基于监测监控系统的通风异常分析与调节分析研究.pdf

中图分类号 U D C T D 7 2 6 6 2 2 硕士学位论文 学校代码 1 0 5 3 3 基于监测监控系统的通风异常分析与调节分析研究 S t u d yo na b n o r m a la n a l y s i sa n da d j u s t m e n ta n a l y s i s o fv e n t i l a t i o nb a s e do nm o n i t o r i n ga n ds u p e r v i s i o n s y s t e m - 作者 学科 研究 学院 指导 史采星 矿业工程 采矿工程 资源与安全工程学院 史秀志教授 论文答辩日期圣 笙三_ 答辩委员会主 中南大学 二零一四年五月 畏和 名业向黟师 姓专方系教 万方数据 ㈣1IIIII㈣frill|I㈣IIIIlllIlloll㈣lllllItl㈣11111lu㈣111 学位论文原创性声明 丫2 6 8 8 8 5 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名爰二叁二星 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名唼名虚导师签名 日期雄年且卫日 万方数据 基于监测监控系统的通风异常分析与调节分析研究 摘要矿山通风系统具有复杂性和动态性的特点，这决定了井下环境 在不停的变化。设计一个安全、可靠、经济与实用的通风网络，对矿 山的安全生产发挥着重要作用。为及时掌握井下通风状态，了解井下 通风是否能够满足生产的需要，对通风系统进行实时监测显得尤为必 要。利用监测监控系统的监测数据与控制功能，本文将金属矿山的通 风监测监控系统与通风管理系统相结合，研究了基于监测监控系统的 通风异常分析与通风调节分析，实现了矿井通风系统的科学管理。本 文研究主要内容及成果如下 1 通过分析前人对通风网络解算的成果，利用C 撑语言编写 了通风网络解算软件，取得了较好的效果。 2 利用C r o s s 迭代法求解灵敏度矩阵，并用C 撑语言编写了求 解灵敏度矩阵的软件，方便实用，大大缩短了人工计算时间，减少了 错误率。 3 建立了基于灵敏度矩阵与模糊聚类分析的风速传感器安装 位置优化模型，解决了风速传感器监测存在盲区的问题，并用C 群语 言编写了相应程序模块。 4 建立了基于监测监控系统与灵敏度矩阵的巷道风量正常波 动范围模型，提出了风量异常值的界定方法与基于灵敏度矩阵求解异 常巷道编号的方法。 5 推导了基于风流流动基本规律的风量调节值计算公式，建 立了基于灵敏度矩阵的最佳调节巷道模型，提出了基于监测监控系统 的自动风门智能调节的风量调节措施。 6 采用C 拌语言编写了监测监控系统与通风管理系统一体化软 件，应用于华锡集团高峰矿业公司，取得了预期效果。 图3 2 幅，表1 0 个，参考文献7 2 篇。 关键词监测监控系统；灵敏度矩阵；模糊聚类分析；风量异常分析； 风量调节 分类号T D 7 2 6 万方数据 S t u d yo na b n o r m a la n a l y s i sa n da d j u s t m e n ta n a l y s i so f v e n t i l a t i o nb a s e do nm o n i t o r i n ga n ds u p e r v i s i o ns y s t e m A b s t r a c t T h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e mi Sc o m p l e xa n d d y n a m i c ，w h i c h d e t e r m i n et h e u n d e r g r o u n d e n v i r o n m e n t c h a n g e c o n s t a n t l y ．F o rm i n e so fh i g hc o m p l e x i t y , r e l y i n go ne x c e l l e n tv e n t i l a t i o n s c h e m ei sn o tp e r m a n e n t l yf e a s i b l e ．T h u st h er e a l t i m em o n i t o r i n go ft h e v e n t i l a t i o ns y s t e mi sn e e d e dt ot i m e l ym a s t e rt h es t a t eo fm i n ev e n t i l a t i o n ， a n dw h e t h e ru n d e r g r o u n dv e n t i l i a t i o nc a nm e e tt h en e e d so fp r o d u c t i o n ． U s i n gd a t am o n i t o r i n ga n dc o n t r o l f u n c t i o n so ft h e m o n i t o r i n ga n d s u p e r v i s i o ns y s t e m ，t h ep a p e rc o m b i n e sv e n t i l a t i o nm o n i t o r i n ga n d s u p e r v i s i o ns y s t e ma n dv e n t i l a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m si nm e t a lm i n e ． S t u d i e dt h ea i r f l o wa b n o r m a lv a l u ea n a l y s i sa n da d j u s t m e n ta n a l y s i sf o r v e n t i l a t i o ns y s t e m sb a s e do nm o n i t o r i n ga n d s u p e r v i s i o ns y s t e m ，r e a l i z e d t h es c i e n t i f i cm a n a g e m e n to fm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m ．