（计算机科学与技术专业论文）矿井风网实时解算与安全预警系统的研究和实现.pdf

西北工业人学硕士学位论文 摘望 摘要 煤矿矿井通风状况的好坏，在很大程度上取决于矿井通风系统的合理与否。 许多矿井事故案例表明，某些矿井瓦斯与煤尘爆炸、自然起火等事故的酿成与扩 大，都与矿井通风系统不合理直接有关。对于己形成生产能力的矿井，只能通过 对生产期间矿井通风系统的合理性进行动态分析，以及时发现矿井通风缺陷。目 前通风网络解算周期长、数据采集困难，不能及时消除煤矿重大安全生产隐患。 基于这样的背景，本文对煤矿通风网络实时解算的实现和应用进行了较为系 统的研究。论文的主要工作如下： 1 1 对通风网络及相关的煤矿远程监测、监控系统进行了研究和探讨。 2 ) 对现有解算模型进行了分析，提出了煤矿巷道通风网络实时解算思想， 解决了目前由于通风网络解算周期长而导致的滞后，达到及时消除煤矿 重大安全生产隐患、避免煤矿重大事故发生、实现煤矿安全生产的目标。 3 ) 比较现有解算模型，并从中选择一种模型对其算法进行了研究和改进。 4 ) 实现了矿井通风网络实时解算和安全预警系统，并对系统实现中的关键 技术进行了探讨。 5 ) 对上述矿井通风网络实时解算和安全预警系统进行了测试和分析。测试 结果表明了本文解算方法的可行性和可靠性。 关键字：通风系统，矿井通风网络，实时解算，安全预警 西：i l t _ j l k 大学硕士学位论文 a b s t r a c t g o o dv e n t i l a t i o ns y s t e mo fac o a lm i n ei sc r u c i a lt ot h es a f eo p e r a t i o no ft h ec o a l m i n e m a n yc o a lm i n ea c c i d e n t ss u c ha sg a se x p l o s i o na r ec a u s e db yb a dv e n t i l a t i o n s ot h ed e s i g no far e a s o n a b l ev e n t i l a t i o ns y s t e mi san e c e s s i t yf o rt h es a f eo p e r a t i o n o fac o a lm i n e f o rt h es om a n ye x i s t i n gc o a lm i n e s ，c a r e f u la n a l y s i ss h o u l db em a d e t of i n dt h ed e f e c t so ft h em i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m t h ee x i s t i n gm e t h o d sf o rt h e s o l u t i o no ft h ev e n t i l a t i o nn e t w o r ks u f f e r sf r o mt h es h o r t c o m i n gt h a tb o t ht h ed a t a a c q u i s i t i o na n dt h es o l u t i o np r o c e s st a k e st o om u c ht i m e ，s ot h a tt h e yc a n n o tg i v e r e a l t i m ew a r n i n go fp o s s i b l eg a s e x p l o s i o n b a s e do nt h ea b o v e p e r c e p t i o n ，w e c a r r i e do u t s y s t e m a t i c r e s e a r c ho n i m p l e m e n t a t i o na n da p p l i c a t i o no fr e a l t i m es o l u t i o no ft h em i n ev e n t i l a t i o nn e t w o r k t h em a i nw o r ko ft h i sd i s s e f t a t i o ni sa sf o l l o w s ： 1 ) w ef i r s t c a r r i e do u ts y s t e m a t i ci n v e s t i g a t i o ni n t ot h em i n ev e n t i l a t i o n n e t w o r ka n dn e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e m 2 ) w et h e na n a l y z e dt h ee x i s t i n gs o l u t i o nm o d e la n dp u tf o r w a r dt h ei d e af o r r e a l - t i m es o l u t