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焦作工学院学报自然科学版 , 第21卷,第1期, 2002年1月 Journal of Jiaozuo Institute of Technology Natural Science , Vol. 21 , No. 1 , Jan. 2002 矿井通风网络图 黄力波,刘彦伟,李志强,杨运良 焦作工学院 资源与材料工程系,河南 焦作454000 摘要矿井通风网络图是矿井通风管理的重要图件之一,也是进行矿井通风系统模拟、网络 解算、通风系统优化的基础资料.矿井通风网络图属于图论的范畴,是对矿井通风系统的抽 象.本文结合网络图论的有关知识,对矿井通风网络图进行了图形和画法分析,并进一步指 出了矿井通风网络图与矿井通风系统图的区别,这对于绘制矿井通风网络图、指导矿井通风 管理、确保安全生产具有实际意义. 关 键 词矿井;通风系统;图论;通风网络图 中图分类号 TD 725 文献标识码 A 文章编号 1007Ο7332 2002 01Ο0011Ο04 0 引 言 矿井通风系统往往是十分复杂的立体结构,巷道数目繁多、纵横交错、上下重叠,相互关系比较 复杂,直接利用矿井通风系统图不仅难以对风路结构及风流的流动关系进行准确的判断和分析,而且 也不能清晰地表达各个用风地点之间的关系,在通风管理决策中有很多不便.因此,可以运用图论的 概念,用长短不按比例、位置和曲直与巷道实际空间关系不同但连接关系相同的单线条来表示通风系 统中各分支风流之间的关系,将矿井通风系统抽象成由点、线组成的网状图,即矿井通风网络图.它 不仅有利于分析、研究矿井通风系统的合理性,而且也是矿井通风系统模拟、网络解算、优化等的基 础资料,因此我国煤矿安全规程1992年版第125条规定矿井通风部门应绘制矿井通风网络图 并设置通风网络图图板. 1 矿井通风网络图 1. 1 图论中图的概念 在图论中,一个图G定义为一个偶对 V , E ,即G V , E,其中V { v1, v2,⋯, vm},是 图G的节点或顶点的集合;E { e1,e2,⋯,en},是图G的边或分支的集合.因此图是 由节点的集合和分支的集合构成的,其本质是节点和分支之间的联接关系即拓扑关系. 根据不同的标准可将图划分为不同的种类.若V、E都是有限的集合,称图G为有限图,否则 称为无限图.若偶对 V , E 是有序,即图由节点和有向的边组成,称为有向图,否则称为无向图. 既含有向分支,又含无向分支的图称为混合图.没有圈始终节点重合的分支构成又不含平行分支 有向图中连接两个相同节点、方向也相同的图称为简单图;含平行分支的图称为多重图.当用点 边关系图来揭示具体事物之间的量值关系时,可以在E或V上定义权函数,从而构成赋权图.在图 中若任意两个节点之间至少存在一条路则称为连通图. 1. 2 通风网络图 如果用图论中的节点代表某类具体的事物,用分支描述事物之间的联系,则一个图就可以表示某 收稿日期 2001Ο06Ο11 ;修回日期 2001Ο10Ο12 作者简介黄力波1977Ο , 男,河南新野人,在读研究生,主要研究方向为安全技术及工程. 类事物及其之间的联系.在矿井通风系统中,所有巷道的风流按其分叉和汇合的结构形式构成一个有 向的连通体系,如果不考虑各风流交汇点和通风巷道的位置、长度、形状和断面等情况将风流相交汇 的地点抽象为节点,将矿井 通风井巷抽象为分支,则矿 井通风系统可能抽象为相互 关联的节点和分支的集合. 同样,如果把所有节点的集 合记为V { v1,v2,⋯, vm},其 中 节 点 的 数 为 V m,把所有分支的 集合记为E { e1,e2, ⋯, en},其中的分支的数 目为E n,则矿井通 风网络图可以表示为G V , E [1] .因此通风网络 图是在矿井通风系统图的基 础上抽象而成的一种单线条 的示意图,它直观地反映了 井巷之间的联接关系以及风 流的流动路线,如图1所示. 1. 