矿井通风理论预算法

计算机在矿井通风中的应用

齐金龙 211101010001 安全科学与工程学院

【摘要】近年来，计算机在矿井通风中的应用越来越体现出巨大的作用，用电子计算机对矿井复杂网络进行解算和优化，是近年来通风学科的重要进展之一，也是通风管理现代化和科学化的一个基本手段，文章简要论述了利用计算机系统对矿井通风系统进行优化设计，计算机在矿井通风系统稳定性研究中的应用。通风网络理论补充和拓展了传统的通风理论，正发展成为通风学科的一个重要分支。利用计算机解算通风网路，速度快，精度高，解决了人工计算的种种弊端。

【关键词】计算机 矿井通风系 优化设计 统稳定性 软件开发

前言

矿井通风系统优化设计程序，就是为了寻找矿山通风的电能消耗低、投资少，安全可靠，管理方便的最佳方案，计算机技术的应用是优化矿井通风系统的一个重要手段和方法。随着高性能、廉价计算机的出现，在矿山工程科研设计中应用计算机已比较普遍。实践证明，通风网络经优化计算后，通风效果有较大改观，还具有明显的节能效果。通过计算机研究和软件开发之后，手工输入的原始数据可大缴减少；实现了计算机自动圈定通风网络图；尤其是对于大型复杂的通风系统立体图真正地实现了计算机三维成图和图纸绘制，从网格计算到图纸生成形成了完整的通风系统优化设计计算机软件系统，并配置了良好的用户界面以及计算机软硬件系统，易于推广使用。

评价一个矿井通风系统是否稳定，关键是在于当系统复杂参量变化时系统其他参量的影响程度。由于矿井通风系统极为复杂，参数众多，采用人工方法很难得到各参数值，难以判断系统是否达到预定功能，基于数字计算机技术的矿井通风软件应运而生。数字计算机技术用于矿井通风网络分析开始于1953年。20世纪60年代末，在世界范围内，计算机广泛应用于矿井通风系统的设计和分析。到目前为止已有大量有关矿井通风的软件，用于在矿井开采中出现的不同问题。

1 矿井通风系统优化设计计算机系统

1.1 矿井通风优化没计任务

一般而言，矿井通风优化设计的主要任务如图l所示。矿井通风的优化设计是一个非常繁杂的工作，将计算机技术应用到矿井通风系统的优化设计中来将可以避免人工操作的很多弊端。

1.2井通风系统优化设计计算机软件及硬件系统 1.2.1优化设计用户软件

计算机软件由用户软件和系统软件组成，用户软件即由用户建立在计算机硬件及系统软件基础上而编制出的计算机程序的集合，通风优化计算软件和图形绘制软件就属于此范畴。

（1）矿井通风系统优化设计软件

矿井通风系统经常采用多级机站通风方式，主扇通风和其他方式的通风都可看成是多级机站通风的特例，矿井通风系统优化设计软件编制方法是：建立多级机站通风系统总体优化数学模型，其中以风机优化和阻力调节优化为主，按照一定的约束条件求解通风网络，得到的结果是网络分支风量分配结果，最佳风机，网络阻力调节结果以及通风系统总指标。软件有网孔圈定、工况初拟、风机优选以及网络优选等一批功能程序组成。

（2）通风系统网络图生成软件

通风网络图是指一个有向强连通的赋权网络图，记为：

Net?(G,f)

式中，G为通风网络图的结构关系，即节点和分支的关系；f为各分支权函数的集合。通风网络图其实是通风系统的数学模型，有了它才能进行通风有关计算。通风网络图形成的过程是：对通风系绕立体图(空间几何)进行变换，其中包括合并、设置伪节点和设置伪分支等过程，重新形成点线的关联矩阵和权值矩阵，所得到的网络图数据传递到下一级通风计算软件以及网络图绘制软件，通风网终生成软件即完成这些工作。

在软件生成的网络图数据中，节点仍含有原始节点的空阙坐标，故网络图图形生成也容易实现：用平行投影法将所有节点投影在平面上，过于稠密的点局部疏散，综合布点，在关联点之间搜索一条最佳路径拟合成一条曲线(主要是圆弧线)，两线相交时，选择其一断开并绘制半圆弧，再标注有关信息。

