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矿井通风网络优化软件及其应用
2012-03-31
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。
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
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