通风可视化仿真系统在矿井通风系统优化中的应用

高金晓

摘 要：文章详细介绍了平煤股份一矿结合矿井通风安全管理系统的特点，吸收和借鉴GIS理论和实践，在分析矿井通风仿真系统的研究现状、发展趋势的基础上，对构建矿井通风可视化仿真系统的开放式框架及仿真可视化技术进行分析和研究，实现了通风系统的高度仿真，为矿井通风安全管理提供了先进和有效的平台基础，应用仿真系统辅助矿井通风系统优化改造，确保了通风系统的稳定可靠，有效提高了矿井的抗灾能力。

关键词：通风；可视化仿真；通风系统；优化

中图分类号：TD724 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）24-0061-02

1 问题的提出

平煤股份一矿位于平顶山煤田中部，市中心以北3 km，主采丁组和戊组煤层。目前矿井通风系统是由三个水平、六个进风井、三个回风井、400多条分支、三组主要通风机和众多通风构筑物构成的非常复杂的通风系统。由于巷道关联关系复杂，通风路线长，通风网络复杂导致矿井抗灾能力不高，因此我们有必要开发一矿通风可视化仿真系统，利用该系统对通风系统现状进行网络解算和仿真分析，分析通风系统存在的问题和不足，为下一步通风系统优化与改造提供依据，以保证矿井通风系统处于良好的运行状态，达到通风系统合理、抗灾、高效和节能的通风效果，为矿井高产高效创造出有力的先决条件。

2 主要研究内容与技术路线

2.1 研究内容

①基于插件机制改进的通风可视化仿真系统的开放式框架研究及仿真系统插件机制研究。

②适合通风仿真系统可视化开发需要的基础GIS组件研究与开发。

③通风网络拓扑关系自动建立与维护，通风网络通路的新算法研究。

④基于复合分支的通风网络简化和参数等效变换的通风网络解算改进研究。

⑤利用通风三维可视化仿真技术分析矿井通风系统存在的不足与问题，研究制定出通风系统的优化方案。

2.2 技术路线

基于微软最新的开发平台VS2012、GDI+、计算机图形学，借鉴软件工程的思想和GIS理论、安全专业的研究成果，对矿井通风仿真可视化的问题进行理论研究和整体框架设计，综合运用相关基础理论，进行通风仿真系统的可视化研究，完成课题中各项研究内容。

采用理论分析与实证研究相结合的方法。除了对构建矿井通风仿真的可视化理论研究与分析和基于GIS、NET实现矿井通风可视化仿真系统外，还将采用具体实例对矿井通风可视化仿真系统的运行效果进行验证。

3 通风仿真可视化系统主要功能的实现

3.1 通风网络拓扑关系自动创建研究与实现

拓扑关系是矿井进行通风网络解算、风量调节和优化的基础，拓扑关系的自动建立则简化了矿井通风网络的解算，减少了工作量，提高了工作效率和准确性。我们对通风网络拓扑理论和应用进行了分析与研究，提出了假拓扑通风网络和真拓扑通风网络的概念，并给出了假拓扑通风网络、真拓扑通风网络的自动生成思路，指出基于真拓扑通风网络可以自动生成通风网络图，并利用拓扑理论解释了风网解算后出现反向分支的原因，对通风网络拓扑的认识又深入了一步。

3.2 通路算法研究与实现

通路在通风网络中有着广泛的用途，通路矩阵法只适合无单向回路的通风网络，并且当网络较大时，矩阵法占用内存较大，计算效率低，于是我们提出一种确定通风网络任意两节点间所有通路的“通路树深度优先生长”法（PTDFG）。当通风网络较小和较大时都能保证较高的效率，该法既适用于有单向回路时的通风网络，也适用于无单向回路的情况，而且运算效率要比矩阵算法高。该方法适合单源单汇型网络，通过加虚分支和虚节点也适用于多源多汇型网络通路确定的解决方案。

