矿井通风系统优化调控算法与三维可视化关键技术研究.pdf

中南大学 博士学位论文 矿井通风系统优化调控算法与三维可视化关键技术研究 姓名黄俊歆 申请学位级别博士 专业安全技术及工程 指导教师王李管 20120311 中南大学博士学位论文摘要 摘要 随着计算机及信息技术的高速发展，数字与可视化等信息技术越来越 广泛应用于工业化生产的各个领域，传统产业的信息化改造与技术升级成 为大势所趋。矿业行业作为国家能源与原材料供应提供者，把握着国民经 济发展的命脉。我国矿业经过半个世纪的快速发展，已建成国有矿山近万 座，集体矿山和非国有矿山2 0 多万座，年开采矿石量超过5 0 亿t 。因此， 数字矿山技术已成为矿山企业技术进步的必由之路。 矿井通风系统是传统的地下开采八大系统之一，与地下开采的生产安 全息息相关。我国金属矿井自5 0 年代以来逐步建立了机械通风系统，但 风机的运转效率一直较低。据统计，国内矿山风机运转效率仅为4 0 ％左 右，比设计的风机效率低一半以上。通风能耗约占矿井总能耗的1 ／3 ，通 风电费约占通风能耗的7 0 ％。大型矿井的风机装机功率高达数千千瓦， 年通风电费达数百万元。随着矿井服务年限的增长、开采深度的增加、生 产规模的扩大，地下矿通风系统日益复杂，为满足井下各用风场所的风量 需求，对通风系统的调控管理要求越来越高。 矿井通风系统空间层位关系及网络拓扑结构复杂、通风动力设备及通 风构筑物数量多、分布广，普遍存在设计与生产实际产能要求不相匹配的 现象，且目前的通风管理手段及工具无法很好地满足实际需要。 矿井通风系统的设计及调控作为矿山建设及日常管理的重要环节，是 保障井下安全生产的基础。设计及管理方案的优劣直接影响到井下生产的 安全性、生产成本、生产能力和整体经济效益。矿井通风系统是一个真三 维的地理／地质环境，因此，要实现矿井通风系统的数字化设计及管理， 其手段也应在真三维环境下进行的。因此，对于矿井通风优化调控系统的 研究也必须在真三维环境下进行。 本文着重对矿井通风系统优化调控算法与三维可视化关键技术展开 研究，主要内容包含以下几个方面 1 矿井通风优化调控系统软件体系构架的研究。针对矿山数字化软 件涉及多专业、多功能、需求多样性等特点，提出“层次式平台 插件”的 结构体系，有效地实现框架和构件的共享与复用，实现专业功能模块的任 意扩展；将矿井通风优化调控系统作为矿山数字化系统平台的一个插件模 块，并提出数据一体化管理机制，与平台以及其他专业功能模块共享基础 数据，大大降低了通风系统建模难度，提高工作效率。 中南大学博士学位论文摘要 2 在全面分析二维及三维绘图环境下进行交互操作优缺点的基础 上，结合矿井通风系统设计的特点，提出了“绘图工作面”的概念，大大提 高了设计人员在真三维环境下矿井通风系统设计工作的精确性和便捷性。 3 对复杂矿井通风网络解算问题进行了系统、深入的研究，分析了 现有通风网络解算算法的局限性，结合回路风量法和节点风压法的优点， 提出了一种新的网络解算算法烈S A 算法。该算法具有收敛速度快、 能解决含有单向回路的通风网络等优点。 4 对矿井通风系统调控工作中的两大关键问题风机选优和风 网调节，进行了深入的研究。①提出构建风机数据库，用以存储较为全面 的风机数据信息，为风机选型提供必须的基础数据；②提出了用于风机优 化选型的F O M R 模型，利用风网按需分配解算的结果来计算待选风机的 工况点，然后搜索风机数据库查找匹配的风机；③提出了用于搜索通路的 G A F P 算法，降低了搜索通路算法的时间复杂度。为矿井通风系统调控工 作提供了新的解决方法和更加行之有效的管理手段。 5 对全矿的污染物动态模拟进行了深入的研究，提出了D V N T M 模 型，将通风系统抽象成一个离散的拓扑结构模型，便于表达通风网络中任 意位置的污染物浓度值；再结合流体扩散理论对井下污染物的扩散模拟算 法进行了研究，并详细阐述了其基本原理及具体实现步骤。为全矿的污染 物动态模拟提供了一种新的有效方法； 6 提出了C M C A 算法，充分利用矿井通风系统单线图的节点一正 向弧一反向弧网络拓扑结构图，采用最外层闭合轮廓线优先的逆时针搜索 方法，在巷道顶底板间插入若干与巷道底板平行的面，从而得到多层闭合 轮廓线；对这些闭合轮廓线进行三维重建，从而生成三维联通巷道表面模 型； 7 已将本文的研究成果集成于D I M I N E 矿山数字化软件平台中，并 应用于云南大红山铜矿的实际优化调控工作中，该矿通风系统非常复杂， 通风网络中分支数达1 0 1 4 条，采用5 级机站通风方式，同时运行的风机 数达9 0 台，极具代表性。应用结果表明解算结果与井下实测结果吻合 度较高，优化调控及污染物扩散模拟计算结果对生产实际起到较好的指导 作用。 本文的研究成果解决了真三维环境下矿井通风优化调控工作中存在 的关键技术和难点问题，为复杂矿井通风系统设计及管理工作提供了理论 基础和技术支持。 关键词三维可视化，矿井通风，数据一体化管理，风机选型，风网 调节，优化，污染扩散模拟 中南大学博士学位论文 A B S T R A C T A B S T R A C T W _ i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , d i g i t a lt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nd i f f e r e n tf i e l d so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ．I t i sat r e n dt h a tt r a d i t i o n a li n d u s t r ys h o u l db et r a n s f o r m e da n di m p r o v e db a s e do n i n f o r m a t i o n i z a t i o n ．A sas u p p l i e ro fn a t i o n a le n e r g ya n dr a wm a t e r i a l s ，m i n i n g i n d u s t r yh o l d st h el i f e l i n eo fn a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t ．T h eh a l fa c e n t u r yw i t n e s s e dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i n i n gi n d u s t r y , w i t ha b o u t t e n t h o u s a n do fs t a t e ．o w n e dm i n e sa n dm o r et h a n2 0 0 ，0 0 0c o l l e c t i v e o w n e dm i n e s a n dn o n ．s t a t e ．