3 通风网络图的特点 矿井通风网络图属于图论的范畴.根据图论中对图的区分,它具有以下特点 1有限图.对于任何一个矿井通风系统,不论井下巷道如何纵横交错,风流都是经过有限条巷 道由进风井到出风井.相对应的通风网络图同样也是由有限个节点和有限条分支组成,因此通风网络 图属于有限图. 2非简单图.矿井通风系统中往往存在着并联通风,如主、副井并联进风,多条巷道并联回 风等,反映到矿井通风网络图中为重边. 3有向连通图.矿井通风系统是一个有风流流动的连通体系.在网络图中常用分支的方向表示 相应巷道的风流方向,因此矿井通风网络图是一个有向连通图. 4赋权图.无论是进行通风网络解算,还是进行通风管理,通常需要了解巷道的某些参数如风 阻、风量、断面大小、支护情况等,这些相关参数总是与网络图中的对应分支相关联. 另一方面,从网络图所表达的内容和形式来分析,矿井通风网络图本质上包含了三类数据图的 结构数据即各节点、分支之间的二元关系;与分支相关联的参数即权值;物理图形数据即点的位置、 分支的类型 直线或曲线等[4].在这三类数据中网络结构数据和权值函数是主要内容,而图形数 据则是表现形式.对于给定的通风系统,其网络结构数据是惟一的,即各节点、分支的联接关系是确 定的,必须反映出节点和分支的数目及联接关系;但图形数据可以千变万化,即图形数据是不确定 的,节点位置和分支的长度与巷道交叉点的位置和巷道的实际长度没有直接关系,巷道的长度只作为 通风网络的一个权值,而不通过图中分支长度来反映.如图1中的通风系统图,还可以用如图2中的 网络图来表示. 2 矿井通风网络图的绘制 2. 1 绘制步骤 1节点编号.在矿井通风系统图上确定风流分合点的位置,并从进风井口开始,沿风流流动方 向直到出风井口为止,对各节点进行编号.编号顺序通常是沿风流方向从小到大,也可以按进回风段 21 焦作工学院学报自然科学版 2002年第21卷 系统、按翼分采区进行编号,节点编号不能重复. 2绘制草图.沿风流方向从进风井口出发至出风井逐个节 点、逐个分支地进行绘制,将有风流连通的节点用单线条联接. 在绘制的过程中先连主干风路,后连支流,遇到风流流入或流出 时,在节点处应留有分叉,并在分叉上标明流入或流向节点的号 码.为了便于区分,正常风路用实线表示,漏风风路和准备开掘 的分支用虚线表示,大气节点之间用点划线表示. 3图形整理.绘制复杂通风系统的网络图,需先画草图和 框架,再经过整理变形,才能完成.整形的目的,一是把图形画 美观,更主要的是设法将通风系统各独立单元和结构特点突出出 来,便于运用.为此,沿风网纵向把进风、用风、回风部分分 开.通常把进风系统布置在图的下部,将回风系统布置在图的上 部,把用风区作为图的中心.沿风网图横向,把各风机系统、各 翼、各采区尽可能画在对称的位置上.在将风流的联接关系清楚 地表达出来的同时,根据网络图同构的特性,利用点可以位移、 分支可以变形、翻转和伸缩的特点,尽量避免或减少交叉分支的出现,使其成为一个含交叉分支最少 的非平面图,即利用拓扑变换,在保持联接关系不变情况下,将网络图画成最简单清晰的形状. 2. 2 简 化 按通风系统图实际分支和节点画出的网络图往往过于复杂,重点不突出,不便分析和研究问题, 因而应根据分析问题和电算的需要对网络图进行简化.简化多在进风区、回风区和非重点研究部位. 2. 2. 1 简化原则 简化后通风网络图的结构须正确地反映出原通风系统的基本特点;因简化而造成的误差应在通风 工程允许的误差范围之内;用简化网络图求解得到的数据,对需解决的实际问题应有使用价值[3]. 2. 2. 2 简化内容 1并边.将并联或串联的分支,用一条等效风阻分支代替,其等效风阻按并联或串联公式计 算.根据解决问题的需要,在某些情况下,可以将局部风网,如某个采区或某个子系统,以一条等效 分支来代替,其风阻以R h/ Q2求算.