矿井仿真系统模拟

译文 金川二矿区矿井通风仿真系统 刘同友，赵千里 （金川有色金属公司，中国金川，737100，） 刘剑，贾进章 （辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，中国阜新，123000） 摘要 基于矿井通风仿真系统的国内外研究现状的综述，按照金川二矿区对地面无主扇的特点，采用在地下多级机站通风，通风仿真系统由三个重要因素系统地决定，即通风系统，数学模型，计算机。与国内外同类成果相比，对角联分支自动识别和网络特征图自动绘制的仿真系统有独特和特殊功能。网络优化调节路径的方法，基于网络的最小调节功耗概念，通过系统，是既不同于线性规划也从非线性规划。通风仿真系统的可视化是在AUTO CAD环境下实现的。 1. 引言 在矿井通风仿真系统的研究领域，波兰和美国学者的研究成果代表当今世界先进水平[1]。MFIRE可以进行发火期间在坑内气流状态、烟熏雾和温度分布的过程模拟。VINETPC可以解决自然通风压力问。CANVENT是Windows系统下的第一个通风仿真系统，它的图形界是在AUTO CAD环境下开发的，AutoWENT和AERO等也是在AUTO CAD环境下开发的。文献讨论稳定和非稳态下的矿井通风仿真，Fortran源程序代码也文献中给出。目前它由波兰科学院W.Dziurzynski教授和他的研究小组开发出真正的可视化VENTGRPH系统具有最大的影响力。在波兰，70％的矿井采用该系统，该系统包括：文本文件编辑器模块EDTXT：火灾及逃离对一个人的生命模拟模块EDESC;仿真可视化模块EDRYS;稳态温度和烟熏雾计算模块的GRAS下送风;网络图绘制模块原理图，它可以显示节点的压力能;个别巷道仿真模块EKOGRAS;温度仿真模块热敏电阻;防火和灭火，救援培训模块CSRG;监测和监控模块ESCWIN;数据分析和仿真模块的ADIS; 非稳态下的火灾及逃离对一个人的生命模拟模块POZAR和WYRZUT;通风网络和目标不可分割的仿真模块IZOPOZ等共12个子系统。

金川有色金属公司二矿区主要从事地下采矿作业，日产矿石8000吨。目前有13个矿段，9辅助矿段，主要采用机械地下水平分层凝胶充填采矿法，在1998年矿井达到220万吨的产量。如图1所示，矿井井筒均采用斜井的开放系统。地下运输采用无轨25吨汽车和大型承载负荷刮刀，大约80无轨柴油设备每天都在使用，额定总功率为6200千瓦，每小时使用的柴油量500千克。如图2所示，主通风系统采用多级机站串联和并联抽压联合微正压通风系统，有11扇地下车站，几个进联通风构造，有250个节点和网络中的363支经过适当简化。主要建设和二次改革后，目前第二矿区正进行三级扩建工程建设和通风系统优化，认为这三个阶段存在的同步，是从设计方案更加不同，通风和安全的管理是非常困难和复杂的，鉴于这些因素，金川有色金属公司联营公司与辽宁工程技术大学开发矿井通风仿真系统MVSS它可以用来通风的设计，管理和在灾难期间辅助决策，该系统还包括角联分支自动识别，矿井通风网络特性曲线图，最佳的调节等特殊功能的其它相似的系统没有。 2．仿真模型 当气流在巷道流动，它的速度v，密度ρ，压力P和温度T是空间（X，Y，Z）的函数，它们形成三维流场

如果风流上的横截面的变化不被考虑，然后空间（X，Y，Z）可以简化为一维线性变量s。在一维情况下，连续方程，运动方程，能量方程，状态方程如式（2）、（3）、（4）、（5）所示。

（2） （3） （4） （5） 从式（3）得 在一维稳定流动情况下的运动方程可表示为

（6） 通风网络可以通过集合表示为 （7） 其中，G是通风系统;是支集合;V为节点集合;ei为支链I;Vi是节点I;n为总分支机构;m为总的节点。在论文中黑体字表示目前集合。风量集合，空气阻力集合，每一个分支的阻力集合可以单独表示为

（8） 空气阻力r和风阻的记数形式是 层流 （9） 紊流

层流 紊流 （10）

其中，P可以是自然通风压力，火风压及风机通风压力等附加压力相当于空气阻力值。 网络中，节点风量平衡和回路风压平衡的数学表达式分别表示为式（11）和式（12）

（11） (j=1,2,…，n-m+1) （12） 其中，Si为相关的G矩阵;CJI是回路矩阵。 Cross escalator的方法是用来进行网络风量分布，回路风量修正是

（j=1,2,…，n-m+1） （13） 其中，h是分支e不可分割性一阶导数;，其记数形式是式（10），它包括风机，自然通风压力，火风压。 风机的模型是

（14） HF是风扇的通风压力;A0〜A5是风扇特性曲线的常数项，通过使用五次方程非稳定工作区域风扇和风扇反演区域可以安装; QF是风扇的风量; q为风机设备和风机站漏风量; qn为风网风量，即有效的风量，风机站的漏风R1等效空气阻力; x是常数，x=1~2。

