矿井通风仿真系统数学模型.pdf

第卷增刊辽宁工程技术大学学报 年月 文章编号 一 增刊 一一 矿井通风仿真系统数学模型 贾进章 , 刘剑 , 耿晓伟 辽宁工程技术大学资源与环境工程学院 , 辽宁阜新仪幻 摘要 系统地研究确定 了仿真系统三要素 , 即通风系统 、 数字模型 、 计算机 。 与国内外类似成果相比较 , 角联风路 自动识别 、 网 络简化以及风网特征 图自动绘制是该仿真系统所独有的特殊功能 。 系统采用的基于 网络最小调节功耗概念的网络优化调节通路法 , 该 法既不 同于线性规划法也不同于非线性规划法 。 在环境下实现了通风仿真系统的可视化 。 关键词 通风网络仿真角联风路网络简化风网特征图 中图号文献标识码 一,,一 , , ’ 劝 , ,,, , , , 而 , ,一 三维流场 石 ,,, ,,, 丁 ,,, 公 一 件 ︸ 记 、 引言 目前 , 许 多矿井曾历经多期改造 , 通风系统 与设计差别较大 , 通风安全的管理相 当复杂 。 鉴 于这种情况 , 本文提出 了矿井通风仿真系统数学 模型 , 开发了用于通风设计 、 管理及灾变时期进 行辅助决策的矿井通风仿真系统 , 该系统 包含有角联风路 自动 识别 、 网络简化 、 矿井风网 特征图 、 风机特性 曲线次拟合 、 最优化调节等 国内外类似系统所不具备的特殊功能 。 仿真模型 风流在井巷 中流动其速度丽 , 密度 , 压力 及温度是 时间及空间 ,, 函数并构成一 ,,, 如 果 不考虑风流在横断面上的变化 , 则空 间 ,, 可简化成一维线性变量 。 在一维情况 下其连续方程 、 运动方程 、 能量方程 、 状态方程 分别如式 、、、 所示 、, 子、 夕 ,一 , ,、 矛、 、 击 零 、 ‘ 一 二一下一 公 一 由 收稿日期 一 一 作者简介贾进章 一, 男 , 河北 石家庄人 , 讲师 , 博士研究生 。 本文编校孙树江 增刊贾进章等犷井通风仿真系统数学模型 口 一寸一 十 、少 、、 ‘ ‘、 人一 糕 ’ 了 广蘸 彻 式 甲 , ’ 。 式中如 ‘可 以是 自然风压 , 火风压以及风机风压等 附加等效风压值 。 网络分风采用迭代法 ’, 回路风量校正 式为 在一维稳流情况下风流运动方程可写成 二二 一行 一十一厂 比 少 由 口 △ 左 一 艺 ‘气 刀 艺 ,, ,, ⋯ , 一 用集合表示的通风网络为 , 综合阻力的一阶导数 , 用 , , ⋯ , ‘, ⋯ , ,, ⋯ , , , ⋯ , 式中 坷为风路 式计算 , 包括风机 、 风机模型为 自然风压 、 火风压 。 、少、产 之 式中 , 为通风网络为风路集合为节 点 集合 , 为第个风路 ‘为第 个节点为风 路总数为节点总数 。 文中黑体字符表示集合 。 各风路的风量 、 风阻及阻力的集合表示为式 。 一 竺 尺一 , ,一 。 。,、 圣 、 圣 。 。、 件厂 了 ,, ⋯ ,, ⋯ ,。 几 , ⋯ , 不 , ⋯ , 凡 , , ⋯ ,, ⋯ , 。 风路风阻 , 阻力的计算式为 。。 , 紊流 ‘ 。、 , ,, 二 、 ’ ’ 一乙 八 汀 , 层流 匆风机风压 。一, 风机特性曲线方程的常数 项 , 采用次方程可以将扇风机不稳定工作区段 及风机反转区段 的特性进行拟合风机风量 , 扇风机装置及机站漏风量网络风量 , 即有 效风量扇风机站等效的漏风风阻指数值 , 一 。 表矿井通风仿真系统三要素 而 通风系统数字模型 计算机 井巷增减如开掘新井巷报废老井巷工 作面贯通工作面报废及封闭等等 ①在视窗中选择或新建节点对象②新建 风路对象③设置节 点及风路对象属性 。 当’之 十 时注 意风路的原始对象被两个 新建对象代替 。 风路减少 时 , 在视窗中去 掉对应风路即可 , 节点可不变 。 井巷断面积增大减小形状变化支护 方式变化 夕幼夕 , 风路增加时分为种情况 , 舰 ‘ , 脚 , 功 , , , , ,二 , 风路减少时对应节点可 以不减 断面大小及形状对应 , 支护方式对应 。 二 ‘, 在视窗中选择对应 , 改变‘值 巷道冒落矿车堵塞井巷有堆积物设 置风 门 、 风窗等构筑物拆除风门 、 风 窗 等构筑物增大风窗面积减少风窗面积 等等 井下或地面安装风机井下或地面拆除风 机风机串联风机并联 发生变化的风路为 , 对应风路局部风阻 。