（3）通风系统立体图生成软件

通风系统立体图计算机三维成图一真是学术界关注的重大课题之一，其复杂性不亚于机械部件复杂形体的立体图绘制。立体图是指空间形体投影到平面上所得到的图形。投影方法有平行投影和中心投影，平行投影用得很广，常用的立体图绘制方法如正等测、斜二侧就属于平行投影。绘制立体图时除按照投影原理准确绘出物体的轮廓线外，还必须进行立体图消隐。立体图消隐是个复杂的问题，尤其是在复杂形体的立体图中线与面的消隐问题迄今仍困扰着计算机图形学界。通风系统立体图不存在面的消隐问题，消隐算法简单一些。

可以在建立空间形体的齐次坐标系基础上，利用通风系统立体图生成软件VCAD，实现三轴方向按比例绘制的真三维图形的舷成。概括起来，软件VCAD有如下特点：

a可用单线、双线和粗线生成大型复杂的通风系统立体图，图形逼真，立体感强。

b通风空间网络可绕中心沿X、Y、Z三轴方向旋转任意角度后投影成图。 c生成的图形数据不依赖子任何绘图软停工具，可独立显示图形和抽出图形，亦可将图形数据输到专用绘图软件(如AutoCAD)环境中成图、修改圈形积标注文字。

d立体图按比例会制，可从图中测量巷道长度、夹角以及方向，复杂网络可局部放大。

1.2.2优化设计计算机系统硬件

矿井通风优化设计计算机系统硬件由计算机和外围设备组成，计算机由主视(主要部分)、输出设备(显示器)、输入设备(键盘和鼠标)三大件组成。而主机是计算机的主体，在主机箱中有：主板、CPU、内存、电源、显卡、声卡、网卡、硬盘、光驱等硬件。常用的外部设备有；打印枫、绘图仪、数字化仪、图形扫描仪等。

1.3矿井通风计算机优化设计系统

1.3.1透风系统计算机优化设计程序

矿井通风系统优化设计一般均应按下列步骤进行：

(1)通风系统调查查明现有通风系统存在的问题是进行通风系统优化设计的前提。故应通过通风阻力测定、风机特性测定、分风测定、风机装置参数测定、通风构筑物漏风测定和质量检查等来获得第一手资料，为分析矿井通风系统制定优化设计方案提供可靠依据。

(2)通风系统分析将获得的原始资料用计算机进行分析，以近一步了解现有通风系统存在的问题，应用计算机对优化方案进行模拟，检验其合理性和科学性。如果提出了多个技术方案，还可以用多目标决策法等优化方法对比提出不定期的所有方案进行优选，充分考虑各方案经济、技术、安全的挠缺点后，确定出最优方案。矿井通风优化设计程序如图2所示。

1.3.2矿井通风优化设计计算杌系统框架

值，难以判断系统是否达到预定功能，基于数字计算技术的矿井通风软件应运而生。数字计算技术用于矿井通风网络分析始于1953年。20世纪60年代末，在世界范围内，计算机广泛应用于矿井通风系统的设计和分析。到目前为止，已有大量有关矿井通风的软件，用于解决低下或露天开采中出现的不同问题。

2.2.1 国外矿井通风软件研究综述

1953年，Scott和Hinsley首先使用计算机来解决矿井通风网络问题。1967年Wang和Harmtman开发出计算机包含多风机和自然通风的立体矿井通风网络程序，该软件表明用于解决矿井通风基本参数的应用程序走向一个成熟的阶段。之后，世界上很多通风研究人员开发出大量用于更加复杂的矿井通风系统分析软件。

1974年，宾夕法尼亚州州立大学，Stefanko和Ramani对通风系统网络分析的发展做了很大贡献。论文“矿井通风系统中柴油废气浓度的数值模拟”研究了井下柴油机对通风系统的影响，并提出一系列相关的数学公式，这些公式的有效性得到了相关实测数据的检验。1981年，Greue发表了题为“矿井通风系统污染物和燃烧实时分布的计算”的文章，该软件是矿井发生火灾时，污染模拟最具代表性的程序之一。在美国，20世纪90年代以前，代表性的矿井通风模拟软件有：PUS/MVS (DIDYK,1974)、VENTSIM (BCKLEN,1986)、MINES (Hitchcock and Hoover，1976)、VENTS (Wang and Saperstein,1970；Hartman,1982)、VENTPC (Anon,1988)、MTU/Mine Ventilation Network Simulation (Greuer,1977)、CSM/Vent (Hall,1976)和PENVEN (Anderson and Dvorkin,1978)。目前，在印度尼西亚，普遍采用的是VentPC2000通风软件。在西方，大多数的矿井通风系统网络解算应用软件已经商业化，很有影响力的为 MinTech、DataMine两款软件。