i o no ft h em i n ev e n t i l a t i o nn e t w o r k i tc a ne f f e c t i v e l y o v e r c o m et h el o n g - t i m ed e l a yo ft h ee x i s t i n gs o l u t i o nm e t h o d s ，a n dr e a l i z e r e a l t i m ew a r n i n go f s e c u r i t yp r o b l e m s 3 ) b a s e do nt h ea b o v ei d e a ，w eo b t a i n e da n dr e a l i z e da ni m p r o v e do p t i m a l m o d e lf o rr e a l t i m es o l u t i o no ft h em i n ev e n t i l a t i o nn e t w o r k 4 ) w ei m p l e m e n t e dt h er e a l - t i m es o l u t i o na l g o r i t h mo ft h em i n ev e n t i l a t i o n n e t w o r ka n dt h es e c u r i t yw a r n i n gs y s t e m 5 ) w et e s t e da n da n a l y z e dt h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h i sn e ws y s t e m t r i a lo p e r a t i o n ss h o wt h a to u rs o l u t i o ni sf e a s i b l ea n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：v e n t i l a t i o ns y s t e m ，c o a lm i n ev e n t i l a t i o nn e t w o r k ，r e a l t i m es o l u t i o n ， s e c u r i t yw a r n i n g 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 背景与现状 1 1 1 煤矿资源 煤炭是国民经济和社会发展的基础。煤炭在我国一次能源生产和消费结构中 始终占7 0 左右。预测到2 0 1 0 年煤炭占6 0 左右，2 0 5 0 年将占5 0 以上，因此， 煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能源。2 0 0 0 年全国煤炭总量为9 9 亿 吨，2 0 0 1 年1 1 0 亿吨，2 0 0 2 年1 3 9 亿吨，2 0 0 3 年煤炭产量达到了1 7 亿吨， 居世界首位，2 0 0 4 年到1 0 月份为止已经产煤1 5 7 亿吨比2 0 0 3 年同期增长 1 9 1 0 ，但仍不能满足需求i l 】o 当前，快速增长的经济，对煤炭工业发展提出了 更高的要求。为此，必须确保煤炭工业持续、稳定、健康地发展。我国煤矿主要 是井下开采，生产环境条件复杂，与其它行业相比，煤矿安全尤为重要。 1 1 2 煤矿事故的危害 我国煤矿事故死亡人数是世界上主要采煤国家死亡总人数的4 倍，百万吨煤 死亡率是美国的近2 0 0 倍( 2 0 0 2 年) 、印度的1 2 倍。煤矿是工矿企业中事故死 亡人数最多的行业。2 0 0 2 年全国工矿企业共发生伤亡事故1 3 9 6 0 起，死亡1 4 9 2 4 人，其中煤矿企业共发生死亡事故4 3 4 4 起，死亡6 9 9 5 人，占工矿事故总数3 1 1 ， 死亡人数的4 6 9 。在煤矿事故当中，重特大事故多，并呈上升趋势。2 0 0 2 年全 国共发生一次死亡3 0 人以上的特别重大事故1 2 起，煤矿占了9 起，分别占事故 起数和死亡人数的7 5 和6 6 9 。据统计，乡镇煤矿死亡人数占全国煤矿死亡人 数的6 4 以上，事故次数占全国煤矿事故起数的6 0 以上。2 0 0 2 年乡镇煤矿占全 国煤矿死亡人数的7 2 5 。虽然全国煤矿安全状况总体上趋于好转，以往我国煤 矿每年事故死亡近万人，近几年已经控制在7 0 0 0 人以下【2 】。但2 0 0 4 年进入1 0 月份以后，特别重大煤矿事故接连发生，损失极其惨重。以下是最近一段时间发 生的特别重大煤矿事故： 2 0 0 4 年1 0 月2 0 日，河南省郑州煤业集团大平煤矿发生瓦斯爆炸事故，1 4 8 人死亡。 2 0 0 4 年1 1 月1 1 日，河南省平顶山市鲁山县新生煤矿( 已关闭乡镇无证矿井) 发生瓦斯爆炸事故，3 3 人死亡。 西北工业人学硕士学位论文第一章绪论 2 0 0 4 年1 1 月2 0 日，河北省沙河市李生文铁矿发生井下火灾事故，灾害波 及相互联通的另外4 处铁矿，共有6 5 人死亡。 