通風可視化仿真系統在礦井通風系統優化中的應用

高金曉

摘 要：文章詳細介紹了平煤股份一礦結合礦井通風安全管理系統的特點，吸收和借鑒GIS理論和實踐，在分析礦井通風仿真系統的研究現狀、發展趨勢的基礎上，對構建礦井通風可視化仿真系統的開放式框架及仿真可視化技術進行分析和研究，實現了通風系統的高度仿真，為礦井通風安全管理提供了先進和有效的平臺基礎，應用仿真系統輔助礦井通風系統優化改造，確保了通風系統的穩定可靠，有效提高了礦井的抗災能力。

關鍵詞：通風；可視化仿真；通風系統；優化

中圖分類號：TD724 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）24-0061-02

1 問題的提出

平煤股份一礦位于平頂山煤田中部，市中心以北3 km，主采丁組和戊組煤層。目前礦井通風系統是由三個水平、六個進風井、三個回風井、400多條分支、三組主要通風機和眾多通風構筑物構成的非常復雜的通風系統。由于巷道關聯關系復雜，通風路線長，通風網絡復雜導致礦井抗災能力不高，因此我們有必要開發一礦通風可視化仿真系統，利用該系統對通風系統現狀進行網絡解算和仿真分析，分析通風系統存在的問題和不足，為下一步通風系統優化與改造提供依據，以保證礦井通風系統處于良好的運行狀態，達到通風系統合理、抗災、高效和節能的通風效果，為礦井高產高效創造出有力的先決條件。

2 主要研究內容與技術路線

2.1 研究內容

①基于插件機制改進的通風可視化仿真系統的開放式框架研究及仿真系統插件機制研究。

②適合通風仿真系統可視化開發需要的基礎GIS組件研究與開發。

③通風網絡拓撲關系自動建立與維護，通風網絡通路的新算法研究。

④基于復合分支的通風網絡簡化和參數等效變換的通風網絡解算改進研究。

⑤利用通風三維可視化仿真技術分析礦井通風系統存在的不足與問題，研究制定出通風系統的優化方案。

2.2 技術路線

基于微軟最新的開發平臺VS2012、GDI+、計算機圖形學，借鑒軟件工程的思想和GIS理論、安全專業的研究成果，對礦井通風仿真可視化的問題進行理論研究和整體框架設計，綜合運用相關基礎理論，進行通風仿真系統的可視化研究，完成課題中各項研究內容。

采用理論分析與實證研究相結合的方法。除了對構建礦井通風仿真的可視化理論研究與分析和基于GIS、NET實現礦井通風可視化仿真系統外，還將采用具體實例對礦井通風可視化仿真系統的運行效果進行驗證。

3 通風仿真可視化系統主要功能的實現

3.1 通風網絡拓撲關系自動創建研究與實現

拓撲關系是礦井進行通風網絡解算、風量調節和優化的基礎，拓撲關系的自動建立則簡化了礦井通風網絡的解算，減少了工作量，提高了工作效率和準確性。我們對通風網絡拓撲理論和應用進行了分析與研究，提出了假拓撲通風網絡和真拓撲通風網絡的概念，并給出了假拓撲通風網絡、真拓撲通風網絡的自動生成思路，指出基于真拓撲通風網絡可以自動生成通風網絡圖，并利用拓撲理論解釋了風網解算后出現反向分支的原因，對通風網絡拓撲的認識又深入了一步。

3.2 通路算法研究與實現

通路在通風網絡中有著廣泛的用途，通路矩陣法只適合無單向回路的通風網絡，并且當網絡較大時，矩陣法占用內存較大，計算效率低，于是我們提出一種確定通風網絡任意兩節點間所有通路的“通路樹深度優先生長”法（PTDFG）。當通風網絡較小和較大時都能保證較高的效率，該法既適用于有單向回路時的通風網絡，也適用于無單向回路的情況，而且運算效率要比矩陣算法高。該方法適合單源單匯型網絡，通過加虛分支和虛節點也適用于多源多匯型網絡通路確定的解決方案。