T h em a i nc o n t e n t s a n da c h i e v e m e m sa r ea sf o l l o w s 1 t h ee M s t e da c h i e v e m e n t si nv e n t i l a t i o nn e t w o r ks o l u t i o n a re a n a l y z e d a n dap r o g r a mf o r c a l c u l a t i n g v e n t i l a t i o nn e t w o r ki s d e v e l o p e d i nC 撑l a n g u a g ea n da c h i e v e sg o o dr e s u l t s ． 2 S t a r t i n gf r o mt h ed e f i n i t i o n ，C r o s si t e r a t i o nm e t h o di su s e dt o s o l v et h es e n s i t i v i t ym a t r i xa n dac o n v e n i e n ta n dp r a c t i c a ls o f t w a r ei S w r i t t e ni nC 拌t oi m p l e m e mt h em e t h o d ，g r e a t l yr e d u c i n gt h ea r t i f i c i a l c a l c u l a t i o nt i m ea n dt h ee r r o rp r o b a b i l i t y ． 3 I no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m t h a tw i n ds p e e ds e n s o rm o n i t o r i n g h a sb l i n da r e a , t h ew i n ds p e e ds e n s o ri n s t a l l a t i o nl o c a t i o no p t i m i z a t i o n m o d e l i Se s t a b l i s h e db a s e do ns e n s i t i v i t ym a t r i xa n df u z z yc l u s t e ra n a l y s i s ． a n dt h er e l a t e dp r o g r a mm o d u l ei sw r i t t e nu s i n gC 撑l a n g u a g e ． 4 I no r d e rt od i s c o v e ra b n o r m a lu n d e r g r o u n da i r f l o wp h e n o m e n o n t i m e l y , an o r m a lv a r i a t i o nr a n g em o d e lo fl a n ev e n t i l a t i o nb a s e do n m o n i t o r i n ga n ds u p e r v i s i o ns y s t e ma n ds e n s i t i v i t ym a t r i xi se s t a b l i s h e d ．， am e t h o dt ob o u n da b n o r m a lv a l u eo fa i r f l o wa n dam e t h o dt of i g u r eo u t a b n o r m a ln u m b e ro fl a n eb a s e do ns e n s i t i v i t ym a t r i xa r ep u tf o r w a r d ． 5 T h ea i r f l o wa d j u s tv a l u ec a l c u l a t i o nf o r m u l ai Sd e d u c e d ，t h e o p t i m a ll a n ea i r f l o wa d j u s t m e n tm o d e lb a s e do nt h es e n s i t i v i t ym a t r i xi s e s t a b l i s h e da n dm e a s u r e st oa d j u s ta i r f l o w ． 万方数据 6 T h ei n t e g r a t i o ns o f t w a r eo ft h e m o n i t o r i n ga n ds u p e r v i s i o n s y s t e ma n dv e n t i l a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mi Sd e v e l o p e di nC } } l a n g u a g e u s i n gt h ea b o v em o d e l s ．