基于网络解算的采空区漏风分析可视化实现.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 基于网络解算的采空区漏风分析可视化实现 姓名邵炜航 申请学位级别硕士 专业安全技术及工程 指导教师魏引尚 2011 论文题目基于网络解算的采空区漏风分析可视化实现 专业安全技术及工程 硕 士 生邵炜航（签名） 指导教师魏引尚（签名） 摘要 回采工作面上隅角瓦斯积聚和采空区遗煤自燃等煤矿灾害都与采空区漏风有直接 关系，所以加强采空区漏风分布规律的研究具有重要现实意义。 本论文在充分调研国内外关于采煤工作面采空区漏风规律研究现状的基础上， 考虑 到采空区漏风和矿井通风系统之间的相互影响， 把采空区漏风风流的模拟与煤矿通风系 统网络解算模型联系起来，在通风系统网络解算模型基础上，采用二维网格化数值计算 方法，建立了采空区网格模型，研究了 U 型工作面采空区漏风分布计算模式。为了实现 直观、 高效地显示采空区漏风分布特征，在 MapXVB 环境下实现了计算结果的可视化 显现。本系统利用 Visul Basic 6.0 为软件开发平台，编制基于 MapX 组件的采空区漏风 分析系统，实现了通风网络解算以及本文所建模型的分析计算，并实现了采空区网格模 型节点压能等值线图和节点风速等值线图的绘制。当通风系统发生改变，通过网络解算 手段得到回采工作面两端压差和工作面进风量，之后再利用采空区网格模型，进行采空 区漏风分析，计算采空区漏风的风量、风压和风速等参数。即每调整一次通风系统， 实 现一次通风系统网络解算，则可以得到一组采空区漏风分布特征参数。最后，把采空区 漏风分析系统应用到崔家沟煤矿，结果显示，当矿井通风系统发生变化时，工作面风量 和采空区风流分布也随之发生相应变化。 论文通过对采空区漏风的分析， 为煤矿通风安全管理者进行各种工作面安全状况分 析以及预测由采空区漏风所引起的灾害事故的发生提供有力的信息技术支持， 能够更好 地指导煤矿安全生产， 特别是对于预防工作面上隅角瓦斯积聚和采空区遗煤自燃具有重 要指导意义。 关 键 词矿井通风网络；风网解算；网格化模型；采空区漏风；可视化系统； 研究类型应用型 SubjectSubjectSubjectSubject TheTheTheThe DevelopmentDevelopmentDevelopmentDevelopment ofofofofVisualVisualVisualVisualA A A Air ir ir ir L L L LeakageeakageeakageeakageA A A Analysisnalysisnalysisnalysisin in in inGoafGoafGoafGoafB B B Basedasedasedased ononononT T T Thehehehe N N N NetworketworketworketworkS S S Solutionolutionolutionolutions s s s SpecialtySpecialtySpecialtySpecialty SafetySafetySafetySafetyTechnologyTechnologyTechnologyTechnologyandandandandEngineeringEngineeringEngineeringEngineering NameNameNameName ShaoShaoShaoShaoWeihangWeihangWeihangWeihangSignatureSignatureSignatureSignature InstructorInstructorInstructorInstructorWeiWeiWeiWeiYinshangYinshangYinshangYinshangSignatureSignatureSignatureSignature ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT Goafairleakageisdirectly related to the coal mine disasters such asgasaccumulation in the upper corner of mining face and spontaneous combustion of the