矿山巷道通风系统的三维动态模拟.pdf

SeriesNo. 394 April 2009 金 属 矿 山 METAL M I NE 总第394期 2009年第4期 3 矿井地质综合制图软件研发项目编号 O741021G02 ,大型油气 田及煤层开发国家科技重大专项2008ZX05039 - 004。 侯 伟1984 , 男,中国矿业大学资源学院,硕士研究生, 221008, 江苏省徐州市。 安全与环保 矿山巷道通风系统的三维动态模拟 3 侯 伟 1 宋现锋 2 李 成 1 谭海樵 1 1. 中国矿业大学; 2.中国科学院研究生院 摘 要 利用矿山巷道高程导线点数据与二维巷道地图数据,提出了三维巷道空间拓扑关系的自动建立方法 和空间拓扑支持下的风网动态解算算法。矿山巷道通风系统的实现采用了开放源代码GIS软件技术与商业软件 技术相结合的实施方案,实现了巷道数据的管理、 网络拓扑的快速建立、 通风过程的模拟求解、 以及计算结果的可 视化。其中, GDAL /OGR用于读写空间数据库, Boost Graph与MTL用于构建拓扑分析与风网解算的算法库,而 ArcGIS Engine则用于矿井通风系统的可视化以及通风网络参数的管理。 关键词 巷道通风 三维拓扑 图论 ArcGIS Engine 3D Dynam ic Si mulation of UndergroundM i ne Ventilation System HouWei 1 Song Xianfeng 2 Li Cheng 1 Tan Haiqiao 1 1. China University of M ining 2风网解算模块,包括拓扑回路分析、 风压/ 风量平衡方程解算基本关联矩阵解算方法、 矩阵 雅克比迭代计算方法 ; 3三维巷道通风网络的可视化查询分析模 块,该部分用二次开发工具AcrEngine实现了巷道 网络的平面,三维显示、 属性查询和编辑功能。 921 2 三维巷道拓扑关系的自动建立 风网计算中将巷道看成线型,网络的组成主要 依据线拓扑结构,平面数据模型在通风网络数据的 表达及分析中存在明显的缺陷。如在平面投影中2 巷道相交,而在三维空间中2巷道可能不存在交点。 目前的GIS软件仅能处理二维拓扑数据,无法计算 三维线状要素的拓扑关系,本研究在二维巷道分布 图的基础上,利用高程采样点拟合出三维巷道空间 分布,参考GIS二维拓扑关系的实现方式,建立了三 维巷道拓扑关系的数据结构与组织模式。 2. 1 三维巷道的数据结构与组织 在通风网络建模中,采用弧段双向链表数据结 构,弧段组合成网络,节点由弧段连接。通风巷道、 通风节点和通风设施等是矿井通风系统的基本要 素,节点是通风巷道的交点或巷道的端点 [10 ]。同时 结合沿巷道方向的高程导线点将二维巷道拟合出三 维巷道的空间分布,具体拓扑数据结构如下所示 Struct TopoPoint { Intm I D ; / /节点标识号 Double mElev; / /用保存该高程采用点的高 程 } Struct TopoLine { Intm I D ; / /弧段标识号 IntmHeadNodePoint I D ; / /弧段开始节点 IntmTail NodePoint I D ; / /弧段结束节点 TopeNodeListmNodeList ;/ /弧段上包含的所 有节点 } 节点作为通风巷道的拓扑结构元素,用起始节 点和终止节点来定义巷道中的风流方向。弧段表示 巷道,其属性表包括标识号、 巷道名称、 始节点、 末节 点、 断面 m 2 、 风阻 N sm - 8 、 风量 m 3 s - 1 、 风压Pa和风机特性曲线参数。标识号是唯一标 识空间数据及其属性数据I D号;始末节点的方向表 示巷道通风系统中风流通的正方向;风量和风压值 初始值为非零表示其为固定风量的分支,网络计算 后得到的风量为正值表示该分支的风向与巷道通风 正方向相同,负值则相反;风机特性参数为非零则表 示该巷道分支含有风机。 2. 2 三维巷道拓扑关系的建立过程 2. 2. 1 原始数据处理 原始图形数据是对双线巷道的中心线进行数字 化,同时对沿巷道的测量导线点进行数字化采集,分 别建立包含巷道平面分布的线图层和包含巷道高程 信息的点图层,这样的矢量数据不包含任何空间拓 扑关系。如何由这些简单图形数据提取出三维巷道 拓扑关系,是精确进行风网解算的关键。 2. 2. 2 二维巷道的高程拟合 二维巷道的高程信息赋值方法如下首先在X - Y平面内找出沿巷道分布附近的所有高程控制 点。 将高程控制点投影至X - Y平面,计算所有点到 所求巷道的距离,若距离小于设定阈值,则认为该点 为所求巷道的高程点,录入点集。 然后根据最小二乘 法拟合出点集中坐标Z与X, Y之间的关系,得出关 系式Z aX bY c。 最后将所求巷道上的点坐标 X, Y代入上式,可得到巷道上所有点的空间Z坐标 值,即三维巷道的空间分布。如图1所示。 图1 三维巷道的高程拟合 2. 2. 3 三维巷道的拓扑关系建立 地下巷道分布图是由基本几何图形构成的矢量 图,包括点、 直线/折线、 弧等。几何图形之间的连 接依据分为3种点与其他图元的连接关系、 直线/ 折线与其他图元的连接关系,以及闭合图元之间的 连接关系。