煤矿矿井通风阻力测定和系统优化研究.doc

工程硕士论文新陆煤矿矿井通风阻力测定和系统优化研究研究生：郭 导师：企业导师：2007年10月目 录1. 概 述11.1 论文研究的目的意义11.2 矿井通风系统阻力测定和优化研究现状21.2.1 矿井通风阻力测定技术的研究现状21.2.2 矿井通风系统优化研究现状31.3 主要研究内容和技术路线52. 通风阻力测定及数据处理技术研究72.1 矿井通风阻力测定方法概述72.2 矿井通风阻力测定数据处理方法研究132.3 风量测定数据评差24142.4 通风模拟基础数据可靠性检验163. 矿井通风系统优化方法研究183.1 矿井通风系统优化调节概述183.2 矿井通风模拟数学模型193.2.1矿井通风网络数学模型的组成203.2.2通风网络数学模型的建立36203.2.3数学模型的分析223.3矿井通风网络数学模型的求解223.3.1 回路法的基础方程223.3.2斯考特恒斯雷法233.3.3牛顿法与斯考特恒斯雷法的比较253.4 基于GIS的矿井通风模拟系统253.4.1通风专业制图模块23253.4.2通风网络解算模块324. 新陆煤矿通风阻力测定和系统优化实践364.1 矿井概况364.2 矿井通风阻力测定364.2.1 测定方法确定374.2.2 测定路线的确定374.2.3测点位置的确定374.2.4 人员组织与分工384.2.5 测定仪器384.2.6 测定结果处理和误差分析394.3 矿井通风状况分析404.3.1 矿井通风阻力分布404.3.2 矿井总风阻与矿井等积孔、功率414.3.3矿井巷道百米风阻大的分支424.3.4 矿井巷道风阻大的分支424.3.5 矿井巷道阻力大的分支434.3.6 矿井调节装置两侧压差大的分支434.3.7 矿井主要通风机运行分析444.3.8 通风系统存在的主要问题444.4 矿井通风优化方案模拟444.5 小结475.结 论48致 谢49参考文献501. 概 述1.1 论文研究的目的意义矿井通风系统是保障矿井安全生产的根本，然而，随着矿井生产的进行，回采范围的扩大，通风路线加长、通风阻力的增大，矿井通风系统不断变化，原有的通风系统和装置会出现不能适应矿井安全生产需要的情况。因此，定期对矿井通风系统进行测定和优化改造，保障井下通风系统的畅通和矿井通风能力，保障生产能力扩大和采掘区域延伸带来通风需求得以满足，是矿井通风工作的重要工作。对通风系统的优化改造必须保证安全可靠、技术可行和经济合理三个方面的要求。其中安全可靠是前提，再好的通风改造方案如果不能实现通风系统的安全可靠运行，也是不可取的；其次是技术可行，提出的通风改造方案必须能够实施，并且能够达到增加风量、保障供给的目的；在前述两项的基础上，经济合理的方案应当首先选用，因此，需要对提出的多个通风系统改造方案进行经济比较，选用更为合理的方案。通风系统的优化改造、矿井通风的日常调节是煤矿的一项重要工程，直接影响矿井的安全生产和通风供给，因此，采用先进的通风系统模拟解算软件，在准确获取矿井通风网络参数的基础上，对设计采用的通风方案进行模拟，是矿井通风走向科学化管理的根本途径。现场通风工程技术人员掌握该技术方法，拥有良好的图形化通风解算平台是完成这一工作的基础。鹤岗矿业集团新陆煤矿矿井通风系统为中央并列式，通风方法为机械抽出式。全矿有4个井筒，其中1个回风井，3个入风井（付井、老矸石井,新矸石井），矿井总进风量为6700m3/min，总回风量为7100 m3/min，回风井安装2台BDK_8_No28对旋轴流节能风机，负压3200Pa，电机功率4502KW，均为一台运行一台备用共同担负矿井的通风任务。采区采用分区通风，采煤工作面采用独立通风。掘进工作面采用FBD系列对旋轴流或JBT-62型局部通风机正压通风。2003年经鉴定11号煤层、18号煤层均为自燃煤层，2006年矿井瓦斯等级鉴定，矿井瓦斯绝对涌出量12.86m3/min，为低瓦斯矿井。2007年矿井瓦斯等级鉴定,矿井瓦斯绝对涌出量为14.19立方米分钟.为了进一步加强矿井通风管理，为防灭火工作和矿井后期的安全开采奠定基础，也为集团公司其它矿井应用科学的手段进行通风管理积累经验，矿方决定对矿井进行通风阻力测定和通风系统的进一步优化，掌握矿井通风模拟解算技术，提高矿井的安全生产保障能力。1.2 矿井通风系统阻力测定和优化研究现状1.2.1 矿井通风阻力测定技术的研究现状进行矿井通风阻力测定的目的主要有两个，即：一是调查矿井通风网络阻力分布的状况，为分析通风系统状况提供必要的基础数据；二是计算矿井风网的基础参数分支风阻，为通风改造方案的预模拟打下基础。进行通风阻力测定的方法主要有两种，精密气压计法和皮托管压差计法。当前通常使用前者，这主要是因为井下各节点的标高定位和相关资料日益准确，并且测量使用的仪器精度和方便程度也大大改善。