2 0 0 4 年1 1 月2 8 日，陕西铜川陈家山矿发生瓦斯爆炸事故，1 6 6 人死亡。 2 0 0 4 年1 2 月9 日，山西省阳泉市盂县南娄镇大贤煤矿三坑发生一起瓦斯爆 炸事故，造成3 3 人死亡。 2 0 0 5 年2 月1 4 日，辽宁阜新矿业集团公司孙家湾煤矿发生特大瓦斯爆炸事 故，造成2 1 4 人死亡。 一 短短的五个月，全国特别重大煤矿事故死亡人数就高达6 5 9 人。对此，党中 央、国务院高度重视，胡锦涛总书记、温家宝总理、黄菊副总理和华建敏国务委 员立即作出重要批示，要求各地实行责任制，对煤矿安全状况进行一次全面检查， 强化煤矿安全监管监察，坚决遏制煤矿事故频发势头，确保在安全基础上的冬煤 供应【3 1 。 1 1 3 煤矿事故的影响 党的十六大提出要“高度重视安全生产，保护国家财产和人民生命的安 全”。安全生产是社会文明和进步的重要标志，是国民经济稳定运行的重要保障， 是实践“三个代表”重要思想的具体体现。我国目前正处于经济的转型期，受生 产力发展水平和从业人员素质因素的制约和影响，安全生产基础薄弱，安全生产 形势依然相当严峻。重、特大事故频繁发生，造成了重大人员伤亡和巨大财产损 失，这种局面若不能有效控制，将直接影响我国经济的可持续发展。纵观历次重、 特大安全生产事故，其中安全生产管理混乱、安全生产科技基础薄弱、安全科学 技术落后于生产技术的发展、安全生产投入不足是重大事故频发的主要原因之 一，为此党和政府十分重视，近两年相继采取了一系列重大举措：颁布实施了劳 动法、安全生产法等法律法规，使安全生产工作逐步进入法制轨道，同时， 加大安全生产的资金投入，在国家安全生产科技发展规划中划定了8 大安全 生产基础理论研究重点领域，6 0 个优先发展的重大安全科技研究方向、1 0 0 项重 点推广技术，并实施8 项安全技术示范工程，建立6 个安全生产科技支撑平台， 这些项目将列入国家攻关计划、国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 ) 、国家自然科 技基金、国家社会科学基金、国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 、科技攻关、高技 术产业化、第十一个五年计划等，总投入资金约为2 0 亿元人民币。此外，国家 2 西北工业大学硕+ 学位论文 第一章绪论 安全生产监督管理局向国家发展改革委员会上报了关于建立国家安全生产信息 系统的总体方案，国家拟同意实施该方案，并命名为“金安工程”，该项目也将 列为2 0 0 5 2 0 0 7 年国家重点支持项目，第一期工程投资约为3 5 亿元人民币。 煤矿灾害事故的消极影响远远超过了经济范畴，每发生一起事故，都会引起 国内外各界的广泛关注，使煤矿企业形象受到巨大损害，企业市场亲和力受到削 弱，严重的影响了煤炭企业后续发展的动力。我国严峻的安全生产问题还造成不 良的社会影响和严重的环境危害，成为社会不稳定的因素。电视、报纸和网络等 新闻媒体对煤矿灾害事故进行深入的报道，严峻的安全生产形势已成为社会关注 的焦点和热点。另外，我国严峻的煤矿安全生产形势引起国际社会的广泛关注， 直接影响着我国的形象和对外贸易。所以安全是煤炭生产的头等大事，安全对煤 炭生产起着保证、支撑和推动作用，保证煤矿职工的生命安全和国家财产是煤炭 工业可持续发展的前提，煤矿安全生产形势的好坏直接关系到我国国民经济的能 源供给问题，煤矿安全生产也是国家安全生产的重要组成部分。近来年，我国煤 矿安全生产工作取得了巨大的成就，但我国煤矿安全生产面监的形势、机遇和挑 战以及全面建设小康社会的宏伟目标等方面，又对煤矿安全生产提出了更高的要 求。从满足我国经济快速增长对煤炭资源需求不断增加的需要和保障国家能源安 全的高度上，来认识煤矿安全生产的重要性和艰巨性。实施科技兴国、科技兴煤、 科技兴安战略，建立煤矿安全生产的长效机制，确保煤矿安全生产形势根本好转， 促进煤炭工业可持续发展，是我国煤矿安全生产工作的必由之路【4 】。 1 i 4 信息技术在煤矿行业的应用 党的十六大报告指出“信息化是我国加快实现工业化和现代化的必然选择。 坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走出一条科技含量高、经济效 益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子”。 安全生产是煤炭工业“走新型工业化道路”、实现可持续发展的前提条件，科学 技术是第一生产力，安全生产的各项工作要转移到依靠科技进步的正确道路上 来，通过科技创新，提高煤矿的安全管理技术水平、煤矿灾害事故的预警能力和 防治水平、煤矿安全生产的监察技术水平。 美、澳、英、德等国家研制开发了机电一体化、自动化新型采掘、运输、提 升等生产设备。这些设备采用微机监测监控、自动化控制、机电一体化设计等先 两北丁业大学硕士学位论文 第一章绪论 进技术，在增加传动功率、提高生产能力的同时，设备功能内涵发生重大突破， 并在计算机控制技术支持下实现了煤矿生产过程的自动化控制1 2 l 。近年来，特别 是网络技术的广泛应用为煤矿现代化( 数字煤矿) 提供了强有力的支持，可以实 现煤矿实时远程监控【5 1 。