在实际处理中,弧和可以用折线来等价, 折线是线段之间通过节点相连,所以整个巷道的拓 扑其实是点与线段的连接关系,图元的连接关系的 判断依据为 1线段a与b端点之间的距离d小于某一阈 值,则将端点2,4合并为同一节点,见图2 a ; 2线段a的端点3与折线b之间的距离d小于 某一阈值,则将端点3,5合并为同一节点,见图2 b。 通过将井下高程导线点数据拟合到二维巷道 上,将二维巷道平面分布映射至三维空间,在三维空 031 总第394期 金 属 矿 山 2009年第4期 间分析各节点与巷道、 巷道与巷道的空间关系,建立 了巷道空间分布的三维拓扑模型。三维巷道拓扑关 系建立程序是使用C/C 和GDAL /OGR实现的, 内存中以弧段双向链表存储三维巷道拓扑关系,而 硬盘上则存储于ArcView GIS的Shape及属性表中。 图2 三维矢量数据空间关系 3 图论支持下的风网解算模型 3. 1 风网解算基本模型 对于一个具有N条支路、J个节点的风网来说, 解算的基本模型 [11 ]为 AQ ∑ N j1 aijqj0 i 1,2,⋯, J -1 , 1 式中,A为基本关联矩阵; Q为支路风量向量, Q [q1, q2,⋯, q3] T; qj为支路的j风量,m 3 /s; aij 1结点i为j分支的末结点,即风流流入该结点; -1结点i为j分支的末结点,即风流流出该结点; 0结点i不是j分支的端点。 式1称为节点风量平衡方程,简称节点风量 方程。 它含有J -1个独立方程。 BH ∑ N j1 bijhj0 i 1,2,⋯, N - J 11 2 式中,B为基本回路矩阵; H为支路风压向量, H [h1, h2,⋯, hN ] T; hj为支路的j风压,Pa ; bij 1j分支包含在l回路内,并与回路方向相同; -1j分支包含在l回路内,并与回路方向相反; 0j分支不包含在l回路中。 式2称为回路风压平衡方程,简称回路风压 方程。 它含有N - J 1个独立方程。 hj rj- aj q 2 j - bjqj- cj hzj j 1,2,⋯, N ,3 式中,hj为支路j的风压,Pa;rj为风路j的风阻,N s 2 /m 8 ;hzj为支路j的热风压,Pa,包括自然风压和火 风压; aj, bj, cj为风机特性参数。 式3称支路特性方程。它所包含的N个方程 都是独立的,互相不能代替。以上3个公式联合可 得到2N个方程,因而可以解出N条巷道上的风量 和风压值。 3. 2 风网模型的拓扑网络 风网解算的实质是以图论为基础,以风量平衡 定律和风压平衡定律为依据,建立网络拓扑图,采用 最小生成树算法将通风网络图划分出树支和连支, 确定基本回路方程。因此,上节的三维巷道拓扑网 络是风网解算的基础,拓扑网络质量决定了风网模 型的求解精度。 计算过程中,风机所在支路选为连支,避免了把 风机特性方程卷入其它回路方程中,而仅出现在其 所在连支回路中。利用图论的最短路径算法,遍历 出每条连支相连通的树枝,构成封闭回路。根据风 量和风压平衡定律,列出所有回路的多元非线性方 程组,利用牛顿法解方程组。本研究在利用Boost . Graph [12 ]和 MTL [13]开源库 ,实现了拓扑分析与非线 性方程组解算算法,具体过程如下 1应用Boost . Grap中Dijsktra最短路径算法 和Kruskal最小生成树算法,对风网拓扑图求解最小 生成树,写出基本回路矩阵B。 2对连支赋初始风量值 QlL, l 1,2, ⋯, N-K 1, L为常数矩阵。 3写出回路变换,用连支风量表示出所有支 路风量 Q B TQ l1 4 4根据式3写出支路特性方程,得到各支 路风压与风量的关系。 5把支路特性方程代入回路风压平衡方程 公式2 ,列二次多元方程组。 6对每个方程式分别按泰勒级数展开,舍去 含Δq的二次项和高次项,则可列出其第 K次迭代的 牛顿方程组,解出回路风量校正向量 A KΔQK l - B K K 0,1,2,⋯ , 5 式中,A K 为雅克比矩阵;ΔQ K l为回路风量校正向量; B K 为回路风量闭合差向量。 7计算支路风量修正的最大值判别收敛条 件 max | ΔQ K l | ε1 6 若最大回路风量修正值小于阈值,则跳出循环, 输出风量值;否则计算回路风量的近似值 Q K1 l Q K l ΔQ K l1 7 重复步骤2～ 7 , 直到满足7式的条件为 止。 8在得到各个支路的风量后,再次代入支路 下转第171页 131 侯 伟等矿山巷道通风系统的三维动态模拟 2009年第4期 减水剂掺量为水泥量的0. 8 ,葡萄糖酸钠缓凝剂 掺量为水泥量的0. 03的配方,可制得各项性能指 标符合JC/T 4222007非烧结垃圾尾矿砖 标准 要求的MU15级铁尾矿免烧砖。 2对于干压成型制砖工艺,适当掺入萘系高 效减水剂和葡萄糖酸钠缓凝剂,可改善拌合料的和 易性,减少拌和用水量,有利于密实成型。 3萘系高效减水剂与葡萄糖酸钠缓凝剂的掺 入,在水泥用量不变的情况下可提高砖的强度,在砖 强度不变的情况下可减少水泥用量,节约成本。 参 考 文 献 [1 ] 邢 国,杨家宽,侯 健,等.赤泥粉煤灰免烧砖工艺配方研究 [J ].轻金属, 20063 24227. [2 ] 许光辉,马小娥.赤泥、 粉煤灰免烧砖的性能研究[ J ].砖瓦, 20076 50251. [3 ] 高春梅,邹继兴.镁质矽卡岩型铁矿尾矿免烧砖[J ].河北理工 学院学报, 20034 127. 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