（计算机应用技术专业论文）矿井通风网络解算软件的研究与实现.pdf

哈尔滨_ 1 程人学硕十学位论文 摘要 矿井通风是矿山生产的一个重要环节。一个安全、可靠、经济、 实用的矿井通风网络解算软件，对保证井下安全生产有重要意义。 本文对矿井通风网络的建模和解算进行了研究与实现。 以流体网络建模原理为基础，采用了一个基于经验公式的流动 风阻模型，改变了由人工测得数据的方式，直接使用并下巷道设计、 掘进等参数计算风阻系数。采用引入回路重选策略的斯考德一恒斯 雷解算算法，使得在通风网络模型上进行的风网解算速度加快。以 上述研究为基础，使用m a t l a b 和v is u a lc + + 开发了个矿井通风网 络解算软件。该软件可单独使用，还可做为煤矿矿井瓦斯事故综合 预防系统的分系统，通过共享数据库的方式集成到该系统中。 矿井通风网络解算软件不仅能在日常生产作业中为井下安全生 产作业提供风网的风量分配、调节等信息，为煤矿生产部门的决策 层提供实时、真实、准确的数据以及相关设备信息，而且还可与煤 矿矿井瓦斯事故综合预防系统相结合使用，预报瓦斯浓度超标异常 情况，预防生产事故的发生，保障井下生产人员安全。 关键词：煤矿；信息化系统：矿井通风；网络建模；风网解算 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t m i n ev e n t i l a t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ep r o d u c t i o nu n d e r g r o u n d as a f e ，r e l i a b l e ，e c o n o m i ca n dp r a c t i c a lc o a l m i n ev e n t i l a t i o nn e t w o r k c a l c u l a t i o ns o f t w a r ei si m p o r t a n tt og u a r a n t e et h es a f e t yi np r o d u c t i o n u n d e r g r o u n d t h u s t h er e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o n o fe o a l m i n e v e n t i l a t i o nn e t w o r km o d e l i n ga n dc a l c u l a t i o ni sg i v e ni nt h ep a p e r b a s e do nf l u i dn e t w o r kt h e o r ya n ds o m ee x p e r i e n c ef o r m u l a s ，t h e f l o wr e s i s t a n c em o d e li sb u i l t i tc a l c u l a t e s t h er e s i s t a n c ef a c t o r sb y u s i n gt h ed e s i g np a r a m e t e r so fl a n e w a y si n s t e a do fm a n u a le x p e r i m e n t s i n t r o d u c i n gt h er e e l e c tl o o pt os c o t t h i n s l e ya r i t h m e t i ca c c e l e r a t e st h e v e n t i l a t i o nn e t w o r kc a l c u l a t i o no nt h eb u i l tm o d e l u s i n gm a t l a ba n d v i s u a lc + + t h es o f t w a r ei sd e v e l o p e d i tc a nn o to n l yw o r kb yi t s e l f , b u ta l s ow o r ka sas u b s y s t e mw i t hc o a l m i n ei n t e g r a t i o np r e v e n t i o n m a n a g e m e n ts y s t e mb yt h ew a yo fs h a r i n gt h ed a t a b a s e t h ec o a l m i n ev e n t i l a t i o nn e t w o r kc a l c u l a t i o ns o f t w a r ec a nn o to n l y p r o v i d e t h ei n f o r m a t i o no fv e n t i l a t i o nv o l u m ed i s t r i b u t i o na n d r e g u l a t i n gf o rt h es a f e t yi np r o d u c t i o nu n d e r g r o u n d ，b u ta l s op r o v i d