o w n e dm i n e sb u i l t ．T h ea n n u a l m i n i n g a m o u n te x c e e d s 5 , 0 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0t o n s ．T h e r e f o r e ，d i g i t a li n f o r m a t i o n i z a t i o no fm i n i n gi n d u s t r y h a sb e c o m ea ni n e v i t a b l et e n d e n c y ． M i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m ，w h i c hi so n eo f t h ee i g h tt r a d i t i o n a lu n d e r g r o u n d m i n i n gs y s t e m s ，i sc l o s e l yi n t e r r e l a t e d t op r o d u c t i o ns a f e t y ．S i n c e19 5 0 s ， m e c h a n i c a lv e n t i l a t i o ns y s t e m sw e r eg r a d u a l l ys e tu pi nm e t a lm i n e si nC h i n a ， b u tt h er u n n i n ge f f i c i e n c yo ff a n si sr e l a t i v e l yl o w ．A c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，f a n s ’ r u n n i n ge f f i c i e n c yo f d o m e s t i cm i n e si Sm e r e l ya b o u t4 0 ％，w h i c hi Sl o w e rt h a n t h eh a l fo ft h ed e s i g n e df a ne f f c i e n c y ．V e n t i l a t i o ne n e r g yc o n s u m p t i o nt a k e su p 1 ／3o f t h et o t a le n e r g yc o n s u m p t i o no f m i n e s ．A sf o ri t se l e c t r i c i t yo f v e n t i l a t i o n ， i tc o s t s7 0 ％o fv e n t i l a t i o ne n e r g yc o n s u m p t i o n ．L a r g em i n e s ’f a n si n s t a l l e d p o w e rr e a c hu pt oo n et h o u s a n dk i l o w a t t s ，W i t ha n n u a lv e n t i l i a t i o ne l e t r i c i t y b i l l su pt om i l l i o n so f R M B ．晰t ht 1 1 ei n c r e a s i n gs e r v i c e sy e a r s ，m i n i n gd e p t ho f m i n e sa n de x p a n s i o no fp r o d u c t i o ns c a l e ，u n d e r g r o u n dv e n t i l a t i o ns y s t e mg o t m o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d ．T om e e tt h er e q u i r e m e n t so fe n o u g ha i rv o l u m e f o re a c ha i v r e q u k e dp l a c e ，t h ec o n t r o lm a n a g e m e n to fv e n t i l a t i o ns y s t e mw i l l b ea t t a c h e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s ． O w i n gt oc o m p l i c a t e ds p a t i a lr e l a t i o n s h i po f m i n ev e n t i l a t i o ns y s t e ma n d n e t w o r kt o p o l o g y , a n dw i t hal a r g ea m o u n to fv e n t i l a t i o np o w e re q u i p m e n t s a n dv e n t i l a t i o nb u i l d i n g st h a ta r ed i s t r i b u t e db r o a d l y , t h ep r o b l e mt h a tt h e v e n t i l a t i o nd e s i g nC a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fa c t u a lp r o d u c t i o ni s u b i q u i t o u s ；w h a t ’Sm o r e ，t h ee x i s t i n gm a n a g e m e n t t o o l so fv e n t i l a t i o nC a nn o t b e t t e rs e r v ef o ra c t u a lm i n i n g ． A st h ei m p o r t a n ts t e po fm i n ec o n s t r u c t i o na n dd a i l ym a n a g e m e n t ，t h e I I I d e s i g na n dc o n t r o lo fm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e ma r et h ef o u n d a t i o nf o re n s u r i n g m i n es a f e t y ．