但是，即使如此在进行矿井通风阻力测定时仍然需要作大量的准备和计划工作，而测量数据的处理和结果分析更是当前工作的一个薄弱环节，需要给予足够的重视。进行矿井通风阻力测定通常按下列四个步骤进行：1)计划和准备阶段计划和准备阶段的工作非常重要，是作好整个测定工作的前提。计划和准备阶段的工作主要包括以下内容：确定测定路线；确定气压测定点；组织测定人员；准备仪器仪表。2)测定和数据汇总按计划的路线进行矿井通风阻力测定，测定完成后对测定的结果进行汇总，对数据作初步分析和处理，发现问题，进行必要的补充测量和重复测量，以保证数据的完整性和可靠性。3) 数据处理和可靠性检验对测定的数据进行程序化处理和评差，对测定获得的矿井风网基础数据使用通风模拟系统进行可靠性验证。4) 结果分析和报告根据上述获得的测定结果和通风模拟验证结果，对矿井通风状况进行分析，给出阻力测定报告和可靠的矿井通风模拟基础数据。当前，对于矿井通风阻力测定方法的研究主要集中在数据处理的评差上。由于矿井通风阻力测定的相关参数依赖矿井通风网络的基本理论，相互之间具有很强的关联性，因此，在测定误差的处理上变得十分复杂。对测定误差的处理方法大致如下：1)粗大误差的处理粗大误差是在测量过程中产生的明显违背风流流动基本规律，测量值反常的误差。这类误差处理的方法通常是经过判别确认后给予剔除，然后进行补充测量或根据其它测量数据补充该测点的数据。剔除的准则有：肖维勒准则：以数据的测定符合正态分布为前提，假设多次重复测量所得测值中某数据的残差满足|v|Zc，则剔除此数据。实际中Zc值根据正态概率积分表确定。2)分支风量测量平差井下风流的流动满足节点风量平衡定律，但是测量过程中往往出现节点进风量的和于出风量的和不相等。对于这种情况，针对一个节点可以使用分支风量加权平均的方法进行平差，但是该方法对于整个通风网络却难以保证风量平衡的收敛。3)间接平差3在矿井通风系统基本稳定，测量仪器使用正常的条件下，随机误差就成为测量的主要误差来源。由于风网的风阻是由测量获得的分支阻力和风量计算得到，而网络风量、阻力之间满足节点风量平衡、回路压力平衡定律，因此，可以建立风流流动方程组进行间接平差。间接平差常用的方法主要为最小二乘法。1.2.2 矿井通风系统优化研究现状我国自50年代起就已经开始了对矿井通风系统改造的研究，在矿井通风网络解算技术和软件发展成熟之前（1985年），研究工作主要集中在定性分析方法和简单预测改造的效果。最大阻力路线法是进行矿井通风改造和通风设计的根本方法。进入90年代以来，通风网络模拟技术的成熟和应用，使得对通风方案可行性的预测变得十分简单，应用开发的矿井通风稳态模拟程序可以方便地解算出预先设计的通风方案的效果。这一成果对日常矿井通风管理（对井下通风状况巡回监测，通风系统的调整通常都是局部的或明显的）发挥的作用并不显著，但是对于新矿井的通风设计和矿井通风能力不足、通风困难时的通风改造却具有十分重要的校验作用。这是因为，日常通风调整工作中，由于调整仅仅局限于一个采区，通风线路比较简单，因此，依靠经验进行估计基本可以满足工程的需要。而对于矿井通风设计或系统改造，由于设计的通风方案尚未实施，无法依靠经验估计方案的实际效果。矿井通风稳态模拟能够预先估计通风方案的实施效果，因此，大大提高了通风设计和通风改造方案的可行性。20世纪50年代初期6，数字计算机开始应用于通风领域，为通风技术带来了一次新的革命，有关通风计算的软件也应运而生。矿井通风可视化是近年来国内外矿井通风专家和计算机图形图像处理专家关注的焦点。在国外2，美国开发的VentilationDesign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；基于大型计算机的美国矿井通风协会 (MineVentilationServices)开发的CLIMSIM和VNETPC能够实现多条件下模拟并在绘图仪上输出图形。HTME的VENDIS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；波兰科学院研制的MineFireSimulator软件能够以动态图形化方式表示火灾蔓延、通风系统中燃烧物、温度、流体等参数的变化过程。在国内,中国矿业大学（北京）1992就完成了矿井通风技术解算多功能软件包CMBSV的研究24，近年来更是开发了具有GIS功能的矿井火灾动态模拟功能的软件系统，具有操作方便，运算速度快，计算模型和算法先进，实用价值大等优点。辽宁工程技术大学研制的矿井仿真系统软件1（MVSS）（版本3.0），具有模拟新井巷断面大小、形状、和支护方式、局部堵塞等变化，模拟地面主扇其工况、模拟井下通风动力装置及其工况，确定通风网络最优化调节的功能。北京龙软科技发展有限公司和中国矿业大学（北京）合作开发的矿井通风网络模拟系统，以煤矿地理信息系统RGIS平台为基础，以VC作为开发工具，能自动绘制通风网络图，并可以在通风系统图上直接勾画通风网络图，对通风网络中的基本图形元素进行操作、修改并在图上直接进行通风模拟，具有较强的图形化功能。