Series No. 337　 金 属 矿 山 总 第 337 期 　 2004年 第 7 期 July 2004 METAL MINE 矿 井 通 风 网 络 优 化 软 件 及 其 应 用 王 海 宁吴超 (中 南 大 学 ) 摘 要 介 绍 了 通 风 网 络 优 化 软 件 的 数 学 模 型 及 其 特 点 。 软 件 在 安 徽 某 矿 对 通 风 系 统 改 造 方 案 进 行 优 化 和 现 场 应 用 实 践 的 结 果 表 明 ,该 矿 按 照 软 件 优 化 出 的 最 优 方 案 实 施 后 ,井 下 的 通 风 效 果 得 到 了 显 著 改 善 。 显 示 该 软 件 先 进 可 靠 ,在 Windows 操 作 平 台 上 运 行 具 有 较 好 可 视 化 效 果 。 关 键 词 矿 井 通 风 网 络 优 化 软 件 应 用 Mine Ventilation Network Optimizing Software and Its Application Wang Haining Wu Chao ( Central South University) Abstract 　 The mathematical models and features of mine ventilation network optimizing software are presented. It was used to optimize the ventilation system transformation scheme of a mine in Anhui. After the execution of the opti2 mized scheme , the mine ventilation effect was evidently improved. This software , advanced and reliable , can have good visualization effect when running on Windows operation platform. Keywords 　 Mine ventilation , Network optimization , Software , Application WWW.KY114.CN B 　 从 1953 年 Scott 和 Hinsley 首 先 使 用 计 算 机 来 akjQj = 0 , k = 1 ,2 , ⋯ , N - 1 , (1) (2) ∑ 和 节 点 风 量 平 衡 方 程 解 决 通 风 网 络 问 题 开 始 ,到 20 世 纪 60 年 代 末 ,在 世 j = 1 界 范 围 内 ,计 算 机 已 广 泛 用 于 矿 井 通 风 系 统 的 设 计 N - 1 和 分 析 。 总 结 近 几 十 年 有 关 矿 井 通 风 网 络 分 析 方 面 [ 　 　 ∑ aij pi = Rj Qj | Qj | - Hf j - Hej , 1～ 15 ] i = 1 的 文 献 ,可 以 看 出 矿 井 通 风 网 络 模 拟 变 得 越 　 j = 1 ,2 , ⋯ , B , 来 越 完 善 ,也 越 来 越 实 用 ,目 前 已 有 大 量 有 关 矿 井 通 风 的 软 件 用 于 解 决 地 下 开 采 中 出 现 的 不 同 问 题 。 国 外 矿 井 通 风 网 络 分 析 软 件 ,如 VEN TSIM、 MIVENDES、VENDIS、PSU/ MVS、MFIRE 等 可 处 理 多 节 点 、多 风 机 复 杂 通 风 系 统 ,考 虑 自 然 风 压 、局 部 风 阻 、漏 风 、固 定 风 量 等 参 数 ,可 做 风 温 、柴 油 机 尾 气 、瓦 斯 和 火 灾 烟 气 浓 度 的 计 算 ,可 绘 制 通 风 网 络 图 和 进 行 网 络 分 析 、模 拟 和 设 计 。 国 内 科 技 人 员 在 这 方 面 也 做 了 大 量 的 工 作 ,中 国 矿 业 大 学 、中 南 大 学 、 辽 宁 科 技 大 学 、武 汉 安 环 院 、昆 明 理 工 大 学 等 都 开 发 了 类 似 软 件 ,功 能 具 有 国 际 先 进 水 平 。 本 文 应 用 的 软 件 是 基 于 上 述 基 础 开 发 的 ,该 软 件 具 有 以 上 国 内 外 相 关 软 件 的 功 能 。 