e r e a l - t i m e ，a c t u a la n de x a c td a t aa n dt h ei n f o r m a t i o no fc o r r e l a t i v e d e v i c e sf o rt h ed e c i s i o n m a k e r so fc o a l m i n ep r o d u c t i o nd e p a r t m e n t si n d a i l yp r o d u c t i o n a n di tc a nm o n i t o rt h ea b n o r m a ls i t u a t i o ns u c ha sg a s d e n s i t yl i m i t e do v e rb yc o m b i n gw i t ht h ec o a l m i n eg a sa c c i d e n t i n t e g r a t i o np r e v e n t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mt op r e v e n tt h ep r o d u c t i o n a c c i d e n ta n dg u a r a n t e et h es e c u r i t yo fw o r k e r su n d e r g r o u n d k e y w o r d s ：c o a l m i n e ；i n f o r m a t i o ns y s t e m ；c o a l m i n ev e n t i l a t i o n ； n e t w o r km o d e l i n g ；v e m i l a t i o nn e t w o r kc a l c u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：墨煎 日期：捌年f 月f 尹日 哈尔滨一r ：程人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源及意义 1 1 1 课题的来源 煤矿矿井瓦斯事故综合预防及关键技术研究是黑龙江省2 0 0 5 年 度重大科技攻关计划项目，矿井通风系统网络解算软件的研究与实 现是与该项目相关的一个预研课题。 1 1 2 课题研究的目的及意义 矿井通风是采矿生产的一个重要环节，一个安全、可靠、经济、 实用的矿井通风网络解算软件，对保证井下安全生产有重要意义 “”。煤矿生产过程中的瓦斯爆炸、煤尘爆炸、矿井火灾、有毒气体 窒息等灾害的发生都与通风有直接的关系“”。可以说，通风状况的 好坏直接影响工人的安全、健康和劳动效率，直接关系到煤矿的安 全生产、经济效益和可持续发展“。 黑龙江省共有各类矿井1 5 0 0 多处。据不完全统计，我省半数国 有重点煤矿因风机能力不足、通风系统及配套设施不完善，致使矿 井通风能力不足，事故隐患大量存在。1 9 9 5 2 0 0 1 年以来的近7 年 问，通风瓦斯事故1 9 4 起，死亡1 2 8 2 人，分别占事故总数和死亡人 数的2 1 8 和5 7 3 。3 人以上通风瓦斯事故8 3 起，占3 人以上各类 重大事故总数的5 5 7 。 在设计或改造通风系统时，绘制通风系统图、网络图，风机选 型与调节厂自然分风，最优调节与控制，风网管理，风机管理等工 作只靠人工和经验是远远不够的“”。为了加强通风管理，提高通风 哈尔滨工程大学硕士学位论文 系统的抗灾能力，须采用先进技术手段。利用完善的通风理论，实 用的数字模型和先进的计算机算法，开发出高水平的实用通风软件 系统，实现通风系统控制智能化，势在必行“”。 1 2 矿并通风网络分析的国内外研究现状 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，计算机广泛用于矿井通风系统的设计和分 析。到目前为此，己有大量有关矿井通风的软件，用于解决开采中 出现的不同问题。 通过阅读近几十年有关矿井通风网络分析方面的文献 n ”2 川2 8 “”b ”，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大体经历了如下 的几个大阶段。 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 n g 和h a r t 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。该软件的应用表明，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，世界上很多通风研究人 员开发出大量用于更加复杂通风系统的程序。 1 9 7 4 年，宾夕法尼亚州州立大学，s t e f a n k o 和r a m a n i 对通风 系统网络分析的发展做了很大的贡献。他们在论文“矿井通风系统 中柴油废气浓度的数值模拟”中研究井下柴油机对通风系统的影响， 并提出一系列的相关数学公式。这些公式的有效性得到了相关实测 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。基于此开发的程序是矿井火灾时， 污染模拟的最具代表性的程序之一。