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致 谢 致 谢 首先我要深深感谢我的导师刘剑教授，本文是在刘老师的悉心指导和严格要求下完成 的。在攻读博士学位期间，刘老师在学习、生活等多方面给予了我极大的关怀与帮助。在 刘老师的精心指导下，丰富了我的专业知识，更重要的是从他忘我的工作精神、严谨的治 学态度、平易近人的导师风范上，使我感受到人生的价值，是我终身受益的精神财富。值 此论文完成之际，谨向刘老师致以最诚挚的敬意和衷心的感谢 感谢王继仁教授、齐庆杰教授、周西华教授、邓存宝教授、李宗翔教授、葛少成教授 对我学习和工作的帮助，特别感谢贾进章、马恒、李雨成等对我论文写作过程中提出的宝 贵建议与帮助，感谢郝晓华、郑丹、吴宪、赵丹、李艳昌、倪景峰、洪林等平时工作中的 帮助，感谢邓立军、赵涛、刘波等对我论文提供的帮助 感谢国家自然基金资助项目基于仿真技术的矿井通风系统智能诊断系统研究 （60772159）的成员在我撰写论文中提出的宝贵意见。 感谢含辛茹苦养育我、培养我的父母，我要将我的博士论文献给他们。感谢我的姐妹 们，是她们对父母以及对我家庭的照顾使我有精力完成学业。感谢我的爱人和孩子对我的 支持 感谢百忙之中对论文进行评审的各位老师 给过我帮助和关心的人很多，在此一并感谢 - I - 摘 要 摘 要 一些金属矿山采用多级机站通风方式，当机站通风机动力大于平衡临界点动力 时，机站的旁侧风路将发生风流反向，通风网络将产生单向回路。含有单向回路时， 现有的网络通路算法都将失效，而通风网络的许多算法，如通风网络平衡图绘制算 法、角联结构识别、通风网络图绘制、网络解算自动赋初值等，都是建立在通路算 法基础上的。基于此，本文重点进行了含有单向回路的通风网络相关算法研究，论 文选题来自国家自然基金资助项目基于仿真技术的矿井通风系统智能诊断系统研 究（60772159）。 在分析多级机站通风网络特性的基础上，论文推导了单向回路形成的临界点公 式。针对含有单向回路的通风网络平衡图绘制通路法失效问题，提出了通风网络增 源等效变换法。通风网络平衡图的矩形块数取决于通风网络的拓扑变换，本文用遗 传学中的染色体描述通风网络的拓扑变换，并解决了二进制及整数编码问题。首次 提出了基于遗传算法的通风网络平衡图绘制优化算法，即通风网络平衡图矩形块最 小切割数问题。应用计算机实现金川二矿通风网络平衡图绘制，表明该算法具有较 好的收敛性。 针对通风网络图绘制的分支交叉问题，提出了基于遗传算法的通风网络图优化 绘制算法，该算法在最长路径法基础上进行节点分层研究，并用迁移策略的并行遗 传算法进行每层上节点排序。通过绘制金川二矿通风网络图，表明该方法可以实现 通风网络图的绘制，并且通风网络图层次清晰。 对多级机站通风方式下的角联结构算法进行研究，主要对有向图通路法确定角 联结构算法进行研究，并对广义角联结构进行定义。 关键词多级机站；通风网络平衡图；优化；遗传算法；通风网络图；角联 - II - Abstract Abstract Multi-stage fan station ventilation mode is used in some metal mines, when the fan power of a fan station is great than the balance point of power, the opposite direction airflow will be occur in both sides of ventilation network, and unidirectional circuits occurr in a ventilation network in the same time. With unidirectional circuit, all the existing ventilation network algorithms will fail, but many ventilation network algorithms, such as ventilation network equilibrium graph plotting algorithm, diagonal structure identification, ventilation network mapping, and automatic assignment of initial values during network solution, are based on it. Based on this, this paper mainly researches algorithms for ventilation networks with unidirectional circuits, and the paper are based on the National Science Foundation-funded project “Simulation-based Intelligent Diagnosis of Mine Ventilation System of Systems“ 60772159. Based on the analysis of characteristics of ventilation networks with multi-stage fan stations, the paper derives the unidirectional circuit ula, which is ed from the critical point. To solve the failure problem of path in drawing ventilation network equilibrium graph with unidirectional circuits, a source addition equivalence trans is proposed. The rectangular block number of a ventilation network equilibrium graph depends on the ventilation network topological transation; this paper describes the ventilation network topological transation using the chromosomes in genetics, and solves the problem of binary and integer encoding. I firstly propose an optimization that drawing the ventilation network equilibrium graph based on the genetic algorithm, namely the number of minimum cut rectangle problem. It is proved that this has good convergence through drawing the ventilation network equilibrium graph of Jinchuan No.2 Mine by using the computer software. In allusion to the problem of branch crossing in plotting network