（安全技术及工程专业论文）基于灵敏度的风量异常与风量调节的分析研究.pdf

s u b j e c t ：t h er e s e a r c ho fa i r f l o wa b n o r m a la n da i r f l o wa d ju s ta n a l y s i s b a s eo ns e n s i t i v i t y s p e c i a l t y ：t h ee n g i n e e r i n go fs a f e t y n a m e：s h id o n g t a o i n s t r u c t o r ：c h a n gx i n t a n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) 鱼弓兰k m i n ev e n t i l a t i o ns y s t e mi so n eo ft h el i f e s a f e g u a r ds y s t e m s ，a n di ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t or u ni t s a f e l ya n de f f e c t i v e l y m a i n t a i n i n gs t a b i l i z a t i o no fa i r f l o wi sc r u c i a lt oa i r f l o w v e n t i l a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ep r e s e n tt h e o r yo fm i n es a f e t y , a b n o r m a la i r f l o wa n a l y s i s ，a n d a i r f l o wa d j u s t m e n tw e r ea n a l y z e di nd e t a i l ，a n db a s i so nt h i sa n a l y s i s ，a i r f l o wa b n o r m a lv a l u e a n a l y s i sa n da d j u s t m e n ta n a l y s i sf o rv e n t i l m i o ns y s t e m sw e r ep u tf o r w a r da c c o r d i n gt oa c t u a l r e q u i r e m e n to fm i n e s t os t u d yo nt h ea i r f l o wa b n o r m a la n da i r f l o wa d j u s t , v e n t i l a t i o n s e n s i t i v i t yc o n c e p tw a si n 仃o d u c e dt oa n a l y z en o r m a lv a r i a t i o nr a n g eo fl a n ev e n t i l a t i o na n d b o u n da i r f l o wa b n o r m a lv a l u eb yt h es t a t i s t i c st h e o r y a n dam a t h e m a t i c a lm o d e lw a s p r o p o s e d w h e na n a l y z i n gt h em o d e lo fs y s t e m ，t h er e a s o n so fa i r f l o wa b n o r m a la n dt h eb e s t l a n eo fa i r f l o wa d j u s t m e n tw e r ef o u n do u to nt h eb a s i so fc o m p u t e rg r a p h i c s t h es t u d yo ft h e a l g o r i t h ma n dm o d e li s v e r i f i e dt h r o u g hi t s a p p l i c a t i o nt o ac o a l m i n e a c c o r d i n gt o d i f f e r e n td e m a n do fc o a lm i n e s ，t h em o d e l so fv e n t i l a t i o nr e l i a b i l i t y , a n a l y s i so fa i r f l o w a b n o r m a la n ds e l e c t i n gt h ef i t t e s tv e n t i l a t i o na d j u s t m e n tw e r ea d d e