T h es o f t w a r ei s a p p l i e dt oG a o f e n gM i n e r a l C o m p a n yo fH u a x iC o o p e r a t i o n ，a n da c h i e v e st h ed e s i r e dr e s u l t s ． F i g u r e 32 ，t a b l el0 ，r e 诧r e n c e s 7 2 K e y w o r d s m o n i t o r i n ga n ds u p e r v i s i o ns y s t e m ，s e n s i t i v i t ym a t r i x ，f u z z y c l u s t e ra n a l y s i s ，a i r f l o wa b n o r m a la n a l y s i s ，a i r f l o wa d i u s t C l a s s i f i c a t i o n T D 7 2 6 万方数据 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 ．1 监测监控系统研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 ．2 风量异常分析研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 ．3 通风调节研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 ．1 研宄内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 风量异常分析与调节模型建立的理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 矿井通风网络的基本概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 通风网络中风流流动的基本定律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．3 通风网络解算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 l 2 ．3 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 2 ．3 ．2 矿井复杂通风网络解算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．4 灵敏度矩阵的确立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．4 ．1 灵敏度概念及其数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．4 ．2 灵敏度矩阵的性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．4 ．3 灵敏度矩阵的确立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 3 风速传感器优化选址模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 3 ．2 风速传感器安装位置优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 2 3 ．2 ．1 模糊聚类化方法概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．2 ．2 风速传感器位置优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 4 通风异常分析系统模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．1 风阻与风量的内在联系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 4 ．2 风阻正常波动范围的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 V 万方数据 4 ．2 ．1 风门的开启对风阻波动范围的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．2 ．2 矿车运行对风阻波动范围的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 l 4 ．2 ．3 罐笼升降对风阻波动的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．2 ．4 风窗开启面积对风阻波动的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．3 风量异常值的界定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．3 ．1 异常值概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．3 ．2 风量异常值界定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．4 求解异常巷道编号⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 5 风量调节模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 5 ．1 风量调节的基本数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 5 ．2 调节位置与调节量的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 5 ．2 ．1 按需分风调节计算方法研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 5 ．2 ．2 基于灵敏度矩阵的最佳调节巷道选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 5 ．2 ．3 基于风流流动基本规律的风量调节值计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 5 ．