柳州市轶新计算机软件有限公司开发的矿井通风与安全微机辅助管理系统，是一套适用于矿井通风的系统分析、设计、改造及优化，正常时期和灾变时期的风流调节与控制，通风数据库管理与报表生成，安全监测系统的故障诊断的网络集成软件系统。该系统集计算机绘图、数值计算、系统优化、安全信息管理、安全生产决策支持于一体，其所有计算模型和算法都有理论上的完整性。淮南矿业学院开发的矿井通风网络解算程序MVENT,通风网络数据采用表格式输入方式,可以进行通风模拟和优化调节。西安科技学院于1992年开发的CFIRE软件系统独有的快速插入模拟计算功能，使得建立在严密数学推导上的计算机模拟计算具备了应用于准实战环境的能力。山东矿业学院于1999年研制出了“矿井灾变处理系统”，可以以二维图形方式显示矿井火灾情况下最佳避灾路线。对矿井通风系统进行可视化的软件主要有以下几种:对AutoCAD进行二次开发进行通风系统图、网络图的绘制。对通风网络进行模拟解算时，需要建立和矿井通风系统相对应的矿井通风网络拓扑关系数据文件。只是利用计算机管理整个矿井通风系统的图形，很难查到和矿井通风系统相关属性数据，一旦矿井通风系统发生改变，拓扑关系数据需要修改，工作量大，容易出错。利用现有的GIS（地理信息系统）平台进行矿井通风系统可视化。GIS系统对实体的位置数据和属性数据管理，GIS提供的决策支持和分析功能对于矿井通风系统没有意义，矿井通风系统所需要决策和支持功能需要重新进行研制和开发。（3）利用现有的成熟的软件开发语言和工具（如Visual C+）、计算机图形学知识和数据库技术，开发一套适用于矿井通风系统可视化软件。数据组织方式和数据流程都控制在设计者手里，设计者可根据专业知识和整个系统的特点开发通风系统可视化软件。21世纪以来，在成熟的通风网络模拟原理基础上，结合矿井实际应用的需求，各高校和企业纷纷开发了基于图形化的通风网络模拟系统，大大提高了该系统应用的方便性。此外，在稳态模拟的基础上，以中国矿业大学为代表的一些单位还进行了火灾时期风流动态模拟和烟流控制模拟的研究，并进行了实践应用，取得了诸多研究成果。本项目经过多方考察，集团公司最终确定使用综合矿井测量、地质、采掘设计、矿井通风等功能为一体的北京龙软公司的RGIS系统。依托中国矿业大学（北京）同北京龙软公司合作开发的矿井通风图形化模拟解算平台MVSGIS(Mine Ventilation Simulation Gis system)进行，该系统具有良好的人机交互界面，可以在图形化的Gis窗口上完成矿井通风网络基础数据的输入、修改和模拟解算，并进行结果分析。软件运行稳定，在全国30多家矿井进行了应用，取得良好效果。1.3 主要研究内容和技术路线论文研究的主要内容包括三个方面：一）矿井通风阻力测定数据处理方法研究对矿井通风阻力测定的方法、数据处理流程和数据可靠性检验方法进行研究，以期获得一套标准可靠的矿井通风阻力测定和数据处理方法。二）矿井通风网络模拟优化技术研究对矿井通风网络模拟技术和优化方法进行研究，基于龙软的LRGIS系统，进行图形化通风网络模拟。三）新陆煤矿通风系统阻力测定和优化实践包括两个方面：1)矿井通风系统阻力测定及现状模拟分析在充分调研当前矿井通风系统状况的基础上，进行全矿井通风阻力测定，特别是矿井相关区域进行详细测定。对阻力测定的数据进行标准化处理和评差，绘制矿井通风网络图。准备矿井通风模拟基础数据，计算各类巷道的百米风阻、巷道摩擦阻力系数。进行当前矿井通风状况模拟验证，获得可靠的矿井通风网络基础数据。对矿井当前的通风阻力分布状况进行分析，结合矿井主要通风机能力和生产发展的状况，对矿井的通风系统和风机的通风能力进行评测。2）通风系统优化研究在对当前矿井通风系统状况分析的基础上，针对矿井火灾防治、瓦斯防治的需求规划矿井供风，设计矿井通风方案，模拟矿井通风和阻力分布状况，提出保障合理供风的意见。论文研究的技术路线为：资料调研现场通风阻力测定矿井通风阻力分析和通风模拟基础数据准备阻力测定方法和通风软件功能优化研究通风方案模拟分析论文撰写和答辩。2. 通风阻力测定及数据处理技术研究矿井通风阻力测定是矿井通风优化的基础，测定数据的可靠性是保障通风模拟结果准确性的根本保障，因此，有必要对矿井通风阻力测定的方法和数据处理步骤进行深入的研究。2.1 矿井通风阻力测定方法概述进行矿井通风阻力测定通常按下列四个步骤进行：1)计划和准备阶段计划和准备阶段的工作非常重要，是作好整个测定工作的前提。计划和准备阶段的工作主要包括以下内容：确定测定路线：煤矿井下的巷道很多，阻力测定不可能包含所有的通风巷道，而且也没有必要包含所有的通风巷道，因此必须合理规划将测定的路线。测定路线的确定主要依据的规则有：必须包含矿井的主干通风路线；每台主要通风机至少有两条路线到达其风井井底；对通风困难或预测阻力大的分支应该进行专门测定；必须测定包含外部漏风的主要通风机总风量。