羧甲基纤维在矿井通风管中的应用及 GIS 非稳态模型优化

刘辉 黄天尘 赵堃 张晓利 叶鸥

摘要：随着人工智能和物联网等先进技术的发展，“智能矿井”的建设正在大力推进，将羧甲基纤维素钠作为喷涂材料应用在矿井通风管道，可以提高矿井通风性能；但目前较少研究喷涂材料在矿井中的通风性能。研究旨在将地理信息系统（GIS）与非稳态通风网络模型结合起来，为决策系统提供基于位置的信息和在线实时支持，提出了一个基于GIS 的非稳态网络模型，并介绍了其算法。设计开发了3D VentCloud的网络原型系统。结果表明，该系统基于前端和后台技术，有效地实现了所提出的算法；对模型进行了验证，将该系统应用于煤矿喷涂材料通风管道方案，证明了该模型的合理性和实用性。

关键词：GIS；矿井智能通风；非稳态网络；羧甲基纤维

中图分类号：TQ342+.7；TP391文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）05-0165-05

Theapplicationof carboxymethylfibresinmineventilationpipesandoptimizationof GISintelligentminenon-stationarysystem

LIU Hui1，HUANG Tianchen1，ZHAO Kun1，ZHANG Xiaoli2，YE Ou3

（1. Shaanxi Yongxin Mining Co.，Ltd.，Yulin 719000，Shaanxi China；

2. Xi'an University of Posts and Telecommunications，Xi'an 710000，China；

3. Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710000，China）

Abstract ：WiththedevelopmentofadvancedtechnologiessuchasartificialintelligenceandtheInternetofThings，the construction of“intelligent mines ”is being vigorously promoted. Applying sodium carboxymethyl cellu? lose as a spraying material to mine ventilation ducts can greatly improve the ventilation performance of the mine， but there is currently less research on the ventilation performance of spraying materials in the mine. Therefore，thisstudy aims to combine geographic information systems（GIS）with unsteady state ventilation network models to pro? vide location based information and online real-time support for decision-making systems. Firstly，a GIS based un? steady network model was proposed，and its algorithm steps were introduced. Secondly，a network prototype systemcalled 3D VentCloud was designed and developed. The research results show that the system effectively integratesthe proposed algorithm based on front-end and terminal technologies. At the same time，the model was validated， and the system was applied to a real coal minespraying material ventilation pipeline project，showing that the mod? elis reasonable and practical.

Keywords：GIS；intelligent mine ventilation；unsteady state network；carboxymethyl fibres

“智能矿井”是我国当前的重点建设与发展方向，可望为煤矿安全生产提供可靠、快捷、智能与精确的技术支撑[1]。煤矿井下通风系统是煤矿安全生产的重要组成部分。一套有效的矿井通风系统和通风管路，对于保障矿工的工作环境和矿井的可持续发展，具有十分重要的意义[2-3]。目前，国内外学者采用羧甲基纤维钠盐作为基体，对其进行接枝改性，制备出高效的雾化涂层，并用于煤矿井下通风管道。将其涂敷在通风管道表面，可起到二次补强作用，阻止气体从风管中逸出，延缓风管腐蚀[4]。

同时目前对通风网络模型和通风软件的研究主要集中在传统的稳定计算模型上。然而，矿井通风管道本质上属于一个具有地理空间和时间特征的动态复杂系统[5]。虽然煤矿正常生产时的通风状态是稳定的，但各种内部扰动和地面气压会对矿井喷涂材料通风管道内的气流和压力产生一定的影响，从而引起气流脉动。此外，由于瓦斯突出、矿井火灾等重大事故的发生，矿井喷涂材料通风管道中通风状态会瞬间改变，造成管道内气流的瞬时紊乱[6]。因此的，正常生产或灾害时的通风状态都应视为非稳态流动，因此进一步要求建立统一的通风模拟模型，并与智能矿井通风的概念相适应。

然而，使用AutoCAD 很难处理矿井空间、时间和属性数据以及拓扑关系。此外，基于GIS 的通风软件系统多集中在传统GIS 或静态GIS 与稳定通风模拟模型的结合。因此，需要一个与GIS技术相结合的统一的非稳定通风模型，以提供在线和快速的决策支持，更好地满足矿井喷涂材料通风管道通风的要求[7]。