例如研究全矿通风系统时,每个采区通风系统都可视为一条 分支.但在需要详细研究的通风系统内,具有下列情况之一者,不能作并边处理① 用风地点所处的 分支;② 需要进行调节的分支;③ 存在通风动力的分支[2]. 2并点.对于并点主要有以下几种情况① 在实际系统中相近的风流合分点,其间风阻很小 时,可简化为一个点,其风阻加在邻接的大风阻分支上;② 对于风压较小的局部风网,可并为一个 点,如井底车场等;③ 同标高的各进风井口与出风井口可视为一个节点;④ 当进回风井口自然风压不 能忽略时,可将自然风压作为一个通风动力计入,仍把进风、回风井口视为一个节点;也可以采用虚 拟风道的方法,即在进风、回风井口增设一条风阻为零的分支,把自然风压置于该风道中.但在某些 情况下,尽管两节点间的阻力很小,也不宜进行并点,例如,并点后会改变风流分合关系、某些不能 简化的角联风网的两端点等. 3去边.一些漏风量很小的通风构筑物所在的分支、封闭区域等可视为断路,在网络图中可不 予画出. 2. 3 标注 标注是绘制通风网络图的重要内容之一.除在网络图上标出各分支的风向、风量外,还应将进出 风井、用风地点、通风防火设施以及火区位置等加以标注,并以图例说明.根据解决问题的实际需 要,还可以将各分支的权值进行标注. 3 矿井通风网络图与系统图 矿井通风系统图和矿井通风网络图是矿井通风工作中两个非常重要的图件,它们各有侧重地对矿 31第1期 黄力波等矿井通风网络图 井通风系统的有关信息进行了描述.矿井通风系统图反映了各通风巷道的空间位置、系统结构、通风 方式和通风方法,比较客观地反映了矿井通风系统的实际情况.矿井通风系统图能够直观地反映通风 井巷的位置、长度和联接关系,以及风流方向、风量、通风设施和火区情况等.通常还可以在通风系 统图上标注井巷的名称、长度和断面等参数,给日常的通风管理工作带来了极大的方便.它要求按比 例绘制,遵守投影关系,随采掘变化定期填图和修改.矿井通风网络图是通风系统的抽象表示,属于 图论的范畴.按照图论的概念,通风系统图和通风网络图是同构的,二者具有相同的节点数和分支 数,节点和分支之间的联接关系相互对应,对应分支具有相同的特征值或称为权值 , 如风阻、 风量、通风阻力、断面面积和周长、风速和长度等.如果从另一个角度看,通风系统图和通风网络图 则都是矿井通风系统的表现形式,形式不同,突出重点各异.通风系统图主要描述了进风、用风和回 风地段的分布、空间布置,对井下布置是一种近乎真实的反映.通风网络图则集中反映风流的流动情 况及各用风地点之间的关系;节点的位置可以移动,分支的形状、长度等可以任意改变,因此网络图 具有描述内容的确定性和表现形式的多样性. 4 结 论 矿井通风网络图是用图论的概念和方法来表示矿井通风系统,从而可以利用网络图论的理论和方 法来分析通风系统,为采用计算机对矿井通风系统进行定量分析和矿井通风科学决策奠定了基础. 参考文献 [1] 王惠宾,胡卫民.矿井通风网络理论和算法[M].徐州中国矿业大学出版社, 1998. [2] 方裕璋.矿井通风系统技术改造[M].北京煤炭工业出版社, 1994. [3] 王惠宾.生产矿井复杂风网电算模拟的几个问题[J ].煤矿安全, 1992 11 36 - 37. [4] 李湖生.由矿井通风系统图自动生成通风网络图[J ].西安矿业学院学报, 1997 2 127 - 130. Study on mine ventilation network graph HUANGLiΟbo , LIU YanΟwei , LI ZhiΟqiang , YANG YunΟliang Dept.of Resource ventilation system; graph theory; ventilation network graph 本文责任编校 李文清 41 焦作工学院学报自然科学版 2002年第21卷