑斜坡道的漏风，直接造成通风系统建成后总通风量不 足；二是矿山通风管理人员认识误区，认为矿井通风只是排除爆破炮烟，忽视了矿尘对 矿工的危害，结果即使总通风量达到了井下采掘需求，也只在爆破后开启通风机，平时 井下通风量不足。 矿井漏风严重，有效风量率低。由于上部采空区或风门、风墙的管理不善，造成外 部漏风或内部漏风较大，矿井通风的有效风量率降低。抽出式通风的矿井，通过地表塌 陷区和采空区，直接漏入回风道的短路风流，有时可达主扇风量的4 0 5 0 。随着矿 井开采深度的不断增加，风流流过井筒距离加长，矿井漏风问题越来越明显，已经严重 制约着矿山的发展。 一 矿山从经济方面考虑，基建时选择的井巷断面较小，甚至有的只重视采矿生产，不 注重通风建设，根本不设置专用回风井，造成通风阻力大，通风困难，且通风能耗增加。 另外，还存在着井下阻力分布不合理，进风段或回风段阻力过大，造成漏风严重或某些 地段通风不畅。 我国金属矿山风机运转效率比设计的风机效率降低一半以上。造成这种现象原因是 风机选型不合理、风机的能力与当前生产要求不适应、风机的安装质量差、维修不及时 等。多数金属矿山矿井通风系统设计采用统一主扇通风系统，漏风系数取得大且按最困 难时期的最大风压选择风机，使选取的风机风压过高，通风系统建成后，由于金属矿井 开采技术上的特点，致使主扇的工况点风压比设计的风压低得多。随着矿山开采的逐年 延深，通风系统还是使用最初的设计，风机角度没有调整，使风机不能达到合理工况点， 致使风机运行效率较低。 1 1 2 矿井通风系统节能的重要意义 我国“十一五 规划纲要提出，“十一五期间单位国内生产总值能耗降低2 0 左 右，建设资源节约型、环境友好型社会，推进社会经济结构调整。节能减排措施中提到： 要加快淘汰落后生产工艺、技术和设备，依靠科技加快节能技术的开发和推广。因此， 对矿山通风系统进行优化改造，降低能耗、使用节能技术具有重要的现实意义。 我国金属矿自2 0 世纪5 0 年代开始采用机械通风，主风机的运转效率一直较低。据 统计，风机的运转效率仅约4 0 。通风能耗约占矿井总能耗的1 3 ，通风电费约占通风 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 能耗的7 0 。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。例如， 云南锡业公司地下矿井原风机装机总容量4 0 4 8 k w ，矿井通风电耗十分惊人。通过对矿 井通风系统的优化改造和选用k 系列节能风机，在改善了井下作业环境的同时节约了电 能，年节电2 3 4 5 万k w h t 3 j 。 我国金属矿山在8 0 年代以前多采用大区集中主扇通风系统，设计时漏风系数选取 值较大且均按最困难时期的最大风压选择风机，使选取的通风机风压过高。导致矿井通 风机功率大，有效风量率低，风流可控性差，能耗高。我国过去大多数金属矿矿井所使 用的7 0 b 2 风机属于高、中风压和中流量风机，高效率区多在2 0 0 0 3 0 0 0 p a 范围内。当 金属矿矿井风量为4 0 9 0 r n 3 s 时，矿井总阻力多在6 0 0 9 0 0 p a 之间。风机等积孔与矿井 通风网络等积孔不匹配，使风机长期运转在低效率区。为了降低通风能耗，自8 0 年代 以来，有多座金属矿山己完成通风系统改造，取得了显著的节能效益，如：使有效风量 率由3 0 8 高到6 0 以上，风机效率由3 0 - 4 0 提高到6 5 以上。近些年来，在通风 一系统优化改造中以多级机站通风使用的较多【4 】。 经过多年的研究与实践，我国在矿井通风节能技术研究取得了较大进展。主要包括： ( 1 ) 在矿井通风系统技术改造与建设中，不存在统一的技术模式，应根据各自矿山通风系 统的具体特点，沿着多种技术途径发展。这些途径主要有分区通风系统、多风机多级机 站通风系统、主一辅多通风机系统、统一主扇通风系统等；( 2 ) 新型、高效、节能的矿用 通风机的研制与应用；( 3 ) 采用通风网路优化设计技术；( 4 ) 矿井通风系统计算机自动控 制技术的研究。 1 2 矿井通风系统优化设计研究现状 矿井通风优化设计是矿井通风系统改造中的重要组成部分。