remaining coal in goaf, so strengthening study on the distribution laws of goafairleakage has great practical significance. Inthis paper, based on thorough investigationofthe at home and abroad research status onthe distribution law ofairleakage, the author make a connection betweenairleakage simulation and ventilation system ventilation network solution model according to the relationship betweenairleakage and the coal mine ventilation system. Basing on the existing ventilation system network solution model, the author set up a grid model of goafbyadopting numerical s of two-dimensional grid and studiedairleakage distribution calculation model of the U-style mining face. In order to achieve an intuitive and efficient characteristics ofgoafairleakage distribution, the author achieve the visualization of the calculation results inthe MapXVB development environment. The system usesVisulBasic 6.0 as the software development plat, drawupthe airleakage analysis system basedonMapX component, to achieve the ventilation network solution and the calculationofthe model in this paper, what’s more, the system achieved the mapping of nodes pressure isoline and node wind speed isoline. When the ventilation system changes, we can get the pressure at both ends and theairintake volumeofthe mining face through ventilation network solution, and then analyse the air leakage in goaf, calculate theairquantity, wind pressure, wind speed and other parameters. Once ventilation systemisadjusted, we can get a group parameters ofairleakage distribution through the ventilation system network solution. In the end, the system has been applied to Cui-Jiagou coal mine, the fact show that the wind volume andairflow distribution ingoaf change with the mine ventilation system changes. The system in this paper provide powerful ination and technology support for the managers of ventilation