这个程序可以模拟矿井大气中 的烟尘和其它污染物的运动情况，计算在给定点、给定时间的浓度， 判定矿井中不同位置的总污染程度。它可以处理多个污染源或污染 源随时间变化的情况，还可解决污风循环问题。西方国家早期的通 风软件也较多，主要以美国和法国为主。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 我国的科研人员在这方面也做了大量的工作。1 9 8 4 年，沈斐敏 等编写了名为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汁与应 用。为更多人接触有关矿井通风网络解算知识开启一扇方便之门 ”。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 者期间，完成专著m 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 sa n d p o l l u t i o ns i m u l a t i o n 。该专著回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用f o r t r a n7 7 编写 的源代码1 “”。1 9 9 1 年中国矿业大学的张惠忱编写了计算机在矿 井通风中的应用，为计算机在矿井通风领域的进一步的应用提供了 技术支持幢”。 1 9 9 2 年赵以蕙等人根据多孔介质流体动力学理论，将采空区看 作是非均匀的连续介质，气体在介质中是过渡流，邻近层沼气稳定、 均匀地( 或非均匀地) 涌入采空区，沼气在介质中的扩散符合f i c k 定 律，由此采用f o r t r a n 7 7 建立了在一系列稳态条件下的数学模型。 1 9 9 3 年，刘剑采用f o r t r a n 和c a d 开发了具有以下功能的通风 软件：( 1 ) 可查询采场剖分信息，根据漏风源汇点的位置坐标，可查 询对应的单元号，是否为边界单元等等；( 2 ) 根据漏风源汇点的漏风 量，计算单元号，确定均质单元区号及渗透系数等；( 3 ) 绘制二维或 三维的采场域图、均质区划分图、漏风源汇点的位置及编号图、采 场剖分图、流线或流管图、等压线或等压面图等。同年，谭国运采 用通路法进行风量调节，在进行风网调节的同时可发现通风阻力最 大的区段和地点，为降低阻力和改造通风系统提供途径。并且该系 统采用一体化通风管理方法，获得良好效果心1 。 1 9 9 4 年，刘师少采用f o x b a s e + 2 1 0 开发的通风软件具有以下特 点：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，具有较强的图形处理功能。同年，曾无畏利用d b a s e 开发的项 目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，矿井防尘一，矿并防尘二，安全技措和矿井通风质量评比八个 项目，均具有编辑数据，修改数据，查询数据和打印数据功能。戚 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 宜欣利用专家系统技术，将火灾救灾专家经过多年实践得出的经验 收集起来，经过整理加工，形成关于控风措施的知识库。此外，根 据巷道供风作用将巷道分类，从而形成数据库，最后编制成推理机。 1 9 9 5 年，谢贤平采用6 w b a s i c 完成了计算机集散控制系统的管 理程序，下级计算机的采样及控制程序，两者之间利用通讯软件相 互联系，进行数据交换和信息传递。同年，黄元平用c 语言开发的 软件用户界面友好，使用方便。该软件采用动态内存管理技术可直 接使用扩展内存，原则上可用于任意大小的网络优化问题。范明训 所开发的程序为菜单式结构，具有以下功能：( 1 ) 汉字自动提示功能； ( 2 ) 巷道可按任意顺序排列和调整； 3 ) 问路解算和绘图功能；( 4 ) 参 数及图形修改功能；( 5 ) 可实现网路解算与绘图的计算机自动控制。 黄继声开发的软件能自动完成数据处理、通风网路解算、数据选择 传递和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，并且操作简单。输入数据文件后，只需少量人机对话选择，其 它一切皆自动完成。该软件在采用链式回路输入法、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。蒋军成采用f o r t r a n 开发的软件可用于矿井生产风量优化调节计算和新井通风设计的调 风计算，既可进行局部风网的风量调节计算，又可进行整个风网的 风量调节计算( 包括多风机系统的风量调节计算) 。 2 0 0 1 年，扬娼采用v i s u a lo d b c 开发出动态调节系统、数据库 系统与通风网络图绘制系统等。2 0 0 2 年，刘剑撰写了名为流体网 络理论的教材。本书提出的网络简化算法，对网络分析以及提高 与网络相关的一些算法的效率具有重要意义。2 0 0 5 年和2 0 0 6 年，吴 超等人发表了相关文章。 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哺”。而在国 内，大多数通风方面的软件是由科研机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。