有源风网模型及其应用计算.pdf

第 35 卷增刊煤炭学报Vol． 35Sup． 2010 年8 月 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYAug．2010 文章编号 0253 －9993 2010 S0 －0118 －05 有源风网模型及其应用计算 李 宗 翔 辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院， 辽宁 阜新123000 摘要 针对矿井 3D 通风网络上存在 瓦斯涌出和火灾等 外源气体涌出的风网表达的问题， 提出 了有源风网的概念， 建立了基于有源风网的数学模型。给出了风源的点源和线源的模型和转换计 算方法。用 MATLAB 语言编制了有源风网的仿真计算机程序 简称 TFM ， 通过对瓦斯涌出和瓦斯 突出两个算例的通风系统模拟， 计算结果依然满足风量平衡、 风压平衡和通风阻力等 3 个基本定 律。 关键词 有源风网; 3D 风网图; 风源; 通风仿真 中图分类号 TD725文献标志码 A 收稿日期 2010－01－18责任编辑 毕永华 基金项目 国家自然科学基金资助项目 51074086 ; 辽宁工程技术大学博士启动基金资助项目 2007 －70DZ79 作者简介 李宗翔 1962 ， 男， 黑龙江绥化人， 教授， 博士。E － mail lizx6211163. com Containing the source ventilation network model and its application LI Zong- xiang College of Safety Science and Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin123000， China Abstract Based on the problem of ventilation network expressing in 3D ventilation work of coal mine when the foreign gas emits gas emission， fire， etc． ， proposed the concept of active ventilation network， established the mathematical model which was based on active ventilation network． The model and conversion of the point source and line source of air source were given． Compiled with the MATLAB for active ventilation network simulation computer pro- gram referred to as TFM． Through the simulation of ventilation system two examples of gas emission and gas outburst， the results still meet three basic laws the balance of air volume， pressure balance and ventilation resistance． Key words active ventilation network; 3D ventilation network diagram; wind source; ventilation simulation 通风网络图 以下简称风网 是矿井通风系统分 析的工具， 从表达形式上， 在运用计算机进行管理和 仿真计算的新形势下， 目前已从传统的平面图过渡到 真实表达矿井的 3D 风网图， 甚至达到三维动态描绘 阶段 ［1 －4 ］。实际上， 矿井巷道围岩壁不同于完全隔绝 的 “管道壁” ， 而存在一定的气体渗出 或吸附 ， 所 以， 从严格的物理意义上说， 矿井通风网络不属于纯 粹的、 理想的风网， 这里将其称为有源风网; 所谓有源 风网是指在节点上或巷道分支上存在外源气体涌出 的一类通风网络。有源风网中的气体涌出量称为风 源或简称源 如果存在网内气体吸附则称为汇 ， 一 般用质量流量表达， kg/s。煤矿的外源气体主要包 括 瓦斯及有害气体涌出、 火灾时产生的烟气等。 风源按规模大小一般可划分为弱源和强源 弱源 是指相对于风流量缓慢释放的一类源， 如巷道瓦斯及 有害气体正常涌出; 强源是指相对于风流量剧烈释放 或喷出的一类源， 如矿震引发巷道瓦斯及有害气体的 异常涌出或煤与瓦斯突出、 矿井火灾燃烧产生大量的 烟气。所谓的弱源和强源仅仅是考查尺度上或处理 方法上的差异， 在计算上， 强源与弱源的本质区别在 于是否能够导致风流逆流或逆退， 如瓦斯突出导致的 矿井风流的逆流、 矿井火灾烟流产生的逆退 ［5 －7 ］ ， 这 也是强源的特征。可见， 有源风网理论在风网灾害描 述与分析运用上更贴近实际需要。 1有源风网风流质量 －能量平衡方程与数学 模型 有源风网中的风源按发生方式和发生位置可划 分为分支风源和节点风源， 如煤巷道瓦斯涌出就属于 典型的分支风源 弱源 ， 瓦斯突出则属于节点风源 增刊李宗翔 有源风网模型及其应用计算 强源 ， 对于煤矿而言， 往往分支风源和节点风源可 同时出现。 