db a s i s0 1 3t h ep r e s e n t v e n t i l a t i o ns o f t w a r e ，w h i c hs h o w e dt h eg o o df i t n e s st ot h ep r a c t i c a ln e e d so fc o a lm i n e s e x c e p tf o rt h ed a i l ys a f e t ym a n a g e m e n t ，af u n c t i o no fd e c i s i o n - m a k i n ga s s i s t a n tw a sa l s op u t f o r w a r d ，w h i c hh a sf u r t h e rs i m p l i f i e dm i n ev e n t i l a t i o nr e s i s t a n c em e a s u r e m e n t ，t h e c a l c u l a t i o no fv e n t i l a t i o ns e n s i t i v i t i e s ，t h ea n a l y s i so fa i rf l o wa b n o r m a lv a l u e s ，a n dt h ef i t t e s t a d j u s t m e n to fv e n t i l a t i o n k e yw o r d s ：m i n ev e n t i l a t i o ns e n s i t i v i t y a i r f l o wa b n o r m a l a i r f l o w 删u s t t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要玲技丈学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位敝作者签名妃孽瘩日期：姗8 矽) 厂 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 必孝 指导教师签名：r 雩。优 年月 日 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 自1 9 8 7 年起我国就是世界上煤炭产量最大的国家，煤炭是我国的主要能源支柱。近 年来我国能源生产和消费机构发生了一些变化，但是在今后的3 0 n 5 0 年内，我国能源消 耗以煤为主的格局不会改变，能源供应仍然主要依赖于煤炭i l j 。因此，从国民经济可持 续发展的大局出发，促进煤炭工业持续、稳定、健康发展具有十分重大的意义。 尽管近年来我国对煤炭安全生产投入了大量的人力和物力，但是随着开采深度和开 采强度的增加，我国煤矿通风安全工程面临许多复杂问题，重大瓦斯、火灾事故屡见报 端。据统计，就2 0 0 5 年，我国煤矿企业发生重特大以上事故2 7 9 起，死亡人数3 5 8 6 。其 中：发生一次死亡1 0 人以上特大事故5 8 起，死亡1 7 3 9 人，同比增加1 5 起，增加6 9 5 人。 由此可见，我国矿山安全形势仍然十分严峻。发生事故固然有很多因素，但由于煤矿生 产企业安全监测不完备、管理手段落后也是造成事故频发的重要原因之一。随着计算机 技术、通信技术、控制技术、网络技术、信息技术等技术被迅速地应用到了煤矿安全生 产领域，并有效改善了生产状况。国家对煤矿安全生产的管理力度在不断加强，同业各 单位都在进行数字化矿井建设和改造。国家对数字化矿井建设也非常重视。因此，国家 “十五”煤炭科技主要任务规划中就将煤矿生产安全技术的研究作为一个主要的方面，在 国家做出的行业技术发展重点报告中将煤炭安全保障技术的研究作为技术发展方向和 重点之一。在此方向中包括了对火灾防治技术、通风计算技术与装备等方面的研究。而 目前迫切需要研制出安全、高效、计算能力强、便于扩展的通风应用系统以指导现场工 作，其中关键是研究出风网解算的高性能计算系统及其辅助系统，已达到对井下状况进 行实时监控和模拟的目的。矿井通风是煤矿生产一个重要的环节，而矿井通风的信息化 又是促进采矿工业实现现代化、信息化非常重要的条件。随着信息技术的不断发展，对 现代化矿井进行科学管理的要求也越来越高，如何将有关通风系统的实测资料和网络解 算与分析融为一体，实现对矿井通风的一体化管理，是人们十分关心的问题，也是提高 矿井管理质量的当务之急。 1 2 问题的提出及意义 矿井通风是依靠通风动力，将定量的新鲜空气，沿着既定的通风路线连续不断地输 入矿井下，以满足回采工作面、掘进工作面、机电恫室、火药库、以及其它用风地点的 需要；同时将用过的污浊空气不断地排出地面。它的基本任务是：供给矿井新鲜风量， 以冲淡并排出井下的毒性、窒息性和爆炸性气体和粉尘，保证井下风流的质量( 成分、 西安科技大学硕士学位论天 温度和速度) 和数量符合国家安全卫生标准，创造良好的工作环境，防止各种伤害和爆 炸事故，保障井下人员身体健康和生命安全，保护国家资源和财产 2 1 。