联 立 的 方 程 组 为 非 线 性 方 程 组 ,假 设 拟 线 性 风 阻 为 0 Cj = 1/ | RjQ j | , j = 1 ,2 , ⋯ , B , 将 式 (3) 代 入 式 (2) 、再 代 入 式 (1) 得 求 解 节 点 风 压 和 分 支 风 量 的 迭 代 方 程 (3) N - 1 B B 　 ∑ 　 aijakj Cj pi = - ∑ Cjakj ( Hf j + Hcj) , ∑ i = 1 j = 1 j = 1 k = 1 ,2 , ⋯ , N - 11 (4) 令 : B xki = ∑ aijakj Cj , k = 1 ,2 , ⋯ , N - 1; j = 1 　 i = 1 ,2 , ⋯ , N - 1 , B yk = - j∑= 1 akj ( Hf j + Hcj) Cj , k = 1 ,2 , ⋯ , N - 1 , 1 数 学 模 型 1 . 1 数 学 模 型 矿 井 通 风 网 络 分 析 程 序 常 用 Hardy - Cross 迭 王 海 宁 ,中 南 大 学 ,博 士 生 ,联 系 地 址 :341000 江 西 省 赣 州 市 红 旗 大 代 法 。 由 风 网 风 压 平 衡 方 程 道 南 方 冶 金 学 院 学 科 办 。 方 62 方 　 王 海 宁 等 :矿 井 通 风 网 络 优 化 软 件 及 其 应 用 2004 年 第 7 期 则 式 (4) 可 简 写 为 N - 1 220 个 节 点 、151 个 独 立 网 孔 、350 个 恒 压 源 、5 种 不 同 类 型 的 16 台 风 机 同 时 运 行 的 网 络 ,还 可 随 意 扩 展 。 具 有 特 点 :a. 计 算 速 度 快 ,精 度 高 ,可 靠 性 好 ;b. 可 考 虑 局 部 风 阻 、节 点 漏 风 、固 定 风 量 、风 机 的 安 装 位 置 、自 然 风 压 ,以 及 网 孔 中 的 各 种 阻 力 、总 阻 力 、风 阻 调 节 量 等 ;c. 能 自 动 计 算 打 印 网 络 解 算 的 精 度 、迭 代 计 算 次 数 及 各 种 提 示 信 息 。 i∑= 1 xki pi = yk , k = 1 ,2 , ⋯ , N - 11 (5) 　 上 式 即 为 拟 线 性 求 解 的 数 学 模 型 ,此 式 可 求 得 0 pi ,但 由 于 拟 线 性 化 处 理 ,初 设 风 量 Q j 与 实 际 风 量 不 相 等 ,故 式 (5) 为 近 似 方 程 , 需 反 复 迭 代 计 算 。 各 0 3 式 中 , Q j 为 初 设 j 分 支 风 量 ,m / s; aij 为 关 联 矩 阵 A 2 3 的 i 行 j 列 元 素 ; Rj 为 j 分 支 风 阻 ,kg 方 s / m ; pi 为 i 3 　 现 场 应 用 实 践 结 点 风 压 , Pa; Hf j 、Hej Pa。 为 j 分 支 通 风 动 力 、位 压 差 , 安 徽 某 矿 为 单 翼 对 角 抽 出 式 通 风 系 统 ,由 于 存 在 多 中 段 同 时 作 业 、作 业 战 线 长 、通 风 构 筑 物 不 完 善 、深 井 矿 山 自 然 风 压 的 影 响 大 、无 轨 柴 油 运 输 设 备 的 尾 气 和 热 污 染 、中 段 回 风 井 断 面 小 、阻 力 大 等 问 题 ,使 得 矿 井 内 部 漏 风 量 大 、有 效 风 量 率 低 、各 中 段 风 量 分 配 不 均 、风 流 紊 乱 、污 风 循 环 和 停 滞 、铲 运 机 作 业 面 烟 尘 污 染 较 严 重 以 及 风 质 合 格 率 低 等 。 为 改 善 井 下 的 通 风 效 果 ,根 据 矿 山 的 实 际 情 况 ,列 举 了 若 干 通 风 系 统 改 造 方 案 ,并 借 助 通 风 网 络 分 析 软 件 对 各 方 案 进 行 计 算 机 模 拟 解 算 ,以 得 到 最 优 的 通 风 系 统 改 造 方 案 。 1 . 2 计 算 步 骤 由 公 式 推 导 过 程 可 归 纳 出 迭 代 计 算 步 骤 为 :a. 0 0 给 定 初 设 风 量 Q j ;b. 由 初 设 风 量 Q j 计 算 拟 线 性 风 阻 Cj 及 风 机 压 力 Hf j ;c. 