2.2.2 国内矿井通风软件综述

我国科技人员在这方面也做了大量工作。1984年，沈斐敏等编写了《微电子计算机在矿井通风中的应用》的讲义，并于1992年改编为采矿专业本科生的教材《矿井通风微机程序设计与应用》，为更多人接触有关矿井通风网络解算的知识开了方便之门。中南大学吴超1986年在瑞典律勒欧工业大学做访问学者期间，完成

了专著Mine Ventilation Network Analysis And Polluton Simulation。该专著回顾了国内外矿井通风网络分析的发展历史，阐述了矿井通风网络基本理论并给出了相关的源代码，使用的计算机语言主要是Fortran77。1991年中国矿业大学的张惠忱编写了《计算机在矿井通风中的应用》，为计算机在矿井通风领域进一步发展应用也提供了技术支持。

国内矿井通风软件--通风专家3.0采用汇编语言、编译BASIC、数据库（ForPro）等计算机语言综合编程，兼容DOS 6.22/Windows9x操作系统，软件系统全部为菜单结构，界面友好，使用简单，支持键盘及鼠标操作、程序代码简单、运算速度极快等好处。通风专家系统主要由于是数据处理、矿井通风网络计算、通风绘图、结果报表、风机数据库、知识库等六大系统组成，可对复杂的通风系统进行网络生成、网孔圈定、风机优选、网络结算、结果报表生成等；系统自动记录原始节点坐标、自动组建通风系统网络。此外，通风专家还可以采用任意角度和比例生成通风立体示意图以及通风平面图等大量辅助性报表。

除通风专家3.0外，国内还有很多其他软件，从不同角度反映、解决了矿井通风中的不同实际问题，以下是国内通风软件一览表（表2）。

作者 推出时间 语言和数据库 主要结构和功能 根据多孔介质流体动力学理论，把采空区看成是非均匀连续介质；风流在赵以蕙 1992 Fortran77 介质中的流动是过度流，领近层瓦斯稳定的涌入采空区，瓦斯在介质中的扩散符合fick定律，由此建立了系列稳态条件下的数学模型 程序为菜单式结构，具有汉字自动范明训 1993 提示功能；巷道可按任意顺序排列和调整；具有风路解算和绘图功能；具有参数及图形修改功能；可实现网络解算与绘图的计算机自动控制。 可查询采场刨分信息，根据漏风Fortran 刘剑 1993 CAD 系统 源、汇位置坐标，可查询对应的单元号，是否为边界单元等等；根据漏风源、汇的位置和漏风量，计算单元号，确定单元地质区号及渗透参数等，绘制二维和三维的采场区域图等 Foxbase 刘师少 1994 +2.10 能 采用通路法进行风量调节，在计算Fortran 谭国运 III Dbase-矿井通风网络调节的同时可以发现通风阻力最大的区段和地点，为降低阻力，改造通风系统提供途径；其次，该系统采用一体化通风管理方法。 包含矿井通风管理中的矿井通风、矿井防突、瓦斯抽放、矿井防灭火、矿曾无畏 1994 Dbase 井防尘、安全技术措施和矿井通风质量评比几个项目，每个项目中均具有数据编辑、修改数据、查询数据和打印数据功能。 可用于生产矿井风量优化调节和新Fortran 蒋军成 1995 井通风设计时的调风计算；既可以进行局部的通风网络的风量调节计算，也可以进行全矿井的风量调节计算。 程序设计模块化；舒适可靠的人机交互工作环境；具有较强的图形处理功计算机集散控制系统的管理程序，谢贤平 1995 GWBASIC 下级计算机的采样及控制程序。两者之间利用通讯软件相互联系，进行数据交换和信息传递 利用专家系统技术，把火灾救援专家经过多年实践得出经验和教训收集起戚宜欣 1995 来，经过整理加工，形成有关控风措施的知识库；此外根据巷道供风作用给巷道分类，从而形成数据库，最后编织成推理机 自动完成数据处理、矿井通风网络解算、数据选择传递、编制风机风压计算表并绘制矿井通风系统立体图等一系黄继生 1995 列工作；操作简单，输入数据文件后，只需少量的人机对话选择，其他一切皆自动完成；采用链式回路输入法、代码法、统计法和编辑输入法后，使输入数据减少80%以上。 软件用户界面良好，使用方法简黄元平 1995 C语言 便；采用动态内存管理技术可以直接使用扩展内存，因而原则上可用于任意大小的网络优化问题。 VisualC+杨娟 2001 + ODBC 主要包括动态调节系统、数据库系统与矿井通风网络绘制系统等模块。 针对实时性有一定的要求的通风仿真系统中必须满足的时间空间发杂要求，提出了一种基于多Agent系统的分段东 2004 析和解决方案。采用了一种“投票式”的协同策略，解决矿井通风网络解算中存在的问题，并构筑了一个通风仿真系统。 利用VC++6.0系统设计矿井通风需风量计算软件。按照矿井风量计算的方法和步骤，并引用特殊特殊条件下的一李刚 2004 VC++6.0 些经验公式，利用DAO数据库访问技术，访问团原始数据，计算出符合矿井需要的风量，设计人员可从中选取一个最适宜的风量。该软件可以用于新矿井的通风设计及生产矿井的风量调节。 分别用牛顿法、斯考特-恒斯雷法及袁梅 2005 VB6.0 斯考特-恒斯雷+塞德尔技巧三种算法编制了矿井自然分风自网络的电子程序（MVNP） 针对矿井通风网络解算过程中最小生成树的生成过程采用传统的“破圈王刚 2005 法”计算时间长的问题，提出了应用贪心算法结算矿井通风网络，以期缩短计算时间，提高程序运算速度。 VB6.0 杜学胜 2005 GIS 在Windows平台上采用组件化程序设计方法，将地理信息系统(GIS)和矢量