system basedonthe analysis ofairleakage distribution.Ithelps the managers to understand dynamic safety conditionsofmining face and predict possible accident causedbygoaf airleakage, which can better guide the safe productionofcoal mine, especiallyithas an important guiding role for preventing gas accumulationinthe upper corner of mining face and spontaneous combustionofthe remaining coal in goaf. KeyKeyKeyKeywordswordswordswordsMineVentilation NetworkVentilation Network Solution Grid Net ModelGoafAirLeakageVisualization System ThesisThesisThesisThesisApplication 1 绪论 1 1 绪论 我国是一个能源消耗大国，煤炭是我国国民经济发展的基础能源。我国煤炭资源丰 富， 但地质条件不好， 地质构造复杂， 这些复杂的条件致使煤矿生产中安全问题复杂化， 且随着开采深度的加大，煤矿又面临着许多新的安全技术问题。安全是煤炭工业稳定、 持续、高速发展的根本保证，是关系煤矿职工生命安全和身心健康、关系国家和集体财 产不受损失的头等大事。 采空区是煤矿井下灾害重要场所之一，许多重大灾害事故的发生与采空区有关， 而 采空区又是煤炭开采过程的必然产物，因此，采空区灾害问题的研究一直是大多数煤矿 安全研究者所关注的焦点。由于在工作面所在的巷道中，工作面和与其相连的采空区之 间的密封效果不是很好，因而漏风现象比较显著。又由于采空区漏风规律的复杂性， 造 成采空区漏风不稳定， 给采煤工作面防灭火与工作面瓦斯防治等工作带来极大的困难[1]。 研究采空区内的漏风分布规律，并制定和实施行之有效的技术措施，是预防和治理采空 区灾害工作的基础[2]。本文主要研究采空区漏风分布问题。 1.1 选题的背景及研究的意义 1.1.1 研究的背景 煤矿事故一直都是中国的重大事故集中行业，每年都造成了大量的人员伤亡。从 1995 年至今，我国煤矿事故死亡人数统计情况见表 1.1。 表表 1.11.11.11.119952010199520101995201019952010 年间煤矿事故死亡人数统计年间煤矿事故死亡人数统计 年份死亡人数年份死亡人数 1995965920036437 1996803620046027 1997951220055986 1998750820064746 1999653620073786 2000579820083215 2001 2002 5670 6995 2009 2010 2700 2433 从上表可以看出， 虽然近年来煤矿事故死亡人数持续下降， 但其总量依然偏大。 2003 年，我国煤矿企业共发生伤亡事故 4143 起，死亡 6424 人，当年中国的煤炭产量约占全 西安科技大学硕士学位论文 2 球的 35，事故死亡人数则占近 80，当年中国煤矿平均每人产煤 321t，全员效率仅为 美国的 2.2， 南非的 8.1； 2004 年，我国煤矿企业共发生伤亡事故 3639 起， 死亡 6027 人，其中瓦斯事故死亡人数为 2157 人，占总死亡人数的比重为 36％。当年我国的煤炭 百万吨死亡率约 3.081 人，这一水平是美国的 100 多倍，南非的 20 多倍，印度的 10 多 倍；2005 年，我国煤矿企业共发生伤亡事故 3341 起，死亡 5986 人，其中瓦斯事故 405 起，死亡 2157 人，分别占煤矿事故总数的 12和 36，死亡人数居各类煤矿事故首位， 我国的煤炭百万吨死亡率为 2.811，是美国的 70 多倍[3]；2010 年，煤矿事故起数和死亡 人数分别为 1403 起、死亡 2433 人，其中瓦斯事故 135 起，死亡 593 人[4]，与发达国家 的差距依然明显，我国目前煤矿安全生产仍面临严峻的挑战。