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为了使上述情况得到一定程度的改善，今后的工作致力于以下 两点： ( 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。 ( 2 ) 使通风软件不再仅仅做为一个独立的软件，还可与矿井的其 他综合管理系统相结合，共同更好地为井下安全生产服务。 1 3 工作内容及论文结构 本文所做的工作主要有以下几点： ( 1 ) 在流体网络建模原理基础上，建立通风网络模型，包括流动 风阻模型、风机性能曲线模型、节点流量平衡模型和回路风压平衡 模型。其中的流动风阻模型改变了以往由井下人工实验测得数据的 方式，直接使用井下巷道设计、掘进等参数计算风阻，不仅符合风 阻的实际情况，而且方便快捷、省时省力。 ( 2 ) 采用斯考德一恒斯雷法，在建立的通风网络模型上进行风网 解算。在算法中采用重选回路这一策略，使得迭代计算的速度大大 加快。 ( 3 ) 使用m a t l a b 和v i s u a lc + + 开发了风网解算软件，并使其可做 为煤矿矿井瓦斯事故综合预防系统的一个分系统。m a t l a b 做为涉及 矩阵和线性方程组计算模型的编程语言，简洁而高效。而且用m a t l a b 编写的程序能够被翻译成c c + + 语言，与v i s u a lc + + 程序较好结合。 ( 4 ) 进行初步实验验证。验证结果与实测结果大体一致，说明了 通风网络模型具有一定的准确性和可靠性。实验结果误差在实际应 用允许误差范围内，主要是由计算机迭代累计误差、风机性能曲线 拟合误差、巷道风流不稳定等因素造成的。 全文共分4 章。第1 章是绪论，第2 章是相关知识，第3 章是 矿井通风网络相关技术研究，第4 章是矿井通风网络解算软件的设 计与实现，具体的内容为： 第1 章介绍课题来源、研究意义、现状、主要内容及结构组织。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章介绍相关知识，先阐述了相关技术研究和软件设计实现 中要涉及的基本术语，接着介绍流体网络建模原理和原则，最后介 绍通风网络建模原理以及矿井通风网络在计算机中的存储形式一一 邻接矩阵、关联矩阵等。为后面各章节的展开做了铺垫。 第3 章对矿并通风网络的建模和解算技术进行研究。通风网络 建模包括风阻、风机、节点和回路四个要素，不仅满足各要素涉及 的方程组，还体现出它们之间的联系。接着，在风网各模型基础上 进行风网解算算法的研究，为通风网络解算软件的实现提供了技术 支持。 第4 章首先对矿并通风网络解算软件的功能进行描述，其次对 数据库系统设计、连接以及部分代码段进行说明，最后以黑龙江某 矿井部分通风网络图为实例进行解算，并分析解算结果。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章相关知识 图论是应用非常广泛的一个数学分支，它是建立和研究离散数 学模型的一个重要数学工具“”。图论这门学科是由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 通风网络建模的数学基础是图论。同样矿井通风网络解算与矿井通 风本身的基础知识是不可分的。 2 1 基本术语 图( g r a p h ) 是由顶点集合( v e r t e x ) 及顶点间的关系集合组成的一 种结构： g=(v，e)(2-1) 其中，v 是顶点的有穷非空集合；e 是顶点之间关系的有穷集合， 也叫边( e d g e ) 集合。 在通风网络解析中，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：连接两个节点的任一巷道。任何分支仅在它的端点才 有节点。 ( 3 ) 网络：由矿井各巷道组成的网状系统，它是由通风系统转化 而成的一个由节点和分支组成的线性图，它反映了原通风系统中节 点与分支相连接的结构关系。在矿井通风网络中，流经其间的介质 为空气。 ( 4 ) 回路：在网络中由二条以上的分支于二个以上的不同节点所 构成的闭合路径。在回路中，除首节点外，节点与分支皆不重复。 ( 5 ) 风向：表示风在分支中的流动方向。分支的方向用箭头表示。 分支的两个端点中，箭头指向的为终节点、另一个为始节点。回路 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的方向一般规定顺时针为正，逆时针为负。 ( 6 ) 网络通风参数：一般是指构成网络的每一分支的风阻、风压 和风量，以及整个网络中的总风阻、总风压和总风量。此外，还包 括风机的风量、风压和自然风压。 ( 7 ) 有向图( d i r e c t e dg r a p h ) 和无向图( u n d i r e c t e dg r a p h ) ：在 有向图中，顶点对 是有序的，被称为从顶点u 到顶点v 的一条 有向边。因此， 和 是不同的两条边。此时，顶点对 用一对尖括号括起来，u 是有向边的始点，v 是有向边的终点。而 在无向图中，顶点对( u ，v ) 是无序的，被称为与顶点u 和顶点v 相关 联的一条边，没有特定的方向。( u ，v ) 与( v ，u ) 是同一条边。一般为 了有别于有向图，顶点对是用一对圆括号括起来。 ( 8 ) 路径( p a t h ) ：在图g 中若从顶点v ；出发，沿一些边经过一些 顶点v p ，v 矗，v 二，到达顶点v j 。则称顶点序列( v i ，k 。，v 矗， v 劬，v ) 为从顶点v i 到v 的路径。 ( 9 ) 简单路径与回路( c y c l e ) ：若路径上各顶点v l ，v 2 ，v m 均 不互相重合，则称这样的路径为简单路径。若路径上的第一个顶点 和最后一个顶点重合，则称这样的路径为回路。 。 ( 1 0 ) 连通图( c o n n e c t e dg r a p h ) 与连通分量( c o n n e c t e d c o m p o n e n t ) ：在无向图中，若从顶点u 到v 有路径，则称顶点u 与v 是连通的。如果图中任意一对顶点都是连通的，则称此图为连通图。 非连通图的极大连通子图叫做连通分量。 ( 1 1 ) 强连通图与强连通分量( s t r o n g l yc o n n e c t e dd i g r a p ha n d s t r o n g l yc o n n e c t e dc o m p o n e n t ) ：在有向图中，若对于每一对顶点 v 和v 都存在一条从、到v ；和v ；到v 的路径，则称此图是强连通图。 非强连通图的极大强连通子图叫做强连通分量。 ( 1 2 ) 生成树( s p a n n i n gt r e e ) ：一个连通图的生成树是它的极小 连通子图，在n 个顶点的情形下，有n 一1 条边。但有向图则可能得 到由若干有向树组成的生成森林。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 流体网络建模 1 数学模型 对任何对象或系统进行仿真时，首先要建立它既数学模型们n “。 所谓数学模型就是由一系列数学方程( 包括代数方程、微分方程) 描 述系统的每一个具体过程，最终组成一个联立方程组。数学模型比 较抽象，但它可以比较全面地反映一个复杂系统的性质。当对一个 系统的内部机理比较清楚时，就可以利用数学模型对其进行进一步 的研究。数学模型又可分为静态数学模型和动态数学模型。 2 静态数学模型 静态数学模型用来描述系统在稳定状态或平衡状态下各种输入 变量与输出变量之间的关系。静态数学模型主要用于设计计算和校 核计算，一般要求具有较高的精度 3 动态数学模型 动态数学模型用来描述系统在不稳定状态下各种变量随时间的 变化关系。当系统从一个稳定状态变化到另一个稳定状态时，哪些 参数会发生变化，其变化的速度及变化过程如何，这些都属于动态 数学模型要解决的问题。 动态数学模型与静态数学模型是相互联系的，从理论上讲，动 态数学模型实际上包含了静态数学模型。对于处于稳定状态的实际 系统来说，当t 一一时，系统必然还处于同一稳定状态，此时的平 衡状态仍满足动态数学模型方程。这就是说，假定动态数学模型中 的动态项( 对时间的导数项) 为零，则动态数学模型就转化为静态数 学模型。可见静态数学模型是动态数学模型的基础和极限。 矿井通风网络建模一般都采用动态数学模型。为满足要求，在 建模时往往进行许多的简化以使动态数学模型及其计算不至于过分 复杂。这样，由动态数学模型所得的计算结果的误差往往大于静态 数学模型的误差。 数学模型是建模的灵魂。能否选取恰当的方法并建立起准确 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 而全面的数学模型，是软件建模成功与否的决定性因素。 由于矿井的通风系统都是由具有复杂的网络拓扑结构的巷道组 成，这就给人们的建模和仿真带来了许多困难。 传统的仿真建模方法大部分都是针对具体的系统结构编制计算 程序，系统的耦合关系处于模型程序的各个地方。所建模型虽然精 度比较高，能与现场实际过程很好吻合，但模块边界不明显，不便 于模块化建模。而且编程时人为出错率高，程序调试繁琐。更重要 的是，由于模型程序缺乏通用性，可移植性差，影响了矿井的生产 周期。为了解决上述问题，寻求一个模块化的建模方法是很有必要 的。 新兴的流体网络建模技术可以很好的解决这些不足和缺陷。通 风网络建模以流体网络建模理论为依据，以流体网络的观点来看待 由气体组成的网络系统。在流体网络系统中： ( 1 ) 管路两端的压差相当于通风网络中的风压： ( 2 ) 管路中流体的质量流量相当于通风网络中的风流； ( 3 ) 管路的阻力因子相当于通风网络中的风阻系数； ( 4 ) 泵等设备相当于通风网络中的风机。 流体网络建模方法主要涉及两个学科的内容，一是流体力学， 二是流体网络理论。由于通风网络与流体网络有着类似的结构和方 程形式，因而可以在某种条件下，在遥风网络与流体网络之间建立 一定的等价关系，借助于流体网络的分析方法来求解通风网络的特 性，从而大大降低建模难度，提高软件开发效率“”。因此，流体网 络建模方法的发展和进步对矿井通风网络建模和解算有章着重要的 意义。 2 3 通风网络建模原理 通风网络中的分支可分为两种：可控分支和无控分支。其中， 可控分支中含有风门，无控分支不含风门。由于矿井下的风门只具 有两种状态：开启和关闭。因此对于可控分支，当风门开启时，分 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 支通路，即相当于分支存在；而当风门关闭时，分支断路，即相当 于分支不存在。