它的基本任务是：针对 已建成的矿井通风网络，与井下的开拓、采矿方法相配合，建立一个安全可靠、经济合 理的矿井通风系统；通过计算各时期各工作面所需的风量及矿井总风量；计算矿井各部 分的阻力；然后以此为依据，选择适当的通风设备。 矿井通风系统由通风动力、通风网路、通风设施等构成，涉及矿井的通风方式、主 要通风机的工作方法、通风网路形式等。对于改建及扩建的矿井通风系统优化设计，必 须对原有的生产与通风情况作详细调查，分析通风系统存在问题，考虑矿井的生产特点， 充分利用原有的井巷及通风设备，在此基础上提出切合实际的通风系统设计方案。矿井 通风优化设计的基本内容和程序包括：依据矿井开拓及采矿的现状计算和分配矿井实际 所需总风量；计算矿井通风阻力；分析影响深井通风系统的主要因素；选择节能通风设 备；概算矿井通风系统改造费用等。 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 1 矿井通风网络优化研究 矿井通风网络是实际矿井通风系统的数学表达，是矿井风流路线及其有关参数的组 合，是一个关联程度很高的复杂系统，是对矿井通风系统的宏观反映。网络中一条分支 风阻的改变可能会影响整个系统的风量变化。因此，满足通风需求的调节方案多种多样。 如何确定一种既能满足通风需求和生产条件限制、符合有关法规规定，又能使矿井通风 所需费用最小的调节方案，是矿井通风学长期以来研究的热点和难点问题之一。 矿井通风网络优化调节可分为以下三种基本类型4 】。 ( 1 ) 控制型分风网络：各分支的风阻已知，因一组余树分支的风量已给定，所以其它 分支的风量也随之确定，所要确定的是风机所需的最小风压和如何调节才能使整个网络 的风压损失平衡，以满足各分支风量的要求。 控制型分风网络由于具有线性特点，其优化研究工作进展较快、较成熟和完善，已 提出了多种寻求通风网络最优调节方案的方法。其中- ，工程网络计算是寻找出网路中的 最大阻力路径，即不需设调节风窗的分支。根据该路径的阻力可确定风机所需最小风压， 同时确定需要安设调节风窗的分支风道。解算方法中的关键路径和割集运算虽然简明， 但对于多台风机、多入口和出口的网络，则显得复杂烦琐。y j w a n g 提出了用工程网络 的关键路径法求出一组最优解，然后通过割集运算求不同最优调节方案的方法，该法是 将网络中节点和分支的通风参数和工程网络中的事件、活动和时间作类比，得出它们之 间的对应关系。t h y sbj o h n s o n 提出用网络最小费用流求最优解的方法，并采用网络规 划的算法( o u t o f - k i l t e r ) 求解，他们认为这一技术能更有效地处理含有多台风机和调节风 窗的控制型分风网络，计算速度快，容易掌握。尽管控制型分风网络在实际运用中很少 见，但它是一般通风网络优化研究的基础【5 一。 ( 2 ) 自然型分风网络：网络的风量是根据各分支风阻大小自行分配而不加任何调节控 制设施。 自然型分风网络的数值解算方法较多，其中以斯考德恒斯雷法用得较为普遍，国 内学者对该算法进行了改进，提高了收敛速度。李恕和提出用拟牛顿法解算，可避免考 德恒斯雷法的收敛问题，收敛特性为二次收敛。yjw a n g 等用容度模型进行计算，能 避免考德恒斯雷法的不稳定收敛特性以及对复杂网络求解范围的局限性。刘驹生提出 的节点风压法是一种有效的近似替代法。徐瑞龙对自然型分风网络的解算方法进行了比 较性研究1 6 j 。 ( 3 ) 一般型分风网络：网络中部分风量为己知，部分风量待求，调节分支和调节量都 待求的风量调节，是最一般的网络优化调节。其部分分风量要按生产需要进行分配而不 是昕其自然i 即存在合理安设调节风窗和风机的问题。 一般型分风网络优化调节问题中的待求未知量个数多于约束方程数，因此是非定解 4 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 的问题。增加一定的优化目标函数后就构成了数学规划问题，由于回路风压平衡方程是 非线性方程，因此这类问题属于非线性规划问题。对于这种网络，一般采用分解解算法， 即先对自然分风网络进行自然分配解算，再对需风分支加局部调节以求得全网络的平 衡。很多研究已证明，这种解算法至少对用风窗调节不是最优的。 