由于近年来一系列的瓦斯 爆炸等恶性事故的发生，矿井灾害的危害性已经得到了越来越多的关注[5]。 煤矿所发生的许多瓦斯事故，技术方面主要是跟煤矿通风系统有关系。煤矿安全工 作的基础是矿井通风，矿井瓦斯与粉尘都可以通过矿井通风手段进行排除和稀释，创造 良好劳动环境和抑制瓦斯灾害和火灾发展的基本途径都需要进行合理的矿井通风。 矿井 通风是保障煤矿生产正常运转的决定性因素，是煤矿安全生产和防止瓦斯爆炸、保障工 人健康的基本措施，因此必须加强通风管理和灾害分析[4]。通风安全信息管理把握着煤 矿安全生产的命脉，也是目前煤矿生产管理过程中最薄弱的环节之一。及时掌握和处理 好通风安全信息，做好煤矿通风系统的安全管理工作，是煤矿安全生产的有利保障[6]。 长期以来， 采空区灾害问题瓦斯涌出和遗煤自燃的研究一直是大多数研究者所 关注的焦点[7]。而这些采空区灾害问题主要是由于采空区漏风所引起的。采空区紧邻回 采工作面，是一片充满陷落岩石的非活动空间，由于陷落岩石的不规则性，冒落堆中存 在着许许多多、大小不一的漏风通道[2]；由于在工作面所在的巷道中，工作面和与其相 连的采空区之间的密封效果不好[8]，以及工作面两端通风压力差的存在，因而形成采空 区漏风。漏风风流在采空区多孔介质中的流动同时存在层流、紊流和过渡流[9]，同时随 着采空区冒落矸石的不断压实，其漏风相关系数也不断发生变化，又由于工作面采空区 的隐蔽性，造成采空区漏风研究的困难重重[10]。 1.1.2 研究的意义 为了治理好煤矿回采工作面上隅角瓦斯积聚和采空区的遗煤自燃灾害， 就要对采空 区的漏风风流情况做出准确判断，才能更科学地制订和实施行之有效的技术措施，预防 和治理采空区灾害事故的发生， 避免因采空区漏风分布状况不清而给瓦斯治理和防灭火 工作带来不必要的麻烦和损失。 利用计算机辅助手段研究采空区风流分布是一种行之有效的方法。 研究人员通过矿 井火灾束管检测系统，以及矿井瓦斯监测监控系统得到有关采空区与漏风、灾害相关的 指标因素， 将其与矿井通风系统网络解算方法关联起来， 构成研究采空区漏风的新体系， 1 绪论 3 这对于预防煤矿采煤工作面以及采空区事故发生， 及时分析评价工作面火灾和爆炸事故 隐患，无疑具有重要指导意义。 1.2 采空区漏风分布研究的国内外研究现状 1.2.1 采空区灾害与漏风的关系 回采工作面上隅角瓦斯超限主要源于采空区， 由漏入采空区的微弱风流带回回采工 作面，又由于工作面上隅角的风流很容易形成局部漩涡和瓦斯气体的升浮效应，因而从 采空区流出的瓦斯在上隅角处汇聚，从而造成瓦斯超限[8,11]。 采空区遗煤自燃的主要原因则是工作面采空区漏风为遗煤自燃提供了氧气条件， 因 此，划分采空区自燃“三带”的主要标准之一是采空区漏风风速的大小，掌握采空区漏 风规律是解决采空区遗煤自燃的关键[10]。此外，通风系统的效率和煤炭企业的通风成本 等都受采空区漏风的影响，给通风管理工作造成了很多不便。采空区漏风风流分布与所 处的工作面通风环境有关，而工作面通风又跟矿井通风系统密切关联。当前煤矿安全管 理面临的问题是矿井通风信息参数（如风量、风速、阻力等）是抽象的，因此，通风系 统的状况以及变化情况不能全面的通过监测系统反映出来， 而且其所检测的信息缺乏相 互间的联系，且不直观[12]。多年来，我国煤炭行业整体的信息化程度远远滞后于其它行 业。信息化程度不高，效率低下，其在管理信息系统的辅助决策和预测方面，更是落后 于其它行业[13]。 由于工作人员无法进出采空区， 因而采空区漏风风流分布规律是无法通过现场检测 手段得到的，然而实物相似模拟试验又需要耗费大量的人力、物力和财力。因此，许多 学者通过数值模拟试验来研究其采空区的流场，并取得了一定的成果。然而，采空区漏 风不是孤立的，随着通风系统的变化，采空区漏风也会受到影响。 1.2.2 采空区漏风分析系统研究现状 国内外许多学者对采空区风流流动的规律进行了大量的研究， 基本上可以分为滤流 理论和渗流理论两类。 滤流理论认为采空区风流流动可以视为是空气在管状介质内的滤 流；渗流理论则认为采空区风流流动可以视为是空气在多孔介质内的渗流。近 20 年以 来，前东欧学者特别是波兰学者的研究成果已能够代表当今国际的领先水平[14-16]。 