因此，在绘制风网图时先要判断分支是否可控，再 根据风门状态辨别此可控分支是否存在。之后本系统进行风网的节 点化、风网的拓扑分析、风网辩识、风网的分拆等处理，获得通风 网络的拓扑结构，自动生成通风网络的关联矩阵等，以便在后续风 网建模和风网解算中使用。 2 3 1 风网的节点化 实际的风网系统是一个由巷道连接的物理实体，并不存在所谓 的节点，但为了用数学方法( 常用的是矩阵法) 对风网进行描述，人 为地对通风网络进行虚拟分段划分，设置中间集中参数点的方法称 为风网的节点化n ”。 节点化一般根据压力来进行，因此节点化后的风网由压力节点 和分支( 巷道) 组成。节点根据风流进出的情况分为源点、汇点和内 节点。对于源点，网络中与之连接的每条分支中的风都是从该节点 流出；对于汇点，网络中与之连接的每条分支的风都是流入该节点： 对于内节点，网络中与之连接的所有分支中至少有一条分支中的风 是流入该节点，至少有一条分支中的风是流出该节点。 对通风网络节点化一般要遵循如下原受i j ： ( 1 ) 主要根据对风网影响的关键程度来划分节点。一般而言，分 支汇合或分岔处，风机的出入口，风门的出入口，压力监视点，流 量测量点需要设置节点。 ( 2 ) 由于矩阵的计算量随矩阵维数的增加而呈几何级数增大，因 此在进行节点化时应注意对节点进行简化以减少矩阵的维数。在不 影响通风网络解算精度的前提下，可以采用一些简化方法。一般有 两种技巧：一是对前后压力非关键的串并联的节点合并成一个虚拟 的节点，在计算结果中再进行流量分配；二是将大型通风网络在接 口最少处将其分为两个或更多的子网进行处理。 ( 3 ) 一个分支的两端必须而且只能有一个节点( 包括边界节点) ， 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 反之一个节点可以跟一个以上的分支相连。 ( 4 ) 一条分支上只能放置一个同类型的设备。 2 3 2 风网的拓扑分析 网络拓扑分析。”的依据有两条：一是网络的分支特性，二是网 络的基本定律。网络的分支特性取决于其对应巷道的物理性质，它 反映了所考察分支相关的变量问的定量关系。而网络的基本定律则 取决于网络各分支的拓扑结构，它给出了全体网络变量间必须满足 的约束条件，这种约束条件与网络各分支的特性无关。描述一个通 风网络的变量有三组：分支风量、分支风阻和节点风压。这里最关 心的是网络的约束条件。利用关联矩阵，根据各节点的约束条件( 流 量平衡) ，便可求出各分支的流量特性。 通风网络系统是由风门、风机等设备及一些相应的巷道组成， 每个设备和压力关键处均可视为一个压力节点，每个压力节点都是 由巷道连接起来的，节点之间有压力降。若考虑风在巷道内的流动 方向则其对应的通风网络图构成有向拓扑图。 2 3 3 风网辨识 所谓风网辨识d 引就是指通过对通风网络图各节点及其连接关系 的有效识别，调用相应的标准模块和算法，生成风网计算的相关程 序，最终实现风网各节点的压力和各分支的流量计算。进行风网辨 识，首先要对通风网络图进行拓扑分析。很显然通风网络图是一个 有向图 ，其中v 代表通风网络图中节点的集合，a 代表节点之 间的连接关系，用分支表示。在添加节点与分支时各自使用一个动 态指针数组对其进行管理，使其生成标号图。通风网络图的拓扑排 序是在节点及分支添加的过程中自动进行的。当一个风网图完成了， 它的拓扑排序也就同时完成，接下来是输入已知条件。实际应用中 的输入数据一般来源于实际系统的设计资料或当前运彳亍资料。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 4 风网的分拆 通风网络系统结构复杂，变化多样。风的压力和流量响应特性 具有较强的非线性。若网络拓扑结构稍有不同，其网络特性便可能 有较大的差异。而且风流压力具有扰动双向传播、响应速度快的特 点，导致通风网络的数学模型中各个方程问的藕和关系较强，给数 学模型求解带来一定困难口”。 通风网络是一个大规模的连通网络。它通过压力作用将风流从 源点送往汇点。通常把连通的通风网络看成一个强联系的整体，即 强关联通风网络。这类网络的规模越大，计算就越困难。事实上， 虽然大多数通风网络在结构上是连通的，网络上任一处参数的变化 都会对整个通风网络产生影响，但在大多数情况下这些影响随着通 风网络之间距离的增加而削弱( 因为大规模通风网络中往往存在大 量的稳定压力点) 。这些相互有联系，但联系强度随着通风网络之间 距离增大而减小的通风网络称为弱关联通风网络。对于大规模的弱 关联通风网络，常常将其分拆、转化为小规模的通风网络，并根据 分支的所属类型等具体情况加入影响因素权值进行计算，算法简单 且收敛性好。 2 3 5 风网的合并 通过分析邻接矩阵中的元素，即可识别风网的拓扑结构。然后通 过对邻接矩阵进行运算，将相关节点合并成虚拟节点，实现通风网 络图的简化，其实质就是对风流压力流量代数方程组的消元求解过 程。最终简化的邻接矩阵的阶数表示独立的予网络的个数。简化的 原则是合并那些对整个风网不产生影响，解算时又不影响准确性的 部分，尤其是风井的进风区和回风区。 图中串联处理必须放在第一步，并联处理必须放在第二步，分岔 和汇合处理放在串并联之后即可 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以下结合通风网络拓扑结构图对合并方法“”进行讨论。 