由此可见通风技 术对于煤矿安全生产是非常重要的。 瓦斯事故、冒顶、片帮事故在煤矿事故中占的比重很大，其中瓦斯爆炸造成的后果 最为严重。作为消除瓦斯事故灾害的重要措施，通风技术在煤矿安全生产中一直占据着 举足轻重的作用。良好的通风系统是防止瓦斯积聚最基本最有效的方法，通风系统的分 析及优化，对于防治井下瓦斯灾害起着重要的作用。 然而，矿井通风系统的管理是一项复杂工作，对整个通风系统管理和维护也是非常 困难的，特别是对于特大型矿山，井巷错综复杂，井下通风设备复杂多样，井下环境多 变，要准确的获得井下即时变化的信息是非常困难的，传统的人工管理方式不可能及时 有效维护通风系统的运转。如果能够将整个矿井通风网络的运行状况及时有效的反馈到 管理人员手中，矿井通风管理工作将得到极大改善。在国外很多矿山企业利用先进的计 算机管理手段，可以对通风状况实施实时监控，通风管理人员通过一台计算机能够及时 有效地对即时多变的通风系统进行管理。这就要求矿山必须投入新进的井下监测和监控 设备，同时需要通风管理软件的支持。近年来，国内不少矿山建立了井下通风监测系统， 在硬件上的投入比较大，但是尚缺少软件的支持，虽然国内不少学者致力于矿井通风管 理系统软件的研究与开发，但真正能够满足矿井通风管理需要的软件很少。随着计算机 和网络技术的迅猛发展，计算机软件日新月异，从最初的面向单机版走向面向网络的分 布式软件，软件开发技术从面向过程转向面向对象，以及最新的组件式开发技术，计算 机软件的人机交互从以前的字符界面发展到更容易操作的图形界面。 本文在研究矿井通风网络的基础上结合通风系统分支风量变化对风阻的灵敏度研 究成果，对通风系统稳定性、巷道风量发生异常的原因及风量调节的最佳巷道的选择进 行了分析研究。他不仅解决了手工解算通风网络的困难，实现了计算机进行风网解算， 提高了通风网络解算的效率和准确性，同时还实现了通风系统稳定性界定、井下巷道风 量异常的原因分析。通过以通风网络解算为基础的通风管理系统实现井下风量的有效管 理，提高通风系统的运行效率。 1 3 矿井通风安全计算研究动态 1 3 1 通风网络理论发展概述 国内外专家、学者对通风网络理论的研究，已经持续了近一个世纪。1 9 3 1 年波兰学 者柴操德( h c o e t t ) 发表了用几何学的方法解秒型通风网络，1 9 3 5 年波兰学者巴尔切克 ( s b a r c z y k ) 提出逐次渐近法，1 9 3 6 年美国学者克劳斯( h c r o s s ) 提出一种解算流体 管道网络的逐次计算法，1 9 3 8 年英国学者维克斯( s w e e k s ) 用图解法来解算简单的通 2 1 绪论 风网络，1 9 5 0 年美国学者迈克尔( m m l l r o g ) 荷兰学者玛斯( w m a a s ) 采用钨丝灯泡 来模拟通风网络，1 9 5 1 年英国学者斯考德( d s c o t t ) 、恒斯雷( f h i n s l e y ) 提出了逐次 计算法，日本学者在这段时间内相继提出了京大一法和京大二法求解通风网络【3 】。 虽然各国学者对多种解算方法进行了深入地研究，但都仍停留在试算的阶段，解算 仍需要花费大量时间精力，未取得令人满意的结果。直n 1 9 4 6 年第一台电子计算机问世 后，科学家们才开始以图论理论为基础，运用数值运算方法来分析和计算通风网络【4 】。 19 5 3 年d r s c o t 和f b h i n s l e y 首先使用计算机来解决通风网络问题，提出了用泰勒级数近 似的渐近计算法，即著名的斯考德一恒斯雷( s c o a h i n s l y e ) 法，一直到今天仍然在模型建 立和网络计算中广泛应用。同年，平松良雄改进了其早先提出的解算理论，并研制出配 套的电气模拟网络解算装置，大大加快计算速度1 5 】。后来，又出现了用电压降与电流平 方成正比的电阻制成的模拟计算机，例如，德国煤炭协会研制的通风网络解算装置和日 本资源技术研究所研制的“f l u a c ”装置等。现阶段，斯考德一恒斯雷法、牛顿法、京大 一法、京大二法等多种解算模型经过不断改进与验证，已经发展为成熟可靠的算法，得 到了普遍的应用。最近，国外又提出一种新的运算模式一对通风网络进行非线性控制， 这种新解法具有很好的开发价值，还可以应用到水管网、灌溉管网和楼房通风中【6 1 。 在国内近年来也陆续出现了一些新的解算方法和数学模型，推动了统统网络理论。 金川集团公司赵千里等人采用通风网络理论、图论、集合论等方法建立起矿井通风仿真、 网络自动简化和网络优化调节、角联风路自动识别等一系列数学模型 7 1 。西安建筑科技 大学管理学院黄光球提出的用梯度算法解算矿井通风网络【8 】。昆明理工大学赵梓成、北 京理工大学谢贤平等共同提出了矿井通风网络的模糊优化数学模型，加快并简化了求解 优越支集问题，为矿井通风分析过程和分析结果更符合工程实际情况提供了一条新途径 阴；中国矿业大学张玉祥等提出了一种新的快速模拟退火算法，能够有效地求解传统的 确定性方法所不能奏效的全局最优解问题，具有更高的计算效率【9 】。武汉安全环保科学 院沈汉年等针对常规解法的不足，提出了矿井通风系统风流控制的改进算法 1 0 】。