S.L.Frejdman 通过对波兰的一些矿井进行了多孔介质的滤流过程的深入研究，提出了采 空区的气体状态方程及其解算的初始条件与边界条件[17,18]；在文献[19]中首次系统的提 出了二维的采空区气体渗流和瓦斯弥散方程；J.Sulkowski 首次把英国帝国理工大学的 PHOENICS 软件应用到采空区渗流场的数值模拟计算中， 这加快了采用数学方法分析采 空区漏风流场的研究进度[20]。 西安科技大学硕士学位论文 4 20世纪70年代末，我国首次开始研究采空区风流分布状态，辽宁工程技术大学的刘 剑教授[21]首次论述了采空区气体的流动状态及瓦斯涌出等问题。 1983年淮南矿业学院吴 中立等[22]进行了采空区滤流模型实验， 由于采空区滤流的复杂性， 在假想的简化条件下, 用数学分析方法得到的数学模型，只有定性的参考价值。1998年施式亮[23]等进行了采空 区漏风量与分布的计算机模拟研究，研究了采空区区域内的平均化的风流分布特性， 并 根据滤流场的理论进行了减少采空区漏风量技术措施的计算机模拟。2000年王佰顺[24] 等通过对谢桥矿11213综采放顶煤工作面采空区漏风分布规律和采空区“三带”的分析 研究，指出了二源一汇的采空区漏风和“三带”分布的特点。2001年戴广龙[25]根据综采 放顶煤工作面采空区的漏风源和漏风汇形式不同， 研究了采空区漏风分布和氧气浓度分 布规律。2002年谢应明[26]等在进行采空区自燃过程数值模拟过程中，在研究多孔介质中 的流体流动规律时，应用假想的连续介质模型代替真实的多孔介质，采用通风网络理论 解算出采空区的速度场。 2006年张辛亥[27]等进行了综放面采空区流场模拟及自燃危险区 域划分研究，通过对采空区渗流场的数值模拟，得到采空区渗流速度及O2浓度的分布。 2009年，陈明河[28]进行了采空区漏风状况模拟及其分析研究，采用数值模拟软件对高瓦 斯煤层抽放条件下综放采空区漏风状况进行了数值模拟， 利用模拟结果对采空区进行了 煤自燃“三带”的划分。杨胜强，黄金[29,30]等进行了采空区自燃三带漏风流场的数值模 拟研究，在唐口煤矿2307工作面采空区自燃三带实测的基础上，利用流体力学计算软件 FLUENT对采空区的漏风流场进行了数值模拟。2010年马砺[31]等研究了厚煤层伪俯斜综 放采空区的漏风特征，建立了采空区漏风数学模型和自然发火预测模型，并对其漏风规 律进行了数值模拟。 1.2.3 基于计算机技术的矿井通风技术研究现状 煤矿通风系统及其信息管理是煤矿安全生产工作中重要的组成部分。多年以来， 通 过众多学者的研究和探讨，开发出了很多计算机模拟管理系统，并从各种不同角度对煤 矿通风网络进行了计算机模拟研究，取得了不错的成果。从最初的单纯数值计算到当今 的图形化处理，都有了较大的进步。从单一网络处理到综合模拟研究，都大大的提高了 通风管理的计算机应用水平。 在国外，通风安全方面有 Ventilation Design、VENDIS、Mine Fire Simulator 等软件。 美国开发的 Ventilation Design 能支持交互式的设计能力，将强制通风和自然通风以三维 图形方式显示出来[32]；HTME 的 VENDIS 系统能用交互式图形显示方式来提供网络解 算的结果，用户可以用键盘或鼠标以三维方式输入节点信息、风阻、温度和深度，解算 结果可通过图形方式显示出来，其网络规模和观察视点都可以交互式的改变[33]；波兰科 学院研制的 Mine Fire Simulator 软件[34]， 能以动态图形化的方式表示通风系统中燃烧物、 火灾蔓延、温度、流体等相关参数的变化过程[35]。 1 绪论 5 在国内，目前矿井通风安全管理软件大都由高等院校和科研机构研发，主要有 （1） 西安科技大学于 1992 年研发的 CFlRE 软件， 具有独有的快速插入模拟计算的 功能， 使得建立在严密的数学推导基础上的计算机模拟首次具备了应用于准实战环境的 能力[36]。 （2）北京龙软科技有限公司研发的“通风安全专业系统”能自动生成通风网络图 和通风系统图，并能将采掘工程平面图快速形成符合要求的通防系统图；能自动输出符 合现场要求的各种报表、台帐；具有基于 Internet 的对煤矿安全监测数据、图形等的实 时查看功能[37]。 （3）太原理工大学与山西赫士软件公司联合开发的“虚拟矿井通风系统”主要解 决以下四个问题①实现通风系统图和通风网络图的自动或半自动生成；②实现矿井巷 道的三维立体示意图显示，并能将三维立体图转换成实物图；③实现井下通风参数（温 度、风速、瓦斯等）的实时检测分析，并能模拟在灾难出现情况下，进行反风调节； ④ 实现在任意添加或删除扇风机，调节巷道的风阻，设置固定风量点等操作的情况下， 能 模拟整个矿井风量分配的变化[37]。 （4）煤科院抚顺分院为黑龙江七煤集团开发的“数字化矿山安全监控系统” ，核心 部分是数字化矿山安全监测监管网络系统，其主要功能是建立煤矿基础数据，对主要图 纸采掘工程平面图、通风系统图、井下运输系统、电气系统布线图、抽排水管路系统 图等实现动态浏览，对安全信息进行网上公开和安全隐患查询及信息的发布，并致力 于解决监测、监控数据的图形化，数据管理与图形的一体化管理[38]。 （5）北京杰特威科技有限公司开发的“通风安全管理系统” ，其几何作图功能非常 强大。该系统可以根据输入巷道拐点的地质三维坐标及其连接关系，自动绘制通风三维 立体图；可以根据网络节点的连接关系自动的生成通风网络图，并进行优化连接和风流 方向的自动标注；还可以进行定点的风量调节和风机曲线模拟[39]。 （6）辽宁工程技术大学研发的“矿井通风计算机管理系统” ，可将矿井三维立体图 自动的生成通风网络图，并在此基础上进行可视化管理和风网解算[32]，但其图形绘制与 编辑功能无法和 AutoCAD 相比。 （7）近几年，西安科技大学常心坦教授课题组先后开发的 VB 版和 AutoCAD 2006 版的矿井通风辅助设计系统已经比较完善。该系统已应用到煤矿的实际生产中，并受到 了用户的好评[38]。 1.2.4 煤矿通风管理软件存在的不足 目前，尽管关于煤矿的通风管理信息系统软件出现了许多，但从实际应用上看， 能 够直观的反映矿井通风状态，并且能够普遍适应于不同煤矿、适合不同层次人员使用的 管理系统很少，其中都或多或少地存在着诸多问题多数软件自成体系，数据格式不一 西安科技大学硕士学位论文 6 致，数据共享困难。许多传统通风管理信息系统软件只是将相关的信息建成数据库， 供 相关人员统计、查询使用，没有与通风系统图相结合、不直观，当通风系统发生了改变， 很难及时的在系统中进行编辑、修改等操作，通风网络图与属性数据库之间没有很好的 联系。进行网络解算等操作后，所得的数据结果不能在系统图中反映出来，需有一定程 度专业知识的人才能很好的理解， 其操作专业要求高， 影响人们对通风系统的实时管理。 有些基于 MapInfo 等成熟软件上开发的通风管理系统， 其开放性和开发程度受软件本身 的限制[40]；对于采空区漏风分布的分析系统大多数都把采空区当作一个静止的对象， 孤 立的模拟采空区漏风分布规律，不能完全反映采空区的实际情况。 以上不足是本研究的出发点，本人将在前人研究的基础上，结合采空区是一个与矿 井通风系统紧密相连的动态发展的空间的实际， 建立起矿井通风系统与采空区漏风之间 相互关联的计算模式，研究采空区漏风分析可视化系统。 1.3 基于 GIS采空区漏风分析思想的提出 1.3.1GIS在煤矿安全管理中的应用 自 20 世纪 80 年代以来，GIS 在煤炭行业的以下领域有所应用[20]①用于矿床地址 勘探；②用于矿产资源管理；③用于矿山建设和设计决策；④用于矿山安全生产管理； ⑤用于井下灾害和环境分析。其中 GIS 在煤矿安全管理中的应用研究主要有 （1）秦跃平[41]等人研究的基于 MapInfo 的通风管理信息软件。使用 GIS 平台提供 的开发工具进行开发，功能受到限制。 （2）刘剑研发的矿井通风软件仿真软件是从底层开发的，由于从底层开发的矿井 通风系统， 图形软件功能相当有限， 有的仅具备图形的显示功能， 而几乎没有空间分析、 坐标投影和图形编辑等功能 [42]。 （3）毛仲玉[43]等通过分析地理信息系统GIS具有对海量数据和空间信息进行有效 管理的特点和优势，利用 GIS 对矿图进行管理，并提出了应用 MGIS 技术来对煤矿灾害 事故的预测、预报工作。 （4） 西安科技大学贾澎涛[33]的 基于 WebGIS 的矿井安全可视化交互系统的研究。 开发了矿井专用的地理信息系统控件 MMap， 并在 MMap 基础上构建矿用矢量图形系统 等功能。 （5）郝天轩[44]等提出了采用 Visual C6.0 作为软件开发平台，利用美国环境系统 研究所（ESRI）的 GIS 控件，结合 GIS 原理与方法、瓦斯地质理论和可视化理论等开 发了瓦斯突出区域预测可视化系统， 初步实现了对构造软煤发育区和瓦斯富集区进行图 形叠加分析的功能。 （6） 齐敏菊[45]研究选择了 MapInfoVisual BasicMapX 作为软件的开发工具， 建立 1 绪论 7 了基于 MapX 组件的矿井通风管理信息系统软件模型， 结合实际应用和可行性分析将软 件划分为煤矿通风系统图的操作、阻力测定数据处理、煤矿主要通风机装置测定数据处 理及矿井通风网络解算等功能模块。 （7）牛聚粉[46]等通过分析煤矿生产对可视化技术的需求，提出了综合运用多媒体 技术、地理信息系统技术、人机工效学等安全系统知识，开发设计符合人类认知规律的 煤矿安全生产地理信息系统。使与煤矿安全生产相关的地物在矿图上各归其位，其空间 信息与属性信息可以关联显示，且可将属性数据转化为可以一目了然的可视化图形， 或 能通过文本、图片、视频等方式显示。 1.3.2 我国煤矿安全生产形势和采空区漏风模拟 我国煤炭行业安全生产形势在我国工业生产中最为严峻， 煤矿事故起数和死亡人数 历来占据着全国生产事故总量和伤亡总量的大头。我国煤矿灾害防治能力不足，防灾系 统不健全；全国煤矿科技支撑能力不足，煤矿基础设施和安全保障能力不能满足国民经 济高速发展对煤炭能源的需求；煤矿安全基础理论研究也比较薄弱，灾害防治的许多技 术难题没有得到突破，先进适用的灾害防治技术没有得到全面推广应用；我国煤矿安全 管理水平低，管理技术手段比较落后，大多煤矿仍然停留在事后总结教训的被动管理模 式上，安全管理体制有待完善，社会制约机制亟待建立[47,48]。 回采工作面上隅角瓦斯积聚和采空区遗煤自燃等采空区灾害问题主要是由于采空 区漏风所引起的。加强采空区漏风分布的研究和分析，不仅是安全科学研究的事故预防 前瞻性关键技术，也是我国目前煤矿安全形势所紧迫的研究课题。一个安全、可靠、 经 济、实用的采空区漏风分析系统，对保证井下安全生产有重要意义。 在生产矿井中，通风网络一直处于动态变化状态，通风网络结构和分支风阻的变化 都会对风流的大小和方向产生一定的影响，随之也会对采空区漏风分布产生影响。即随 着采掘工作面向前推进或者转移，通风网络中风网的结构和风阻都将发生相应变化， 风 网内的风流也随之变化，本系统的研究是在矿井通风系统网络解算的基础上，对采空区 漏风分布进行的模拟分析。 因此本人借鉴国内外相关研究成果，在前人相关研究的基础上，结合煤矿通风安全 管理工作的实际情况， 依据地理信息系统具有对海量数据和空间信息进行有效管理的特 点和优势， 综合运用面向对象的可视化开发语言和地理信息系统开发采空区漏风分析系 统， 为管理者和决策者制定采空区灾害分析与预测和防灾减灾政策提供先进的技术手段 和科学支持。 1.4 本文的研究内容和技术路线 西安科技大学硕士学位论文 8 1.4.1 研究目标 采空区漏风分布情况是煤矿通风安全管理的一项重要环节。 采空区漏风风流分布与 所处的工作面通风环境有关，而工作面通风又跟矿井通风系统密切关联，本系统力求根 据矿井生产一线信息以及通风系统的相关信息，实现及时、准确、直观、高效地以图、 文并茂的方式将采空区漏风分布信息提供给煤矿通风安全管理者， 从而为煤矿通风安全 管理者进行各种安全生产信息统计，分析事故发生的原因，预测可能发生的事故提供有 力的信息技术支持，从而更好的防治采空区漏风所引起的各种灾害事故，更好地指导矿 井安全生产，提高煤矿的通风安全管理水平并取得良好的社会经济效益。 1.4.2 研究内容 本课题将煤矿采空区漏风分析与矿井通风网络解算关联起来， 在 MapX 环境下对采 空区的漏风分布进行了可视化实现研究。 通过对崔家沟煤矿通风系统及采空区漏风分布 的模拟计算，实现煤矿大的通风系统的整体管理，以直观、快捷、整体、方便地显示、 输出煤矿通风系统相关参数信息， 风网解算结果的可视化显示和采空区漏风分布规律可 视化显示等。 模拟结果对于防治工作面上隅角瓦斯积聚和采空区的遗煤自燃都具有理论 探索价值。 本研究根据国内外通风管理信息系统的研究现状和针对煤矿通风安全信息多而复 杂的特点和煤矿采空区的实际情况，收集煤矿通风管理系统的相关资料和数据，并对煤 矿生产实际条件进行了调查、了解。同时本系统将技术人员从繁杂的图纸处理、数据计 算和管理工作中解放出来，充分发挥计算机的管理功能、交互式绘图功能和解算结果可 视化功能，提高了矿井通风管理的现代化进程。 1.4.3 技术路线 本研究以面向对象的可视化开发语言 Visual Basic 6.0 和 MapX 组件为开发平台， 以 MapInfo 为辅助分析工具，开发基于 Windows 操作系统的采空区漏风分布可视化系统， 本系统可以作为煤矿通风安全管理信息系统的一个子系统。