化的概念引进矿井通风当中，以VB6.0和地理信息系统控件MapX,开发出矿井通风管理软件，同时利用MapXTheme，开发出 WebGIS系统

2.2.3 矿井通风网络分析的几项基本原则及其对通风管理工作的指导意义

（1）矿井通风网络中，能够独立地确定风量的分支只有b=n-m+1条，而且这b条分支必须能构成一棵余树。因此，在进行通风网络分析计算时，无论采用何种算法，网络中有固定风量的风道数不得超过b条，而且这b条分支必须能构成一棵余树。对矿井风流进行调节时，只要控制了b条余树边的风量，则整个网络中的风量就全部得到了控制。因此，全矿井的风量调节设施，最多有b个已足够。

对全矿井的风量测定时，只要准确测出b条余树边的风量，其它分支风量就可以计算出来。

（2）进行矿井网络分析计算时，与某一节点相关联的所有分支，或构成一基本割集的所有分支的风量不能同时给定。

（3）矿井通风网络中，能够独立确定风压的分支数只有m-1条，而且这m-1条分支必须能构成一棵生成树。因此，在网络分析计算时，有固定风压要求的分支数不能超过m-1条。另外，在进行矿井通风阻力测定时，只要准确地测出m-1条树枝边的风压，则整个网络各分支的风压都可以计算出来。

（4）进行网络分析计算时，构成一独立回路或基本割集的所有分支的风压不能同时给定，这是因为余树边的风压不能独立确定。

井通风系统优化设计关系着矿井通风负压、基建投资，运行成本。对矿井生产过程中的生产面貌、安全状况及技术经济效益也有长远的影响，因此矿井通风系统的优化设计问题，一直是从事矿井通风工作的专业人员所关注得研究课题之一。近

年来，计算机在矿井通风中的应用越来越体现出巨大的作用，用电子计算机对矿井复杂网络进行解算和优化，是近年来通风学科的重要进展之一，也是通风管理现代化和科学化的一个基本手段，文节简要论述了利用计算机系统对矿井通风系统进行优化设计。利用计算机解算通风网路，速度快，精度高，解决了人工计算的种种弊端。

2.3 矿井通风优化设计 2.3.1 矿井通风优化没计任务

一般而言，矿井通风优化设计的主要任务如图5所示。矿井通风的优化设计是一个非常繁杂的工作，将计算机技术应用到矿井通风系统的优化设计中来将可以避免入工操作的很多弊端。

2.3.2矿井通风系统方案的优化

根据矿井通风系统的评价指标，可对矿井通风系统方案进行评价和优化。但矿井通风系统评价指标间存在着不可公度性和矛盾性。所谓指标间的不可公度性，是指各个指标没有统一的度量标准，因而难于进行比较，一般只能根据多个目标所产生的综合效用去估量。指标间的矛盾性则是指当采用一种方法去改进某一指标的值时，可能会使另一指标的值变坏。由于矿井通风系统多个指标之间的矛盾性和不可公度性，因此不能把多个指标归并为单个指标，而不能采用单指标决策方法去优化矿井通风系统方案，以及采用单指标决策方法去优化矿井通风系统方案，必须采用多目标决策法。