有源风网 考虑质量源汇项 的质量平衡方程为 AM A*W D 1 A a11a12a1n a21a22a2n  am－1， 1am－1， 2am－1，             n ， M M1 M2  M             n ， W W1 W2  W             n ，D D1 D2  Dm－             1 式中，A ［ aij］ m －1 n称作基本节点关联矩阵， 当 i 节点是 j 分支起点， aij1， 当 i 节点是 j 分支末点， aij －1， 否则， aij0;M ［ Mj］ n 1为通风质量流量向 量， Mj为 j 分支风流的质量风流量， kg/s， 其中， M j ρ j Qj; Qj为 j 分支风流的体积风流量 风量 ， m3/s; ρj 为 j 分支风流的密度， kg/m3;D ［ Di］ m －11为节点源 项 向量 ， Di为节点风源， 在 i 节点上源项的 瓦斯涌 出或因火灾产生气体 质量流量， kg/s;W ［ Wj］ n 1 为分支源项 向量 ， W 代表分支弱源， Wj为分支风 源， 在 j 分支上源项的 瓦斯涌出或因火灾产生气体 质量流量， kg/s; A*［ a* ij］ m －1 n称作基本节点汇集 矩阵， 当 aij －1 时， a* ij 1， 否则， a* ij 0。 可见， 有源风网与普通风网的最大不同， 就是有 源风网中质量平衡方程右端项不是零， 而是源汇项。 对于分支弱源情况， 可将式 1 改写成 ∑ n j 1 aijMj∑ n j 1 a* ijWj Di i 1， 2， ， m － 1 2 当忽略分支弱源， 或能够把分支强源直接转化为 节点风源时 ∑ n j 1 aijMj Di i 1， 2， ， m － 1 3 式 1 的表达从方程的形式上是完备的， 所以， 从广义上， 有源风网 网络 是网络的一般形式， 普通 网络 齐次方程 只是一般形式的特例。 有源风网的能量 风压平衡方程 平衡方程为 BH BHf BPe B b11b12b1n b21b22b2n  bn－m1， 1bn－m1， 2bn－m1，             n ， H h1 h2  h             n ， Hf hf， 1 hf， 2  hf，             n ， Pe pe， 1 pe， 2  pe，             n Z1， 1－ Z1， 2 ρ 1g Z2， 1－ Z2， 2 ρ 2g  Zn， 1－ Zn， 2 ρ n             g 式中，B ［ bsj］ n － m 1 n为基本回路矩阵， 当 j 分支是 s 回路同向分支， bsj1， 当 j 分支是 s 回路反向分支， bsj －1， 否则， bsj0; H ［ hj］ n 1为风压向量， hj 为 j 分支上的风压差， Pa， 考虑分支风流方向， 有 hj RjQj |Qj| 或者 hj RjMj| Mj | /ρ 2 j;Hf［ hf， j］n 1为风机风 压向量， hf， j为 j 分支上的通风机风压， Pa; Pe ［ pe， j］ n 1为位压向量， pe， j为 j 分支上的位压差， Pa; 即 pe， j Zj， 1－ Zj， 2 ρ jg， 其中 Zj， 1、 Zj， 2分别为 j 分支的 起、 止节点标高， m。 那么 ∑ n j 1 bij hj－ pe， j－ hf， j 0 或 ∑ n j 1 bij［ RjMjMj－ Zj， 1－ Zj， 2 ρ jg － hf， j］ 0 2有源风网中节点源与分支风源及其转化计 算 分支上风源有点源和线源两种 分支风源以一点 形式给出的称点源， 如巷道中的着火点或瓦斯突 喷 出点等; 线源则是气体沿分支涌出， 如煤巷中的 瓦斯缓慢释放。线源又可分为均匀涌出线源和非均 匀涌出线源。如果假设分支上风源为均匀涌出， 可用 单位长度分支上源的涌出强度来计算分支线源 Wj ljwj 式中， lj为 j 分支总长度， m; wj为 j 分支单位长度产生 气体的质量流量， kg/ ms ， 即流量强度， wj通常是 实际问题的基础参数， 如煤巷或工作面煤壁单位长度 上的瓦斯涌出强度。 对于分支强源的模型形式， 方程 2 不适用， 应 使用方程 3 ， 此时分支风源需化为相应的节点风 源。可根据实际问题的具体情况， 按权重来分配到两 端的节点上， 对分支线源有 dj， i1 β jWj dj， i2 1 － βj Wj 式中， dj， i为 j 分支上风源化到 i 节点风源; i1、 i2 分别 代表 j 分支的起节点和末节点; βj为 j 分支风源对起 911 煤炭学报 2010 年第 35 卷 节点 i1 的贡献权重， 无因次; 确定原则 顺风流方向 取大， 逆风流方向取小。 若分支上的点源， 如图 1 所示， 可按位置权重来 分配到两端的节点上， 即 dj， i1 lj， d lj Wj dj， i2 lj－ lj， d lj Wj 式中， lj， d为点源距离起点的位置， m。 图 1分支源及其位置 Fig. 1Branch of the source and its location 从而， 转化修正后的 i 节点风源 D i为 Di Di∑ n j 1 aijdj， i 对于分支上的点强源， 最有效的解决办法是用通 风网络划分的方法， 将分支点源作为通风网络一个新 节点。 3有源风网的求解举例 示例矿井如图2 所示， 右翼采区有 401、 402 两个 工作面对采， 左翼有一掘进工作面。