辽宁 工程技术大学王树刚、王继仁、洪林等将矿井通风网络中的空气流动视为一维可压缩流 体的非定常流动，建立了矿井正常和灾变时期通风网络解算的统一数学模型【1 1 1 。 1 3 2 通风网络解算方法发展概述 矿井通风网络解算包括网络解算和风量调节( 控制) 两个方面。网络解算的任务是 由在已知网络结构、分支风阻、风机特性和自然风压的条件下，求借网络内风流的分布， 又称自然分风；风量调节的任务是由既定的网络结构和部分元件参数求解满足风量要求 时调节参数，又称控制。 矿井通风网络解算的方法基本上可以分为四大类：解析法、图解法、模拟解法、数 值解法【1 2 1 。现概述如下： 3 西安科技大学硕士学位论文 解析法是根据通风网络的基本定理建立数学方程组，求解这些这些方程，得到准确 解。这种方法由于要求解大型非线性方程组的准确解，限于数学手段的原因，目前不常 使用，作为理论探求一种方法是很有意义的。 图解法是根据图论中的基本理论和算法对通风网络进行研究，以得到有意义的结 论。其实质就是把多风机、多井口、多巷道的复杂通风网络，逐步地进行合成转化为单 一风机单一巷道的关系，以达到求解的目的。由风机性能曲线与巷道特性曲线的每一交 点( 工矿点) ，可得到风机与巷道风压和风量等四个值。在计算机尚未广泛应用时，图 解法是研究、解算矿井通风网络的好方法。当今计算机的广泛使用依然是分析、研究通 风网络问题的一个不可或缺的补充。 模拟法是依据矿井通风网络与线形电路有其相似的特性机理而提出的，其理论依据 有阻力定律和电工学中的吉尔霍夫定律。模拟法的精度和实用性都比较差，对此研究的 学者不多。 数值分析解法同解析法一样也要建立方程组，但它不要求得到准确解，而是根据一 定的数值解法求出满足精度要求的近似解。数值解法是目前研究网络解算的主要手段。 随着计算机在通风网络中的应用，国内外学者提出了一些各具特色的数值解法。目前广 泛使用的斯考德恒雷斯法( s c o t t h i n s l y e ) 、牛顿拉夫森法( n e w t o n r a p h s o n ) 、平松 法( 京大二式) 、节点风压法、割集分析法等数值法。风网解算的方法虽然很多，但归 纳起来主要可以分为两大类：一是风量法、二是风压法l l 引。 ( 1 ) 风量法 分支风量法。各分支的风量与风压是通过特性防城( 即阻力定律) 相联系的， 因此一旦求出个分支风量，则分支风压就可由特性方程求出；反之亦然。应用此种方法 解算风网可分两步进行，即先设法求出分支风量，然后再求处分之分压。 回路风量法。在通风网络中，把独立分支风量看作回路风量，同时又当作变量， 非独立分支的风量可以用回路风量表示。一个回路中，设想独立分支风量在对立回路中 是连续流动的，这样就形成了所谓的“回路风量，独立分支风量或回路风量便是一级 完备的独立分支风量变量。利用图论中的运算法则，可以借助回路风量来表达分支风量， 这也是表达风量平衡定律的一种方法，由此列出的风量平衡方程式与回路风压方程式及 阻力方程式( 根据阻力定律列出) 就构成了由n m + 1 个非线性方程式组成的方程组， 解此方程组，即可求得回路风量及树枝风量。目前，解算风网的几种常用方法，如斯考 德恒雷斯法、牛顿法和平松法等等，都是建立在回路风量法的基础上的。 ( 2 ) 风压法 分支风压法。解算风网时，也可以设法求出分支风压，然后再利用分支特性方 程求分支风量。这是一种与上述分支风量法相对应的方法。 此法是利用风压平衡定律与节点风量平衡定律来列出方程组，并据此求解，来求出 4 1 绪论 各分支的风压的。 割集风压法。独立割集所包括的分支的风压，称为割集风压。风网中各分支的 风压可用割集风压来表达。由割集风压方程、割集风量方程、分支特性方程建立起来的 方程组可求出割集风压。有了割集风压，就可进一步求出个分支风量。 节点风压法。风网中选某一节点为参考点，则其余的每一个节点与参考的风压 差，就叫做这个节点的节点风压，再取得各分支风量的方法。即根据节点风压列出回路 风压平衡方程组，解此方程组，求出节点风压，进一步求得风网各分支风量。 1 3 3 矿井通风系统软件发展概述 计算机技术的不断发展和普及极大的推动了通风网络解算分析的发展。从上个世纪 6 0 年代末起，在世界范围内计算机已广泛用于矿井通风系统，实现了通风网络解算、控 制与管理有人工到自动化的转变。用不同语言开发的有关通风方面的软件用于解决实际 生产中出现的不同问题。这些软件面向不同的通风系统，可实现自动解算、方案比较等 不同功能，解算范围不断扩展，几乎涵盖了按需分风、压力分布、分机选型、阻力调节 和风网优化等计算功能，解算复杂度也由最初的简单网络发展为分支较多并且分机数量 大的大型复杂网络，为通风网络自动化设计与控制做出了巨大的贡献。 自计算机诞生起，国外许多科学家就开始着手通风网络软件的研究。1 9 5 8 年日本学 者h a s h i m o t o 编制了最多可解算3 0 多条风道网络的程序，成为世界上最早使用计算机解 算风网的人，从此开创了风网电算化的新篇章。美国学者h a r t m a n 与t r a f t o n ( 1 9 6 3 1 9 6 4 ) 、 h a r t m a n 与y 。