3.3 基于参数等效变换的通风网络解算改进研究

通风网络解算是矿井通风可视化仿真系统的基础，根据子网中的分支关系，将能够进行参数等效变换的子网划分为两种类型，即并联和串联。网络简化具有层次性，比如分支1与分支2串联后又与分支3并联；一个较复杂的子网被简化成一条复合分支后又与其他的分支形成串联或并联关系。这样逐层进行简化，直到不能再简化为止，简化过程具有递归的思想，故完全可以用递归函数来实现。简化的原则是简化后的网络结构必须体现出原通风系统的结构特点——不失真。

3.4 固定宽度双线图及立体图的快速自动生成研究与实现

用双线表示矿井通风系统的巷道虽然易于区分巷道间的层位关系，但是随着图形的缩放，双线间的距离变大变小，图形缩放到一定程度时，会无法看清巷道双线之间的连接关系，而且手工绘制双线图工量大。我们在深入研究通风网络巷道连接关系的基础上，提出并实现用固定宽度单线表示巷道，自动架桥法和“双线”法正确区分单线井巷空间层位关系的新方法。“双线”法无需计算双线坐标来快速实现通风系统双线图自动绘制。自动生成的双线图可以正确反映巷道间的层位关系，并且可以在双线图基础上自动生成通风系统立体图。

3.5 通风网络图的自动生成研究与实现

网络图的整体方向指的是大部分分支的方向，通风网络图中分支形状可分为两种，一是直线，二是圆弧。若为直线时，可由始末节点确定分支的位置；若为圆弧时，还应根据曲率角度（即圆弧的弦的中点与始节点所组成的线段与弦之间的夹角）来确定圆弧上的另一点坐标。同时还可根据用户的需要使生成图的交叉点少。分支用样条曲线表示，调整和优化起来自由度更大。采用和上面类似的思路，能量高的节点在能量低的节点下面，节点与节点间竖直和水平方向都保持一定的距离，样条曲线上的点可以任意位移，总的目标是分支与分支间交点较少。

4 通风系统存在的问题分析与优化方案研究

4.1 存在的问题

①矿井部分巷道风量大，断面小，风速偏高，如北一回风井底通道，北二回风井底通道、二水平戊一回风下山和三水平丁戊二回风上山等。

②北二主要通风机担负供风区域多，负压和风量已经达到最大能力，无法再通过改变风机扇叶角度满足风量需求，对采掘接替部署造成不利影响。

③三水平丁戊二总回、三水平丁二东翼专回、三水平丁二皮带下山和三水平丁二回风下山均存在部分地段巷道变形，尽管现在已经按计划进行巷道维修，但是通风阻力仍然较大，造成北二主要通风机长期在高阻力区域运行存在一定风险。

4.2 优化方案

①对全矿通风系统进行详细调查，封闭不需要的巷道或硐室，降低风门或密闭的漏风，对产生局部阻力的地点进行優化处理，对部分阻力大的巷道适当扩大断面。

②根据采掘接替及风量需求情况选择适当时间将现有戊七系统通风任务由北一主要通风机担负，停运戊七主要通风机。

③施工二水平戊一补总回和三水平戊二补总回通风系统工程，解决部分回风巷道风量集中，通风阻力过高问题。

④北三风井尽快投入使用，以减轻北二风井风机负担，使通风系统趋于稳定，同时也为降低采掘面温度提供帮助。

5 结 语

该系统可以对矿井通风系统进行可视化动态仿真，能够实现通风系统单线图、双线图、立体图、网络图、三维图和风机特性曲线图等图件的自动绘制，可以应用仿真系统辅助矿井通风系统优化调节改造，提高通风系统的抗灾能力，并且可以将仿真系统应用于通风安全的日常管理工作中，供职工培训和外来人员参观。该系统的应用，提高了煤矿安全的信息化水平，同时提高了工作效率和数据的准确性，有利于提高煤矿企业的社会形象，取得了良好的经济效益和社会效益。

参考文献：

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