发 生变化 在视窗中选中 , 改变 几值 在视窗中选中价并设置有无风机标志 在风机库中选择 五 改变风机叶片角度 火风压自然风压 有风机时 , 式中的如包括式 。 风机并联风压相等风量相加 , 风机 串连风量相 等风压相加 改变 。一, 如 ‘的组成部分 , 注意方向 改变风路对应的风机名称 直接给值或计算 辽宁工程技术大学学报第卷 金川有色金属公 司二矿区通风仿真系统三要 素如表所示 。 角联风路分析与网络简化 角联风路 的识别及其稳定性分析是矿井通风 系统稳定性与可靠性理论中的核心内容之一 。 该仿真系统嵌入 的角联风路 自动识别模块采 用通路集合运算法 。 它不仅能够识别哪一条风路 是角联而 且能够给出影响角联风路 的关联风路等 角联结构七元组 , , 。 网络自动简化技术是分析通风网络的强有利 工具 。 网络简化对提高计算程序的运算速度以及 降低计算机内存占有量也具有重要意义 。 在通风 网络按需调节 的通路法 、 计算机 自动识别角联结 构等方面都涉及到通路 的计算问题 , 有时分支增 加条有可能导致通路总数的成倍增加 , 所以对 网络进行自动简化处 理具有非常重要的意义 。 具 体网络简化模型及程序设计原理见文献【 〕 。 风网特征图 所谓风 网特征图就是通风网路 中的每一条风 路用一矩形框来表示 , 并按网路的拓朴关联关系 排列起来 。 矩形框 的宽等于该 风路的风量 , 高等 于该风路的阻力 , 矩形面积等于该风路 的功耗 。 风网特征图的性质及自动绘制原理见文献【 。 风网特征图对管理矿井通风系统具有独到的 强大功能 , 所 以该仿真系统也嵌入了风网特征 图 自动绘制模块 。 优化调节及仿真系统可视化 矿井通风仿真系统的一项重要功能就是确定 网络最优调节方案 , 最优的调节位置及个数能使 矿井扇风机功耗最小 。 采用的最优调节方法 是通路法 , 与传统的线性规划或非线性规划相比 , 它首先确定网络 的最小调 节功耗 , 然后用通路法 来实现这种优化调节 。 该仿真系统采用面向对象程序设计方法 , 在 环境下编程 。 采用作为 仿真系统 可视化开发平台模块 , 数据处理在后 台 进行 。 仿真系统主要功能 矿井通风仿真系统充分考虑了仿真系统三要 素 , 具有通风设计 、 计算 、 管理 、 辅助决策等多 方面功能 。 主要体现在以下几方面 。 通风仿真数据库的建立和维护 。 通风仿 真数据库包括通风网络拓扑与参量数据库 、 节 点 数据库 、 风机数据库和构筑物数据库 , 这 四个数 据库之 间相互关联 , 可对数据库中字段和记录进 行添加 、 删除等维护工作 。 可进行风机 、 构筑物和网络 结构仿真 。 风机仿真包括改变风机位置 、 增减风机 、 改变风 机特性曲线等 , 同时可对风机特性 曲线进行数据 拟合和绘制 。 构筑物仿真包括构筑物位置变化 、 类型改变和数量增减等 。 网络结构仿真包括插入 节点 、 增加风路和删除风路 。 可进行自然分风和按 需分风 。 自然分风 包括无初始风量法和有初始风量法 , 按需分风通 路增阻法和回路增阻法 。 可进行风网特征 图绘制 、 角联风路 自动 识别 、 网络简化和通风系统最优化调节 。 数据处理系统 。 可处理测阻数据 。 仿真系统可视化 。 可进行风流方向自动标 注 、 通风参数标注和查询 、 巷道和节点的查询等 。 结论 中的角联风路 自动识别系统能够确 定影响角联风路稳定性的关联风路及构筑物 , 从而 明确通风系统的管理重点 , 确保系统安全可靠 。 风网特征图自动绘制功能配合矿井风流 状态仿真 , 对矿井通风 设计 、 管理及灾变决策具 有极其重要的意义 。 在环境下实现的可视 化 , 可与采矿工程图的绘制 , 修改及管理 结合起 来 。 参考文献 刘剑 , 贾进章 , 郑丹 流体网络理论【北京煤炭工业出版社 , 贾进章 , 周西华 , 刘剑风机特性曲线数据拟合最佳次数的确定 辽宁工程技术大学学报 , 仪旧 ,一 刘剑 , 李舒伶角联风路 自动识别中国安全科学学报 , , 一 刘剑 ,王洪德,徐瑞龙 矿井角联风路的自动识别与处理煤炭科学 技术 , ,一