因此，本研究旨在通过非稳态通风网络模型与 GIS 的结合以及系统的开发，提供快速的在线通风模拟解决方案，进一步研究羧甲基纤维素钠喷涂材料在矿井通风中的应用效果，促进矿井智能通风的建设。首先，提出了基于GIS 的非稳态网络模型的算法。其次，基于通风模型的数据结构以及巷道网络，设计并开发了一个名为3DVentCloud的原型模拟网络系统。

1 基于GIS的非稳态网络模型

1.1数学模型

首先，建立一个理想的几何矿井巷道模型来建立非稳态通风网络模型的基本方程[8]。在不考虑气流的可压缩特性的情况下，模型的长度为L，横截面积为A。

在没有任何外力的情况下，矿井喷涂材料通风管道内的气流属于稳定状态。如果矿井通风通道两端的风压突然发生变化，就会有一个等效的外力F 作用于空气柱的两端[9]。根据牛顿第二定律[10]，假设外力给出加速度a，空气柱相应的方程式为：

式中：R 为通风阻力；p1和 p2为静压；v1、v2为矿井巷道端速度；hr为外部功率。假設一条矿井巷道是单一的和水平的，那么两端都与大气相连。当放置在矿井巷道末端的风扇突然开始时，式（3）中的压差为0，因此可以得到：

对于矿井喷涂材料通风管道网络内的气流，假设空气遵循3个基本的气流定律，即通风阻力定律、回路中的压力平衡定律和节点处的风平衡定律。这3个定律代表了通风网络模型中矿井巷道分支的风量和通风阻力以及节点压力这3个基本通风参数的限制关系和平衡关系[11]。

气流的3个基本定律可以描述为：

式中：N 为矿井巷道分支的数量；M 为网络节点的数量；εki 和Cji分别为网络图的基本相关矩阵和独立环路矩阵中的元素，其值为0、1或-1；ΔPi = hFj （Q） lhNj （Q）代表通风功率，包括风机功率hFj （Q）和自然功率hNj （Q）。式（6）也可以简化为环路方程的矩阵形式：

式中：C 是循环矩阵；D中的元素为

在此基础上，可以应用Runge-Kutta迭代算法来模拟每个巷道分支的空气量随时间的变化。基于经典的4阶Runge-Kutta方法的具体解决方案为：

1.2通风网络的数据模型

基于GIS 的理论和方法，设计了非稳态通风网络模型的数据模型，进一步研究羧甲基纤维素钠喷涂材料在矿井通风中的应用效果。首先，将通风网络图描述为 G （V.E），其中 Vv1. v2，…. vm是网络图中的一组节点，E e1. e2.…. en是网络图中的一组巷道分支。考虑到每个矿井巷道分支上的气流都有一个风向。因此，通风网络图是一个有向图。通过对网络图的分析，可以得到网络图的邻接矩阵、入射矩阵、切集矩阵、循环矩阵和路径矩阵，这些矩阵存储了通风网络图的拓扑信息[12]。另外，从 GIS 的角度来看，通风网络图及模型是一种具有代表性的空间空间对象，包括空间数据、属性数据、时间数据及空间关系，空间关系是指将通风网络图的拓扑关系，也就是将巷道支路与节点联系起来的联系，并采用GIS的数据组织方法[13]，采用点线（节点-支路）的索引结构来保存。

整个算法是为基于GIS 的非稳态通风网络模型设计的。表1为整个结构的具体流程。该模型和数据组织结构通过整合地理信息为通风网络提供了更多的地理空间和属性数据的细节。

2 系统设计和开发

本研究设计了一个名为3D VentCloud的原型系统，该系统是通过结合前端和后端技术开发的。前端是使用Html、JavaScript 和CSS 开发的。后端主要包括模型和算法，由C++和Python 开发。此外，采用Torna? do 作为服务器，在前端和后端之间传输数据[14]，从而将两端连接起来。该系统主要包括3个层次，分别是技术层、服务层和应用层[15]。

（1）技术层。在这一层中，主要包括了以 GIS 为基础的非稳态网络模型和数据源两个部分。数据来源是由最初获取的巷道网络中心线数据构成的，采用GeoJson格式对其进行处理[16]，并将其存储在 GIS 数据库中。在 GIS 环境下，建立非稳态通风网络模型，实现了通风网络的拓扑关系的建立，并建立了一种以点、线为指标的非稳态通风仿真模型。在此基础上，提出了一种基于计算机辅助设计的方法。

（2）服务层。这一层以Tornado 体系结构为基础，通过 WebSocket 界面，把 JavaScript 前端与Py? thon、C++软件后端相联接，完成了对 Python、C++软件后端之间的信息交换[17]。3个js文件被用于完成3D 可视化的工作。