通风系统为一立 井副井进风、 立风井回风， 挂一台 BD － II － 6 － No18 型风机。在突出前正常通风时期， 通风机转数 440 r/ min， 风量为 43. 97 m3/s， 矿井总风压为 1 193. 93 Pa， 自然风压为 381. 069 Pa， 风机工作风阻为 0. 42 N s2 /m8， 效率为 0. 7， 矿井总风阻为 0. 617 Ns2 / m8， 等积孔为 1. 514 m2 中阻力矿井 ， 风硐阻力系数 为0. 064 Ns2 /m4， 风井外部漏风量为 3. 81 m3/s。 假设在 401 工作面下端发生大型的瓦斯突出 实际多发生在石门揭煤处， 这里假设在工作面应力 集中点发生瓦斯突出 ， 突出瓦斯总量为 21 000 m3， 突出持续时间为 2. 5 min， 按均匀突出源模型计算， 源流量为 140 m3/s。用式 3 计算， 模拟用基于 MATLAB 编制的 3D 风网计算程序 TFM ， 结果如图 2 ～5 所示。 图 2无源矿井风网系统各分支风量和风速的模拟结果 Fig. 2Simulation results of each branch’ s air volume and wind speed in passive mine ventilation network system 图 3有瓦斯突出源的矿井通风系统 发生逆流 的模拟结果 Fig. 3Simulation results of the mine ventilation system occur countercurrentwhich has gas outburst source 如图 3 所示， 在有瓦斯突出源的情况下， 风量提 高到 54. 8 m3/s， 总风压为 －248. 755 Pa 不考虑瓦斯 自然风压， 取瓦斯突出初期的风流状态 ， 风机工作 风阻 0. 091 Ns2 /m8， 如图 3 所示。工况点变化结 果如图 5 所示。 由于风网中源的出现， 风网流动规律发生改变， 在瓦斯突出源节点出现两相反方向的源流流动， 即因 瓦斯突出源产生反向逆流; 有源风网依然满足风量 021 增刊李宗翔 有源风网模型及其应用计算 图 4有突出源风网中各分支的通风阻力 单位 Pa Fig. 4Wind resistance of each branch in the ventilation network which has outburst source unit Pa 图 5瓦斯源出现前后通风工况点及风阻变化 Fig. 5The changes of fan operating point wind resistance pre and post the appearance of the source of gas 含源 平衡和风压平衡， 如图 3、 4 所示。 当存在风网源流时， 使矿井通风工况点下移; 强 大的瓦斯风源， 产生了 “冲击通风机” 的现象， 通过的 风量超过了通风机的工作范围， 风压为负值， 即阻碍 强大风流的流出 风机节流 ， 如图 5 所示。瓦斯突 出一般是在较短的时间内发生的， 之后源流消失， 通 风系统仍然恢复到正常的通风状态。 图 6 是 401 工作面分支存在瓦斯涌出弱源风网 的模拟计算结果。401 工作面长度为 208 m， 假设沿 工作面瓦斯均匀涌出， 取分支弱源强度 w4018. 17 10 －4 m3/ ms ， 401 工作面总瓦斯绝对涌出量为 0. 17 m3/s， 模拟计算时， 自动将分支顺流划到工作面 末节点上形成点源。如图 6 所示， 此时的 401 工作面 风量为18. 91 m3/s， 回风道4011 风量为 19. 08 m3/s， 比进风量高 0. 17 m3/s， 恰好等于瓦斯涌出源， 风网 风量平衡; 风压也平衡 略 。 4结语 1“有源风网” 从概念上拓宽了风网的表达涵 义， 尤其能够表述如瓦斯突出或火灾产生气体等一类 存在外来风源在风网中的流动， 即瓦斯突出和火灾气 体等能够用 “源项” 来准确表达计算。 2理论推导证明， 有源网络模型 数学 表达 图 6分支弱源风网 工作面瓦斯涌出 的矿井通风系统状态 Fig. 6The state of mine ventilation system of branch weak source ventilation network gas emission from working face 方程本身能够涵盖 允许 源项的存在; 普通网络是 有源网络的特例。求解实例表明， 含有源项的方程是 相互独立和完备的， 有源风网的数学模型及求解结果 依然能满足风量平衡定律、 风压平衡定律和通风阻力 定律。 3虽然风网中的 “源” 的表述有时也可以作为 一个分支来处理， 但在结合 3D 风网图结构和力学模 型特征的条件下， 用源项表达更为科学合理; 尤其在 3D 视图上， 使用 “源” 的表达方法可消除附加分支的 “视觉障碍” ， 便于与未来虚拟化矿井模型接口。 4在当前应用上， 对于矿井火灾燃烧问题仍沿 用风量平衡齐次方程的无源网络模型来表达， 当然， 忽略火灾烟气“弱源” 的处理是合理的 ［8 ］， 但对于瓦 斯突出和大型火灾等 “强源” 情况， 就不能准确表达。 参考文献 ［ 1］魏连江， 王德明， 王琪， 等． 构建矿井通风可视化仿真系统的 关键问题研究［ J］ ． 