j w a n g ( 1 9 6 7 ) 先后利用g a u s s s e i d e l 迭代用f o r t r a n 语言编写了风网解算的 程序。1 9 7 0 年，y j w a n g 与s a p r o t e i r l 进步改进了原程序，可适用于风道数少于5 5 0 条、 风机数少于1 0 台的大型风网，并实现了回路的自动圈划 1 4 1 。 当今的通风网络解算分析研究领域，波兰和美国学者的研究成果代表了当今世界 领先水平。波兰科学院w d z i u r z y n s k i 教授和他的研究小组开发研制的真正的可视化 v e n f g r a p h 系统，具有文本文件编辑e d t x t 、火灾及逃生路线模拟e d e s c 、仿真可 视化e d r y s 、稳态分风温度烟雾等计算g r a s 、节点压能的网络图绘制s c h e m a t 、个 体巷道仿真e k o g r a s 、温度仿真t h e r m 、防灭火及救护培训c s r g 监测监控系统 e s c w i n 、数据分析和仿真a d i s 、非定常状态下的火灾及逃生仿真p o z a r 和w y r z u t 与通风网络与采空区一体化仿真i z o p o z 等共1 2 个子系统。 美国科研人员也相继开发了一系列矿井可视化通风软件v e n t i l a t i o nd e s i g n 软件能够 支持交互式设计能力，将强制通风与自然通风网络以三维图形方式显示；v e n d i s 软件 能以交互式图形显示方式提供网络计算结果，用户可用键盘或鼠标以三维方式输入深 度、风阻、温度和节点信息，解算结果可以图形方式显示出来，网络规模和观察视点都 可交互式改变；c a n v e n t 是第一个w i n d o w s 视窗系统下的通风仿真系统，其图形界面 5 西安科技大学硕士学位论文 是在a u t o c a d 环境下开发的；美国矿井通风协会( m i n ev e n t i l a t i o ns e r v i c e s ) 开发的基于大 型机的c l i m s i m 和、e t p c 能够实现多条件下模拟并在绘图仪上输出图形；美国矿业局 研究得出较成熟的矿井火灾风流稳态、准稳态、动态模拟的理论和计算方法，并开发出 了模拟软件m f i r e ，可以对火灾时期井下风流状态及烟雾和温度分布进行仿真。 除此之外，法国研究机构提出了基于r t d ( r e s i d e l i c et i m ed i s t r i b u t i o n ) 理论的通风网 络仿真系统。该模型结合了计算机流体流动规贝j j ( c f d ) 和实验参数确定，可以实现更加 综合的动态模拟效果；英国诺丁汉大学在前人研究的基础上，改进了深井通风和冷却系 统的设计和使用模型，可实现对深井温度、空气条件等的预测和调节并用于进行网络计 算。 我国从2 0 世纪7 0 年代开始对矿井通风网络解算程序进行研究，并用a l g o l ，f o r t r a n ， b a s i c 等语言编制了相应的程序。辽宁抚顺煤炭研究所在1 9 7 4 年首先编制了简单的解算程 序并应用于老虎台煤矿的通风网络中。1 9 7 8 年，抚顺煤炭研究所、长沙黑色院以及鞍山 研究院使用a l g o l 语言开发了解算能力更佳的程序，已经具备了回路圈划、风机选择等功 能。近年来，随着w i n d o w s 操作系统的普遍使用，国内各大专院校、科技单位在通风网 络解算软件的开发、通风可视化及通风网络动态模拟的研究方面做了大量的工作，开发 出了一大批将通风计算与图形生成、绘制和交互集成化的软件系统，在交互技术、模拟 过程可控等方面已取得了相当的进展，硕果累累。其中，中国矿业大学、西安科技大学、 马鞍山矿山研究院、昆明理工大学、北京科技大学、中南大学等都开发了各具特色、方 便实用的通风网络软件，辽宁工程技术大学在建立通风网络解算、流体流动、动态模拟 等的数学模型方面也取得了一定的研究成果。但是到目前在矿井风量异常原因分析与风 量的调节方面的管理软件还不多见。 1 4 风量异常与风量调节研究动态 1 4 1 风量异常研究动态 目前矿山监测监控系统所得到的数据，仅用来判断当时当地风量是否足够、瓦斯是 否超限，以决定是否允许正常生产作业，其后即被保存起来而很好使用大量的监测数据 所反映的矿井通风系统的变化情况，并未得到充分的分析和挖掘矿井风量变化对矿井瓦 斯分布的影响是矿井安全生产管理十分重要信息，有必要对此展开数据分析工作。 长期以来，国内外许多学者对调风理论及风网解算技术进行了卓有成效的研究，积 累了大量的经验，但是应用调风理论及风网解算技术对于矿井通风中监测到的异常风 量值因果分析的研究，尚不多见。对于一个大型矿井，某一特定的通风网络，网络中 分支条数很多，某局部风阻的变化，可能会引起全系统风量产生变化，只是有些地区 反映敏感，有些地区反映缓慢，反映程度不同，变化趋势只受网络结构决定。