远程j | 矗控强化了对煤矿安全生产的多级监管，形成了矿、 县、市、省四级监管体系和安全生产综合信息网络，一旦出现瓦斯超限，矿、县、 市监控中心都将显示报警，各她的报警统计数据上传至省局监控中心，这样，即 使煤矿企业由于种种原因未采取措施，各级监管部门也会随即下达指令，把事故 隐患消灭在萌芽状态。对防止以瓦斯为代表的恶性事故，提高煤矿管理水平具有 重要意义。但从2 0 0 4 年的特别重大煤矿事故( 瓦斯爆炸，煤尘爆炸) 可以得出 监控系统没有从根本上解决煤矿重大事故的发生，煤矿重大事故发生的一个直接 原因就是矿井巷道通风系统出现问题，通风就是供氧、排除有毒有害物质、排热 和除湿，为寒冷矿井供暖，为高热矿井降温。更进一步地讲，适当的通风可以提 高劳动生产率，保障身体健康，改善安全作业条件和提高士气。所以井下通风系 统的正常运行是煤矿安全生产的基本保证。因此，建立合理、稳定、可靠的矿井 通风监测系统，是减少煤矿重大恶性事故的一种重要手段。利用计算机、通信等 现代工具建立的煤矿安全生产实时远程监控系统，为保证矿井通风系统正常工作 奠定了基础。 1 1 5 解算现状 矿井通风系统是个动态系统，它往往是十分复杂的立体结构，巷道数目繁 多、纵横交错、上下重叠，相互关系比较复杂，并且随着矿井生产技术的进步与 发展，生产能力的扩大，矿井生产布局的不断变化，都对这个动态系统的运行状 态产生影响，以致造成通风系统运行不合理的状况 6 1 。多年来，国内外许多煤矿 安全生产专家和学者在该领域进行了深入地研究和实践，对监测矿井通风系统正 常运行已有一整套理论模型和实施算法，取得一定的研究成果。风网解算从2 0 世纪3 0 年代的几何法发展到5 0 年代的电算法，发生了质的飞跃。而后，随着计 算机技术的发展，风网解算软件也在进行着不断地改善同。我国从1 9 7 6 年缔出 风网分析程序以来，随着电子计算机应用的普及，用计算机解算风网已较普遍， 广大矿井通风专业的科技工作者陆续提出许多算法，编出一些风网解算程序。如 c r o s s 迭代发、牛顿法、节点压力法、附加风压法等等。这些解算程序替代了人 d 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 工解算通风网络( 传统的手工算法只能提供粗略的矿井通风估算) ，为通风解算 工作者节省大量时间，取得了很大进步，使风网解算进入一个新的阶段。现阶段 尽管有了通风网络解算程序，为通风解算节省大量时间。但国内外目前风网解算 的软件都是单机串行化，这些解算程序无法与基于网络的监测、监控系统互联， 解算周期长、过程滞后，结果可利用性差等【8 1 7 】。如要了解和评价一个巷道通风 网络，只有工作人员下井采集数据，根据不同的解算要求，一般都要人工收集有 关通风方面的资料，包括【1 8 】： 1 1 采、掘工作面和独立供风室的配风资料及实际的供风数据； 2 1 井下各主要漏风通路和矿井外部漏风的资料； 3 1 风网中各分支井巷的风阻资料； 4 1 有关矿井自然通风的资料； 5 1 矿井主扇区性能曲线资料； 6 1 矿井主扇房压差计的记录资料； 7 1 风网中角联分支风流不稳定和风向变化的资料； 8 1 井下辅扇和调节风窗设置的资料等； 然后整理这些资料和把相关的数据( 风网的分支数、分支的始末节点号、风 机台数、自然风压个数、固定风量数、巷道和分支的风阻值、风机性能等等) 输 入计算机中，运用已有的解算模型和实施算法对通风系统进行解算和评价。这些 资料的收集、整理和输入花费了大量的时间，另外手工输入数据也容易出现错误。 所以目前的风网解算方法是滞后和易出错的。 1 1 6 解算不足 因为通风网络系统是个动态系统，现阶段采取的风网解算方法是滞后的、非 实时的，时效性很低，所以不能实时监测监控矿井通风系统运行情况和动态校正 通风设备的相关参数，也达不到及时消除煤矿重大安全生产隐患和避免煤矿重大 事故发生的目的。 1 2 研究目标 本文研究的主要目标是能实时可视化监测矿井通风系统工作情况，达到及时 消除煤矿重大安全生产隐患，避免煤矿重大事故发生，实现煤矿安全生产。基于 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 上述分析，本文拟在以下几个方面开展研究： 1 1 对通风网络及相关的煤矿远程监测、监控系统进行了研究和探讨，研究 如何把通风系统图转化为通风网络图并实现了该功能自动转化、通风网 络图的优化、优化方案的分析、归纳和总结了通风网络图的特征。 2 1 对现有解算模型进行了分析，提出了煤矿巷道通风网络实时解算思想， 解决了目前由于通风网络解算周期长而导致的滞后，达到及时消除煤矿 重大安全生产隐患、避免煤矿重大事故发生、实现煤矿安全生产的目标。 3 ) 比较现有的解算模型，依据算法实用、简单、容易实现的标准选择一种 优化的解算模型，并对其算法进行了研究和改进。 4 ) 用面向对象的j a v a 语占实现了通风网络实时解算和安全预警系统，以及 实现中的关键技术进行了研究和探讨。 5 ) 对煤矿通风网络实时解算与安全预警系统的功能、性能进行了测试和分 析。测试结果表明了本文解算方法的可行性和可靠性。 