基于三维模型的通风系统优化调控模拟分析.pdf

第 4 2卷 第 1 1期 2 0 1 6年 1 1 月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Aut o mat i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 1 1 NO V ． 2 O1 6 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 1 0 0 4 1 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 1 1 ． 0 1 0 何敏 ， 武福生 ， 成燕玲． 基于三维模型的通风系统优化调控模拟分析口] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 1 4 1 4 4 ． 基于三维模型的通风系统优化调控模拟分析 何敏 ， 武福 生 ， 成 燕玲。 1 ． 中煤科工 集 团常 州研 究 院有 限公 司 ，江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 天地 常州 自动化 股份 有 限公 司 ，江苏 常州2 1 3 0 1 5 ； 3 ． 苏州电器科学研究院股份有限公司，江苏 苏州 2 1 5 1 0 4 摘 要 以某矿 为研 究对 象 ， 利 用 VE NT S I M 三 维通 风 动 态仿 真模 拟 系统 构 建 了矿 井通 风 系统真 实三 维 模型， 在获取可靠通风基础参数的基础上 ， 对该矿通风 系统优化调控方案进行 了准确模拟。现场实际测量结 果与模拟结果较为吻合 ， 误差很小， 验证 了基于三维模型的通风 系统优化调控方案的可靠性。 关键 词 煤炭 开采 ； 通 风 系统 ；通风 仿 真 ；三 维模 型 ； 优 化 调控 ；通风 网络 解算 中图分类号 TD 7 2 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 - 1 0 2 8 1 6 2 6 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 1 0 2 8 ． 1 6 2 6 ． 0 1 0 ． h t ml Si mu l a t i o n a n a l ys i s o f o p t i ma l r e g ul a t i o n a n d c o n t r o l o f ve n t i l a t i o n s y s t e m b a s e d o n 3 D mo de l HE M i n 一， W U Fus he n g 一， CH EN G Ya nl i ng 。 1 ． CCTEG Ch a n g z h o u Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a ； 2 ． Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co ． ，Lt d ． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a； 3 ． S u z h o u E l e c t r i c a l Ap p a r a t u s S c i e n c e Ac a d e my Co ． ， L t d． ，S u z h o u 2 1 5 1 0 4 ，Ch i n a Ab s t r a c t A r e a l 3 D mo de l o f m i n e ve nt i l a t i o n s ys t e m wa s bui l t by VENTS I M 3 D v e n t i l a t i on dy n a m i c s i mu l a t i o n s y s t e m t a k i n g a c o a l mi n e a s r e s e a r c h o b j e c t ．On t h e b a s i s o f o b t a i n i n g r e l i a b l e b a s i c v e n t i l a t i o n p a r a me t e r s ，a n a c c u r a t e s i m u l a t i o n o f op t i ma l r e gu l a t i o n a nd c o nt r o l s c he me of t he ve nt i l a t i o n s ys t e m wa s ma d e．