（3）应用层。该层实现了煤矿通风管网的非稳态通风仿真功能，三维可视化与时间空间属性查询功能，并实现了仿真结果。在此基础上，实现了对巷道中线的读出，并将其保存，实现了对矿井喷涂材料管道的三维建模，并将风管的几何模型以. stl文件的形式输出[18]。在仿真过程中，可以根据空气流量的变化，对每一条巷道支路进行不同色彩的绘制，同时也可以对其进行查询与显示，从而得到更为详细的巷道地理信息。

3 结果和讨论

3.1非稳态通风网络模型验证

为了在矿山实际应用前验证基于GIS 的非稳态网络模型，本文从参考文献[3]中获取了数据。简化的羧甲基纤维素钠喷涂材料通风网络图及其最小生成树如图1所示；该网络图有11个巷道分支，包括一个虚拟分支和8个节点。

由表2可知，在本案例中，矿车在运输通道（分支编号为2和3）内迎风行驶，这将导致羧甲基纤维素钠喷涂材料通风管道动态风阻增加，通道2和3的风量相应减少。基于非稳态网络模型，本文模拟了每个车道的风量随时间的变化规律，具体如图2所示，正值代表空气的减少，负值代表空气量的增加。

从图2可以看出，2号和3号支路的运输通道的空气减少量最大，主要由于羧甲基纤维素钠喷涂材料紧密地包裹在通风管道周围，并通过其对孔隙空间的占用将管道粘合在一起；而3号支路的空气增加量最大[20]，其主要原因为大部分气流从进气巷道流向与节点2的运输巷道相连的巷道（支路2）。

此外，本文还对特定的巷道和节点进行了调查，以观察矿车停止向风向移动后空气体积和压力随时间变化的规律性。如图3所示，以巷道2为例，展示了羧甲基纤维素钠喷涂材料通风管道风量和风压变化的非稳态特征。

从图3可以看出，随着矿车向顺风方向移动，2号巷道的羧甲基纤维素钠喷涂材料通风管道风量减少分别呈现出明显的上升趋势和下降趋势，然后保持稳定状态。矿车停止迎风移动后，2号巷道的风量减少呈现出相反的趋势，最后达到最初的稳定状态，主要原因为羧甲基纤维素钠喷涂材料表面上存在许多孔隙，极大地增加了与风的接触面积。同时风压的变化也有类似的规律性，该结果与文献[3]的研究结果一致，符合羧甲基纤维素钠喷涂材料通风网络模型中风量和风压的变化规律。

3.2 矿井通风网络的案例研究应用

本研究将非稳态通风网络模型应用于实际煤矿中，以进一步验证模型的实用性，并调查真实的矿井通风，进一步推动智能通风的发展。因此，获得了煤矿的真实矿井通风网络数据，该数据包含290条巷道和222个节点。巷道网络的三维几何模型通过3D VentCloud系统读取并可视化。

利用 GIS 技术构建了矿井巷道内的矿井通风网络结构，并对巷道内的羧甲基纤维素钠喷涂材料通风管道进行了仿真。首先利用最短路法对巷道风阻进行了等级划分，并据此得到了70条剩余支路及对应的最小支路网络。将各剩余分支与最小支撑树相加，得到70条不同的线路。在此基础上，建立了一个以 GIS为基础的非定态网数学模型，并对其进行了仿真。得出了各矿巷道支路在不同时刻的空气流量。结果表明，在矿井中，随着时间的推移，矿井的通风趋于平稳，所得到的结论也与常规的稳态通风网络模型相吻合。并且，该算法仅用了4.72 s的时间便可完成仿真。

为进一步提高非稳态网络模型在矿井羧甲基纤维素钠喷涂材料通风管道中监测效果。使用非稳态网络模型中的模拟气流与矿井喷涂材料通风管道中实际通风调查数据进行比较。使用非稳态网络模型中的模拟气流与实际气流的速率误差如图4所示。