计 算 xki 、yk 值 ;d. 解 方 程 组 ( 5) 求 节 点 压 力 pi ;e. 由 式 (2) 计 算 分 支 风 量 Qj ;f. 0 比 较 Qj 与 Q j ,当 满 足 精 度 要 求 时 , 进 行 第 g 步 , 否 0 则 ,令 Q j = Qj 返 回 第 b 步 ;g. 计 算 分 支 风 速 、通 风 阻 力 、风 机 压 力 等 参 数 ,输 出 计 算 结 果 。 2 软 件 介 绍 本 软 件 主 要 分 为 3 大 模 块 :数 据 输 入 模 块 、风 网 (1) 数 据 前 处 理 。 为 了 将 一 个 实 际 的 矿 井 通 风 系 统 输 入 到 计 算 机 中 ,其 首 要 工 作 是 对 所 分 析 的 网 解 算 模 块 和 数 据 输 出 模 块 。 风 网 和 风 机 原 始 数 据 为 全 局 变 量 ,其 它 计 算 变 量 则 由 参 数 在 各 模 块 之 间 传 递 ,从 而 避 免 了 一 些 不 必 要 的 参 数 传 递 ,提 高 了 运 行 速 度 。 程 序 运 行 之 前 须 准 备 好 一 个 原 始 数 据 文 件 DIN ,其 数 据 结 构 为 :分 支 始 点 和 终 点 、分 支 摩 擦 阻 力 、分 支 自 然 风 压 、分 支 初 设 风 量 (不 为 0) 、固 定 风 量 分 支 、风 机 原 始 数 据 、风 机 位 置 及 风 机 编 号 等 ,该 原 始 数 据 在 程 序 运 行 开 始 由 DIN 模 块 读 入 内 存 。 风 网 解 算 模 块 是 该 程 序 的 主 体 部 分 ,其 中 包 括 风 阻 解 算 、基 本 关 联 矩 阵 解 算 、风 网 解 算 等 过 程 。 由 于 采 用 节 点 风 压 法 ,程 序 编 制 比 较 简 单 、思 路 清 晰 ,采 用 全 选 主 元 素 法 子 程 序 解 算 节 点 压 力 方 程 组 ,迭 代 速 度 较 快 ,对 于 具 有 100 个 节 点 、120 条 分 支 的 算 例 , 只 需 2 秒 钟 迭 代 40 次 即 可 解 算 出 结 果 ,其 结 果 自 动 生 成 DOU T 文 件 输 出 。 程 序 的 运 行 速 度 与 初 设 风 量 有 一 定 的 关 系 ,如 果 初 设 风 量 不 合 适 ,其 结 果 很 可 能 发 散 ;初 设 风 量 合 适 ,迭 代 收 敛 的 速 度 很 快 。 因 此 ,在 程 序 运 行 之 前 一 定 要 对 初 始 风 量 进 行 比 较 精 确 地 设 置 。 WWW.KY114.CN 络 进 行 前 处 理 ,包 括 各 节 点 编 号 、风 路 编 号 、每 条 风 路 的 长 度 、形 状 、支 护 形 式 、摩 擦 阻 力 系 数 、面 积 、局 部 风 阻 、漏 风 情 况 、风 机 特 性 曲 线 的 数 值 化 、风 机 安 装 位 置 的 确 定 、风 路 的 自 然 风 压 、固 定 风 量 风 路 的 确 定 等 ,然 后 还 要 作 必 要 的 简 化 处 理 ,最 后 再 将 所 有 的 数 据 转 化 为 计 算 机 软 件 要 求 的 格 式 输 入 计 算 机 。 ( 2) 计 算 机 模 拟 结 果 。 计 算 机 对 各 方 案 分 别 进 行 模 拟 计 算 ,得 部 分 方 案 的 网 络 中 主 要 风 路 的 风 量 分 配 结 果 见 表 1。 通 过 技 术 经 济 比 较 后 确 定 方 案 3 为 最 后 实 施 方 案 。 表 1 主 要 井 巷 风 量 分 配 m3方s - 1 风 路 名 称 方 案 1 方 案 2 方 案 3 方 案 4 副 井 67. 76 40. 47 152. 8 29. 78 48. 81 15. 73 64. 51 38. 17 154. 1 26. 07 61. 13 27. 71 45. 04 39. 48 22. 41 7. 50 69. 85 37. 74 157. 70 30. 86 51. 19 14. 27 36. 94 12. 72 16. 40 15. 74 32. 39 8. 12 70. 03 38. 08 158. 30 31. 77 48. 41 13. 74 35. 97 11. 13 15. 