3.角联分支分析 角联风路的识别和稳定性分析的矿井通风系统的稳定性和可靠性分析理论的核心内容之一，1925年波兰学者H.Czeczott提出了角联分支概念[7J首先，随后H.Bystrofi定义角联风路[8]严格从对角支的气流方向与相邻分支的空气阻力之间关系的使者。波兰科学院W.Budryk国际知名采矿专家院士进行了系统研究[9]工作性质，气流方向的判断和E＆ECT通风系统等问题。 表格一 矿井通风仿真系统的3要素 通风系统 数学模型 电子计算机 巷道增减和新巷道掘进，遗弃旧巷道，通过工作面，丢弃工作面和封闭工作面。 G →G’ 增加分支情况会变化： 1.n’= n+1 m’=m 2.n’= n+1 m’ =m+1 3.n’= n+2 m’=m+1 4.n’= n+2 m’=m+2 5.n’= n+3 m’=m+2 相应的节点可以保持不变而降低分支机构 1.选择或构造一个节点对象窗口 2. 构建分支对象3.设置节点属性,当n’>n+2时，分支原始节点要替换为新的构建节点。当分支增加时，相应的节点应该删除或者保持不变。

增减巷道断面，或者改变巷道形状，改变支付方式。 断面的形状和尺寸有相应的U,S。每个支付方式有各自的 r=aLU/S3。 选择相应的e1并改变r1的值。

巷道崩落,矿车堵塞,巷道脆片,设置通风门、窗户等等。 通风构筑物包括，增加通风的风窗和减少通风的风窗。 分支ei变化，相应的风阻也变化。 选择相应的分支ei和风阻值ri

底下或者地表安装风扇，减少地表或底下风扇。串联风扇，并联风扇。 当有风扇的时候就压强差 △P1,当风扇并联时风压不变，风量增加；当风扇串联时，风量不变，风压增加。 选择相应的ei，以及设置风机参数可以去图书馆查阅f1

改变风扇叶片安装角度 从a0~a5 改变分支相应的参数 关掉风机，测自然风压。 比较局部压差△pi，并注意方向。 直接给出或者计算出来自然风压值。

此外，W.Mu1ler，M.Kolarczyk等学者进行了一系列的研究工作[10]，研究重点集中在角联风路的气流方向的判断和角联风路对发火期的影响等问题。 在通风网络角联风路的利用人力和眼睛识别不仅是不科学的，也是能力的限制。通风网络如图3（a）所示，我们可以看到，E，E是角联风路，但很难判断E7是否是角联风路，如果我们改变节点v3、v4的位置，图形将变成图3（b），那么我们就可以发现，例如，E7是角联风路了。这是非常困难甚至是不可能的判断分支在小型网络中有8个节点和10个分支通过人力，难以判断角联风路在大规模网络是显而易见的。 1976年法国学者提出了一个数学模型[11]来判断基于网络拓扑关系第一角联分支，两种方法给出，其中之一是对于非有向图路径法，另一种是集合的计算方法，后来他第二种方法被证明是假的。 自动识别角联风路模块镶嵌着模拟系统采用路径集合的计算方法。它不仅可以给哪个分支是角联分支，但也给其影响角联分支等对角线结构的七元组相邻的分支机构[12,13,14] （a） （b） 图3 4. 通风网络特征图 所谓通风网络特性曲线是在通风网络的每个分支是由一个矩形笼表达，并布置为拓扑相关联的关系。宽度矩形笼等于分支的空气量，矩形笼的高度等于分支的电阻，矩形笼的面积等于功率消耗。

（a） （b） 图4 一个网络图如图4（a）所示，对应的通风网络特性曲线图如图4（b）所示，通风网络特性图的字符可通过4线进行说明。在通风网络特性图横线被称为节点线，如VJ VJ•，I $等在图4（b）所示。在通风网络特性曲线的垂直线称为回路线，如C¿，C等在图4（b）所示。水平线的切割通风网络特性曲线被称为割集线。 垂直线的切割通风网络特性曲线被称为路径一致。 通风网络特性曲线对矿井通风系统的管理具有原始和强大的功能。

5. 最佳的调节和可视化仿真系统 其中一个矿井通风仿真系统的重要功能是确定的网络，最佳的调节位置和数量的优化调度方案，以尽量减少矿井风机的功耗，采用MVSS最佳的调节方法是路径的方法，与传统的线性规划比较和非线性规划，它决定了网络的最小调节功耗，然后再散发出来的最佳调控路径的方法。我们可以说，微量调节功耗，其算法的概念不是一种最佳方法，但测试标准来评价，如果一个方法是最佳的。 仿真系统采用面向对象的程序设计方法，程序在Visual C ++5.0环境下编译。虽然在MFC类库CDC类提供BV的Visual C ++具有强大的图形绘制功能。但是来实现矿井通风仿真系统的可视化版本的工作量是巨大，因此AUTO CAD被选为开发仿真系统的可视化平台模块。数据处理是进行中的背景。