所以， 6 1 绪论 i 暑；葺i 宣i 昌置篁暑昌i 置；i 宣置葺宣鲁iiir i i 宣i i i 宣i i i i 盲宣盲宣宣宣暑宣言置i i 宣宣暑暑宣薯暑i 宣置暑暑i 宣i i i 暑置宣昌宣i i 置鼍 造成矿井通风系统风量异常的原因，可以推算为网路中某风阻值发生了变化。 在风量异常分析这个方向，原西安矿业学院硕士生张强做过一些尝试，但都没有形 成可以应用到现场的软件。 1 4 2 风量调节研究动态 矿井通风系统是一个多变量的复杂系统，其中一条巷道参数的改变可能导致与其相 关的多条巷道甚至整个风网的风量发生变化；反之，要想使某一条巷道的风量达到某一 要求值，也可以通过在其它若干条巷道内采取调节措施来实现。因此，对于一个通风网 络，为了满足某种通风需要，可采用的调解方案是多种多样的。如何确定一种既能满足 安全生产要求需要、又能使矿井通风费用、调解方案实施的工程费用最低的调节方案， 一直是矿井通风安全和管理工作者关注的问题。 。经过许多研究者几十年的不懈努力，目前已提出了许多不同的风量调节的计算方 法，它们各有一定的有缺点和使用条件。根据计算过程中能否事先确定所有分支的风量， 可以将矿井风量调节分为网络按需分风调节和网络优化分风调节计算两大类。对于按需 分风调节计算问题，可以分为两步，一是自然分风子网络的风量分配计算，只要把自然 分风自网络找出来，然后用一般网络解算的方法就可进行计算；二是调节设施位置与调 节量的计算，现有的各种计算方法一本可以分为“数学规划法 、“回路法 、“通路 法 和“关键路线法l l 副。 所谓数学规划法，从数学上来看，优化调节问题的变量是各可调分支的调节量，约 束方程是除自然分风自网络以外的其余网络的独立回路风压平衡方程，其个数一般等于 需风分支数。如果可调分支数等于约束方程数，这时由约束方程可直接解出调节量，不 存在优化问题。一般情况下，可调节分支数多于约束方程数，这时可增加一定的优化目 标函数，构成数学规划问题。由于回路风压平衡方程中只有调节量为变量，故约束方程 是线性代数方程组。如果目标函数是线性方程，则为线性规划问题，如果目标函数为非 线性规划方程，则为非线性规划问题。 所谓回路法是事先人为地确定需进行调节的分支，将它们包含在通风网络的余树 中，其调节量大小由回路风压平衡方程即可算出，因此这种方法很难保证风机风压最小。 所谓通路法是通过构造有网络总进风节点( 源点) 至总回风节点( 汇点) 的所有独 立风路( 通路、道路) ，由各通路的阻力差来计算调节量。每一通路加上连接汇点与源 点的伪分支就形成一个回路，因此通路实际上是一种特殊的回路。若对各风机子系统分 别选取最大阻力的通路作为计算标准，则在其它通路上必须采取增阻调节的方法，因而 又称之为“最大阻力路线法 。若以通路上的独立分支( 即余树枝) 作为调节分支，则 对于所选择的不同余树，就得到不同的调节方案。一般通路法程序中都是选择网络的阻 力赋权的最长树，从而得到一种调节方案。有些计算程序则可以自动取得全部调节方案。 7 西安科技大学硕士学位论文 所谓关键路线法原是网络设计技术中用于研究分析工程项目的合理组织和安排的 一种方法，后被应用于求解矿井风量调节计算问趔1 6 j 。其算法原理是从总进风节点开始， 逐个节点向前计算各节点的最小阻力和最大阻力，直至总回风节点，从而得到关键路线 ( 也就是最大阻力路线) ，根据分支始、末节点的最大阻力之差与分支阻力差值得到分 支调节量。在此基础上发展起来的“节点压力分析法 可以计算两组等效的调节方案， 并且可以考虑降阻和增压调节，以及进行方案变换【i 。 国内许多专家学者结合矿井的实际情况，探讨研究了许多风量调节的方法。例如， 张惠枕教授探讨了风量调节的最大阻力路线法；卢国斌等利用最佳控制的最大原理， 建立了按需分风风网的最佳控制数学模型；王从陆给对矿井通风系统分支阻力可调性 数值进行了研究；万之俊利用斜率法、降阻定位值和分步调节阻力和风阻三法则对矿 井通风系统风量调节进行了研究；唐海清利用风量平衡和网孔压阻平衡定律对风网按 需分风问题进行了研究；刘友英对矿井复杂通风网络从单角联风量调节、最佳调风方 案以及y 型复杂通风网络增阻风量调节三个方面对风量调节进行了研究分析；赵栋等利 用图论中的基本回路矩阵建立通风网络风压平衡方程，对局部风量的调节进行了研究； 徐瑞龙利用通路法对矿井通风按需调节进行了研究；重庆大学马心校提出了增、降阻 合理范围和调高调节效果的措施对矿井通风系统调节型进行了研究；贵州省煤炭科学 研究所龙祖根利用线性规划模型对矿井通风系统风量的优化调节进行了研究；湘潭矿 业学院周利华利用供风网孔内是否可设调节措施对矿井网络风量调节进行了计算分 析；陕西煤炭研究所吴勇华利用风量变化与风阻变化的关系得到风量变化的通用经验 公式，对局部风量调节难的问题进行了理论分析；西安煤矿设计院刘承恩用网孔组合 法对矿井通风系统风量调节进行了研究；中国矿业大学蒋仲安用巷道阻力重复调节对 矿井通风系统风量的按需分配进行了研究。 以上大多研究都只是停留在理论研究阶段，少有系统的算法模型和应用到现场的 软件，指导现场的矿井通风系统风量调节。 1 5 主要研究目标及内容 1 5 1 研究目标 本文的主要研究目标是在对矿井通风系统灵敏度分析的基础上，应用概率统计相关 知识对风量测量值是否异常进行界定，建立基于通风系统灵敏度的风量异常值分析模 型。