在上述原则的基础上，应根据矿井网络的实际状况合理安排测定的顺序和时间，尽可能地包含所有井下的主要用风地点，并在尽量短的时间内完成，以避免系统变化带来的误差。确定气压测定点：使用精密气压计法进行通风阻力测定的前提条件是必须能够准确地确定井下测压地点的标高。标高值如果相差1m，则会产生9.8Pa左右的测量误差，相对于一条巷道的通风阻力，这一误差所占的比重通常都超过10%。因此，首先应该结合上述确定的测量路线和地测部门可以提供的精确测点标志，初步确定进行压力测定的点，然后由地测部门人员参与进行井下测点的实地考察和标定，以保证测量的准确性。可以参考如下原则确定测点：测点应能控制测量路线上各个分支的阻力和风量；局部阻力较大、巷道类型发生明显变化和巷道或控风装置的两侧均应布置测点；测点尽量布置在巷道的平直段，要求风流稳定，前后无杂物；对于巷道分叉点处于上山，标高难以准确确定时，可以把测点移动到附近的平直巷道中，在处理数据时按比例减去相应的阻力。这样作可以避免标高不准引起误差；对于相邻的分叉点，如515m，可以进行适当的合并，但应注意选择最佳的测定位置。组织测定人员：应当成立专门的领导小组负责整个测定工作的安排，根据测定工作量的情况组成相应的测量小组，每个小组都必须分工明确，责任到人。在使用气压计法测定时，一个小组应该至少包含测风员1名、气压测定人员1名、基点气压监测1名，最好每个小组都配备1名通风技术人员，以负责指挥和处理测定中的临时状况。对参加测定的人员必须进行培训，使他们明确测定的目的和测定工作中各自的任务和要求。准备仪器仪表：每个测量小组需要的仪器仪表主要有：精密气压计2台，风表2块；秒表1块，干湿温度计1支，皮尺1卷。对这些仪器，在使用前必须进行检查，特别是精密气压计，应保证电量充足，避免使用中出现问题。记录和协调：测定前必须准备记录使用的表格和汇总表格，并向参加测定的人员说明记录的方法和注意事项，最好将每次测量的路线和测点等数据绘图表示，以便最后整理和查询。测量工作应当得到其它部门的配合，以保证其顺利进行。2)测定和数据汇总测定工作应当安排在矿井通风系统稳定阶段连续进行，通常1个小组需要35天的时间。间断进行的测定工作，影响测定精度的因素大大增加，会对测量的结果产生较大的误差。测定工作应当认真、严肃，发现问题，及时解决。矿井主要进回风井通风阻力测量是阻力测定工作中较困难的地方，对于进风井，由于主副井并联进风，只需测量一条分支的阻力再分别测量各自的进风量就可以计算其风阻。对于回风井，通常使用定时测量的方法进行，即约定某一时刻，同时测量风井井底和井口（或主要通风机前）的气压，由此计算阻力。测定完成后应当立即对测定的结果进行汇总，对数据作初步分析和处理，发现问题，进行必要的补充测量和重复测量，以保证数据的完整性和可靠性。3)数据处理对测定获得的数据必须进行处理，才能使用。处理的步骤如下：计算测点的空气密度17：具体矿井的通风阻力测定是在一定环境条件下进行的，必须将测定的数据转换到标准的空气密度下，才能与其它矿井或其它时期的测定结果相互对比，同时，也才能实现井下风量的平衡。测点j的密度计算如下： （2-1）式中：j测点j的空气密度，kg/m3； Pj测点j的绝对大气压力，KPa； tj测点j的空气温度，； 测点j的相对湿度，； Psat水蒸气的饱和蒸汽压力，KPa。计算巷道的断面积：各个测点的巷道断面积可以使用下列公式计算，对于一段巷道始末端断面积不同时，可以使用平均断面积表示该巷道的断面积。梯形或矩形巷道： （2-2a） 半圆拱巷道： （2-2b） 三心拱巷道： （2-2c）锚喷不规则巷道： （2-2d）式中：S测点处巷道的断面积，m2； B测点处巷道的宽度，m； H测点处巷道的全高或拱基高，m。计算标准密度下的风量：各测点测定的风量与测定处的大气密度直接相关，必需换算为标准密度1.2kg/m3下的风量才能满足节点风量平衡定律。 （2-3）式中：Qi巷道i标准密度下的风量，m3/s； i巷道i的空气密度，kg/m3； Qci巷道i测量的风量，m3/s。计算分支的通风阻力：节点压力法测定通风阻力根据是否同步测量还可分为两种方法，即：同步法和基点法。对于同步法，要求每个测定小组分为两组人员，通过联络，同时测定一段巷道始末节点的压力。这种方法较为精确，但工作量较大，且井下联络等也大大增加了测量的难度。另一种是基点法，该方法在井下设定一个连续监测大气压力变化的基点，另一队测定人员则对各个测点进行测量，同时记录测定的时刻。在数据处理时只需将各个测点获得的数据使用基点压力变化数据校正，就可以得到准确的通风阻力值。该方法使用简便，测定时只要根据测量段的不同设置尽可能靠近的基点，就完全可以将大气压力变化引起的测量误差去掉，因此精度也符合实际需要。本文所述的方法，如无特别说明，即指基点法。