Th e a c t ua l me a s u r e m e nt r e s ul t s a r e i n go o d a gr e e m e nt wi t h t he s i m ul a t i on r e s ul t s ，a nd e r r or i s ve r y s ma l l ，s o i t v e r i f i e s t h e r e l i a b i l i t y o f o p t i ma l r e g u l a t i o n a n d c o n t r o l s c h e me o f v e n t i l a t i o n s y s t e m b a s e d o n 收稿 15 1 期 2 0 1 6 0 6 2 1 ； 修 回日期 2 0 1 6 0 9 2 9 ； 责任编辑 张强 。 基 金项 目 常州市科技支撑计划 工业 项 目 C E 2 0 1 5 0 O 6 8 。 作者简介 何敏 1 9 8 3 一 ， 男 ， 湖北天门人 ， 助理研究员 ， 博士 ， 主要研究方 向为矿井通风防灭火 ， E - ma i l h e mi n 1 2 3 4 5 6 7 1 6 3 ． c o rn。 4 结 语 针对煤矿井下无线传感 网络 因信息传输量大而 导致传感节点能量消耗快 、 设备寿命缩减的问题 ， 提 出基 于 小波 变换 的压缩 感知 自适 应重 构算 法 。实验 结果表明， 在相同采样率， 尤其在低采样率下 ， 该算 法能有效提高图像重构效果 ， 同时减少传输 的信息 量 ， 达到了节约资源和能源的 目的。 参考文献 [ 1 ] 胡 圣波． 煤矿井下 无线传 感 网络 通信关 键技术 的研究 [ J ] 工矿 自动化 ， 2 0 0 8 ， 3 4 3 1 - 4 ． E 2 ] TS AI G Y， D0 N0H0 D L ．E x t e n s i o n s o f c o mp r e s s e d s e n s i n g [ J ] ．S i g n a l P r o c e s s i n g ， 2 0 0 6 ， 8 6 3 5 4 9 5 7 1 ． [ 3 ] 焦李成 ， 杨淑媛 ， 刘芳 ， 等． 压缩感知 回顾 与展望[ J ] ． 电 子 学 报 ， 2 0 1 1 ， 3 9 7 1 6 5 i - 1 6 6 2 ． I- 4 ] 杨磊 ， 黄友锐 ， 唐 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系 统 的复 杂程 度逐 步增 大 ， 二 维 通风 系统 图 已无 法 直 观 地 表 达矿 井通风系统中各巷道间的复杂空间层位关系[ 6 3 。因 此 ， 矿井 通风 系统 优 化调 控 采 用 三 维 可视 化 技 术 将 是今 后 发展 的必然 趋势 。 VE NTS I M 三维通风动态仿真模拟系统是基于 3 D GI S技术 开 发 的三维通 风仿 真软 件 ， 可 帮 助用 户 进行通风系统优化设计 、 日常通风管理、 灾害事故动 态 模 拟 和 安 全 监 控 管 理 。本 文 采 用 VE NTS I M 三维通风动态仿真模拟系统 ， 依据 阳泉某矿巷道导 线点的三维坐标数据， 构建了该矿通风系统的真实 三维巷道模型 ， 通过 阻力测定 数据及通风网络解算 获取该矿可靠的通风基础参数 ， 对该矿通风系统优 化调控方案进行三维通风仿真模拟 ， 以判定通风系 统优化调控方案的可行性 。 1通风 系统真 实 三维模 型构 建 通风系统真实三维模型构建步骤如下 1 利 用矿井 采掘 工程 平 面 图 的巷道 中心线 生 成巷道实体图。主要方法是将巷道的导线点连接起 来 ， 形成巷道中心线， 然后将导线点的三维坐标数据 赋 值 于 中 心 线 端 点， 最 后 将 所 有 中 心 线 导 人 VE NTS I M 三维通风动态仿真模拟系统， 生成三维 巷道实体 图。 2 修改巷道参数 。上述生成 的三维巷道实体 图中， 巷道断面形状、 巷宽、 巷高等参数都是系统默 认值 ， 需要根据矿井实际情况进行修改 。 3 输入矿井通风基础参数。矿井通风的基础 参数主要包括巷道摩擦阻力系数 、 局部阻力系数 、 主 要通风机工况点数据 。其中， 巷道摩擦阻力 系数首 先采 用通 风阻 力测 定 的 实测 数 据 ， 后 期 通 过通 风 网 络模拟解算修正为实际值 ； 局部阻力 系数按照巷道 布置关系在 VE NTS I M 三维通风动态仿 真模拟 系 统预设值 中选取 ； 主要通风机工况点数据按矿井 实 际情况进行输入。 4 添加通风构筑物。在 VE NT S I M 三维通风 动 态仿 真模 拟系 统 中 ， 矿 井 的通 风 构筑 物 主 要 是 指 风 门和风 窗 。风 门 和 风 窗 在 VE NTS I M 三 维 通 风 动态仿真模拟系统 中可 以先按 固定风量进行 预处 理， 在通风网络模拟解算结果符合实际情况后 ， 将风 门转化为风阻值 ， 风窗体现其开 口面积。 