在对通风系统风量调节基础理论研究的基础上，利用通风系统灵敏度建立通风系统 风量调节的最佳调节巷道选择、风量调节范围的数学模型，应用通风网络解算算法理论， 以计算机图形学与网络技术为基础，建立异常风量监测数据分析系统，完成对井下风量 数据的分析与异常原因分析，为井下用风地点风量变化，寻找最佳风量调节巷道以及调 8 1 绪论 节范围的确定。最后通过实例进行验证，形成应用模式。 1 5 2 研究内容 ( 1 ) 应用概率论的有关知识对巷道风量异常进行界定； ( 2 ) 利用灵敏度对风量异常进行分析； ( 3 ) 利用灵敏度选择风量调节的最佳巷道； ( 4 ) 建立风量异常与风量调节的数学算法； ( 5 ) 风量异常与风量调节的算法程序实现。 1 5 3 研究方案 本课题研究采用现场采集数据，理论分析( 含数值分析) 、数学建模、计算机模拟及 现场应用相结合的研究方法，最终建立了风量异常分析与风量调节的工程化方法。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 风量异常与风量调节理论基础 2 1 风路中影响风流的因素 2 1 1 概述 矿井通风系统不仅包括矿井通风方式、通风方法和通风网络等静态系统，而且还包 括井下空气的物质变化，风流的能量变化和状态的信息变化等动态系统，即包括井下环 境检测系统和风流控制系统。矿井通风网络内空气的流动，遵守伯努利方程所反映的能 量守恒定律，符合阻力定律、风量平衡和风压平衡定律。同时，通风网络内风流的变化 还取决于风网的状况及其动力状况。众所周知，无论是风网内分支风阻变化，例如，井 巷延伸、贯通或密闭，矿井内部与外部漏风等的变化，还是扇风机及自然风压的变化或 矿井发生灾害，都会引起矿井内风流的变化。 根据矿井通风测压系统理论、矿井通风系统中空气成分的物理化学变化巷道的特 征、通风巷道在通风中的作用及对用风地点风流稳定性的影响，常把矿井通风系统分为 进风段、采区段和回风段三段。 ( 1 ) 进风段该段为从进风井口( 或井底车场) 到采区的下( 上) 部车场或盘区石门的部 分此段的风道通过的风流为新鲜空气，空气的物理状态和化学成分与地面空气差不多， 此段巷道断面规整，巷道维护较好；该段巷道的风压、风阻变化只影响用风地点风量的变 化，不会影响到用地点风流方向的变化。 ( 2 ) 采区段该段为从采区的下( 上) 部车场到采区的回风石门( 或采区的回风 与其它回风汇合处) 部分。该段是矿井的主要用风区段和自然灾害多发区段，是通风管 理的重点。此段风道中通过的风流的氧气含量逐渐减少，混有各种有毒有害气体和矿尘， 空气的温度、温度和压压力较进风段的有较大的变化，风道状况复杂，巷道种类较多， 断面变化较大，漏风较大，并且巷道的风压和风阻变化不仅影响到用风地点风量的变化， 而且可能直接影响到用风地点风流方向的稳定性。 ( 3 ) 回风段该段为从采区的回风石门( 或其它的回风汇合处) 到风嗣( 或风井底) 部分， 是通风管理的重点之一。该段流过的是污浊空气，风量集中，巷道断面维护较差。当该 段阻力过大时，会直接影响到用风地点的风量。 在这三段中，进风段变化较小，相对固定，采区段和回风段出现的问题较多。采区 段经常出现的变化有： 工作面的进、回风巷中，因材料堆积、巷道冒落或无意识的将风窗关闭，工作 而风阻增大。 1 0 2 风量异常与风量调节理论基础 工作面回风巷中的风窗的风门打开未关，工作面的风阻降低。 采区回风石门中的风窗的风门被打开或风窗被关闭，采区的风阻降低或增加。 采区内增加新的工作面或并联巷道，采区段的风阻降低。 采区上( 中、下) 部车场的风门被打开，风流短路。 采区进、回风上( 下) 山之间的联络巷的风门被打开，风流短路。 采区的迸、回风上( 下) 山冒顶或出现其它现象，巷道堵塞等。 回风段经常出现的变化有： ( 1 ) 回风段巷道冒顶或出现其它情况，使回风巷断面发生变化或堵塞回风段，风阻 增大。 ( 2 ) 回风段中的风窗的风门被打开或风窗被关闭，回风段风阻降低或增大。 ( 3 ) 回风段的巷道和进风段的巷道之间的风门被打开，风流短路。 2 2 2 井巷风阻变化引起风流变化的规律 矿井风网内分支风阻变化是经常发生的。有些风阻变化是按原计划进行的，如采、 掘工作面的推进和搬迁、采区的接替、水平的延伸、系统的调整等；有些风阻变化则是 随机的，如风门的开启、巷道的垮塌、罐笼和车辆的运行等；还有因巷道老化而引起的 风阻变化等等。任何原因引起的风阻变化都会导致风网内风流的变化。 ( 1 ) 变阻分支本身的风量与风压变化规律 当某分支风阻增大时，该分支的风量减小、风压增大；当风阻减小时，该分支风量增大、 风压降低。这一规律是由井巷通风阻力定律和通风机风压性能特性所决定的。 ( 2 ) 变阻分支对其它分支风量与风压的影响规律 当某分支某分支风阻增大时，包含该分支的所有通路上的其它分支的风量减小， 风压亦减小；与该分支并联的通路上的分支的风量增大，风压亦增大；当风阻减小时与 此相反。 对于一进一出的子网络，若外部分支调阻引起其流入( 流出) 风量变化，其内部 各分支的风量变化趋势相同。 风网内，某分支风阻变化时，各分支风量、风压的变化幅度，以本分支为最大， 邻近分支次之，离该分支越远的分支变化越小。 