graphs, an optimizing plotting algorithm for mine ventilation network graph is explored. A study of node hierarchy is done based the longest path , and parallel genetic algorithm based on migration strategy is used to set the orders of nodes on every layer. Through the plotting network of Jinchuan NO.2 Mine, the results suggest that this algorithm was - III - proved to be effective in reducing branch crossing number and making a better hierarchy layout. Diagonal structure algorithms for a ventilation network with multi-stage fan stations are also explored. The diagonal structure determination algorithm, path , for directed graph is mainly studied. A new definition of generalized diagonal structure is put forward. Key Words multi-stage fan stations ； ventilation network equilibrium graph ； optimization；genetic algorithm；ventilation network graph；diagonal structure - IV - 目 录 目 录 摘 要.................................................................................................................I Abstract ................................................................................................................. II 1 绪论..................................................................................................................... 1 1.1 研究背景及选题意义 ................................................................................1 1.1.1 研究背景 ......................................................................................... 1 1.1.2 选题意义 ......................................................................................... 1 1.2 多级机站通风方式的网络算法理论研究状况 ...........................................2 1.2.1 多级机站通风技术发展概况 ........................................................... 2 1.2.2 多级机站通风网络解算研究现状 .................................................... 4 1.2.3 多级机站通风网络平衡图绘制算法研究现状 ................................. 5 1.2.4 多级机站通风网络图绘制算法研究现状......................................... 6 1.2.5 多级机站通风网络角联算法研究现状............................................. 7 1.3 主要研究内容与方法 ................................................................................9 1.3.1 主要研究内容.................................................................................. 9 1.3.2 主要研究方法............................................................................... 10 2 多级机站通风方式下的网络特性 ...................................................................... 12 2.1 多级机站通风方式概述.......................................................................... 12 2.2 多级机站通风方式网络特性研究........................................................... 14 2.2.1 地面主通风机集中通风方式的网络特性...................................... 14 2.2.2 多级机站通风方式的网络特性..................................................... 15 2.3 与火风压形成单向回路对比 .................................................................. 17 2.4 消除循环风的方法 .................................................................................. 18 2.5 单向回路的存在对通风网络算法理论的影响 ......................................... 20 2.5.1 单向回路确定的数学模型 ............................................................. 20 2.5.2 有单向回路对通路矩阵算法的影响 .............................................. 21 2.5.3 有单向回路对深度优先搜索算法（DFS）的影响 ....................... 22 2.5.4 有单向回路对同胚深度优先生长算法（DFG）的影响 ............... 