矿井通风三维可视化系统设计研究

杨帅 撒占友

摘 要： 为了提高地下矿井生产的安全性与信息化管理水平，本文结合矿井通风网络基本理论、图论、数据库管理系统和计算机技术，设计出矿井通风三维可视化系统的总体结构，建立了通风网络解算算法与通风系统可视化实现的方法。通过矿井通风三维可视化系统，实现了通风网络的自动解算以及风流、风压、风阻等通风参数的可视化，并且能够对井下风量及时做出调整，为进一步发展井巷三维可视化技术提供了理论基础。

关键词： 矿井通风;网络解算;三维可视化;系统设计

【中图分类号】TP391.41     【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）05-0197-01

矿井通风的基本任务是为所有使用空气场所提供足够的新鲜空气，稀释和去除所有有毒有害气体和灰尘，调节气候，确保工作场所空气质量，营造安全舒适的操作环境。国内开发出矿井通风的软件多呈现作坊式开发、功能单一、系统集成度低、三维显示与模拟技术落后等特点。

1 矿井通风三维可视化系统总体设计

1.1 软件总体结构

合理的系统结构设计能够使系统的开发更加方便，运行更加稳定可靠。在矿井通风三维可视化系统的开发过程中，笔者采用模块化的设计方法，将系统设计为5个模块，即数据采集、风网分析、网络调节、图像显示和通风管理五大模块。

1.2 数据库设计

数据库是矿井通风系统的重要组成部分，也是决定矿井通风系统性能优劣的决定性因素。根据数据库性质，将数据库分为空间数据库和属性数据库。

2 通风网络解算与可视化的实现

2.1 通风网络解算

在矿井通风三维可视化系统中，其基础内容是通风网络的解算。在进行通风网络解算时可以采取的方法有很多，大体主要有Cross迭代法、节点压力法、附加风压法和牛顿法，虽然其算法的特点不同，但根据其特点，总体上可以分为回路风量法和节点风压法。本系统对比分析之后所采用的方法为回路法中的Cross迭代法，又称为Scott-Hinsley法。该方法以图论为载体，在求解过程中首先需要构造出最小树，然后根据最小树确定余数，选定回路，最后再进行风量迭代计算，直至计算结果满足合适的精度要求。

2.2 系统可视化的实现

（1）风流属性的可视化

矿山在实际生产作业中，内部巷道错综复杂，为便于区分通风系统的结构和巷道性质，本系统对巷道内风流的性质实行多彩显示，根据风流性质的不同，对进风、回风和用风巷道分别用不同的颜色进行显示（绿色表示進风段，黄色表示用风段，蓝色表示回风段）。

（2）通风难易程度的可视化

为了使井巷通风的难易程度显示地更加形象具体，在系统图层显示的功能中加入了专题图的形式，以图像在整体图中所占比例的大小表示其通风的难易程度，图形所占比例越大的表示通风越困难，反之，越小表示越简单。

（3）通风参数的可视化

通风构筑物和风机在通风系统图中是由许多线条组成的，其状态参数的查阅编辑也可通过此方法进行实现，点击其任意组成线条即可以实现其属性的查询。

（4）虚拟主扇

本系统采用最小二乘法来求解风机特征方程。在风机正常工作的曲线范围内取三个点，即上限点、工况点和下限点，便可求出b0、b1、b2。

3 风量调节

（1）增阻调节法

增阻调节法实现调节局部风量的方法是增加局部通风阻力。为达到增加局部通风阻力，通常采用调整管道通风调节阀门或地下风道调节风窗等通风调节设施。

（2）减阻调节法

减阻调节法通过减小通风阻力，进而达到增加风道总风量的目的，但其实际应用复杂，耗资较高。主要调节措施有：增大阀门开启度或扩大风道断面、降低摩擦阻力系数、采用并联风路等。

（3）增压调节法

增压调节法是在需要调节风量的风路中设置辅助扇风机，以达到增加该风路风量的目的。在综合比较了上述三种方法之后，本系统选择采用增阻调节法来进行局部风量的调节。在实际应用中，此方法比减阻调节法简单，同时又比增压调节法安全可靠，能够安全高效地达到调节风量的目的。

4 结论

针对目前矿井三维可视化软件的不足，设计出了矿井通风三维可视化系统。该系统能够实现自动标注风网参数信息，并对矿井通风网络进行自动解算，将解算结果输出到Excel中;通过对矿井风机的模拟和风量的调节，使矿井的通风条件更能满足实际生产的要求;将矿井通风系统的相关参数进行可视化操作与显示，实现了系统的可视化管理，有助于安全技术人员方便的了解与管理通风网络，为矿山的安全生产提供了便利的条件。

参考文献

[1] 梁军，张庆华，李明建，等.矿井风网三维仿真技术研究与系统设计[J].矿业安全与环保，2019，46（02）：57-60+65.

[2] 王冬辉，魏连江，李文栋.VentGIS系统在矿井通风系统优化中的应用[J].煤矿安全，2013，44（06）：123-125.