它与矿井通风网络紧密相 连，利用系统化的方法开发和设计，对采空区进行网格化处理，并对网格化模型进行通 风网络解算，分析采空区漏风分布规律，预防由采空区漏风引起的灾害事故的发生、 促 进煤矿安全生产。在系统开发过程中，涉及的主要内容有以下几个方面 （1）对煤矿采空区进行基本假设，建立采空区网格化模型； （2）通风安全基础数据库的建立，以及数据库和通风网络图之间的链接和数据库 之间的链接； （3）利用 MapX 组件方法，实现基本图元的绘制和浏览工具的创建，并且当鼠标 1 绪论 9 漫游时，能实现相关通风参数的实时显示； （4）采空区通风网络解算各个计算模块的建立，并编程实现； （5）采空区网格模型的风网解算结果能够以表格化形式输出，并能以各种直观的 专题图显示，实现采空区漏风分布可视化； （6）把本文所开发的可视化系统运用于现场实例应用，并进行结果分析。 综合上述内容，整个论文研究的技术路线如图 1.1 所示。 收集整理归纳相关文献资料 需求分析 总体设计 开发 平台 与工 具的 选择 数 据 库 设 计 功能分析与设计 采空区 漏风分 布结果 输出功 能模块 设计 空间数据库与属性数据库的链接 系统开发 具体实例应用及结果分析 矿图 管理 模块 设计 采空区 风网解 算功能 模块设 计 图 1.1 技术路线图 1.5 本章小结 本章首先就论文的选题背景进行了说明，简要介绍了我国煤矿安全概况，指出我国 煤矿安全形势仍比较严峻。叙述了采空区漏风所引起的灾害事故的危害性，提出对采空 区漏风分布规律进行研究的必要性和重大意义。其次，综述了当前国内外采空区漏风分 西安科技大学硕士学位论文 10 布状态研究现状，分析了现有系统的不足，介绍了现阶段 GIS 在煤矿安全管理中的应用 和 GIS 的应用优势，分析了基于 GIS 的采空区漏风分析思想的提出背景， 指出了开发运 用 MapX 组件的基于网络解算的采空区漏风分析系统的重要性和必要性， 最后明确了本 论文研究的研究目标、主要内容以及技术路线。 2 GIS、组件式 GIS 与 MapX 应用技术 11 2 GIS、组件式 GIS 与 MapX 应用技术 2.1 地理信息系统 2.1.1 GIS简介 地理信息系统[49]（Geographic Ination System，简称GIS）是以采集、存储、管 理、描述和分析地球表面及空间和地理分布有关数据的信息系统。是20世纪60年代发展 起来的一门新技术，它涉及资源学科、测绘学科和计算机技术等多个学科领域。 地理信息系统的最大特点是对地理信息尤其是空间信息和图形图像信息具有良好 的管理功能。地理信息系统是以地理空间数据库为基础，对空间相关数据进行采集、 管 理、操作、分析、模拟和显示,并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的 地理信息，为宏观和微观的地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统[50]。 2.1.2 GIS在国内外的应用 在美国及其他一些发达国家，地理信息系统的应用涉及资源保护、城市规划建设、 政府管理、环境保护、灾害预测、投资评价等众多领域[51]。地理信息系统为人类由客观 世界到信息世界的认识以及由信息世界返回客观世界的利用改造，创造了良好的环境。 （1）GIS 的国外应用研究 地理信息系统是 20 世纪 60 年代中期开始逐渐发展起来的一门新的技术。 纵观地理 信息系统的发展，尤其是地理信息系统发展较早的地区如北美地区的实际情况，可将地 理信息系统的发展分为以下几个阶段 1963 年， 加拿大为了开展土地资源调查而建设了世界上第一个地理信息系统加 拿大地理信息系统CGIS。之后随着计算机技术的高速发展 GIS 也随之不断的发展， 并 且该技术在许多国家和地区的多个领域得到广泛且迅速的推广和应用 [51]。 到了 70 年代，GIS 开始向着实用化的方向发展，在自然资源的规划和管理方面已 经有了重要的应用。另外，一些经济发达的国家先后建立了各种专业性 GIS [52]。 80 年代则是 GIS 理论、方法及技术逐步成熟，并开始进入推广、普及的阶段。在 这个时期内， 地理信息系统的应用已经从自然资源基础信息规划与管理扩大了到对跨行 业、 跨地区的综合问题进行的管理、决策和分析，并且与遥感