23 - V - 2.6 本章小结 ................................................................................................. 25 3 多级机站通风方式下的网络解算研究............................................................... 26 3.1 现有矿井通风网络解算方法 .................................................................. 26 3.1.1 矿井通风网络解算的数学模型..................................................... 26 3.1.2 矿井通风网络解算常用方法 ........................................................ 26 3.1.3 多级机站通风方式下网络解算方法存在问题 .............................. 28 3.2 基于信赖域方法的多级机站通风网络解算研究 ..................................... 29 3.2.1 信赖域法求解多级机站通风网络解算非线性方程组模型............ 29 3.2.2 信赖域半径 k Δ 的确定................................................................... 31 3.2.3 信赖域法模型求解 ....................................................................... 32 3.2.4 应用信赖域方法进行多级机站通风的网络解算步骤 ................... 33 3.2.5 应用信赖域方法与 Cross 进行通风网络解算比较........................ 34 3.3 通风网络解算实例 .................................................................................. 34 3.4 本章小结 ................................................................................................ 36 4 多级机站通风方式下的通风网络平衡图绘制算法研究 .................................... 37 4.1 基于独立通路法的通风网络平衡图绘制算法 ......................................... 37 4.2 多级机站通风方式下的网络平衡图绘制算法研究.................................. 38 4.3 基于遗传算法的通风网络平衡图优化算法研究 ..................................... 39 4.3.1 遗传算法简介................................................................................ 41 4.3.2 通风网络拓扑变换编码研究 ........................................................ 43 4.3.3 平衡图绘制初始种群的生成 ........................................................ 46 4.3.4 平衡图绘制适应度函数的设计..................................................... 46 4.3.5 新的改进自适应遗传算法（NIAGA）.......................................... 47 4.3.6 遗传算子的确定 ............................................................................ 51 4.3.7 进化过程中动态调整子代个体...................................................... 52 4.3.8 终止循环的条件 ............................................................................ 54 4.3.9 有关参数的选择 ............................................................................ 54 4.3.10 基于新改进自适应遗传算法的通风网络平衡图绘制算法实现 ... 61 4.4 基于遗传算法的通风网络平衡图绘制计算机实现.................................. 62 - VI - 4.5 基于遗传算法的通风网络平衡图绘制实例测试 ..................................... 63 4.6 基于遗传算法的金川二矿通风网络平衡图绘制 ..................................... 64 4.7 本章小结 ................................................................................................. 67 5 多级机站通风方式下的网络图绘制算法研究 .................................................. 68 5.1 绘制通风网络图的最长路径算法............................................................ 68 5.1.1 最长路径法.................................................................................... 68 5.1.2 通风网络图绘制分支交叉问题提出 .............................................. 68 5.2 多级机站通风方式下的通风网络图绘制预处理 ..................................... 69 5.3 基于最长路径法的多级机站通风网络节点分层研究.............................. 69 5.3.1 通风网络的节点分层描述 ............................................................. 69 5.3.2 通风网络的节点排序..................................................................... 70 5.4 基于遗传算法的通风网络图绘制优化算法研究 ..................................... 71 5.4.1 基于遗传算法的通风网络图绘制概述 ......................................... 71 5.4.2 源点与汇点的布置 ........................................................................ 