黄翰文等提出了多风井复杂通风网络中回风段角联巷道最优风阻的概念，指出角联 巷道取最优风阻时，网络总功耗最小，这时各风机风压正好相等；刘承思提出一种递推 法，方法是让角联巷道的风量自取以满足用风回路的风压平衡，以后逐渐向外回路递推， 直至所有回路的分支风量均求出为止，此时回风井的风机风压虽不一定相等，但用风段 消除了风窗( 尤其是高阻风窗) ，解算结果表明，在某些情况下，还是经济的；卢新明针 对非线性规划解算尚有许多难点，利用网络变换技术，得到了一个以分支阻力调节量为 未知变量的线性规划模型，提出了一个直接优化算法；王振财提出了仅包含调节风窗的 一般型分风网络优化解算法，方法是将网络分成三个主要区段：进风段、用风段和回风 段，且用风段各分支风量为已知，寻找出独立的通过三区段的风流路径，增加低风压损 失风流路径的阻力，同时减少高风压损失风流路径的阻力，使整个网络风流路径风压损 失相等，达到所需功率最小。随着多风机多级机站通风技术的推广，程历生、李高棋首 先用约束条件和目标函数均为非线性的模型对多风机多级机站通风网络进行优化研究； 赵梓成在研究中，综合考虑基建投资与年经营费用，分别建立分支阻力调节优化和风机 调节优化的非线性规划模型【6 】。 在矿井通风网络优化调节进行了大量的研究，尤其是一般型分风网络，是最具难点 的研究对象。由于它的研究对系统设计、计划管理具有理论和实际的指导意义，对节省 能源、降低通风成本等经济效益将产生直接影响，因此，有关学者仍对此继续研究，也 取得了较大的进展。例如，徐竹云证明了分解解算法的辅扇调节解是最优解中的一个解， 并指出了分解解算法的定流分支风窗调节解不是最优解的实质，引用容度模型建立了矿 井通风网络全局优化的非线性规划模型，研究了包括一般型分风网络在内的约束条件的 提法，给出了基于分支的圈划原则。张汉年通过实例对分解解算法和全局优化法的详细 分析和比较研究后认为，网络优化的关键在于选出一颗最优树。阻力最小树虽可使系统 的装机总功率在理论上达到最小但其所对应的调节方案不但难以实现，而且总费用不见 得最少，阻力最小树一般不是最优树。现在还没有一种可直接找到最优树的方法。因而 只能通过对各可行方案的计算、比较，综合经济性、方便性、适应性、稳定性等方面的 因素，来判断树的优劣，再决定取舍。李湖生等建立了以风机能耗和调节设施能耗为目 标函数，以风量平衡方程、风压平衡方程、分支可调性、风量和调节量上下限等为约束 方程的非线性规划模型，用于求解各种矿井通风网络优化调节问题p j 。 事实上，由于所面临问题的复杂性，在矿井通风调节中应该使调节方案安全、经济、 可行。虽然安全性和可行性一般可以在需风量、风量调节量的上下限及分支的可调性( 如 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 生产运输要求) 中得到反映，但由于安全性和可行性概念的模糊性，优化调节问题的目 标函数单纯从经济方面考虑，即使通风总费用最小我们认为也是不全面的。实际上，矿 井通风网络优化问题是一个典型的定性与定量相结合的多目标模糊优化决策问题【6 】。 1 2 2 矿井通风系统优化设计 1 2 2 1 系统优化设计主要内容 建立完善的矿井通风系统是矿井安全生产的基本保证。矿井通风系统设计是矿井设 计的主要内容之一，是反映矿井设计质量和水平的关键因素之一。生产矿井由于生产布 局的变化、自然条件的影响及生产能力的提高，必须对矿井通风系统进行优化改造，矿 井通风系统优化改造是生产矿井改造的重要内容之一。因此，矿井通风系统的优化设计 问题，一直是矿井通风研究人员普遍关注的研究课题之一。对这一课题已经开展了大量 研究，而且在风量调节优化、井巷断面优化、风机优化选择、通风系统中进排风井个数、 井筒布置方式、通风方式选择等方面已取得一定的进展【6 】。 一个合理的矿井通风系统优化设计，应包括下述几方面： ( 1 ) 进、回风井个数及布置方式的确定： ( 2 ) 通风方式( 包括风机安装地点) 的选择； ( 3 ) 中段通风网络的选定； ( 4 ) 风量调节装置及位置的确定； ( 5 ) 网络计算给出分风结果； ( 6 ) 优化调节方案。 实际上，上述( 1 ) 至( 3 ) 的内容属于系统优化选择问题，( 4 ) 至( 6 ) 则属于网络优化问题。 