T h eq u a l i t yo fd e s i g na n dm a n a g e m e n ts c h e m ew i l ld i r e c t l y i n f l u e n c es e c u r i t y , p r o d u c t i o nc o s t ，p r o d u c t i o nc a p a c i t yo f u n d e r g r o u n dm i n i n g a n di t so v e r a l le c o n o m i cb e n e f i t s ．M i n ev e n t i l a t i o ns y s t e mi s ar e a l3 D g e o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，t h e r e f o r e ，t h ed i g i t a ld e s i g na n dm a n a g e m e n t o fm i n e v e n t i l a t i o ns y s t e ms h o u l db ec a r r i e do u tu n d e rr e a l3 De n r i o n m e n t ． 1 1 1 i s p a p e rf o c u s e s o nt h e o p t i m i z a t i o n c o n t r o la l g o r i t h mo fm i n e v e n t i l a t i o ns y s t e ma n dk e yt e c h n o l o g i e so f3 Dv i s u l i z a t i o n ．砀em a i nc o n t e n t s i n c l u d e s 1 R e s e a r c h e so nc o n s t r u c t i n gt h eo p t i m i z a t i o nc o n t r o ls o f t w a r eo f m i n e v e n t i l a t i o ns y s t e m ．M i n ed i g i t i z a t i o ns o f t w a r ec o v e r sm u l t i - d i s c i p l i n a r y , w i t h m u l t i ．f u n c t i o na n dd i v e r s i f i e dn e e d s ．t h e r e f o r , as y s t e mo f “h i e r a r c h i c a l p l a t f o r m p l u g i n ’’w a sp u tf o r w a r d ．T h i ss y s t e mc a ne f f e c t i v e l ys h a r ea n d r e u s ef r a m ea n dc o m p o n e n t sf o rf r e ee x p a n d i n gp r o f e s s i o n a lf u n c t i o nm o d u l e s ． O p t i m i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fm i n ev e n t i l a t i o ni se m p l o y e d a sap l u g - i n m o d u l ei nt h em i n ed i g i t i z a t i o ns y s t e mp l a t f o r m ，a n dm a n a g e m e n tm e c h a n i s m o fd a t ai n t e g r a t i o nw a sp r o p o s e df o rs h a r i n gb a s i cd a t at o g e t h e rw i t hp l a t f o r m a n do t h e rp r o f e s s i o n a lf u n c t i o nm o d u l e s ．I nt h i sw a y , t h ed i f f i c u l t i e so f v e n t i l a t i o ns y s t e mm o d e l l i n gw i l lb eg r e a t l yr e d u c e d ，w i t hw o r ke f f i c i e n c y b e i n gi m p r o v e d ． 2 B a s e do nt h eo v e r a l la n a l y s i so nt h em e r i t sa n dd e m e r i t so fi n t e r a c t i v e o p e r a t i o nu n d e r2 Da n d3 D d r a w i n ge n v i r o n m e n ta n dd e s i g nf e a t u r e so f m i n e v e n t i l a t i o ns y s t e m ，t h ec o n c e p to f “d r a w i n gw o r k i n gf a c e ”w a sp u tf o r w a r d ．I t g r e a t l yi n c r e a s e st h ea c c u r a c ya n dc o n v e n i e n c eo fd e s i g n e r s ’w o r k so nm i n e v e n t i l a y i o ns y s t e mu n d e r r e a l3 De n v i r o n m e n t ． 3 T h ep r o b l e m so f n e t w o r k s o l u t i o nf o rc o m p l i c a t e dm i n ev e n t i l a t i o nh a d b e e ns t u d i e ds y s t e m a t i c a l l ya n dt h o r o u g h l y ．A l s o ，t h el i m i t a t i o no ft h ee x i s t i n g v e n t i l a t i o nn e t w o r ks o l u t i o nh a db e e na n a l y z e d ．C o m b i n e dw i t hc i r c u i t a i r - q u a n t i t ym e t h o da n dt h em e t h o do fn o d ev e n t i l a t i o np r e s s u r e ，an o v e l n e t w o r ks o l u t i o n I N S Aw a s p u tf o r w a r d ．