由基点法测定的数据首先需要进行压力校正： （2-4）式中：Pj校正后节点j的压力，Pa； Pcj测点j的测量压力，Pa； Pj节点j的校正压力，Pa； PKj在测量节点j的同时刻基点的压力，Pa； PK0测量开始时刻基点的测量压力，Pa。 在对节点压力进行校正后，使用下式计算巷道i的通风阻力： （2-5）式中：hri巷道i的通风阻力，Pa； Pjs、Pjf巷道i始节点、末节点的压力（校正后值），Pa；js、jf巷道i始、末节点的大气密度，kg/m3； Zjs、Zjf巷道i始、末节点的标高，m； Vjs、Vjf巷道i始、末节点处的风流速度，m/s。计算分支风阻：依据计算获得的巷道通风阻力和标准风量，可以计算巷道的风阻： （2-6）式中：Ri巷道i的风阻，kg/m7。计算巷道的摩擦阻力系数：对于矿井的一些典型巷道，应该计算其摩擦阻力系数，以便为推算其它未测定的同类巷道风阻和预测开拓延伸方案时确定同类巷道的风阻服务。 （2-7)式中：i巷道i的摩擦阻力系数，kg/m3； Si巷道i的平均断面积，m2； Li巷道i的长度，m； Ui巷道i的周长，m，可以使用下式计算：梯形巷道： 半圆拱巷道：三心拱巷道： 计算获得的摩擦阻力系数必需经过归纳总结才具有实用意义，除记录巷道的断面积、支护类型外，还应当描述测定巷道的支护状况，设备状况等。测量误差计算分析：30比较从同一起始点出发，沿不同路线达到同一终点的测定结果，可以检验测定中存在的误差。这种检验即可以针对一个小范围的区域进行，如工作面的两条路线、采区的两条路线，也可以对整个矿井进行，如矿井的两翼。要求在一次测量中，至少对全区域的测量精度进行一次检验。计算如下： （2-8）式中：某区域测量的误差，对于全矿井应当小于5%； HL1测量路线1的总阻力，Pa； HL2测量路线2的总阻力，Pa。 测量误差也可以计算从入风井口开始到主要通风机前的测量总阻力，然后同主要通风机的工作风压比较，得到值。风网风量平衡计算：矿井通风阻力测定并未测量整个风网分支的风量，因此，需要依据节点风量平衡定律推算未测分支的风量。在实际矿井通风测定中，可以结合测定日期附近的日常测风数据估算分支的风量，也可以在风网阻力测定过程中专门安排巷道的风量测量，以测定更多分支的风量。在处理数据时，常常遇到的问题是一个节点上流入、流出的风量不平衡，需要进行评差。可以利用节点风量平衡定律进行风量的评差，计算如下： （2-9）式中：Qj节点j的风量余量，m3/s，正值表示风量积聚，负值表示不足； ai与节点j相连分支i的风量系数，流入为正，流出为负； Qi与节点j相连分支i的风量，m3/s。 对求得的风量余量，依据各分支的风量比例进行平衡，对整个风网的平衡，可以按照节点的先后次序进行平衡计算，当误差小于0.1m3/s时，即可停止运算，人为确定最终结果。风网阻力平衡计算：各条通风路线测定的总阻力，如果误差在允许的范围内，通常使用平均法分配该差值，然后按分支阻力占总阻力的比例分配。计算如下： （2-10）式中：hri校正后分支i的通风阻力，Pa； HL两条通路的阻力差，Pa，对于阻力小的通路，该值为正，反之为负； HL分支i所在通路的总阻力，Pa。 矿井风网风阻的计算应当依据阻力平衡的结果进行，这样可以获得更为可靠的值。风网风阻计算和模拟检验：获得准确的风网分支风阻是通风阻力测定的目的之一，但是，由于并未对风网中的所有分支进行阻力测定，其中某些分支需要进行推算获得，因此，验证获得的风网风阻的准确性十分重要。风网分支的风阻值是实际矿井通风模拟计算的基础，如果该基础数据不准确，则所有在此基础上进行的通风改造方案预模拟，近期、远期通风方案模拟等都缺乏可靠性。使用模拟验证的方法是保证风网风阻准确性的一个根本方法，该方法可以通过下列步骤进行：第一：确定目标：以上述风量平衡的结果作为模拟验证的第一目标，即对测定和计算获得风阻值进行通风模拟的结果，风量的分布必需于上述风量平衡的结果相一致。风网阻力平衡的结果作为模拟验证的第二目标，即模拟结果中的阻力分布，特别是主要通风机的工况点应该与实际测定的数据相一致。第二：通风模拟：编制通风模拟基础数据，使用测定计算获得的风网基础数据对风网进行模拟。第三：风阻调整。将模拟结果与确定目标进行比较，调整风量分配或阻力不一致的分支，然后再次模拟，逐步接近模拟目标。该过程尚无成熟软件自动进行，只能依靠经验尝试，因此，应该以第一目标为主，参考第二目标的一些总体参数，如主要通风机的工况点等，只要误差达到工程需要即认为获得的风网风阻是准确的。4)结果分析和报告对上述测定和数据处理的结果应当写出阻力测定报告，包括通风阻力在进风段、用风段、回风段的比例分布，功耗较大的分支，局部阻力较大的分支以及百米风阻较大的分支等等。为通风改造方案的制定奠定基础。2.2 矿井通风阻力测定数据处理方法研究对于上述阻力测定的数据处理，只能对测定的分支进行计算，而进行分支风阻调整时又存在诸多的困难，只能依靠经验经过多次试算得到。