煤矿安全， 2007， 6 4 6 －9． Wei Lianjiang， Wang Deming， Wang Qi， et al． Construction of the mine ventilation system， the key visual simulation studies［J］． Safety in Coal Mines， 2007， 6 4 6 －9． ［ 2］侯伟， 宋现锋， 李成， 等． 矿山巷道通风系统的三维动态模 拟［ J］ ． 金属矿山， 2009 4 129 －131． Hou Wei， Song Xianfeng， Li Cheng， et al． 3D dynamic simulation of underground mine ventilation system［J］ ． Metal Mine， 2009 4 129 －131． 121 煤炭学报 2010 年第 35 卷 ［ 3］沈澐， 王海宁． 矿井通风网络三维仿真与优化系统研究［J］． 矿业安全与环保， 2009， 36 2 10 －15． Shen Yun， Wang Haining． Mine ventilation network simulation and optimization of three- dimensional system［J］． Mining Safety and En- vironmental Protection， 2009， 36 2 10 －15． ［ 4］王树刚， 刘宝勇， 刘淑娟． 矿内空气非定常流动数值模拟分析 ［ J］． 辽宁工程技术大学学报 自然科学版 ， 2000， 19 5 449 － 453． Wang Shugang， Liu Baoyong， Liu Shujuan． Computer simulation of unsteady airflow processes in mine venilation networks［J］ ． Journal of Liaoning Technical University Natural Science Edition ， 2000， 19 5 449 －453． ［ 5］张全轩， 张启铭． 对煤与瓦斯突出风流逆转问题的一点看法 ［ J］． 中州煤炭， 1988 4 25 －26． Zhang Quanxuan， Zhang Qiming． On coal and gas outburst airflow re- versal that the views of the problem［ J］． Zhongzhou Coal， 1988 4 25 －26． ［ 6］王文铎． 大型煤与瓦斯突出对矿井通风系统冲击的分析［J］ ． 煤 矿安全， 1996 7 13 －17． Wang Wenduo． Large- scale coal and gas outburst on the analysis of the impact of the mine ventilation system［ J］． Safety in Coal Mines， 1996 7 13 －17． ［ 7］王省身， 张国枢． 矿井火灾防治［M］ ． 北京 煤炭工业出版社， 1990． Wang Xingshen， Zhang Guoshu． Mine fire prevention and control ［M］． Beijing China Coal Industry Publishing House， 1990． ［ 8］王德明， 李永生． 矿井火灾救灾决策支持系统［M］． 北京 煤炭工 业出版社， 1996． Wang Deming， Li Yongsheng． Mine fire disaster decision support sys- tem［ M］ ． Beijing China Coal Industry Publishing House， 櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿 1996． 2011 年 JOURNAL OF COAL SCIENCE ＆ ENGINEERING CHINA 煤炭学报 英文版 征订启事 JOURNAL OF COAL SCIENCE ＆ ENGINEERING CHINA 是由中国煤炭学会主办的、 向国内外公开发 行的英文版煤炭科学技术方面的综合性学术刊物。主要刊载煤田地质与勘探、 煤矿开采、 矿山测量、 矿井建设、 煤矿安全、 煤矿机械工程、 煤矿电气工程、 煤炭加工利用、 煤矿环境保护等方面的科学研究成果论著和学术论 文， 以及煤矿生产建设、 企业管理经验的理论总结， 也刊载重要学术问题的讨论及国内外煤炭科学技术方面的 学术活动简讯。 煤炭学报 英文版 JOURNAL OF COAL SCIENCE ＆ ENGINEERING CHINA 是向世界传播我国煤炭科 学技术的重要媒体， 对加强中外科学技术交流， 宣传我国煤炭科学成就， 提高我国煤炭科学技术的国际地位将 起到重要的作用。及时报道我国煤炭科技新理论、 新技术、 新经验也是 煤炭学报 英文版的主要任务 。煤炭 学报 英文版和中文版具有不同的刊登内容和各自的特点。 煤炭学报 英文版为季刊， 每期112 页， 每册国内订价28 元， 全年共收费112 元。订阅者可直接和本编辑 部联系， 订单函索即寄， 编辑部随时办理订阅手续。 本刊地址 北京市和平里煤炭科学研究总院内 煤炭学报 编辑部邮政编码 100013 联系电话 010 84262930， E － mail mtxbbyh126. com， mtxb vip. 163. com 221