W i t hah i g hc o n v e r g e n c er a t e ，t h i s a l g o r i t h m C a ns o l v et h e p r o b l e m s o fv e n t i l a t i o nn e t w o r kt h a ti n c l u d e s u n i d i r e c t i o n a lc i r c u i t ． 4 T w ok e yp r o b l e m si nt h ew o r ko fm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e mc o n t r o l ， n a m e l yo p t i m a ls e l e c t i o no ff a n sa n dv e n t i l a t i o na d j u s t m e n t ，w e r es t u d i e d t h o r o u g h l y ．1 c o n s t r u c t i n gf a nd a t a b a s ef o rs t o r i n gc o m p r e h e n s i v ed a t a T V 中南大学博士学位论文A B S T R A C T i n f o r m a t i o no ff a n s ，a n dp r o v i d i n gn e c e s s a r yb a s i cd a t af o rs e l e c t i n gf a n s ． 2 F O M Rm o d e l ，w h i c hi su s e df o rs e l e c t i n go p t i m a lf a n s ，w a sp r o p o s e d ．B y a d o p t i n gt h er e s u l t so f v e n t i l a t i o no n - d e m a n ds o l u t i o n ，t h eo p e r a t i n gp o i n t so f t o - b e s e l e c t e df a n sC a nb ec a l c u l a t e d ；a n dt h e ns e a r c ht h ef a nd a t a b a s et of i n d t h es u i t a b l ef a n s ．3 G A F Pa l g o r i t h mt h a ti su s e df o rs e a r c h i n gp a t h w a yw a s p u t f o r w a r d ．I tr e d u c e st h et i m ec o m p l e x i t yo fs e a r c h i n gp a t h w a ya l g o r i t h ma n d p r o v i d e sn e ws o l u t i o n sa n de f f e c t i v em a n a g e m e n tf o rm i n ev e n t i l a t i o nc o n t r o l s y s t e m ． 5 B yr e s e a r c h i n gd y n a m i cs i m u l a t i o no fp o l l u t a n t si nt h ew h o l em i n e ， D V N T Mm o d e lw a s p u tf o r w a r d ．V e n t i l a t i o ns y s t e mi sa b s t r a c t e dt oa d i s c r e t e t o p o l o g ym o d e lf o rc o n v e n i e n t l ye x p r e s s i n gc o n c e n t r a t i o nv a l u eo fp o l l u t a n t s a n y w h e r ei nt h ev e n t i l a t i o nn e t w o r k ．B yu s i n gt h et h e o r yo ff l u i dd i f f u s i o n , d i f f u s i o ns i m u l a t i o na l g o r i t h mo f u n d e r g r o u n dp o l l u t a n t sw a ss t u d i e d ，w i t hi t s f u n d a m e n t a l p r i n c i p l e sa n dc o n c r e t es t e p se l a b o r a t e di nd e t a i l ．T h i sp r o v i d e sa f r e s h l ye f f e c t i v em e t h o df o rd y n a m i cs i m u l a t i o no fp o l l u t a n t si nt h em i n e ． 6 C M C Aa l g o r i t h mw a sp r o p o s e d ．T h ep r o c e d u r ei sl i s t e da sf o l l o w s t a k ef u l lu s eo f n o d e p o s i t i v ea r C 。r e v e r s e da r cn e t w o r kt o p o l o g yd i a g r a mo f s i n g l el i n ed i a g r a mo f m i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m ；a d o p tc o u n t e r c l o c ks e a r c h i n g m e t h o do f g i v i n gt o pp r i o r i t yt ot h eo u t e r m o s t c l o s e dc o n t o u ra n di n s e r ts e v e r a l p l a n e sw h i c ha r ep a r a l l e lt ol a n e w a y ’Sf l o o rb e t w e e nl a n e w a y ’Sr o o fa n df l o o r , t og e tm u l t i l a y e rc l o s e dc o n t o u r s ；a n dt h e n3 Dr e c o n s t r u c tt h e s ec l o s e dc o n t o u r s f o rg e n e r a t i n gs u r f a c em o d e lo f3 Dc o n n e c t e dl a n e w a y ． 