这一过程是十分烦琐且耗费大量的人力物力，为此我们经过多次实践的总结对这一方法进行的改进，主要的思路是计算各个测点的通风相对压力，然后对异常的数据点进行调整，以获得较为准确可靠的分支阻力。计算的步骤如下：1)基点压力校正计算首先将矿井下测点实测的压力数据（差压），相对与由于测定时间不同大气压力不同所造成的变化进行校正，公式如下：Pt = Pit + Pbt式中：Pt基点压力变化校正后的压力；Pit井下所测压力值；Pbt基点压力变化量；基点压力变化量Pbt的计算：基点压力变化是每隔5-10分钟记录一次，呢么t时刻的变化量的计算为t时刻前一个记录时刻的和后一个记录时刻的记录值线性插值算出。例如：9：00基点压力变化量为-1，9：05基点压力变化量为-6，那么9：03时刻的压力变化量计算为：-1+（3-0）*-6-（-1）/（5-0）= -4，则9：03时刻基点压力变化量为-4。2)标高位压校正.将测点压力Pt对由于标高不同引起的压力变化进行校正，校正后压力即为真实相对压力：Ptr = Pt ig(Zi-Z0)式中：PtrPt对由于标高的变化引起的压力变化校正后的压力 i测点处的密度； Zi测点处标高； Z0地面标高；其中i的计算方法同前。3)分支阻力计算根据测定的路线，形成几个闭合路线，找到每段巷道的始末节点，那么这段巷道的阻力即为：H=Ptr(始节点)-Ptr（末节点）例如1-2-3-4-1,是一个闭合路线，那么1-2巷道段的阻力为H= Ptr(1)-Ptr（2）。再考虑每个测点处的速压不同，进行速压校正，就可以得到分支的通风阻力。4)巷道百米风阻和的标准风量的计算 巷道的百米风阻可以衡量巷道维护的状况，通常作为一个重要指标用于矿井通风状况的分析。计算如下：R100=R*100/L式中：L巷道的长度 m;此外，还需要将测定的风量换算到标准密度下，以便进行风量平衡计算，计算如下：Qi= Qi*1.2/i上述计算方法可以比较清楚地看到各个测点的相对压力，一方面能够很方便判断分支风流的流动方向，另一方面，能够比较容易地查找出阻力异常的点，以便修正。此外，只要测定了分支两端点的压力，即使该分支未进行测量或只测量了风量，也可以计算该分支的阻力和风阻。2.3 风量测定数据评差24在通风网络解算时,往往需要对解算后的风量和实测的风量进行比较来验证解算结果的准确性。因而需要对整个矿井进行风量的测定，来获得此基础数据。然而实测工作中，由于自然条件、井下环境、仪器的可靠性与精度，测定方法以及人的因素，分支风量的实测值一般和真实值之间存在一定的差异，在数值上表现为误差。误差的存在使节点的风量不能满足节点风量平衡定律。由实测值计算出的基础数据进行通风网络解算时，由于存在着测量误差，可能影响计算结果甚至严重到失真的程度。随着科学技术的日益发展和人们认识水平的不断提高，虽可将误差控制得愈来愈小，但始终不能消除它。因此，对原始测量的风量数据进行合理的误差处理，使结果满足节点风量平衡定律，能够使通风网络解算后比较的目标风量能更可靠,更接近实际。对于通风网络中的一节点，实测的值由于测量误差的存在，大部分不满足节点风量平衡定律。为使此节点满足风量平衡定律，常见的方法有最小二乘法、平均值法、加权法。运用这些方法能有效地消除误差，同时满足使该节点满足风量平衡定律。但矿井通风系统是由纵横交错的井巷构成的一个复杂系统，就一条巷道来说，当此巷道的始节点满足风量平衡定律后，再对该巷道的末节点进行平衡时，势必又会影响该巷道的风量，从而使该巷道的始节点又无法满足风量平衡定律。当利用方程求解时，有时会出现不收敛的情况，因而造成无法求解的情况。通过研究可对通风网络中的节点进行一定的排序，对每一节点进行平差，使之满足节点风量平衡方程。将一个序列对其重新排列使其成为一个拓扑序列的过程称为拓扑排序。在一个通风网络中，风量平差过程时，对每一节点风量进行平差有着先后关系。一些节点的风量必须在其它一些节点风量平差完成之后才能实行。对通风网络的节点进行拓扑排序，使得如在通风网络中存在一条分支,则节点i排在节点j之前。如对图4-25的示例网络图进行拓扑排序，可以得到多个不同的拓扑序列，如: 123456123546图2-1 示例网络图132456134256下面是对网络进行拓扑排序的算法: 置拓扑排序的结果序列为空; do在网络中任选一个没有前驱的节点，并将它存入序列; 从网络中删除选中的节点和自该节点出发的分支; while(!(网络没有节点 | 网络中的节点都有前驱节点); 如果网络已没有节点，则队列中的节点序列即为一个拓扑序列通风网络图是一个闭合的有向图，根据通风网络中的虚拟分支(指虚拟的用于连接大气节点的巷道)信息可以找出进风节点和回风节点。而虚拟分支是实际中不存在的巷道。由于虚拟分支的连接，整个网络图成了一个闭合的图。在对节点进行拓扑排序时，应不考虑虚拟分支，使通风网络成为一个没有闭合的有向图。这样就能对通风网络的节点进行拓扑排序。