1 3 研究内容和各章节的安排 本文利用煤矿安全实时远程监控系统采集实时数据，根据矿井巷道通风网络 拓扑动态变化的情况，通过矿井通风网络系统数学模型，依据煤矿通风网络解算 算法，采用了面向对象的j a v a 语言和o r a c l e 9 i 数据库，实时进行矿井通风网络 解算，解算出各分支的实际风速和风量，对有危险的分支给予预警提示。 本文各章的内容安排如下： 1 1 第一章主要介绍煤矿安全的重要性、目前矿井通风解算存在的问题、列 出本文的研究内容。 第二章较为详细地研究如何把通风系统图转化为通风网络图、通风网络 图的优化、优化方案的选择和分析、总结通风网络图的特征以及介绍了 基于网络的监测、监控系统在现代煤矿中的应用。 3 ) 第三章主要对现有风网解算模型的比较，依据解算模型算法实用、简单、 容易实现的标准，选择一种优化的解算模型，并对其算法进行了研究和 改进。 4 ) 第四章主要根据第三章改进的算法，给出每个算法实现过程并画出相关 的流程图，用面向对象的j a v a 语言实现了通风网络实时解算与安全预警 两北工业大学硕士学位论文第一章绪论 系统，以及实现中的关键技术进行了研究和探讨。 5 ) 第五章主要对本系统进行了详细地测试和分析。 6 ) 第六章主要对本文进行了总结、列出本文的新见解和系统的不足以及展 望。 西北工业人学硕= l 学位论文第二章通风网络图及其在煤矿风网解算中的作用 第二章通风网络图及其在煤矿风网解算中的作用 2 1 通风网络图及其作用 通风网络图是图的一个应用，所以说到通风网络图不得不简单介绍下图的基 本知识，在图论中，一个图g 定义为一个偶对( v ，e ) ，即g = ( v ，e ) ，其中v = ”1 ， v 2 ，v 。) ，是图g 的节点( 或顶点) 的集合；e = e l ，e 2 ，e 。 ，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 节点和分支之问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【1 9 l 。 当用点边关系图来揭示具体事物之间的量值关系时，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。 矿井通风系统由巷道、通风构筑物、矿井通风动力装置构成，为了研究的方 便，采用图论中的图的理论进行研究，如果用图论中的节点代表某类具体的事物， 用分支描述事物之间的联系，则一个图就可以表示某类事物及其之间的联系，在 矿井通风系统中，所有巷道的风流按其分叉和汇合的结构形式构成一个有向的 连通体系，如果不考虑各风流交汇点和通风巷道的位置、长度、形状和断面等情 况将风流相交汇的地点抽象为节点( 在矿井通风系统中，两条或两条以上巷道的 交点称为节点，巷道断面或支护形式的变化之处也可视为一个节点而把巷道看成 二条，矿井通风的进风井口、回风井口也可视为一个节点) ，将矿井通风井巷抽 象为分支( 连接两个节点的风道称为网络中的一条分支) ，则矿井通风系统能抽 象为相互关联的节点和分支的集合。同样，如果把所有节点的集合记为v = ”】， v 2 ，v 。) ，其中节点的数为v = m ，把所有分支的集合记为e = e l ，e 2 ， 西北丁业大学硕士学位论文第二章通风刚络图及其在煤矿风网解算中的作用 e n ，其中的分支的数目为e = n ，则矿井通风网络图可以表示为g = ( v ，e ) 1 2 2 。 因此通风网络图是在矿井通风系统图的基础上抽象而成的一种单线条的示意图， 它直观地反映了井巷之间的联接关系以及风流的流动路线。巷道是对应图论中的 边、巷道的始末节点对应图论中的节点、由于矿井通风系统中存在通风构筑物、 矿井通风动力装置决定着研究矿井通风系统的图不同于一般意义图论中的图的 概念。 矿井通风网络图的主要作用是直观明了地反映矿井井巷问的连接关系及风 流的流动路线。单纯从网络图的外观来看，它与一般的图形并没有什么不同，也 是由基本图形元素组成的。但网络图中隐含了另一类更重要的网络结构数据，即 网络的分支和节点及其连结关系。 2 2 通风系统图自动生成通风网络图 2 2 1 自动生成网络图基本思想 计算机自动生成网络图的基本思想是：以通风系统图中的线段为单位，自动 判断各线段的分叉、汇合情况，对各分叉和汇合点自动编节点号，给相应的线段 自动编分支号。从而得到通风网络图。 2 2 2 网络图的数据结构 为了方便应用，将每个通风网络图的数据文件保存在o r a c l e 9 i 数据库中。以 分支为单位，即每个分支的数据相当于一个记录。为了能直接将数据文件应用于 网络解算，每个分支的数据包括以下数据项：分支号( 指各分支在网络图中的分 支号，应为正整数) 、分支的名称、分支的类型、分支的断面积( 分支巷道的平 均断面积；单位：m 2 ) 、分支的始节点号( 分支的开始节点编号，应为正整数) 、 分支的中间节点号、分支的末节点号( 分支的结束节点编号，应为正整数) 、分 支的长度( 分支巷道的长度；单位：m ) 、分支的摩擦阻力系数( 摩擦阻力系数； 单位：k g m 3 ) 、分支的风阻( 风流经过分支所受的阻力；单位：k g m 7 ) 、分 支的需风量( 在保证安全生产前提下，分支必须需要的风量；单位：i n 3 s ) 、分 支的风速( 风流经过分支时的速度；单位：m s ) 。