7 1 1 1 er e s e a r c hf i n d i n g so ft h i sp a p e rh a v eb e e ni n t e g r a t e di nt h e D I M I N E D i g i t a lM i n eS o f t w a r eP l a t f o r ma n da p p l i e dt ot h ea c t u a lw o r ko f o p t i m a lc o n t r o li nD a h o n g s h a nC o o p e r M i n ei nY u n n a n ．I tv e n t i l a t i o ns y s t e mi s v e r yc o m p l i c a t e da n dt y p i c a l ，w i t hm o r et h a n 1014o fb r a n c h e si nt h e v e n t i l a t i o nn e t w o r k ．B ya d o p t i n gf i v e - l e v e lm a c h i n es t a t i o n ，t h en u m b e ro ff a n s r u n n i n ga tt h es a m et i m ei su pt o9 0 ．T h ea p p l i c a t i o ns h o w st h a tv e n t i l a t i o n n e t w o r kc a l c u l a t i o na n du n d e r g r o u n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ei nh i g hd e g r e eo f a g r e e m e n t ；t h e r e f o r e ，o p t i m a lc o n t r o l a n dr e s u l t so fp o l l u t a n td i f f u s i o n s i m u l a t i o np l a yas i g n i f i c a n tg u i d i n gr o l ei nt h ea c t u a lp r o d u c t i o n ． T h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e rp r o p o s e dt h ek e yt e c h n o l o g i e so fm i n e v e n t i l a t i o no p t i m i z a t i o nc o n t r o lw o r ku n d e rr e a l3 De n v i r o n m e n ta n ds o l v e d r e l e v a n t p r o b l e m s ．A l s o ，t h i s r e s e a r c h p r o v i d e d t h e o r e t i c a lb a s i sa n d t e c h n o l o g i c a ls u p p o r tf o rs y s t e md e s i g na n dm a n a g e m e n t o f c o m p l i c a t e dm i n e V 中南大学博士学位论文A B S T R A C T v e n t i l a t i o n ． K E YW O R D S t h r e e - d i m e n s i o n v i s u a l i z a t i o n ，m i n ev e n t i l a t i o n ，d a t a i n t e g r a t e dm a n a g e m e n t ，f a ns e l e c t i n g ，v e n t i l a t i o nn e t w o r k a d j u s t i n g ， o p t i m i z a t i o n ，p o l l u t a n td i s p e r s i o ns i m u l m i o n V I 中南大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 概述 我国自职业健康安全管理体系 O c c u p a t i o nH e a l t ha n dS a f e t yA s s e s s m e n tS e r i e s ， O H S M S 贯彻实施以来，对于工矿企业工作场所的劳动环境要求也越来越严格。只要 有人活动的地方，就存在着一个人与周围环境构成的大气子系统，在该系统中，人、 环境之间相互影响、相互作用；甚至在一些没有人员活动的地方，对环境也有着较高 的要求，如存储粮食的仓库，要求空气干燥、温度适宜，以防粮食变质、腐烂。无论 何种环境，保证工作场所大气环境的安全、卫生是O H S M S 体系对劳动环境要求的最 低标准，为了达到该标准，最直接、最行之有效的方法就是采用通风技术【1 儿2 1 。 矿井通风的目的是为井下各用风场所提供足够的新鲜风流，保证作业空间空气质 量良好，冲淡或稀释有毒、有害气体和矿尘、炮烟等污染物。矿井通风系统是地下开 采矿山传统的八大系统之一，是地下矿开采安全生产的重要保障。我国地下开采的金 属矿山自5 0 年代以来逐步建立了机械通风系统，随着矿井服务年限的增长、开采深 度的增加和生产规模的扩大，地下金属矿通风系统日益复杂，为满足井下各用风场所 的风量需求，通风系统逐渐从单一风机通风方式向多风机多级机站的通风方式过渡。 多风机多级机站通风方式采用机站间风机串联及机站内风机并联，这样所选的风机风 量小、风压低、输出功率小。与传统的单一主扇通风方式相比，可有效降低能耗、大 幅度降低装机容量、提高风机运行效率。但如果机站间各串、并联风机功率不匹配、 安装位置不合理，将会导致以下几个方面的问题①风机之间相互制约，出现所做的 功相互抵消的现象，大大降低了运行效率；②导致机站旁侧风路发生风流逆转，即形 成循环风 在矿井通风图论中又称作“单向回路” 。而井下形成循环风会带来以下两个 方面的问题1 3 H7 j ． 1 安全生产方面。无论是在金属矿山还是非金属矿山，其通风系统中都不允许 出现循环风，污风在井下循环流动将危害生产安全； 2 通风网络解算方面。当通风网络中存在单向回路时，虽然网络解算的三大定 律仍然成立，但一切基于通路和回路概念的算法都将失效，包括回路风量法、风网调 节通路法等。为避免井下出现循环风，就对地