基于Java语言对矿井通风的初步模拟解算

王爱爱 王一帆 陈津生

摘 要：矿井中的管道结构复杂多样，角联结构为其核心，本项目通过对矿井角联结构通风解算的探索，设计出一套基于Java语言的矿井角联结构的通风解算系统，利用程序设计出适合煤矿通风使用的先进软件工具，动态显示井下风流、风量和风压，为矿井的安全生产提供可靠保证。

关键词：矿井角联结构通风解算;程序设计;矿井安全生产

煤炭是我国国民发展的基础产业。煤炭生产系统呈管网式布置，各种有毒有害致灾因子共存于同一环境，导致煤矿易发灾害事故，因此通风系统是矿井中必不可少的。复杂的地下矿井通风网络，有些分支无法用工程的方法将风阻或风量事先测量出来，难以推断风流特征突然改变的原因。由此通风网络解算程序编制尤为重要。通风机是煤矿的四大固定设备之一，它担负着向井下输送新鲜空气、排出粉尘和污浊气流的重任，具有“矿井肺腑”之称。[1]由于井下工作环境恶劣，主通风机工作电压较高，电流较大，出现故障的概率也较大。一旦发生故障，将会对整个矿区的生产和安全造成重大影响。种种原因引出了通风系统复杂、检查维护困难、系统堵风、漏风现象严重、通风机数量多、能耗高等问题，通过计算机解算对矿井通风的优化研究势在必行。

一、矿山概况

我国煤矿矿山数量众多，年开采量达世界第一，是我国国民发展的基础产业。矿井通风系统作为矿井开采所必须的一部分，影响着下矿工人的安全，关乎于地下开采的安全、效率和成本等问题。据统计，国内矿山风机运转效率仅为40%左右，比设计的风机效率低一半以上。通风能耗约占矿井总能耗的1/3，通风电费约占通风能耗的70%。[2]且由于矿井进一步的开采，致使深度增加、生产规模扩大，进而使现有的通风系统不适用于当前矿井。因此，利用计算机解算，优化矿井通风系统，是一件刻不容缓的事情。

二、通風系统存在问题

以人工的方式建立矿井通风系统并不容易，要考虑到人工代价和流程。而即使资金雄厚，也难以逾越技术方面的限制。同时矿井的状况也并不是一成不变的，服务年限增长、开采深度增加、生产规模扩大，都让矿井的通风需求有所改变。而计算机的控制技术具有自动监控和监测管理的功能，其不断发展使得矿井通风系统日益现代化，对于全自动智能管理系统的建立尤为有利。[3]制作基于Java语言的计算机解算系统，将计算机程序设计与实际生产相结合，相较于传统大型解算程序，更加便捷，实用性更强，接受度更高，减少通风能耗，同时也方便了通风系统的调整，降低了开采矿井的成本。

三、基于计算机对矿井通风的解算应用

根据上述分析的矿山概况和通风系统存在的问题，通过对矿井角联结构通风解算的理论知识，设计出一套基于Java语言的矿井角联结构的通风解算系统，节省了人力，提高了工作效率，使解算过程更加便捷。矿井通风系统是由纵横交错的井巷构成的一个复杂系统。用图论的方法对通风系统进行抽象描述，把通风系统变成一个由线、点及其属性组成的系统，称为通风网络。主要针对角联通风网络小型矿井，来以小见大，设计出角联通风网络解算系统，通过输入各个巷道的风阻风压，通过一系列网络迭代计算和采矿通风定律公式进而求得各个巷道的风量风压，进而控制通风机的风量进行通风。

3.1矿井角连结构的通风解算

3.1.1 风量平衡：风量平衡定律是指在稳态通风条件下，单位时间流入某节点的空气质量等于流出该节点的空气质量;或者说，流入与流出某节点的各分支的质量流量的代数和等于零。[4]若不考虑风流密度的变化，则流入与流出某节点的各分支的体积流量（风量）的代数和等于零，即：ΣQi=0

3.1.2 风压平衡：假设：一般地，回路中分支风流方向为顺时针时，其阻力取“+”，逆时针时，其阻力取“-”。

a.无动力源（HN=0，HN=0）

通风网路图的任一回路中，无动力源时，各分支阻力的代数和为零，即：

ΣhRi=0

3.1.3角联分支风向判别。分支的风向取决于其始、末节点间的压能值。风流由能位高的节点流向能位低的节点;当两点能位相同时，风流停滞;当始节点能位低于末节点时，风流反向。[5]

3.2 Java语言的程序设计。

3.2.1 引入Java类包。程序中引入了多种Java类包，包括java.sql.*类包、java.awt.*类包、java.lang.*类包等，为程序提供了全面的IO接口以及各类工具包。

3.2.2 程序界面设计功能。初拟定程序界面由文件、编辑、解析等三大主要功能组成。文件遵循一般传统的形式，有新建、打开、保存和另存等几个基本选项操作。编辑里面根据实际情况来设定，可以变更节点与巷道进而变更实际的风机与巷道。最后一项功能是解析，根据一些特定参数来解算模拟各个巷道的风压风量

建立一套反应迅速的智能通风管理系统来应对生产持续、矿井规模加大、通风系统不断复杂和通风系统管理繁琐等问题。本软件的功能为在已知矿道网络图、分支风阻、非特殊支路风向和总风量的情况下，计算出特殊支路风向和各个支路的分配风量。软件由菜单栏、工具栏和基本显示界面组成。打开程序时初始的界面和计算结果后的程序界面示意图均简洁清晰。如图1。

输入原始风阻及总风量，利用风量平衡定律、风压平衡定律、阻力定律进行扇形机特性曲线拟合计算，自动圈化网孔，得到计算初拟风量，然后进行网孔迭代运算，解得各巷道风量，并判断出各巷道的风向并动态显示。最后给出通风措施及建议，能够满足现实矿井中通风解算的需要。

四、结语

目前，我国正大力推进实施职业健康安全管理体系，加强对国内工矿企业劳动条件的管理，努力改善井下作业人员的劳动条件，促进矿井通风技术的应用。而我们的通风解算程序编制使通风过程变得更加智能更加高效，更加具有实用性。应用计算机解算复杂通风网络，大大节省了人力、物力和财力。相对于人工解算，计算机的结果经过多次迭代，准确性更高，使用更加便捷。

参考文献

[1] 王明达.井下采矿矿井通风节能措施探析[J].信息化建设，2016（06）：349.

[2] 黄俊歆.矿井通风系统优化调控算法与三维可视化关键技术研究[D].中南大学，2012.

[3] 李树军.矿井通风技术及通风系统优化设计探讨[J].机械管理开发，2016，31（09）：148-149.

[4] 刘巧玲.浅析煤矿安全生产中通风安全管理的加强[J].能源与节能，2018（05）：36-37.

作者简介：王爱爱（1998-03-07），女， 河北廊坊人，本科生，华北理工大学，主要研究方向：采矿工程。

王一帆（2000-6-14），男，河北唐山，本科，学生，华北理工，能源与动力工程。

陈津生（1997-11-13），男，安徽蚌埠，本科，学生，华北理工，采矿工程。