其中分支类型用于在网络解 算或优化调节计算时区分不同类型分支，如：风机分支、地面伪分支、固定风量 分支、不可调节分支、辅助通风机分支、漏风分支等。节点号的数据主要是节点 9 西北工业大学硕士学位论文第二章通风网络囤及其在煤矿风网解算中的作用 的x 、v 坐标。每一条分支可以由若干条直线或圆弧组合而成，这些直线或圆弧称 作为分支连线。每一条分支连线由始点、中间点( 圆弧时) 和末点坐标确定。由 于分支连线的始点或者是分支始节点，或者是前一分支连线的末点，因此不必专 门说明。分支连线的中间点和末点统称为中间点，通过中间点编号即可得到其坐 标。所有分支连线数据都按分支顺序排列，为确定某一分支的全部分支连线，只 需在分支数据中查找其起始分支连线号，而结束分支连线号可由下一分支的起始 分支连线号确定。 2 2 3 生成分支和节点 生成新节点：将已有节点数加一，以该数作为新节点的编号，并将该点的x 、 y 坐标保存到数据库中的节点坐标数据单元中。 生成新分支：将已有分支数加一，以该数作为新分支的编号；并将分支名称、 分支类型、断面积、始节点号、中间节点号、末节点号、分支长度、摩擦阻力系 数、风阻、需风量、风速保存到数据库中。若分支线段为直线，则将“连线中 间点号赋零，若为圆弧，则将中间点总数加一，将其赋给“连线中间点号” 2 0 】。 通风系统图自动转化为通风网络图的流程图，见图2 1 。 1 0 西北_ t 业大学硕士学位论文 第二章通风网络图及其在煤矿风网解算中的作用 图2 1 通风系统图自动转化为通风网络图流程图 西北工业大学硕十学位论文第二章通风网络酗及其在煤矿风网解算中的作用 2 2 4 网络图的优化 2 2 4 1 优化方案分析 在生成网络图时对串联和并联分支进行合并，以简化通风网络图。目前最常 用的优化方案有串联和并联分支合并。 串联合并：对于首尾相连的若干条串联分支，进行合并时将第一条分支的末 点变为最后一条分支的末点；中间各节点都变为第一条分支的中间点，相应增加 中间连线，这样分支合并后的图形形状不变。将分支长度、风阻等参数相加。删 除其它几条分支和多余节点。 并联合并：对于始、末节点相同的若干条分支，按并联风路的风阻计算式 ( 土+ 土+ + 土：土) 计算总风阻，并赋给第一条分支，保留第一条分支， r 1r 2rr 总 删除其它分支。 2 2 4 2 优化方案选择 本文选择并联合并方案，因为并联合并把多条并联分支合并为一条分支简化 了网络图拓扑结构。串联合并也简化了网络图的拓扑结构，但图中的节点也将进 行了相应的变化。 2 3 通风网络图特征 依据图论知识，对矿弗通风网络图进行了详细研究，得出矿井通风网络图具 有以下特点： 1 ) 有限图。对于任何一个矿井通风系统，风流都是从进风井流入，从出风 井流出，所构成的系统图由有限巷道构成。 2 ) 是一个有向的连通图。矿井通风系统是一个风流流动连通，巷道图形绘 制的方向是风流的方向。 3 ) 具有严格的拓扑关系。在矿井通风系统中，通风构筑物和通风动力装置 只能属于一条巷道，巷道的变化决定着节点邻接矩阵随着变化。 4 ) 非简单图。矿井通风系统中往往存在着并联通风，如：主、副井并联进 风，多条巷道并联回风等，反映到矿井通风网络图中为重边。 5 ) 赋权图。无论是进行通风网络解算，还是进行通风管理，通常需要了解 1 2 西北工业大学硕士学位论文第二章通风网络图及其在煤矿风网解算中的作用 巷道的某些参数如风阻、风量、断面大小、支护情况等，这些相关参数 总是与网络图中的对应分支相关联。 另一方面，从网络图所表达的内容和形式来分析，矿井通风网络图本质上 包含了三类数据： 图的结构数据即各节点、分支之间的二元关系；与分支相关联的参数即权值； 物理图形数据即点的位置、分支的类型直线或曲线等。 在这三类数据中网络结构数据和权值函数是主要内容，而图形数据则是表 现形式。对于给定的通风系统，其网络结构数据是惟一的，即各节点、分支的联 接关系是确定的，必须反映出节点和分支的数目及联接关系；但图形数据可以千 变万化，即图形数据是不确定的，节点位置和分支的长度与巷道交叉点的位置 和巷道的实际长度没有直接关系，巷道的长度只作为通风网络的一个权值，而 不通过图中分支长度来反映【2 1 1 。 2 4 监测监控系统 2 4 1 监测监控系统在煤矿中的应用 我国煤炭企业的监测监控系统应用起步较晚，8 0 年代初才开始从国外引进了 监控系统，装备了部分煤矿。通过对引进系统的不断吸收和消化，以及技术的迅 速发展，国内一批科研机构和公司已经成为主力军。总体上讲，监测系统包括传 感器、井下分站、传输设备、地面中心站等几个部分，分别完成信息的采集、传 输、处理及输出。 传感器包含有瓦斯传感器、一氧化碳传感器、风速传感器、负压传感器、温 度传感器等，是煤矿安全监测系统中非常重要的部分。井下分站采集各个传感器 的信号，经过信号转换等处理后，将其通过传输设备向地面中心站传送。同时， 井下分站接收地面中心站的指令，完成规定的任务( 如控制输出等) 。传输设备是 监测系统的信号传输媒体，包括通讯电缆和调制解调器等。地面中心站对接收到 的井下数据进行相关处理。 目前在煤矿使用的系统有多种类型，但实现的基本功能都大同小异。