1 串联 如图2 1 所示，若两个节点( 如节点1 和节点2 ) 为串联关系，则 将它们转化为一个虚拟节点( 如节点3 ) 。节点3 的风阻系数的平方为 节点1 和节点2 的风阻系数平方和。因此在节点3 的对象数据结构 中增加一个数组来记录节点1 和节点2 。在此例中节点3 的s o n 0 为节点1 ，s o n 1 为节点2 。最后为节点3 做一个串联标记。 ，3 2 = 2 + 如2( 2 - 2 ) 其中，l ，2 ， 分别表示对应节点的风阻系数。 123 叫二h 二卜叫二卜 图2 1 串联拓扑结构图 2 并联 如图2 2 所示，若两个节点( 如节点1 和节点2 ) 是并联关系，则 将它们转化为一个虚拟节点( 如节点3 ) 。节点3 的风阻系数计算公式 如下： 。 土：土+ !( 2 3 ) 一十一 、u ， ，3 r 2 其中，1 ，2 ，3 分别表示对应节点的风阻系数。 图2 2 并联拓扑结构图 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在节点3 的对象数据结构中增加一个数组来记录节点l 和节点 2 在此例中节点3 的s o n 0 为节点i ，s o n 1 为节点2 。最后为节 点3 做一个并联标记。 3 分岔 如图2 3 所示，若两个节点( 如节点1 和节点2 ) 是分岔关系，则 将它们转化为一个虚拟节点( 如节点3 ) 。分岔关系的虚拟节点的风阻 系数计算相对复杂一些。 丢厮= 寺厮+ 厄( 2 - 4 ) 其中，印。和卸：分别为节点1 和节点2 两端的压差，印，为节点 3 两端的总压，它的值取节点1 和节点2 两端压差的较大值。，l ，2 ，吩 分别表示对应节点的风阻系数。 图2 3 分支拓扑结构图 在分岔虚拟节点3 的对象数据结构中增加一个数组来记录节点 1 和节点2 。在此例中节点3 的s o n 0 为节点l ，s o n i 为节点2 。 最后为节点3 做一个分岔标记。 4 汇合 如图2 4 所示，若两个节点( 如节点1 节点2 ) 是汇合关系，则将 它们转化为一个虚拟节点( 如节点3 ) 。此处与分支的情况类似。 汇合虚拟节点的阻力系数计算公式如下： 吉瓜= 厥+ 丢厄 5 ， 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中，印。和印：分别为节点1 和节点2 两端的压差，印，为节点 3 两端的总压，它的值取节点1 和节点2 两端压差的较大值。 ，2 ，3 分别表示对应节点的阻力系数。 图2 4 汇合拓扑结构图 在汇合虚拟节点3 的对象数据结构中增加一个数组来记录节点 1 和节点2 。在此例中节点3 的s o r t o 为节点1 ，s o n 1 为节点2 。 最后为节点3 做一个汇合标记。 通风网络的流量和压力分配实际上是上述过程的逆过程。对于 一个已知压差和流量的虚拟巷道来说，可以按照串、并、分、汇四 种情况把虚拟巷道一层一层分解为最初的简单巷道，同时得到各个 巷道的流量和压力的计算值。 2 4 网络图的矩阵表示 根据通风网络建模原理，对于一个给定的图，为了利用计算机 进行计算，常常需要列出图的矩阵表达式。图的矩阵表达形式有很 多，常用的有邻接矩阵、关联矩阵和回路矩阵，这里主要介绍以上 常用的三神矩阵。 2 4 1 邻接矩阵 设一个具有v 个顶点、e 条边的无向图g ，可由图g 的顶点集v 中每两点问邻接关系唯一决定。其对应的矩阵 t = t 。 是一个v 奉v 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 阶方阵，叫做邻接矩阵。其中： t ij = 1 ，当v i 和v j 邻接； t 。j = o ，当v 和v ，不相邻接( 或i = j ，且无自环) 。 从上面的定义可知，邻接矩阵具有以下特点： ( 1 ) 一个无向图g 当且仅当没有自环时，其邻接矩阵是对角线元 素均为。的对称( o ，1 ) 矩阵( 若v 。点出现自环，t 。则= 1 ) 。 ( 2 ) 邻接矩阵 t 的每一行或每一列中的“1 ”的个数之和为图g 相应顶点的度数。 ( 3 ) 邻接矩阵的行和列是按相同的顶点次序排列，置换各行和相 应的列，即重新安排顶点次序，如在 t 中交换两行，则应同时交换 其对应的列。 2 4 2 关联矩阵 设一个通风网络是由m 个节点和n 根分支连接( m n ) 而成，它们 形成一有向网络拓扑图。其对应的关联矩阵t 为： t = t 。j ( i = l ，2 ，m ；j = l ，2 ，n ) 其中： t 。，= 1 ，当分支j 内风流入节点i ； t l j i ，当分支j 内风流出节点i ； t t ，= 0 ，当分支j 与节点i 不相连。 有向图的关联矩阵是由1 ，0 ，一1 组成的稀疏矩阵。可以证明它 不是满秩矩阵。 可以看出关联矩阵既是通风网络拓扑图的数学描述，又是通风 网络连接方式的表述，因此它可应用于任意的通风网络连接方式。 通风网络的连接方式以变量的形式存在，有利于实时、动态地对连 接方式进行变动，从而可以实现通风网络运行方式的动态改变和扩 展。 通风网络示例图如图2 5 所示，( 2 - 6 ) 式为与其对应的关联矩阵。 图中有6 个节点，8 条边，因此关联矩阵为6 x 8 的矩阵，每行对应 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一个节点，每列对应一条边。 