5 修正通风基础参数 。根据矿井实际情况， 利用 VE NTS I M 三维通风动态仿 真模拟 系统 的通 风网络解算功能进行修正。 2 矿 井通风 基础 参数获 取 矿 井通 风基 础参数 的获 取流 程如 图 1 所 示 。 H H 盆 垦 墨 墼 塑I 误 差 ≥ 5 ％ I 修改巷道摩擦 I 图 1 矿 井 通 风 基 础 参 数 获 取 流 程 可靠 的矿井通风基础参数是保障通风系统优化 调控模拟结果准确的必要条件， 矿井通风基础参数 主要依靠矿井通 风阻力测定及通风 网络模拟解算 获 取 。 复杂矿井 的通风阻力测定 由于工作量大、 测定 周期较长、 干扰因素多及测量仪器本身的误差等原 因， 使得测定结果 或多或少存在着一定的误差 。有 效的解决办法 将通过通风 阻力测定获取 的矿井通 风基础参数输入到通风仿真模拟软件中进行通风网 络模拟解算 ， 获得主要巷道的模拟风量数据 ， 将其与 矿井真实可靠的风量数据进行对 比检验 ， 如果误差 二 斟 2 0 1 6 年第 1 1 期 何敏等 基于三维模型的通风 系统优化调控模拟分析 4 3 小于 5 矿井通风行业领域认 为巷道风量误差 小 于 5 ～1 O 是 可 以接受 的准 确值 ， 这里 取 5 ， 则 说 明获取的通风基础参数是可靠的； 否则 ， 需要对相关 巷 道 的摩擦 阻力 系数 进 行 修 改 ， 直 至 风 量 误 差小 于 5 。其原理是依据矿井通风阻力定律， 在主要通风 机 工况 点确定 的情 况 下 ， 只要 给 矿 井 各 条 巷道 的风 阻进行赋值 ， 依据 自然分风的原则 ， 通风仿真模拟系 统 就能准 确模 拟 出各 条 巷 道 的 风量 ； 如 果模 拟 风 量 值 与矿井 实 际风量 匹配 良好 ， 则 说 明 巷 道 的风 阻 赋 值准确、 可靠 。因为 VE NT S I M 三维通风动态仿真 模拟系统能通过巷道的摩擦阻力系数 ， 结合巷道断 面积 、 长度直接计算 出风阻值 ， 所 以， 在 图 1中采用 的方法 是通 过通 风 阻力 测 定获 取 巷 道摩 擦 阻 力 系数 。 3 阳泉某 矿通风 系统真 实三 维模型 构 建 阳泉某 矿 属 于 特 大 型 矿 井 ， 主 采 煤 层 为 3号 、 8号 、 1 5号 ， 通风 系统非 常复 杂 ， 现 有 2个 水 平 、 6个 采 区 、 7个 进 风 井 、 4个 回风 井 ， 矿 井 总 回 风 量 为 7 6 6 1 8 m。 ／ mi n 。 该矿 的通风系统真实三维模型构建情况如下 1 该 矿采 掘工程 平 面 图上 的导 线点 数 量共 计 3 5 3 8个 ， 通过这些点的三维坐标 数据 ， 再结合所有 井 口及部分坡度推算 的三维坐标数据 ， 勾 画形成 了 该矿 的巷 道 中心线 。将 巷道 中心线 导 人 VE NT S I M 三维 通风 动态 仿真 模 拟 系 统 ， 生 成 该矿 的三 维 巷 道 实体图 ， 共 4 3 2 0条巷道 。 2 根据矿井设计资料、 通风报表 中的部分巷 道 断面情 况及 阻力 测 定 的 实测 数 据 ， 对 该 矿 的所 有 巷道的断面形状 、 巷宽、 巷高等进行修改 。 3 为获 取 该 矿 的 通 风基 础参 数 ， 进 行 了 通 风 阻力 测定 工作 。由于 该 矿通 风 系 统 复 杂 、 采 区 覆 盖 区域大， 故采用气压计基点法进行测定。一共布置 3 l 9个测 点 ， 历 时 1 5 d完成 测 定 工 作 。测 定 的 数 据 包括 地 面 的大 气压 力 每 隔 5 mi n测量 1次 ， 用 于 对井下 测定 的压 力 值 进行 校 正 ； 测 点 的绝 对 压 力 、 测 定 时 间 、 温度 、 湿 度 、 标 高 ； 测 点所 在 巷 道 的风 量 、 断面形状、 巷宽 、 巷高 、 支护形式 ； 4台主要通风机的 工况点等。数据处理完成后 ， 将巷道 的摩擦 阻力 系 数及主要通风机工况点数据、 3 7个掘进巷道的风量 输入到三维巷 道实体 图 中， 选取 巷道 的局部 阻力 系数。 4 该矿共有 8 4处风门、 2 4 2处风窗或风障 ， 这 些均按 固定 风量 在 前述 三 维巷 道 实体 图上 进行 输 入 。 5 利 用 VE NTS I M 三维 通风 动态仿 真模 拟 系 统 进行 通风 网络 解算 ， 通 过 与通 风 报 表 中的 风量 和 用 通风 阻力 测定 获得 的风 量 进 行 对 比检验 ， 修 改 小 部分 巷道 的摩 擦 阻力 系数 后 ， 若 风量 误 差小 于 5 ， 认定获得 了该矿可靠的通风基础参数 。至此 ， 完成 该 矿 三维模 型构建 。该 矿局 部 三维 模 型效 果 如 图 2 所 示 ， 主要 通 风基础 参数 见表 1 、 表 2 。 