煤矿监 测监控系统中心站功能主要包括： 1 ) 环境监测：主要监测煤矿井下各种有毒有害气体及上作面的作业条件， 如高浓度甲烷气体、低浓度甲烷气体、一氧化碳、氧气浓度、风速、负 西北t 业大学硕士学位论文第- 二章通风网络恻及其在煤矿风网解算中的作用 压、温度、岩煤温度、顶板压力、烟雾等。 2 ) 生产监控：主要监控井上、下主要生产环节的各种生产参数和重要设备 的运行状态参数，如煤仓煤位、水仓水位、供电电压、供电电流、功率 等模拟量；水泵、提升机、局扇、主扇、胶带机、采煤机、开关、磁力 起动器运行状态和参数等。 目前，我国监测监控系统由早期的地面单微机监测监控已发展成为网络化监 测监控，以及不同监测监控系统的联网监测。系统实现局域网络和广域网络连接 功能，并采用国际通用的t c p i p 网络协议实现局域网络和广域网络终端与中心站 之间实时通信和实时数据查询。及通信接口装置接收传感器的实时数据并定时把 实时数据传到中心站，中心站把数据分别转发到各个终端【2 2 1 。 煤矿远程监测监控系统结构图，见图2 2 。 图2 2 煤矿远程监测监控系统 1 4 西北工业大学硕士学位论文第二章通风网络图及其在煤矿风网解算中的作用 2 5 小结 本章第一节详细说明了通风网络图在风网解算中的作用和地位。第二节较为 详细地研究如何把通风系统图转化为通风网络图、通风网络图的优化、优化方案 的选择和分析。第三节依据图论知识总结出通风网络图的五大特征，第四节介绍 了煤矿监测、监控系统及其在现代煤矿中的应用。 西北工业大学硕士学位论文第三章通风网络解算模型分析 第三章通风网络解算模型分析 3 1 风网解算的基本模型 3 1 1 模型分类 矿井通风网络分析主要是指风网的解算，风网解算的目的，是在已知风网各 分支风阻、风机特性和自然风压条件下求各分支的风量。 目前的解算方法大体上分为两类，一是以节点压力为基础的属节点风压法； 另是以回路为基础的归类于回路法。 3 1 1 1 节点风压法 节点法解算矿井通风网络的基本思路：矿井通风系统在相对较短的时期内， 井下各巷道的风阻值几乎是不变的，若主通风机作用于进、回风井口的压力差不 变，那么作用于井下各节点的风压值就是恒定的。节点风压法以节点分析法为基 础，依据风流流动的基本原理及风量平衡定律和阻力定律按节点列出节点压力方 程，并在节点风压初值附近将非线性方程组用台劳公式展开为具有优势对称系数 矩阵的线性方程组，然后有牛顿法反复迭代求解，知道满足精度要求为止。 本方法对计算机的内存有较大要求，对节点编号安序排列，算法复杂，不容 易理解和实现，以及解算规模有限等原因限制了使用范围。所以本文没有采用该 方法。 3 1 12 回路法 回路法中用的最多的是c r o s s 迭代法，本文解算方法就采用国内外广泛使用的 c r o s s 迭代法，c r o s s 迭代法是美 h a n d yc r o s s 于1 9 3 6 年提出用于解算水道管网的 逐次计算法。后经英国d s c o t t 和e h i n s l e y 改进用于风网解算，故又称s c o t t h i n s l e y 法。该方法算法简单，容易理解，c r o s s 方法以图论为基础，以风流运动的基本定 律为依据，利用高斯一塞得尔迭代逐次求解回路修正风量，直到其值不大于一个 事先给定的精度为止，以获得接近方程组真实解的逐渐风量【8 1 。 3 1 2 回路法解算模型的基本公式 ( 1 ) 分支的风阻值 风经过分支时受到的阻力值，分支的风阻值等于分支的磨擦阻力系数乘上分 1 6 西北工业大学硕士学位论文第三章通风网络解算模型分析 支的长度和分支的断面周长再除以分支断面积的三次方，计算公式如下： n ( 1 ) = a f ( i ) 4 工( ，) u ( ，) + s3 ( ，) ( 3 1 ) ( 3 - 1 ) 式中： r ( ，) ，1 分支的分阻值k g m 7 ； n f ( o ，1 分支的磨擦阻力系数k g m 3 ： a l ( i ) ，1 分支的长度m ； u ( 1 ) ，1 分支的断面周长m ； s ( ，) ，1 分支的断面积m 2 ； ( 2 ) 分支阻力( 气压) 闭合通风网络中各分支的风压或阻力，分支阻力等于分支的风阻值乘以分支 风量的绝对值再乘以分支风量，计算公式如下； h h ( 1 ) = r ( i ) xi q ( o q ( 1 ) ( 3 2 ) ( 3 - 2 ) 式中： 册( ，) ，1 分支的阻力p a ； r q ) ，1 分支的风阻值k g m 7 ； q u ) ，1 分支风量m 弧； ( 3 ) 分支风速 风流过分支时的速度，分支风速等于分支风量除以分支的断面积，计算公式 如下： 矿u ) = q ( ，) + s ( o ( 3 - 3 ) ( 3 3 ) 式中： v ( 1 1 ，i y ：支的风速m s ： 0 ( i ) ，1 分支风量m 3 s ； 1 7 西北 _ = 业大学硕士学位论文第三章通风刚络解算模型分析 s ( ，) ，1 分支的断面积m 2 ； ( 4 ) 处理风机性能曲线 扇风机的风压特性曲线两种，一是厂家提供的曲线，另一是生产矿井的鉴定 曲线，但都是试验曲线，不能用一个分析表达式准确描述。为把风机特性曲线输 入计算机中参与风网解算，必须用一个分析表达式近似替代之。通常考虑到风机 联合工作时的相互影响以及风机工作的不稳定工作，对风机性能曲线采用二段曲 线拟合法，其中对正常工作段用拉格朗日插值法拟合，见图3 一l 。 