基于WINDOWS的矿井通风网络解算软件的研制

齐睿琛，徐景德，彭兴力

(华北科技学院 研究生处，北京 东燕郊 101601)

基于WINDOWS的矿井通风网络解算软件的研制

齐睿琛，徐景德，彭兴力

(华北科技学院 研究生处，北京 东燕郊 101601)

针对现有矿井通风网络解算软件存在的不足，本文使用MATLAB和Visua1C++做为开发工具开发了基于Windows操作系统的矿井通风网络解算软件。采用引入回路重选策略的斯考德一恒斯雷解算算法，使得在通风网络模型上进行的风网解算速度加快。该软件采用通风网络参数解算与通风系统图形相结合方式，对王家岭煤矿通风系统进行网络解算，为王家岭煤矿通风系统优化提供依据。

矿井通风系统;网络解算;软件开发

0 引言

各国学者对矿井通风网络分析的研究已经持续了近一个世纪，并已经取得了丰硕的成果，研究出解决矿井通风系统解算的原理和方法，开发出很多优秀的矿井通风系统网络解算的软件。但随着计算机软、硬件的飞速发展，以前在通风方面的开发应用软件的不足逐渐显现出来。如：已有的软件不是很系统，未能形成一套完整的应用软件，这使其可维护性和可扩展性差，已有的软件不能把通风网络图、网络解算、风机的选择以及数据管理等功能很好的结合起来，实现的功能比较单一。这些缺点极大地制约了矿井通风网络解算软件的推广和使用。

本次网络解算软件采用模型法，利用通风系统节点风量平衡定律、回路风压平衡定律和通风系统中其风阻值或风量值可事先测量出来的部分分支的信息，构建通风系统风网解算模型，建立可以辨识通风系统漏风点的风网解算算法[1]。

1 通风系统网络解算理论研究现状

1.1 网络解算常用方法

矿井通风网络解算的数学方法有几十种。这些方法既有联系又有区别，其区别主要体现在两方面，一是选取的基本未知量不同；二是求解非线性方程组的迭代计算方法不同。网络解算方法可分为：解析法、图解法、物理相似模拟法、数值方法。数值方法属于近似法，是目前研究分流的主要手段。从计算数学的角度看，数值方法可分 3 类：斜量法、迭代法和直接代入法。应用较多的是 Barczyk和 Cross 法，它们分别属于斜量法和迭代法[2]。

图1 矿井通风网络解算方法图

1.2 网络解算基本数学模型

对于一个 N 条分支，M 个节点的通风网络，以风流流动的基本规律为出发点，由通风阻力定律、风量平衡定律和风压平衡定律来建立方程组。

通风网络的数学模型是一组方程式：

(1)

(2)

公式(1)是满足风压平衡定律的(n-m+1)个非线性方程式；公式(2)是满足风量平衡定律的(m-1)个线性方程式。这里需要指出的是，对于第二个方程，也就是节点风量平衡方程。该方程的意义是，在某一节点，满足风量平衡。风量平衡一般是指节点的体积风量平衡，也就是没有考虑风随温度及外界各种条件变化而导致风的密度变化。实际上风的密度会随着外界条件的变化而发生变化的。所以，节点风量平衡，更准确的描述应该是节点的质量平衡。

采用回路风量法对非线性方程组求解有多种方法，常用的有：牛顿法和斯考德一恒斯雷(Scott-Hensley)方法，但由于现场的条件千差万别，因而在实际应用中，通风网络解算的方法出现了很多改进[3]。

2 通风系统网络解算软件

本次使用的矿井通风网络解算软件是在参考国内外各类矿井通风系统的基础上，针对中煤华晋王家岭煤矿的实际情况设计和实现的。软件中的矿井通风网络解算是利用斯考德一恒斯雷法(Scott-Hensley)得到的一个解决方案[4-5]。软件可用来辅助矿井通风工作人员计划和监控井下通风设备布局。给出描述通风网络图、巷道设计、掘进参数和风扇所处位置及其性能曲线的数据，本软件就能提供以图表形式表现的各种预测通风参数[6]。本软件还可使用通风计算数据和已知的巷道面积、特征等信息模拟已经存在的通风网络，这样风机、风量和摩擦风阻大致接近真实系统[7-8]。

2.1 网络解算数学模型

本次软件所用网络解算模型以独立的闭合回路为计算单元，在每个独立的闭合回路中，选定一个近似风量,列出它的风压平衡方程，用泰勒级数展开，求风量的校正值，然后逐步逼近求出真实值。设复杂通风网络的分支数为N，节点数为J，按图论有关树的理论，该通风网络的独立回路数为M=N-J+1。其数学模型如下[9]：

(i=1,2,3....M)

(3)

其中,ΔQi——各个独立回路的风量校正值；

aij——独立回路中的风道风向系数；

Rj——第j号风道的风阻；

Qj——第j号风道的风量；

Hnj——在第i号独立回路内第j号风道上的自然风压；

Hfj——在第i号独立回路内第j号风道上风机的风压；

dHfj/dQj——安装在该独立回路第j号风道上的风机特性曲线在风量Qj点的斜率。

2.2 系统开发环境

在Windows2000Server操作系统下，采用SQLServer2000数据库管理系统做为数据库服务器，使用MATLAB和Visua1C++6.0做为开发工具，在通风网络模型和解算算法的研究基础上，研究并使用本软件[10]。

2.3 系统功能模块

矿井通风网络解算软件的功能模块共分为六大部分：图形信息、仿真信息、分支信息、固定风量、风机信息和节点信息。但是为了方便操作，把以上六个部分作为信息查看的子菜单。再加上工具、窗口、帮助，模块数增到九块[11-12]。系统功能结构如图2所示。