矿井通风系统优化可分为两类，第一类优化问题，称之为方案内部优化，或参数优化， 其实质就是上述的网络优化问题。第二类优化问题，称之为方案外部优化，或原理方案 的优化，其实质就是在广泛确定可能的系统方案中选择最优的方案。从目前的现状看， 第一类优化问题研究得较充分，第二类优化问题研究的较为肤浅【6 】。 常规通风系统设计解决的主要问题包括：( 1 ) 矿井通风系统选择；( 2 ) 全矿所需风量计 算及风量分配；( 3 ) 全矿总风压计算；( 4 ) 通风设备的选择；( 5 ) 编制通风设计的经济部分。 这些问题包括定量参数和定性参数，它们构成了通风系统优化设计的决策状态空间。 1 - 2 2 2 矿井通风系统优化设计特点 从方法论的角度来讲，矿井通风系统优化设计的目的是为了选择一组相互关联、相 互制约的变量( 这些变量或是定性的或是定量的) ，并要求这组设计变量在给定的设计条 件下，能够满足系统功能上、安全上、经济上、技术上、环境保护上和先进性等方面的 要求。从系统科学的角度出发，认识到矿井通风系统优化设计具有以下特点【5 6 】： ( 1 ) 设计过程在数学上是不可描述的，这是工程设计i 口- j 题所具有的共同特征，它充分 - 6 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 体现了设计过程的复杂性。般说来，单目标或相互一致的多目标优化在数学上是可行 的，在实际中是少有的； ( 2 ) 设计的方法往往是基于知识的逻辑产生，而非严格的数学归纳或演绎设计过程， 许多方案是由设计者依据自己的知识和经验结合过去成功或失败的案例来产生的。例 如，矿井规模的扩大以及风机的出现，提出了计算矿井通风的需风量以及向巷道和作业 面送风的方法等问题。历史上第一个通风计算方法是以井下作业人数为依据的。后来， 随着计算方法进一步发展，提出了以采出矿量为依据，等等； ( 3 ) 设计的处理对象往往是用图形或用数学方法难以描述的知识或经验，而这些处理 对象有时往往成为确定设计方案的关键内容。因此，处理这类对象的方法已成为目前人 工智能领域的重点研究内容； ( 4 ) 整体相异与局部相似性是从整个矿井出发，实际很难找到两个条件完全相同的矿 井，但是局部系统却存在着这种相似性； ( 5 ) 设计环境的复杂多变性影响着矿井通风系统的选择，主要有：地质地形条件、采 矿方法、矿岩特性等。这些因素的主要特点是：与矿井通风系统的关系很难表达成确切 的函数形式，而且有些因素具有模糊性、不完备性。设计环境的复杂多变性导致设计参 数也会有很大的差异； 6 ) 繁多而不确定的信息； 7 ) 系统的开放性； 8 ) 系统的动态性； 根据以上的特点，认为矿井通风系统是一个开放的复杂大系统。从矿山实际生产的 角度来讲，通风系统所包含的因素较多，相互关系复杂。矿井通风系统优化设计的特点 可概括为【叫： ( 1 ) 决策内容多：从地表进出风口( 装机位置) 到井下各装机地点、从全矿系统通风到 采区通风以及独头掘进局部通风、从方法到设备等，需要做出全面的分析评价，相互协 调，合理配合： ( 2 ) 决策问题相互影响：通风设计的问题多，相互之间存在着直接或间接的联系和影 响，局部合理不能保证全局合理，要考虑全局的协调性及总体的综合优化： ( 3 ) 受开采条件、采矿方法及外部环境变化的影响大：在特定条件下做出的设计结果， 在实施过程中因实际情况的变化不得不进行适当的修改，与设计有一定偏差； ( 4 ) 不确定因素多：由于开采条件的不精确性及其影响的强烈性，加上实际施工中不 确定的随机因素的影响，设计的可靠性受到限制； ( 5 ) 设计的经验性强：由于设计内容庞杂，影响因素多，使得通风系统的优化设计没 有一个一成不变的、简单的推理论证过程，而是靠设计人员的经验和直觉把握设计过程， 提出和论证方案，经过多次分析计算和验证，得出较优的决策。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 多级机站通风系统应用综述 多级机站通风技术采用多风机、多机站、多级串并联，用风机直接控制风流，整个 通风系统灵活、稳定、高效、低耗。对改善井下环境有很大意义，具有很强的实用性和 广泛的推广前景，是地下矿山一项重大科技进步。我国地下矿山具备了比较完整的矿井 通风技术与节能技术。目前，许