t = 2 4 3 回路矩阵 3 图2 5 通风网络示例图 ( 2 - 6 ) 设一个通风网络是由m 个节点和n 根分支连接( m n ) 而成，在预 先设定回路方向的情况下，各边与回路的关系可构成其对应的回路 矩阵为： t = t ，j 。( i = l ，2 ，m ；j = l ，2 ，n ；m 为回路数) 其中： t t ，= 1 ，当分支j 包含在i 回路中并与回路同向； 1 8 o o 1 o o o o o l o o o o o o o o o d d o 0 0 o o o o 0 l o o o l 以o o o o o l o o l 0 o 0 o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t 。，= - i ，当分支j 包含在i 回路中并与回路反向； t 。，= 0 ，当分支j 不包含在i 回路中。 将有向连通图g 中各边按同样的排列顺序构造关联矩阵和回路 矩阵，两者之间有如下关系： a b 7 = 0 或b a l = o ( 2 7 ) 因此，回路矩阵可由关联矩阵计算得出。 2 5 本章小结 本章介绍相关知识，先阐述了相关技术研究和软件设计实现中 要涉及的基本术语，接着介绍流体网络建模原理和原则，最后介绍 了通风网络建模原理以及矿井通风网络在计算机中的存储形式一一 邻接矩阵、关联矩阵等，从原理的角度简要说明了通风网络建模的 基本理论依据为后面各章节的展开打下了基础。 1 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第3 章矿井通风网络相关技术研究 3 1 矿井通风网络建模 矿井通风网络建模是在流体网络建模的基础上，根据通风网络 自身的特点进行了一些改进，使建立的模型符合矿井通风网络的实 际情况 1 。矿井通风网络与一般流体网络的不同之处在于： ( 1 ) 矿井巷道内气体为低速、低压，一般流体管道内为高温高压 气体： ( 2 ) 矿井巷道内井壁不规整，一般流体管道内壁光滑； ( 3 ) 矿井巷道断面面积大，一般流体管道断面面积小； ( 4 ) 矿井巷道内气体不是稳流且方向固定，一般流体管道是稳流 且方向容易变动； ( 5 ) 矿井巷道内有人工作业，扰动大，一般流体管道没有； ( 6 ) 矿井巷道内会出现局扇，即局部风压，一般流体管道不会； ( 7 ) 矿井巷道中风门只有开启和关闭两种状态，一般流体管道中 阀门状态不只两种； ( 8 ) 矿井巷道较频繁出现废弃巷道和新增巷道，一般流体管道中 这种情况较少。 针对上述风网与其他流体网络的不同之处，本章做了以下工作： ( 1 ) 不引入网络的温度模型。由于井下温度均在人体耐受范围 内，故对通风网络风量等影响小。并且建模中从侧面体现了温度的 影响，例如空气密度，风流速度等，因而更加削弱了温度对模型的 影响。 ( 2 ) 采用了一种基于经验公式的流动风阻模型，全面考虑影响井 下风阻，尤其是影响局部风阻的因素。 哈尔滨1 ：稃大学硕十学位论文 3 1 1 一个基于经验公式的流动风阻模型 当空气沿巷道流动时，由于风的粘滞性、惯性以及巷道壁面等 对气流的阻滞、扰动作用而形成通风风阻，它是造成风的能量损失 的原因。风在井巷中作沿程流动时，由于气流层间的摩擦和气流与 井巷壁面之间的摩擦所形成的风阻称为摩擦风阻。由于巷道断面、 方向变化以及分岔或汇合等原因，使均匀流动在局部地区受到影响， 从而引起的气流速度场分布变化和涡流产生等，造成风的能量损失， 这种风阻称为局部风阻”。气体的流动风阻是其在流动过程中的摩 擦风阻和局部风阻之和。 a r = 屿+ 挑= 五万l 订p + f 寺 3 - 1 ) 式中五一一摩擦风阻系数5 卜一分支的长度，m ： f 一一分支的局部风阻系数； d ，一一分支对应巷道的直径，m ； p 一一分支的空气平均密度，k g r a 3 ； 彳一一分支对应巷道的断面面积，m 2 。 在( 3 - 1 ) 式中，、d 、p 、a 都可通过查询井下巷道设计或掘 进参数得到。 在归纳经验公式的前提下，这里采用了一个直接使用井下巷道 设计、掘进等参数即可计算出风阻系数的方法，基本上涵盖了影响 风阻的所有要素。本方法不仅符合风阻的实际情况，而且方便快捷、 省时省力。它改变了由人工测得数据的方式，克服了由于测量带来 的误差，把井下测量人员从繁琐、耗时的重复性体力劳动中解脱出 来。 下面就开始重点介绍丑和f 的计算”儿2 ”。 ( 1 ) 摩擦风阻系数旯的计算 哈尔滨i ：程人学硕七学位论文 矿井中大多数巷道风流的雷诺值已进入阻力平方区，五值只与相 对粗糙度有关，对于几何尺寸和支护己定型的巷道，相对粗糙度一 定，则旯可视为定值。 在( 3 - 1 ) 式中，令： 。：望( 3 - 2 ) 舻寺 式中口一一摩擦阻力系数，单位为胍2 ，脚4 。摩擦阻力系数口和标 准值仃。之间有如下关系式： 口= 口。苦 3 3 ) 式中，为在标准状态( p o = 1 2 k g m 3 ) 下，通过大量实验和实测 所得的摩擦阻力系数，即所谓标准值，一般根据矿井巷道具体参数 值查表获得。将直径以与断面周长心，、断面面积爿的关系式以= 而4 a 和( 3 - 2 ) 、( 3 - 3 ) 式代入( 3 1 ) 后得： a r ，：盟孥 ( 3 4 ) ( 2 ) 局部风阻系数f 的计算 由于局部风阻所产生的风流速度场分布的变化比较复杂，对局 部风阻的计算采用经验公式。