由于进风节点只有流出的分支，也就是说没有前驱，而回风节点只有流进的分支，所以这时得到的节点拓扑排序是从进风节点到回风节点的节点序列。对于每一个节点，流进该节点的分支的风量使之保持不变，流出该节点的分支风量则按流出风量之和与流进风量之和两者之差进行平差，使该节点满足节点风量平衡定律，同时保存每一节点此时的风量。这样，我们把误差就从进风节点推出到了回风节点。然后再假设通风网络中所有分支的方向与原方向想反，再对网络进行拓扑排序，这时得到的节点序列为回风节点到进风节点的节点序列。同样再对每一节点进行风量平差，使该节点满足节点风量平衡定律，同时保存每一节点此时的风量。这样，我们把误差就从回风节点推出到了进风节点。再对刚求出的两者风量求平均值，由于上面两者所求出的节点风量都满足节点风量平衡定律，平均值也满足节点风量平衡定律，同时还可消减两者所存在的误差。当然，我们也可以从网络中间的任一节点开始进行风量平差，使误差越来越来，从而使精度满足要求。2.4 通风模拟基础数据可靠性检验矿井进行通风阻力测定，获得矿井通风系统主要通风路线的风量和阻力值，通过计算，可以得到测定分支的风阻、百米风阻、分支摩擦阻力系数等基础参数，但是，这些数据需要经过处理和验证后才能用于矿井通风改造方案的模拟，以保证通风改造方案模拟结果的可靠性和准确性。数据处理的过程如下图3-1所示：通过对矿井全风网分支风阻计算值的模拟解算，可以获得模拟的风量分布、阻力分布和风机工况点参数，对比矿井主要用风地点的模拟结果和测定结果，误差在合理的范围内5%15%时，可以认为所使用的风网基础参数分支风阻和主要通风机性能是符合实际的，能够用于矿井通风优化方案的模拟解算。在上述数据处理过程中需要注意以下问题：1) 测定和模拟都是针对矿井某一时期的，所以，随着开掘工作的推进，某些分支的风量和风机工况可能发生变化，因此，符合测定期间的矿井通风参数是首先要求达到的目的。2) 由于通风阻力测定时的误差，矿井通风系统的风量分布需要参考测定期间通风日常测定的风量分布数据和主要通风机的工况数据。衡量模拟使用的分支风阻是否可靠的最重要依据是矿井通风风量分布，因此，测定的通风系统风量分布最好得到矿方通风工程技术人员的肯定。3) 对于风量、阻力不符合测定结果的分支风阻需要进行人工调整。调整的方法目前尚不能自动完成，因此，应当遵循由大到小，保障重点的原则进行，直至矿井主要通风分支的风量分布符合误差要求为止。矿井通风阻力测定测定数据标准化通风系统风量分布通风系统阻力分布主要通风机工况参数通风系统所有分支风阻或固定风量矿井通风现状模拟通风系统风量分布模拟值通风系统阻力分布模拟值主要通风机工况参数模拟值通风系统重点分支通风参数对比调整分支风阻获得较可靠的矿井通风系统基础数据矿井通风系统优化方案设计和模拟图2-2 矿井通风模拟基础数据准备步骤示意图3. 矿井通风系统优化方法研究3.1 矿井通风系统优化调节概述应用通风模拟程序或者基于该理论开发的图形化辅助系统，对通风方案进行模拟是预测比较改造方案实施效果的一项必不可少的内容，特别是对于一些改造幅度大、通风系统变化大的方案，如新增加回风井、新开拓水平通风系统布置等。由此，如何通过对现有通风系统状况的分析，制定的可行的通风方案就成为通风改造工作的重点。这项工作实际上涉及两个方面的内容，即：第一：对当前通风系统的分析评价。对于一个实际矿井，可以看到其通风系统各据特点，有的矿井通风路线过长，远端工作面不能获得足够的风量；有的矿井生产过于集中，造成供风需求集中，通风阻力较大；有的矿井回风系统阻力过大，主要通风机高位运行，矿井效益和安全都受到威胁；有的矿井井下通风系统紊乱，理顺通风系统需要对方案的充分论证和对通风设施的重新设置等等。对于通风系统的这些状况如何进行科学的评价，以为提出合理的改造方案提供依据是第一方面需要解决的问题。从已有的文献资料来看，该方面已经进行的工作主要有：利用一些单项指标对通风系统进行简单评价，如矿井通风阻力分布、矿井主要通风机工况点、矿井通风压能分布状况等。这些方法反映出矿井通风系统的一些特征，但不够全面，且缺乏按步骤有条理的分析。应用一些评价方法进行矿井通风状况评价。主要有层次分析法、故障树评价法、打分法等，这些方法通常应用于矿井安全大检查中，评价的重点在当前通风管理水平上，如串联通风、通风设施质量、工作面超限次数等，并不能充分反映出通风系统的弱点或需要解决的主要问题。如何利用这些评价方法，与有效的单项通风系统分析评价指标相结合，使其发挥更好的作用，得出合符通风系统优化改造使用的结果，是本论文研究的一个重点。第二，通风系统改造方案的制定和效果模拟。当前通风改造方案的制定还必须依靠经验定性的方法来进行，从已有的文献资料来看，相关成果主要是对具体矿井通风系统改造过程的阐述，其中有些改造方案利用通风模拟技术进行效果预测，并与最终改造的结果进行对比。