3.3 基于參數等效變換的通風網絡解算改進研究

通風網絡解算是礦井通風可視化仿真系統的基礎，根據子網中的分支關系，將能夠進行參數等效變換的子網劃分為兩種類型，即并聯和串聯。網絡簡化具有層次性，比如分支1與分支2串聯后又與分支3并聯；一個較復雜的子網被簡化成一條復合分支后又與其他的分支形成串聯或并聯關系。這樣逐層進行簡化，直到不能再簡化為止，簡化過程具有遞歸的思想，故完全可以用遞歸函數來實現。簡化的原則是簡化后的網絡結構必須體現出原通風系統的結構特點——不失真。

3.4 固定寬度雙線圖及立體圖的快速自動生成研究與實現

用雙線表示礦井通風系統的巷道雖然易于區分巷道間的層位關系，但是隨著圖形的縮放，雙線間的距離變大變小，圖形縮放到一定程度時，會無法看清巷道雙線之間的連接關系，而且手工繪制雙線圖工量大。我們在深入研究通風網絡巷道連接關系的基礎上，提出并實現用固定寬度單線表示巷道，自動架橋法和“雙線”法正確區分單線井巷空間層位關系的新方法。“雙線”法無需計算雙線坐標來快速實現通風系統雙線圖自動繪制。自動生成的雙線圖可以正確反映巷道間的層位關系，并且可以在雙線圖基礎上自動生成通風系統立體圖。

3.5 通風網絡圖的自動生成研究與實現

網絡圖的整體方向指的是大部分分支的方向，通風網絡圖中分支形狀可分為兩種，一是直線，二是圓弧。若為直線時，可由始末節點確定分支的位置；若為圓弧時，還應根據曲率角度（即圓弧的弦的中點與始節點所組成的線段與弦之間的夾角）來確定圓弧上的另一點坐標。同時還可根據用戶的需要使生成圖的交叉點少。分支用樣條曲線表示，調整和優化起來自由度更大。采用和上面類似的思路，能量高的節點在能量低的節點下面，節點與節點間豎直和水平方向都保持一定的距離，樣條曲線上的點可以任意位移，總的目標是分支與分支間交點較少。

4 通風系統存在的問題分析與優化方案研究

4.1 存在的問題

①礦井部分巷道風量大，斷面小，風速偏高，如北一回風井底通道，北二回風井底通道、二水平戊一回風下山和三水平丁戊二回風上山等。

②北二主要通風機擔負供風區域多，負壓和風量已經達到最大能力，無法再通過改變風機扇葉角度滿足風量需求，對采掘接替部署造成不利影響。

③三水平丁戊二總回、三水平丁二東翼專回、三水平丁二皮帶下山和三水平丁二回風下山均存在部分地段巷道變形，盡管現在已經按計劃進行巷道維修，但是通風阻力仍然較大，造成北二主要通風機長期在高阻力區域運行存在一定風險。

4.2 優化方案

①對全礦通風系統進行詳細調查，封閉不需要的巷道或硐室，降低風門或密閉的漏風，對產生局部阻力的地點進行優化處理，對部分阻力大的巷道適當擴大斷面。

②根據采掘接替及風量需求情況選擇適當時間將現有戊七系統通風任務由北一主要通風機擔負，停運戊七主要通風機。

③施工二水平戊一補總回和三水平戊二補總回通風系統工程，解決部分回風巷道風量集中，通風阻力過高問題。

④北三風井盡快投入使用，以減輕北二風井風機負擔，使通風系統趨于穩定，同時也為降低采掘面溫度提供幫助。

5 結 語

該系統可以對礦井通風系統進行可視化動態仿真，能夠實現通風系統單線圖、雙線圖、立體圖、網絡圖、三維圖和風機特性曲線圖等圖件的自動繪制，可以應用仿真系統輔助礦井通風系統優化調節改造，提高通風系統的抗災能力，并且可以將仿真系統應用于通風安全的日常管理工作中，供職工培訓和外來人員參觀。該系統的應用，提高了煤礦安全的信息化水平，同時提高了工作效率和數據的準確性，有利于提高煤礦企業的社會形象，取得了良好的經濟效益和社會效益。

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