3 风量智能调节措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 5 ．3 ．1 自动风门智能调控系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 ．3 ．2 风机智能调控系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 6 风量异常分析与调节模型的应用研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 6 ．1 软件总体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 6 ．1 ．1 软件功能描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 6 ．1 ．2 编写语言的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 l 6 ．2 企业概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 6 ．2 ．1 矿床地质与气象条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 6 ．2 ．2 矿山现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 6 ．3 矿井通风系统介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 6 ．3 ．11 0 0 号矿体通风系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 6 ．3 ．21 0 5 号矿体通风系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 6 ．4 实例分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 6 ．4 ．1 通风网络解算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 6 ．4 ．2 建立灵敏度矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 6 ．4 ．3 监测监控系统建设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 6 ．4 ．4 风速传感器安装位置优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 V 1 万方数据 6 ．4 ．5 风量异常分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 6 ．4 ．6 风量调节分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 6 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 7 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 4 7 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 4 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 6 附录一体化软件部分代码⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 0 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 至芟谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 V I I 万方数据 中南大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景 在较先进开采技术的带动下，以及人们对矿产资源需求量的不断增加和浅部 矿产资源的不断损耗，国内外越来越多的金属矿山进入深部甚至更深的开采状态 【1 1 。据文献【2 】的初步调查，国外已经有8 0 多座金属矿山的深度超过1 0 0 0 m ，国 内的金属矿山开采深度相对较浅，但也已步入深部开采行列。如红透山铜矿开采 深度已达1 3 5 7 m [ 3 1 。然而，进入深部开采的矿山，面临着多种突出问题。目前深 部矿山面临的最大的问题即是通风困难问题，通风系统直接关系到金属非金属地 下矿山的安全生产和劳动效率【4 1 。近年来，由矿山通风系统不完善造成矿井灾害 的事故时有发生，根据国家安全生产监督管理总局2 0 0 3 - 2 0 1 2 年数据统计，因通 风问题造成的矿山人员死亡事故达2 3 起，死亡人数8 8 人。由此可见通风系统是 否合理是保证矿山生产活动正常运转的重要因素。 矿井通风对矿山生产的重要性不言而喻，一个稳定性好、安全性好的矿井通 风网络，对矿山的安全生产及经济效益都有着重要意义，因此有必要实现通风系 统的科学管理，实时掌握矿井通风系统各用风地点的风量变化也显得尤为重要 【5 】o 但是，矿山通风管理工作并不简单，通风网络会随着生产的进行不断的发生 变化，给矿山通风系统的维护带来了极大的困难，特别是对于一些深部大型矿山 以及一些开拓系统规划不好的矿山，这种矿山井下的井巷错综复杂，通风设备、 设旋较多，要获得井下多变的通风数据以及相关信息显然不容易。 近年来，国家对矿山行业的安全发展提出了越来越高的要求，但矿难仍时有 发生。随着避难所在智利矿难中的成功应用，拉动了我国金属非金属矿山安全避 险“六大系统”的建设【6 1 。国务院发布国务院关于进一步加强企业安全生产工 作的通知国发 2 0 1 0 2 3 号文“强制推行先进适用的技术装备”。