图2 矿井通风网络解算软件功能结构图

3 王家岭煤矿通风系统网络解算

3.1 王家岭矿井通风系统

王家岭矿通风方式为中央分列式，通风方法为抽出式，由主、副平硐和碟子沟进风斜井进风，碟子沟回风斜井回风。在回风斜井井口附近安装2台GAF33.5-17-2轴流式风机，通风等级孔为7.3m2、通风机的风压为2340Pa，掘进通风采用压入式。矿井总进风量17530m3/min，其中，主平硐风量970 m3/min，副平硐风量3140 m3/min、碟子沟进风斜井风量13420 m3/min。碟子沟回风斜井总排风量17750 m3/min。

3.2 王家岭矿井通风系统存在问题

王家岭煤矿开采采用盘区布置，相比于采区布置，省去了石门和上山巷道，通风系统简单；矿井井巷断面设计施工和维护较好，井巷断面大，巷道阻力系数小；井巷通风设施设置较合理，风量充足，系统安全可靠度较高。但王家岭矿井通风系统还存在以下问题：

(1) 王家岭煤矿矿井进风巷道交叉处断面变化较大，并且通风线路较长，进风巷为斜巷，坡度较大。

(2) 由于王家岭煤矿矿井不设采区，导致风门、风桥、风窗设在大巷中，使得矿井的抗灾变的能力减弱。

(3) 王家岭煤矿的开采范围大，随之矿井开采路线的增长，矿井的通风阻力越来越大，需要对矿井的通风系统进行解算评价。

3.3 王家岭煤矿通风系统网络解算

现阶段王家岭煤矿有碟子沟进风井，主、副平硐同时进风，碟子沟回风井为回风井。根据矿井通风系统现状和矿井开采规划，同时考虑到矿井服务年限内采掘工作面的布局的变化引起的矿井主通风机工况、通风能力等的变化，我们对现阶段王家岭煤矿通风系统进行模拟，通过模拟结果对现阶段的王家岭煤矿通风系统进行评价。

图3 现阶段通风系统网络图

分 支 号巷道名称始 节 点末节点风阻Ns2/m8风量m3/s风压Pa备 注12号煤中央辅运大巷130.00063167.516.90.02进风煤门与辅运大巷交叉点北侧2230.000631205.06116.90.0

续表

表2 现阶段通风系统模拟矿井主要 井巷风量和主通风机工况汇总表

续表

从模拟结果上可知：

(1) 现阶段通风系统矿井主要井巷风量符合通风需要量，主要通风机的工况点比较稳定。

(2) 从矿井的等积孔角度上，矿井的等积孔A=8.53m2，表明矿井处于通风容易时期。

(3) 王家岭煤矿矿井通风阻力为1474.19 Pa。通风阻力的分布情况为：进风段通风阻力为875.81Pa，占全矿总阻力的59.41%；用风段通风阻力为22.71Pa，占总阻力的1.54%；回风段通风阻力为575.40Pa，占总阻力的39.05%。可见。该矿通风阻力分布的特点是进风段通风阻力较大，因此，降低矿井通风系统进风段的通风阻力是今后通风管理工作的重点，应引起足够的重视。

(4) 王家岭煤矿矿井通风系统简单，矿井配备了能提供高负压和大风量的轴流式主要通风机，目前矿井主通风机在叶片角-15°运行条件下，矿井的总回风量约275.2m3/s，矿井主通风机潜在的增风能力有限，因此，矿井边远区域回采时，保证矿井通风系统稳定可靠和提高矿井总回风量的方向应是改变目前总进风斜井和总回风斜井通风阻力过大。如在203盘区新增回风井，形成三进二回的通风系统。随着矿井技术改造工程的完成，矿井的通风能力和通风系统稳定性将进一步提高。

4 结论

(1) 采用斯考德—恒斯雷法，在建立的通风网络模型上进行风网解算。在该算法中采用的重选回路这一策略，使得迭代计算的收敛速度大大加快；

(2) 使用MATLAB和visua1C++开发出的风网解算软件。本软件不仅可以单独使用，还可以做为煤矿矿井瓦斯事故综合预防系统的分系统，通过共享数据库的方式集成到该系统中。本软件的应用具有较高的应用价值和经济效益。

(3) 通过本软件网络解算可以对井下安全生产作业提供风网的风量分配、调节等信息，能够为煤矿生产部门的决策层提供实时、真实、准确的数据以及相关信息。

(4)本软件对王家岭煤矿进行网络解算，结果可知：现阶段王家岭煤矿矿井通风系统基本符合矿井通风需求，但存在矿井通风系统进风段的通风阻力较大的问题；随着通风路线的增长，通风系统的稳定性变差，需要改变通风系统来满足矿井的通风需求。

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Study on Windows-Based Software for Mine Ventilation Network Solution

QI Rui-chen，XU Jing-de， PENG Xing-li

(GraduateSchool，NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao，101601，China)

To overcome the short comings of the current software of mine ventilation network solution,including in the areas of coal mine ventilation solver application.A new software based on Windows was worked out by using Visua1C++ and MATLAB programming language. Introducing the reelect loop to Seott-Hinsley arithmetic accelerates the ventilation network calculation on the built model.The software adopts the method of combining the parameters of ventilation network and the pattern of ventilation system, which is used to calculate the ventilation system of Wang Jialing coal mine,to provide basis for optimization of ventilation system in Wang Jialing coal mine.

mine ventilation system；network solution；software developing

2016-03-20

中央高校基本科研业务费资助项目(3142014119，3142014118)

齐睿琛(1992-)，男，安徽安庆人，华北科技学院安全工程学院在读硕士研究生，研究方向为矿井瓦斯火灾与粉尘防治技术。E-mail：18655622663@163.com

TD725

A

1672-7169(2016)03-0030-06