图 2 某 矿局部三维通风模型效果 表 1 矿 井主要通风机工况点数据 表 2 主要特征巷道 的摩擦阻力系数 4 通风 系统 优化 调控 方 案模 拟分析 该矿原有 5 个 回风井 ， 随着采掘更替 ， 原东部风 井附近采掘工作面的需风量逐年减少 ， 为提升矿井 的经济效益 ， 停运了该 主要通风机。在该主要通风 4 4 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 机停运前 ， 此 区域还剩一个备用工作面， 如果通风系 统调整， 其 回风只能经北部风井排出， 而北部风井 区 域的北回风巷 、 南回风巷和南 回风配巷 3条采 区回 风巷 中， 只有南 回风巷与该备用工作面所在采 区的 回风 巷 相 连 接 ， 但 是 南 回 风 巷 冒顶 严 重 ， 只 有 2 0 0 m。 ／ mi n的 回 风 能 力 。 因 此 ， 在 通 风 系 统 调 整 时 ， 对该备用工作面进行 了临时密闭。现 由于采 掘 衔接原因， 决定启用该备用工作面 ， 因而通风系统需 要进行优化调控。具体优化调控方案 ① 对南 回风 巷 冒顶段 进行 整巷 ； ② 对南 北 回风 的第 1条联 络 巷 冒顶段进行整巷 ； ③ 拆除上述备用工作 面的临时密 闭墙 。 投 人 生 产 时 ， 备 用 工 作 面 预 计 需 风 量 为 1 1 0 0 m。 ／ mi n 左右 ， 为 了 判 断 以上 优 化 调控 方 案 是 否可行 ， 拟采用 VE NTS I M 三维通风动态仿真模拟 系统事先进行通风模拟分析。首先将南回风巷和南 北 回风的第 1 条联络巷冒顶段的摩擦阻力系数分别 更 改 为 其 正 常 段 的 值 ，即 0 ．0 1 3 Ns ／ m 和 0 ． 0 1 3 Ns ／ m ， 其次将备用工作面的固定风量标 志 去除 ， 然后输入主要通风机工作角度 的特性 曲线数 据 ， 之后进行通风模拟， 模拟结果见表 3 、 表 4 。 表 3 主要用风地点风量模拟结果 m 3 ／ mi n 表 4 北部风井 主要通 风机 工况 点通 风模 拟结果 根据以上模拟结果可知 ， 主要用风地点的风量 均满足用风需求 ， 因此 ， 可以判定上述优化调控方案 是 可行 的 。为 了验证 模 拟 结 果 的 可靠 性 ， 矿 方按 照 上述优化调控方案进行 了工程实施， 工程实施之后 进行了现场测定工作 ， 测定结果见表 5 、 表 6 。 表 5 主要 用风地点风量测定结果 m3 ／ m i n 表 6 北部 风井 主要通风机工况点通风测定结果 根据以上实测结果与模拟结果的对比分析可 以 发现 ， 实测结果与软件模拟的结果基本一致 ， 因此， 可以判定 在三维通风模型通风基础数据可靠 的基 础上 ， 利用 VE NTS I M 三维通 风 动 态仿 真 模拟 系统 进行通风系统优化调控方案模拟所获得的结果也是 可靠的， 可以为矿井生产现场的通风系统优化调控 提供准确 的指导。 5 结 语 采 用 VE NT S I M 三维 通 风 动 态 仿 真 模 拟 系统 构建了矿井通风系统 的真实三维巷道模型， 在通过 阻力测定数据及通风网络解算获取可靠通风基础参 数的基础上 ， 对矿井通风系统优化调控方案进行了 仿真模拟 。通过对比分析方案实施后现场的实际测 量结 果与模 拟 结果 发 现 ， 各 用风 地 点 的 风量 及 主 要 通风机的工况点风量均与软件通风模拟的结果较为 吻合 ， 误差很小 ， 验证了基于三维模型的通风系统优 化调控方案的可靠性 。 在当前矿井通风系统越来越复杂 的背景下 ， 采 用 三维技 术 构 建 完 全 真 实 的矿 井 通 风 系 统 三 维 模 型 ， 利用三维通风动态仿真模拟系统 ， 根据巷道摩擦 阻力 系数直接 计算 巷 道 风 阻 ， 能有 效 避 免 二 维 系统 通风网络模拟解算修改巷道风阻所造成的同样巷道 摩 擦 阻力 系数不一 致 的问题 。 参 考 文 献 E l i 黄元平． 矿 井通 风 [ M] ． 徐 州 中 国矿业 大学 出版社 ， 19 9 O． E 2 ] 司俊鸿． 矿井通 风系统 风流参数 动态监测 及风量 调节 优化[ D] ． 徐州 中国矿业大学 ， 2 0 1 2 ． E 3 ] 王海宁 ， 彭斌 ， 彭家兰 ， 等． 大型复杂 矿井通风 系统的共 性问题分析与优化实践E J ] ． 安全与环境学报， 2 o 1 4 ， 1 4 3 2 4 2 7 ． [ 4 ] 吴 国珉． 典 型有 色金属 矿山矿井 通风 系统 优化 与防尘 技术研究I - D] ． 长 沙 中南大学 ， 2 0 0 8 ． [ 5 ] 贾敏涛 ， 吴冷 峻 ， 张辉． 罗河铁矿 通风系统 优化 与调控 技术[ J ] ． 现代矿业 ， 2 0 1 5 6 1 3 4 1 3 6 ． E 6 ] 黄俊歆． 矿井通 风系统优 化调控 算法 与三维可视 化关 键 技术研究 E D ] ． 长沙 中南 大学 ， 2 o 1 2 ．