从图4可以看出，模拟气流速率的总体误差从17.26%降至1.42%。使用非稳态网络模型后的气流速率更接近实际测量数据。非稳态网络模型模拟气流速率与实际测量数据相匹配，进一步证明非稳态网络模型在矿井喷涂材料通风管道的有效性。然而，仍有一些异常值与测得的气流存在较大差异。表3列出了与测量数据相比差异超过10%的巷道（2、4、6、8、10巷道）。这些较大差异的主要原因是，大多数矿井喷涂材料通风管道中的气流速率都很小，非稳态网络模型中的一个小差异在以百分比表示时会导致很大的误差。例如，对于4号巷道，与测量数据的偏差仅为0.1 m3/s，导致11%的误差。更大的差异也更频繁地出现在矿井喷涂材料通风管道中，且在矿井通风管道中测量的阻力容易受到大的误差的影响，主要原因为羧甲基纤维素钠喷涂材料喷洒在通风管道上后，该喷涂材料可以牢固地包裹在通风管道壁上，形成硬化的“外壳”。同时，其大的比表面积使其能够接触更多的灰尘，从而产生良好的灰尘胶结效果，进一步影响通风阻力。

4 结语

本文研究了基于GIS 技术的非稳态矿井羧甲基纤维素钠喷涂材料通风模拟模型，并开发了原型网络系统，实现了在线通风模拟，可以更好地适应和促进智能矿井通风的建设。通过整合GIS 技术和非稳态通风模拟模型，本研究提供了一个统一的基于GIS 的通风网络模型，可以有效地模拟非稳态通风状态的动态变化，以及稳态通风状态。此外，基于所提出的算法开发了一个原型网络系统，可以提供快速的模拟结果和基于位置的信息。仿真结果表明，该系统能够有效地模拟羧甲基纤维素钠喷涂材料通风结果，并有望为煤矿安全生产提供在线和实时的决策支持。

【参考文献】

[1] 董立云.紧凑型高压异步电动机转子轴向通风孔优化设计[J].粘接，2021，47（8）：140-142.

[2] 李义宝.基于实时监控系统的煤矿智能通风系统的研究[J].山东煤炭科技，2021，39（7）：211-213.

[3] 胡詩强. CAN 通讯技术在煤矿监控系统中的应用研究[J].粘接，2021，45（1）：127-130.

[4] 谈国文.基于信息化技术的矿井通风瓦斯灾害预警平台建设与应用[J].煤炭技术，2015，34（3）：338-340.

[5] 杜小峰.在煤化工安全培训中可视化仿真技术的实践思考[J].粘接，2019，40（6）：165-167.

[6] 唐帅，潘多涛，袁德成.基于深度学习的聚合化学反应不确定热力学参数智能控制新法[J].粘接，2023，50（2）：108-112.

[7] 田忠，常敏，金海勇，等. GIS 设备内SF6气体泄漏检测技术创新研究[J].粘接，2023，50（1）：192-196.

[8] 杨桦，范国良，唐志新，等.矿井火灾智能疏散模拟研究——以新疆某铜矿为例[J].矿业研究与开发，2021，41（2）：155-160.

[9] 杨帆，王铁宁，吴龙涛，等.基于任务的装备器材非稳态需求预测[J].系统工程与电子技术，2019，41（12）：2796-2801.

[10] 卢新明，郭英，李静，等.矿井智能通风精准阻力测定与初始化技术研究[J].煤矿现代化，2022，31（6）：69-73.

[11] 李艳军，张海峰.煤矿井下排水智能控制系统研究[J].粘接，2020，43（9）：185-188.

[12] 刘廷方，魏琦，雷杰.以实时监控系统为基础的矿井智能通风系统研究[J].机械管理开发，2021，36（11）：250-251.

[13] 耿新洋，袁正平，王富林.基于ARDUINO 的铀矿井下环境监测及智能通风系统设计[J].中国安全生产科学技术，2022，18（7）：109-113.

[14] 孟凡林.基于智能分析系统的新疆龟兹西井通风系统优化[J].能源与环保，2019，41（10）：123-128.

[15] 李向飞.自动化技术在煤矿机电供电系统中的应用研究[J].粘接，2020，44（11）：74-77.

[16] 黄显华，张浪，李伟，等.基于VentAnaly的通风网络优化调节[J].煤矿安全，2013，44（11）：187-190.

[17] 高建.矿井空区漏风条件下的分区通风系统研究[D].西安：西安建筑科技大学，2021.

[18] 朱兆伟，刘婷，钱骅，等.非稳态雾赋能网络中的在线任务卸载方法[J].中国科学院大学学报，2020，37（5）：699-707.

[19] 何昕雷.基于模糊PID 算法的自动控制研究[J].粘接，2022，49（3）：177-181.

[20] 李佳，平安，王德俊.材料非稳态疲劳损伤智能模型可靠性分析仿真方法[J].机械设计，2000（12）：10-13.