多目标决策法是利用专家集体智慧，对某些复杂的命题进行决策方法，主是依靠专家的经验，知识和综合分析能力进行直观判断的方法。

当进行多因素，多目标问题的决策时，由于众多因素或目标各有不同的比重，因而最优决策的结果并不是唯一的。因此，在方案优选之前，必须由专家首先确定各影响因素或各目标函数在本决策问题中的重要程度，即确定“权值”。“权值”确定以后，根据各方案定量指标的具体数值，即可计算出每个指标的评价值；对于

定性指标，可利用“专家评议法”确定其“评价值”。根据各指标的“权值”和“评价值”，进行综合分析，即可确定出最优方案。

下面介绍多目标决策中简便的最高积分法

2.3.2.1最高积分法优化思想

设被评价的方案数目为n个，对矿井通风系统影响较大的重要评价指标为m个，则每个方案的评判结果都由指标具体值{fi}?(f1,f2,?,fm)构成。则n个方案的评价指标具体值便构成了m×n阶预选方案评判指标矩阵A，

?f11,f12,?，f1n???A=?fiJ???f21,f22,?,f2n?

??fm1,fm2,?，fmn??式中：i=1,2,?,m，评判指标序号 j=1,2,?，n，方案序号 fiJ——第j方案第I指标值。

在拟定方案前，由专家评定出各评判指标的“权值”，记为W1，W2??Wm。 由fij指标值，计算得出的评价值同样组成mxn阶矩阵B：

?E11,E12,??，E1n??E,E,??，E?21222n?B?{EiJ}??

?E31,E32,??，E3n???E,E,??，Emn??m1m2每个方案的各项评价值与“权值”的乘积之和构成综合性指标M

?Wj???Mj? M??Eij?其中mj最大者为最优方案，即：

maxMj?max?EijWj;

i?1m2.3.2.2基本步骤

（1）确定矿井通风系统方案评判指标及权值

（2）计算各方案的指标值，根据拟定的通风系统方案，确定风道的各参数值，用风地点风量及风机有关参数，计算出各方案的技术，经济、安全等的各项评判指标值。定量的指标，上机解网可直接计算得到，定性的指标，采用专家评议法获得，给予定量化。

（3）将{fiJ}转化为评价值{EiJ}。由于{fij}中各项指标的量纲不统一，其中有些指标值（如等积孔）是越大越好，而有些指标值（如矿井风压，吨煤电费）是越小越好。为了便于用统一的综合指标计算，采用如下处理方法；

①当指标值为越小越好时，令各方案中同一指标的最小值为最好值fibj,即： min{fiJ}=fibj (I=1,2,?，m，1≤j≤n) 则：EiJ?fibjfij?10（最好值给10分，十分之十）

②当指标值为越大越好时

令各方案中同一指标的最大值为最好值fibJ,即：

min{fiJ}?fibJ 则：EjJ?fibjfibj?10

③当方案中任一方案的工程费为0时，工程的评价值计算为：

fi?fijmax10, Eij?10?fijfi

（4）按最高积分确定最优方案。

2.3.2.3 计算示例

某矿利用多目标决策法对矿井1990～2000年10年间的通风系统，提出了多个方案，去掉技术上不合理的方案，剩下的4个案各有优点，需进行多目标决策优化。

（1）根据各方案的通风系统图绘出通风网络图，并进行了计算机解网依据解算结果得出的各方案的评价指标值见下表。其中定性指标由专家根据各方案的实际评定。

评判指标值 表3 序号 1 指标值 评判指标 方案I 矿井风压（Pa） 1273 10920 6.07 1.09 215 350.8 64.5 0.24 84.76 165 方案II 1441 10446 5.5 1.05 118 417.3 60 0.29 133.30 154 方案III 1264 10644 5.9 1.07 150 407.3 55 0.28 13.30 141 方案Ⅳ 1426 10392 5.5 1.04 217 351.4 70.4 0.24 13.30 180 2 矿井风量（m3/min） 3 4 5 6 7 8 矿井等积孔m2 矿井风量供需比 通风方式 通风机功率kw 通风机效率% 吨煤主要风机电费元/t 9 通风井巷工程费万元 10 11 风机运转稳定性 用风地点风流稳定性 209 69 208 214

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