而大部分的文献只是阐述了制定方案的分析过程（如原有通风系统的状况、存在的问题，使用的改造方法及效果），缺乏对通风系统的定量分析和评价，缺乏不同方案的比较，缺乏对改造方案的预模拟。针对衰老矿井通风改造方法、步骤的系统研究成果还很少。文献8通过对开滦矿区衰老矿井马家沟矿通风系统改造的实践，分析总结了进行矿井通风系统改造的一些基本原则和实施步骤，对衰老矿井通风系统的评价也使用了主要通风机功耗、矿井有效风量率等定量指标，但在通风方案制定方面研究较少，该成果为本项目的进一步工作打下基础。文献10通过对淄博矿务局石谷煤矿通风系统改造的实践，提出了通风系统优化通风的一些具体优化参数，如巷道断面等。但缺乏对当前通风状况的详细分析和评价，对制定合理的通风改造方案也未进行详细的工作。该方面的研究成果可用于对通风方案进行模拟预测分析后的评判上，对涉及的指标和相应的权值需要作进一步的研究和完善。应用矿井通风模拟技术对优化方案进行效果预测主要经过如下过程：1)分析矿井通风状况，确定系统优化方向对通风系统分析的内容主要包括矿井主要需风地点分布，矿井最大阻力路线，矿井高阻力巷道状况，矿井高局部阻力地点分析，矿井主要通风机工况点分析。通过这些分析和矿井未来采掘规划安排，确定主要的系统优化方向。2)确定优化目标。根据矿井采掘安排和矿井瓦斯涌出状况，确定矿井的供风规划，选择一个确定的时期作为进行通风方案效果模拟对比的基础。通常需要确定矿井需要供风的工作面位置、掘进供风位置和各类硐室的位置和供风量，必须设计规划出合理的通风系统。3)制定通风方案对上述确定的通风需求，制定优化改造方案或通风方案。这些方案通常包括不同的风井建设位置、不同主要进回风路线、需要进行的巷道降阻工程等。方案的制定主要依靠专家和现场工程技术人员经验，其目标是满足上述的通风需求。4)通风方案数据准备和模拟对提出的通风方案根据矿井阻力测定的结果，应用特征巷道的风阻和摩擦阻力系数计算通风方案各分支的风阻，绘制通风网络图，进行通风模拟。5)通风效果分析和方案优选对各个通风方案模拟的结果进行分析、比较。主要包括：各主要用风地点的风量是否满足需要；矿井主要通风机运行工况是否合理；各方案的经济比较；通风状况对矿井灾害防治的影响；矿井通风管理的要求等。通过比较，确定相对较优的通风方案。3.2 矿井通风模拟数学模型在矿井通风网络解算中，已知巷道风阻，固定风量巷风量，扇风机特性点等条件，求解各巷道的风量、压降、固定风量巷的风阻调节量等。用节点风量平衡、回路风压平衡及通风阻力定律可以描述通风网络中各变量之间的物理关系，从而建立通风模拟的数学模型，求解这组数学方程式就是风网解算的任务。3.2.1矿井通风网络数学模型的组成一个物理系统包含两种类型变量，即路径变量和顶点变量。矿井通风系统也包含这两种变量，所谓路径变量是对于一个有两端点的单元（一段巷道），该变量在其两端具有相同值（如巷道风量、风阻等）；顶点变量是该变量单元两端具有不同值（如压降、温度等）。顶点变量风压H路径变量风阻R、风量Q基本方程：h = RQ2阻力定律回路方程：h = 0风压平衡定律节点方程：Q = 0风量平衡定律矿井通风网络数学模型风机特性、自然风压计算等图3-1 通风网络数学模型的构成一个物理系统的数学模型反映出路径变量间的关系，顶点变量间的关系，路径变量与顶点变量间的关系。矿井通风系统的数学模型如图3-1。3.2.2通风网络数学模型的建立36矿井通风网络解算的数学模型正如上所述由三部分构成，下面以一个有M个节点N条分支的风网说明如下。1) 节点风量平衡方程节点风量平衡方程是质量守衡定律的体现。通风网络中的任一节点，流入该节点的风量之和等于流出该节点的风量之和。 (3-1)写成矩阵的形式为： BQ = 0式中：B-基本关联矩阵，bij为B中第i行j列处的元素；Q-风量列向量,QT=（q1,q2,，qn），其排序与B相同。有M个节点的风网，相互独立的风量平衡方程为M-1个，故式(3-1)中I的范围为1至M-1个。将向量Q按余树风量QY在上，树枝风量QS在下排列，则可写成：QT=QY，QS， 相应地将矩阵B写成： B=B11，B12，则有： 得： (3-2)将式(3-2)代入风量平衡方程的矩阵表达式， 可得： (3-3)上式表示风量中分支的风量满足节点平衡方程时，只有余树枝上的风量是独立的。2) 回路风压平衡方程回路方程是建立在风流沿矿井风网中的任意一个回路绕行一周，各条分支风压的代数和为零，即满足能量守衡定律。对于一个通风网络生成树构成的基本回路，所建立的回路风压平衡方程是线性无关的，也就是相互独立的，其数目为N-M+1个。由于自然风压在通风网络中总是在回路风流中表现出来，因此，对每一回路单独计算其自然风压值，而不在分支内计算。由此，任一回路的风压平衡方程可表示为：, i = 1， (3-4)写成矩阵的形式为：式中：C通风网络的独立回路矩阵；H风压列向量,HT=（h1,h2,，hn），其分支排序与C相同；Cij独立回路矩阵中第I行J列的元素。I行J列的元素。hn