煤矿、非煤 矿山要制定和实施生产技术装备标准，安装监测监控系统、井下人员定位系统、 紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统和通信联络系统等技术装备的要求 及确保安全生产，充分保障职工人身安全，其中“金属非金属地下矿山监测监控 系统建设规范”对矿山井下的通风系统的监测做了明确的要求。 监测监控系统的建立能够使矿山通风管理人员的工作状况得到极大的改善， 可以及时了解井下通风情况，提高通风管理水平。但是对于目前矿山监测监控系 统获取的数据，矿山管理者仅仅用来查看安装传感器处的风量是否合适、人为判 断是否有异常，并不能从整体上反映整个矿山的通风网络的稳定性，随即这些数 据被保存起来而很少再去使用，使得我们获取的大量的反映矿山通风系统变化情 万方数据 中南大学硕士学位论文1 绪论 况的数据，没有得到充分的挖掘与分析【7 1 。 广西华锡集团高峰矿业有限责任公司 下称高峰矿业公司 1 0 5 号矿体通风 系统存在通风系统复杂、检查维护困难，系统漏风短路现象严重、通风井巷易被 盗矿分子利用作为盗矿通道等问题。现有通风系统己不能满足生产要求，随着时 间的推移以及开采水平的不断延深，通风系统的问题将会越来越突出，特别是不 法分子利用原民采井巷作为盗矿通道，己严重影响矿山井下的安全生产秩序。因 此对高峰矿业公司的通风系统进行重新优化改造，并利用高峰矿业公司建立的监 测监控系统进行实时监控、风量异常监测、自动调节通风设施势在必行。 1 ．2 研究意义 随着计算机技术、控制技术、通信技术、网络技术的发展，矿山设备自动化 程度不断提高，利用金属非金属矿山监测监控系统的建设，让管理人员实时掌握 通风系统风量的变化成为可能。为了充分对传感器采集的数据进行深度的挖掘与 分析，本文以矿山通风系统灵敏度为主线，以通风网络理论为基础，通过建立通 风异常分析与通风调节模型，实现了对通风网络中部分分支的风量进行实时监 测，并确定当前值是否异常；若监测值出现异常，通过分析判断是真异常还是假 异常，并对造成这一现象的原因进行分析，判定出现问题的巷道编号，以此做出 应对这一异常现象的决策，从而帮助技术人员及管理人员完成对日常大量数据的 处理，为日常生产、及时发现和处理事故发挥技术支持作用，以进一步提高矿山 安全生产的预警能力和防范能力忉。 研究的目的还在于通过本次研究为通风网络的异常分析与调节模型进行可 行性的论证。 基于监测监控的矿山通风异常分析与调节分析研究具有重要意义 1 利用监测监控系统，实时掌握矿井通风系统各用风地点用风现状及必 要的技术参数，分析矿井通风网络是否正常，以保证矿山生产安全。 2 通风网络实时监控与调节系统的建立可解决目前多数矿山存在的通风 系统管理效率低下、浪费人力资源的通病，可强化通风系统的安全性、可靠性。 3 使企业管理者更方便的了解井下通风状况，为其决策提供有力支持， 提高矿山的管理水平。 4 为日常的生产提供技术支持，可及时发现灾变，为事故处理提供依据， 从而可以加强矿山安全生产的预警能力与防范能力。 5 为以后智能矿山的建设与发展提供理论依据。 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．3 研究现状 1 ．3 ．1 监测监控系统研究现状 1 ．国外监测监控系统研究现状 在上个世纪的6 0 年代国外开始研制监测监控系统，最初主要集中在对矿井 环境参数的测量的研究，比如井下的温度、瓦斯浓度、湿度等。有代表性的产品 有西门子公司的T S T 系统、英国煤矿研究院研制的M I N O S 系统、美国的 D A N 6 4 0 0 煤矿监测系统等。随着科学技术的不断发展，上个世纪末发达国家开 始研究人员定位系统，进一步加强和完善了监测监控系统1 8 J 。 目前国外的监测监控技术已经发展了四个阶段。探究其技术本质，可以看出 监测监控系统的发展阶段主要是从信息传输方式的革新来划分的1 9 】。 国外最早的煤矿监控系统的信息传输采用空分制。在2 0 世纪6 0 年代，采用 该技术的有英国煤矿控制运输机、日本煤矿控制固定设备。 随着晶体管电路的传输技术的发展，煤矿监控发展的第二阶段采用的是信道 频分制技术，采用该技术大大减少了传输信道的电缆芯数，比空分制系统优越性 明显，因此较快的替代了空分制系统。影响力较大的产品为西门子公司开发的 T S T 系统和恩德豪斯开发的T F 2 0 0 系统。 集成电路技术的发展，推动了煤矿监测监控系统向第三阶段发展，从而产生 了以时分制为基础的监测监控系统，尤以英国发展最为迅速。2 0 世纪8 0 年代， 随着英国煤炭研究院推出的M I N O S 系统软件应用成功，英国的H S D E 、 H U W W O O D 、T 凡气N S M I T I N G 等公司分别生产了以时分制为基础的系统与之配 套；西德也提出了以时分制为基础的G E A M A T I C 一2 0 0 0 全矿井监控的实施计划； 对煤矿电器电子产品有重要影响的西门子、A E G 等公司也纷纷推出以时分制为 基础的煤矿监控系统以满足市场需要，这些产品将井下运输设备、环境、水电设 备进行全面监控，开启了煤矿自动化技术与监测监控技术发展的新局面。 在上世纪8 0 年代，美国利用其显著的高新技术力量，开创了第四阶段的煤 矿监控系统，它以分布式计算机为基础，集成了多种高新技术，诸如计算机、大 规模集成电路、数据通信等技术。美国M S A 开发的D A N 6 4 0 0 系统成为这一阶 段的代表产品，虽然它的信息传输方式仍然属于时分制，但之前的一般时分制定 义已经不能够体现这一高新技术的特点。这些系统在我国煤炭行业中发挥了作 用，也为我国研制矿用监控系统提供了很好的借鉴。 2 ．国内监测监控系统研究现状 与国外发达国家相比较，国内的安全监控系统起步较晚，在2 0 世纪7 0 年代 中期，我国在煤矿安全生产中开始使用瓦斯警报断电仪，将单纯的甲烷测量发展 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 为观铡甲烷超限报警及工作面断电，使煤矿生产中因甲烷影响造成安全事故的问 题大为缓解，煤矿安全生产出现了新面貌。但瓦斯警报断电仪没有把煤矿井下局 部通风包括在内，因局扇问题造成生产工作面瓦斯事故依然存在。许多煤矿用户 提出包括局扇在内的“风电甲烷闭锁装置”。