h 其方程为： e rf c l + c 2 q + c 3 9 2 q ；。1 h ， l ( 3 - 4 ) 式中： 图3 一l 风机性能曲线 詈璺2 9 i ：1 ，2 n f ( 3 - 4 ) 当q fcq 1 n f ，厉l 台数 q l ，第i 台风机的分量m 3 s ； ，。，第i 台风机产生的风压p a ； q 1 ，风机性能曲线上第1 点的风量m 3 s ； 为拟合风机性能曲线的工作段，应在风机性能曲线图上选三点，其中第1 点 为上限点，第2 点接近高效点，第3 点为下限点。一般，对于新型风机三个点的效 1 r 西北工业大学硕士学位论文 第三章通风网络解算模型分析 率均应高于7 0 。根据三个点的风量风压值( q f ，h ；) ，可写出曲线拟合系数的 求解公式： c 1 = h ，- c ：q 1 2 - c ：q 1 c ：。旦也一c 。( 0 1 + 0 2 ) o 。一o ： 。 c一h，(ql-q2)+hi(q2-q3)+h2(q3-q,) 。 ( q x a ：) + ( q ：一0 3 ) + ( 0 3 一q j ) h ；，为风机曲线上第i 点的风压 ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) ( 5 ) 回路风压平衡方程 在闭合风路中，不同方向的风流，它们的风压( 或阻力) 的代数和等于零。 对于一个具有j 个节点、n 条分支的矿井通风网络图g = ( v ，e ) 来说，即独立 回路数( m ) 必为n - j + 1 个。因此，在给定风网中的各分支的风阻及风向条件下选出 该图的i n 个独立回路，标定独立回路的风量、风向，并设独立回路的风量为 ，l 一羹曩陋，| q ，一只一互( q i ) = 。 ( i = 1 ，2 ，m ) ( 3 8 ) ( 3 8 ) 式中： 正，沿i 回路的阻力或风压的代数和 o ，j 分支的风量m 3 i s ； r j ，j 分支的风阻k g m 7 ： p f ，i 回路自然风压的代数和 只。善眈，o p f ，j 分支的自然风压； e ( q ) ，第i 个风机的风压 两北_ ：_ r ：业大学硕士学位论文第三章通风网络解算模型分析 b 表不分支风流方向的符号函数； r l - j 分支包括在i 回路中并与回路同向 b l = - 1 一j 分支包括在i 回路中并与回路反向 10 - j 分支不包括在i 回路中 式( 3 5 ) 中将r q2 写成r ，妇，b ，主要是考虑风流的方向。 对于复杂风网( 3 - 5 ) 方程将是一个大型的非线性方程组，一般用线性化的方法 按泰勒公式展开略去高阶项，则其第k 次线性近似计算式为： 纠盖q 1 ( k ) + 瓦o f i 蚪+ 老q ”堋q f ) ，酽_ o ， i = 1 ，2 ，m( 3 9 ) ( 3 9 ) 式如写成矩阵形式则： 对l 对1耐l a a la a 2a a m 耐2 蹲2a f 2 a a la a za a m 口- 口( a q l ” a q 2 q 1 f m ( 3 - 1 0 ) 如果直接求解上述矩阵，则称为牛顿一拉夫逊法。其中的系数矩阵即为雅可比矩 阵，该矩阵元素均在o = o 处取值。显然，用牛顿法求解比较烦琐。为简化计 算，c r o s s 法对( 3 - 6 ) 式给定如下限制： 当扣噶挚， 将式( 3 - 6 ) 简化成如下一般式 f i ( k + 1 ) 鼽秀一e 臌1 = 。 或 监 西北工业人学硕上学位论义 第三章通风网络解算模型分析 e ) q ；= - l ( 3 1 1 ) 这种简化相当于( 3 - 7 ) 式中的系数矩阵在其主元素大于同行副元素之和的情 况下删去所有副元素，而变为 盟 o a q l o 观 a q 2 对m a 如 从而使计算大为简化，故 q i q 2 q _ ! l f ，l ，2 q 一互1 了i “爿怎m a q 如考虑到( 3 - 8 ) 式，则 圳q ，一只一f 屹一麓b 丽r 2 了2 i f ，b ，l f 篇 “。l ( 3 一1 2 ) ( 3 - 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) ， 式中互和鼻分别为风机特性曲线方程表示的风压及风机特性瞌线的斜率。 2 再bz r ；q ，f 为回路中j 分支风量与风阻乘积的累加值，这项累加均为正数相加， n 也可写成2 k ，q ，i 。 如果回路中没有自然风压和风机时( 3 - l1 ) 式可写成 西北t 业大学硕j 学位论文第三章通风网络解算模型分析 n 缸j r j q 脾， 崛一鼍酉r 2 、i 0 ：l ( 6 ) 节点风量平衡方程 ( 3 一1 5 ) 在矿井通风网络图中，单位时间内流入任一节点的空气质量，等于单位时间 内流出节点的空气质量。由于在一个节点范围内的空气密度认为不变。若取流进 的风量为正，则流出的风量为负，其数学表达式为： j 善a , j q ，2 o ，1 = 1 ，2 m3 1 6 式中： a ，j 分支的风量m 3 s ： a ；j ，表示风流方向的符号函数； 1 ：i 节点为j 分支的端点且q ，流向该节点