60 15. 27 32. 03 7. 83 主 斜 坡 道 总 回 风 井 矿 - 400 m 中 段 # 1 1 2 # 矿 - 460 m 中 段 # 矿 - 460 m 中 段 # 1 矿 - 510 m 中 段 25. 38 # 1 2 2 矿 - 560 m 中 段 21. 71 16. 44 9. 83 矿 井 通 风 系 统 优 化 软 件 使 用 的 语 言 各 异 ,有 Fortran ,Visual Basic 和 Visual C + + 等 ,本 文 应 用 的 计 算 机 软 件 是 基 于 Windows95/ 98/ 2000 操 作 平 台 、 用 FORTRAN90 编 写 的 。 此 软 件 可 分 析 350 条 边 、 # 矿 - 510 m 中 段 # 矿 - 560 m 中 段 # 1 矿 - 580 m 中 段 31. 85 8. 82 35. 04 36. 78 # 2 矿 - 580 m 中 段 方 63 方 总 第 337 期 金 属 矿 山 2004 年 第 7 期 2 001 (13) :33～ 37 　 (3) 通 风 系 统 改 造 效 果 。 现 场 在 2 年 的 时 间 内 2 3 黄 继 声 . 矿 井 通 风 设 计 自 动 化 . 煤 炭 工 程 师 ,1995(3) :7～ 11 蒋 瑾 瑜 . 计 算 机 在 矿 井 通 风 系 统 设 计 中 的 应 用 . 有 色 冶 金 设 计 与 完 成 了 最 佳 方 案 的 所 有 工 程 施 工 任 务 ,并 对 实 施 后 的 通 风 效 果 进 行 了 测 定 ,计 算 得 有 效 风 量 率 、风 质 合 研 究 ,1989 ,10 (3) :1～ 4 格 率 、风 量 合 格 率 、综 合 指 标 见 表 2。 4 5 6 谢 贤 平 ,严 春 风 ,等 . 矿 井 通 风 自 动 监 控 系 统 数 学 模 型 的 研 究 与 实 现 . 金 属 矿 山 ,1995(5) :24～ 28 表 2 通 风 系 统 改 造 前 后 效 果 比 较 % 蒋 军 成 ,陈 全 ,等 . 计 算 机 在 矿 井 风 网 优 化 调 节 计 算 中 的 应 用 . 东 北 煤 炭 技 术 ,1995(1) :57～ 61 指 标 改 造 前 改 造 后 有 效 风 量 率 风 质 合 格 率 风 量 合 格 率 综 合 指 标 53. 24 73. 5 34. 13 65. 41 57. 14 76. 92 42. 86 65. 38 沈 斐 敏 ,等 . 矿 井 通 风 微 机 程 序 设 计 与 应 用 . 北 京 :煤 炭 工 业 出 版 社 ,1995 7 　 谭 国 运 ,等 . 矿 井 通 风 网 络 分 析 及 电 算 方 法 . 北 京 :煤 炭 工 业 出 版 ,1991 　 从 表 2 通 风 系 统 改 造 前 后 的 效 果 比 较 可 以 看 社 出 ,本 文 依 据 通 风 网 络 优 化 软 件 对 若 干 通 风 系 统 改 造 方 案 进 行 模 拟 解 算 结 果 确 定 的 最 优 方 案 是 可 靠 的 ,按 照 最 优 方 案 实 施 后 ,矿 井 的 有 效 风 量 率 、风 质 合 格 率 、风 量 合 格 率 以 及 通 风 系 统 评 价 综 合 指 标 分 别 比 改 造 前 提 高 了 31. 28 %、19. 78 %、22. 52 %、 8 9 徐 瑞 龙 . 通 风 网 络 理 论 . 北 京 :煤 炭 工 业 出 版 社 ,1993 张 惠 忱 . 计 算 机 在 矿 井 通 风 中 的 应 用 . 徐 州 :中 国 矿 业 大 学 出 版 社 ,1992 1 1 1 0 　 Chao Wu. Mine ventilation network and pollution simulation. Lulea University of Technology , 1994 1 　 Calizaya F ,Mulyadi A , New P T. Freeport mine ventilation system 2 0. 26 % ,显 著 改 善 了 矿 井 的 通 风 效 果 ,有 利 于 保 护 工 人 的 身 体 健 康 和 提 高 劳 动 生 产 率 。 