风电甲烷闭锁装置在采掘生产中遇 停风、甲烷超限，都强迫工作面断电，并且在局扇没有恢复通风、甲烷没有受限 之前，即使人为送电也送不上，这种装置使煤矿安全生产技术又迈上了一个新台 阶。 随着煤炭工业现代化进程的加快，煤矿安全生产装置需要更先进的技术来保 证。1 9 7 6 年，西安煤矿仪表厂研制开发出我国第一套用于煤矿安全生产环境监 测的M J C 一1 0 0 型煤矿集中检测装置。该装置井上采用全集中数字化电路，使用 时分频分技术、载波技术，可以实施对煤矿井下一百个测点的甲烷、风速、温度、 负压及一氧化碳的自动巡回测量。 2 0 世纪8 0 年代，我国先后从国外引进数十套监控系统，如美国的S C A D A 系统、英国的M I N O S 系统、德国的T F ．2 0 0 系统、法国的C T T 6 3 ／4 0 系统、加拿 大的森透里昂系统。上述系统在我国煤炭行业中发挥了积极的作用，也为我国研 制矿用监测监控系统提供了很好的借鉴。 在引进国外系统的同时，通过消化与吸收，结合我过矿山的实际情况，先后 研发了K J 2 、K J 4 、K J 8 、K J l 0 、K J l 3 、K J l 9 、K J 3 8 、K J 6 6 、K J 7 5 、K J 8 0 、K J 9 3 等监控系统在我国煤矿已大量使用。实践表明，安全监控系统在煤矿安全生产和 管理中起到了十分重要的作用。随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展以 及满足企业自身发展的需要，国内各主要科研单位和生产厂家相继推出了不同的 煤矿安全生产监控系统。例如重庆煤科院的K J 9 0 ，该系统中使用了智能化较高 的监控分站，能够实现网络互连，开发的软件可使用在w i n d o w s 操作规程系统中， 此外还有河南理工大学的K J 9 3 、常州天地科技自动化分公司的K J 9 5 、抚顺煤科 院的砌F 2 0 0 0 和北京润赛公司的K ．J 2 0 0 0 等监控系统，以及M S N l Ⅵ、W E B G I S 等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。这些系统在软硬件功能、实用性、 可靠性，技术服务、生产规模等方面基本代表了我国煤矿监测监控系统的先进水 平1 8 - 1 1 1 。 在此期间，随着新材料、数字通信、网络技术等科学技术的发展，监测监控 系统按照通讯方式的不同可分为三个阶段第一阶段的通讯方式为星型结构，该 结构将每一个传感器用多条传输线与地面连接；第二阶段的通讯方式是在一对传 输线上实现多路频率分割的载波传输；第三阶段是目前应用最多的中心站和分站 之间的半双工时分总线方式【1 2 】 近几年，我国金属矿山事故发生率较小，但事故量仍不可小觑，这些事故多 4 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 数是由于井下的监测监控系统建设不完善、管理制度不健全或者实施不到位等原 因造成的。为此，2 0 11 年7 月国家安全监管总局正式颁发了金属非金属地下 矿山监测监控系统建设规范 A Q 2 0 3 1 ．2 0 1 1 ，在9 月1 日开始正式实旋【1 3 】[ 14 1 。 此举拉开了我国金属非金属矿山建设监测监控系统的序幕，并要求在2 0 1 3 年6 月底前，全国所有地下矿山完成、完善监测监控系统的建设。 3 ．发展动态 随着计算机技术、网络技术、通信技术、微电子技术的进一步发展，矿井设 备自动化水平不断提高，现代化的生产和管理在煤矿行业中不断推广。为满足现 代化矿山安全生产和信息管理的要求，矿山监控监测系统朝着网络化、标准化、 智能化的方向发展【1 5 1 。 目前，以人工智能与数据库技术相结合的第五代矿山监测监控系统问世。第 五代产品利用数据库技术、数据通信技术，实现了远程控制数据采集终端、数据 库存储、组态控制、平台集成等全套解决方案，可实时采集传感器的数据，动态 监控，自动报警，对危险源与事故隐患可在线动态跟踪。提高了矿山的安全预警 能力，为各有关部门提供了预防性的矿山安全生产的监察手段。 目前，国内外矿山安全监测系统发展主要体现出以下三个特点 1 综合化传感器监测对象的类型比较多，环境与监测融合在一起，实 现综合化的管理。 2 智能化传感器的灵敏度越来越高高，不仅可以进行有害信息的监测， 其发展趋势是向信息分析与事故预测的功能发展。 3 网络化可将监测监控信息与局域网或者广域网连接，实现网络信息 共享，可增强有害信息的透明度，加大监管范围，方便政府有关部门监管。 1 ．3 ．2 风量异常分析研究现状 矿井通风在矿山生产中占有重要地位。其安全性、可靠性、经济性、实用性 对保证井下安全生产具有重要的意义【1 6 】。 对于目前矿山监测监控系统获取的数据，矿山管理者仅仅用来查看安装传感 器处的风量是否合适、人为判断是否有异常，并不能从整体上反应整个矿山的通 风网络的稳定性，随即这些数据被保存起来而很少再去使用，使得我们获取的大 量的反映矿山通风系统变化情况的数据，没有得到充分的挖掘与分析。对这些数 据的利用是我们迫不及待解决的问题。 国内外专家、学者对调风与风网解算理论进行了大量研究，目前己取得了大 量科研成果，并在实际中取得了良好的效果，积累了丰富的经验。但是对于监测 监控系统中监测到的风量判定是否属于异常风量且对异常风量的原因分析的研 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 究却很少人提及。根据通风网络理论，对于某一特定的通风网络，某局部风阻发 生变化，可能造成整个通风系统的风量发生改变，不同的是有些地区的反应较强 烈，有些地区则比较迟钝，但其变化趋势只受网络结构决定。根据前人的研究， 通风系统风量产生异常的原因，可推算为网络中某条分支的风阻值发生了变化 [ 7 】【l7 1 。 目前，在风量异常值判定与分析领域，原西安矿业学院的张强，西安科技大 学的史东涛、王雨，昆明理工大学的张明旭等人做了不同程度、不同方法的研究。 1 ．3 ．3 通风调节研究现状 矿井通风系统复杂多变，某一条分支的通风参数发生了变化有可能会影响与 其相关的一条或者多条分支甚至整个通风网络的稳定性。反之，若要想某一分支 达