风网内，不同类型的分支风阻变化引起的风量变化幅度和影响范围是不同的。一 般地说，主干巷道变阻引起的风量变化幅度和影响范围大，末分支巷道变化引起的风量 变化幅度和影响范围小。 风网内某分支增阻时，增阻分支风量减小值比其并联分支风量增加值大；某分支 减阻时，减阻分支风量增加值比其并联分支风量减小值大。这种差值，是由于当某分支 风阻增减时，风网的总风阻随之增减，导致风网总风量亦发生变化而引起的。 西安科技大学硕士学位论文 i - , i ii| i ( 3 ) 巷道密闭与贯通对风流的影响 巷道密闭相当于该分支的风阻增至无穷大，故本分支风量减少到趋近于0 ；对其他 分支的影响规律与分支增阻相同。 巷道贯通时要修改网络图，即在网络图中增加贯通后的分支。分析风流变化规律时， 相当于新加分支的风阻有无穷大减小至巷道贯通时的风阻，其风量增大( 由无风变为有 风) ，风流方向取决于巷道两端点间压能差；对其它分支的影响规律与分支减阻相同。 2 1 3 影响风流稳定性的因素 在生产矿井中，影响风流稳定的因素很多。通风动力、通风构筑物的非正常工作状 况，自然风压，巷道的贯通与封闭，工作面的推进与转移，采区接替，生产水平过渡， 巷道中的行人、行车和堆积物等等。都会影响风流的稳定。 去掉上述影响因素的物理意义，就可由网络结构、巷道风阻的变化、系统通风动力的变 化三个方面。 ( 1 ) 回路中辅助风机自然风压对风流的影响 在回路中有通风动力h 。= h ，+ h ：( 辅助通风机风压加上自然风压) 时，不仅有通风 动力的风路的风量、风压要发生变化，而且引起的网络中其它风路的风量、风压重新分 配。在有通风动力的回路中，其风压平衡定律为： 红一h j 一- - 0 ( 2 1 ) 式中：厅。一通风动力值； h i 一回路中与厅p 同流向的各风路的风压值； 乃一回路中与反流向的各风路风压值。 将上式对通风动力取微分： 进一进一1 ：o( 2 2 ) d h p d h p 当分析回路中与h 口同流向的各风路风量、风压变化趋势时，令 = 。幽p 、 代入式( 2 2 ) 得： d h j d h p = - i ( 2 3 ) 上式表明：其变化率为负值。说明有了通风动力后，与厅。反流向的各风路其风压下降、 2 风量异常与风量调节理论基础 风量也减少。 再令： d h j | d h p = 0 代入式( 2 2 ) 得： a h , j a h p = 1 ( 2 4 ) 上式表明：其变化率为正值。说明有了通风动力后，与厅。同流向的各风路其风压上升， 风量也上升。 ( 2 ) 回路中其它风路的风量、风压的影响 在闭合回路中各风路的风阻、风量、风压之间关系应满足风压平衡定律，即： 九+ 一h j - - 0 ( 2 5 ) 式中： 一回路中风阻变化的风路e 。的风量值； 红一回路中与气同流向的各风路的风压值； 嘭一回路中与反流向的各风路的风压值。 将式( 2 5 ) 取微分为： 纸丸+ 识触一l 以= 0 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 表明：在回路中改变某一风路的风阻，不仅该风路的风量、风压发生变化，其 它风路的风量、风压也发生了变化。 为了分析与e 。同流向的各风路的风量风压变化趋势，可令： 乃= o 代入式( 2 5 ) 得： 蛾矾= 一以丸 ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 表明：在回路中当与e k 反流向的各风路的风量风压不交的条件下，与e k 同流 向的各风路其风压变化趋势与气风压变化趋势相反。当e 。的风阻增大时，本身的风压 增大，风量降低；与e 。同流向的各风路的风压有所降低。当气的风阻减小时，吒的风压 下降、风量增加；与气同流向的各风路的风压趋于增大，因为他们的风量随e 。的增大而 增大。 1 3 西安科技大学硕士学位论文 为了分析与反流方向的各风路的风量、风压、变化趋势，可令： y 忽：0 代入式( 2 5 ) 得： a h , a r , = 吼丸 ( 2 8 ) 上式表明：回路中与e 。同流向的各风路的风量，风压不变的条件下，与e 。反流向的风压 变化趋势与的风压变化趋势是一致的。ne 量风阻增大时，e k 本身风压增高，风量下降； 与e 。反流向的各风路的风压也增大，因为这些风路的风阻未变，随风量的增加而增大。 当e 。风阻下降时，该风路的风压下降，风量增大；与e 。反流向的各风路的风压也下降， 也是随风量的减小而下降的。 ( 3 ) 风路中风阻变化对风流的影响 风路的风阻，风量，风压之间的关系满足阻力定律，即： h k = r k q ； ( 2 9 ) 当发生变化时，其风量，风压也相应的发生改变，对式( 2 9 ) 取微分： d h k | 帆= q ：+ 2 r k qk d q 帆 ( 2 1 0 ) 式中： 纸丸风路的风压对风阻的变化率； 而。呶风路中风量对风阻的变化率； 上式表明：风阻气变化时，其风压风量均发生改变。 2 2 风量异常与调节的理论基础 2 2 1 通风系统基本定律 ( 1 ) 节点风量平衡方程 _ 口p q j =