结 论 本 文 用 FORTRAN90 编 写 的 通 风 网 络 优 化 软 - basic requirements. Mining Engineering , 1999 ,51 (8) :54～ 58 2 　 Wang Y J , Mutmansky M. Modeling mine ventilation networks 4 using five basic network elements. Mining Engineering , 1997 , 49 ( 3) :65～ 69 件 是 在 国 内 外 一 些 好 的 软 件 基 础 上 开 发 的 ,在 Win2 dows 操 作 平 台 上 运 行 具 有 较 好 可 视 化 ,且 运 行 速 度 快 。 从 现 场 应 用 实 践 的 结 果 可 以 看 出 ,该 软 件 先 进 13 　 McDaniel K H ,Wallace K G1Real time mine ventilation simulation. Mining Engineering , 1997 ,49 (3) :71～ 75 1 4 　 Wala A M ,Stoltz J R , Thompson E. Natural ventilation pressures WWW.KY114.CN in a deep salt mine - a case study. Mining Engineering , 2002 ,54 可 靠 ,不 仅 适 用 于 统 一 通 风 系 统 的 网 络 优 化 ,而 且 也 适 用 于 多 风 机 多 级 机 站 通 风 系 统 ,在 矿 井 通 风 系 统 改 造 中 具 有 较 好 的 应 用 前 景 。 ( 3) :37～ 42 1 5 　 Brake D J Rick. Fan total pressure or fan static pressure : Which is correct when solving ventilation problems. Mine Ventilation Society of South Africa ,2002 ,55 (1) : 6～ 11 参 考 文 献 ( 收 稿 日 期 2004202215) 1 谢 宁 芳 . 通 风 专 家 3. 0 版 主 要 功 能 及 在 矿 山 中 的 应 用 . 矿 业 快 报 , ( 上 接 第 61 页 ) 析 中 显 示 出 矿 区 当 前 发 展 中 存 在 的 主 要 问 题 ,为 矿 区 突 破 传 统 的 粗 放 经 营 、高 能 耗 、低 效 益 、高 污 染 的 发 展 模 式 ,向 经 济 目 标 、生 态 目 标 和 社 会 目 标 协 调 发 展 的 可 持 续 发 展 模 式 过 渡 提 供 科 学 的 决 策 依 据 。 3 . 3. 4 计 算 可 持 续 发 展 的 程 度 评 价 值 将 隶 属 度 及 权 重 数 据 代 入 评 价 矩 阵 ,计 算 可 持 续 发 展 的 程 度 评 价 值 ,范 围 为 0～ 1。 表 14 可 持 续 发 展 程 度 评 价 值 参 考 文 献 级 别 1 可 持 续 发 展 程 度 描 述 可 持 续 发 展 评 价 值 1 李 金 柱 ,等 编 著 1 煤 炭 工 业 可 持 续 发 展 的 开 发 与 利 用 技 术 1 北 京 :煤 炭 工 业 出 版 社 ,1998 0. 85～ 1. 0 0. 7～ 0. 85 0. 5～ 0. 7 以 下 0～ 0. 5 以 下 2 初 级 可 持 续 发 展 2 3 郝 忠 著 1 大 型 矿 区 可 持 续 发 展 技 术 1 北 京 :科 学 出 版 社 ,2000 汪 云 甲 ,黄 宗 文 ,等 著 1 矿 产 资 源 评 价 极 其 应 用 研 究 1 徐 州 :中 国 矿 业 大 学 出 版 社 ,1998 3 由 传 统 发 展 向 可 持 续 发 展 过 渡 传 统 发 展 4 4 周 德 群 1 煤 炭 工 业 可 持 续 发 展 及 其 政 策 选 择 :可 持 续 发 展 与 煤 炭 工 业 报 告 文 集 1 北 京 :煤 炭 工 业 出 版 社 ,1998 4 结 论 矿 区 可 持 续 发 展 正 确 评 价 能 够 从 评 价 指 标 的 分 ( 收 稿 日 期 2004203216 ) 方 64 方