72 5.4.3 基于最长路径法的通风网络节点分层........................................... 72 5.4.4 基于遗传算法的节点排序 ............................................................. 72 5.4.5 基于迁移策略的并行遗传算法...................................................... 76 5.4.6 通风网络图节点坐标确定 ............................................................. 78 5.4.7 矿井通风网络图分支形状的确定 .................................................. 79 5.5 金川二矿通风网络图绘制实例 ............................................................... 79 5.6 本章小结 ................................................................................................. 79 6 多级机站通风方式下的角联算法研究............................................................... 82 6.1 基于通路法的通风网络角联结构确定 .................................................... 82 6.2 基于无向图的确定通风网络角联结构的路径法研究.............................. 85 6.3 广义角联结构定义 .................................................................................. 87 6.4 多级机站通风的角联结构确定 ............................................................... 87 6.5 本章小结 ................................................................................................ 88 7 结论与展望........................................................................................................ 89 7.1 结论 ....................................................................................................... 89 - VII - 7.2 展望......................................................................................................... 89 参 考 文 献 ........................................................................................................ 91 作 者 简 历 ........................................................................................................ 99 学位论文数据集 ................................................................................................. 102 - 1 - 1 绪论 1 绪论 1.1 研究背景及选题意义 1.1 研究背景及选题意义 1.1.1 研究背景 1.1.1 研究背景 多级机站的通风方式近年来在我国得到广泛应用，其具有显著的优越性，它既可提高 矿井有效风量率，又可节省电能消耗。我国自 1983 年开始对该项通风技术进行研究以来， 先后有几十个大中型非煤矿井采用此技术，改造原有的通风系统，都取得了较好的社会效 益和经济效益[1]。 多级机站的通风方式具有节约能源，调节方便等优点，越来越受到重视和推广。但是 如果风机机站位置或风机功率选择不合理，将会导致风机机站风路的旁侧风路发生风流逆 转的情况，也就是所谓的循环风现象。这样的现象在金川镍矿二矿区是非常普遍的，当在 机站旁侧风路上没有其它通风动力，而循环体外的通风动力又不足时，将会导致该旁侧风 路出现风流反向，这样将形成循环风。通风系统中存在循环风，也就是通风网络中存在单 向回路。如果通风网络中有单向回路存在，其节点风量平衡定律和回路阻力平衡定律仍然 成立，但是包括寻找通路本身在内的一切基于通路概念的通风网络算法都将失效。如通风 网络调节通路法、自然分风算法中计算机自动赋风量初始值的通路法、通风网络极值流的 独立通路法、基于通路法的角联结构判别、通风网络简化的通路法、基于独立通路法的通 风网络平衡图绘制算法、基于最长路径法的通风网络图绘制算法等等，都是建立在通路算 法基础上的[2]。 因此，在多级机站通风方式下，通风系统中若有循环风出现，原来与通路算法有关的 通风网络算法理论都将失效，这样将影响矿井通风仿真在金属矿中的应用情况。基于这样 的研究背景之下，本文结合国家自然基金资助项目基于仿真技术的矿井通风系统智能诊 断系统研究（编号 60772159），将对多级机站通风方式下的通风网络算法理论进行深入 研究。 1.1.2 选题意义 1.1.2 选题意义 随着多级机站通风方式的广泛应用，与其相关的通风网络理论逐渐显现出一定的不 足。研究多级机站通风方式下的网络算法理论将进一步发展现有通风网络理论，对于多级 机站通风方式的广泛应用有着重要的理论和工程意义。具体如下 - 2 - 第一，现有的通风网络理论都是建立在假设不存在单向回路条件之上的，当通风网络 中存在单向回路的时候，现有的与通路有关的通风网络算法理论全部失效。本论文的研究 将逐步完善现有的通风网络算法理论，弥补国内关于这方面理论研究的空白。另外，多级 机站通风网络理论在国内的研究还比较少，并不是很完善，不能很好的适用于金属矿山的 通风改造需要。本论文的研究将对现有多级机站通风网络的理论体系进一步完善。 第二，研究多级机站通风方式下的网络算法理论，在该理论的指导下可以更加有效的 利用多级机站的通风方式，提高矿井通风效率，更大的节约能源。同时，运用这套理论体 系和算法，结合现代化的计算机手段，进行灾害模拟、通风仿真和改造，可以极大地提高 矿井的生产效率，改善安全生产状况。 1.2 多级机站通风方式的网络算法理论研究状况 1.2 多级机站通风方式的网络算法理论研究状况 目前，国内外学者主要研究的是循环风的存在对通风系统的影响，而单向回路存在时 对通风网络理论和算法的影响研究较少，专门针对多级机站通风方式下的网络算法理论研 究文献并不多见。该问题的提出，来源于 1998 年辽宁工程技术大学在金川二矿承担矿井 通风仿真及其应用研究课题，在软件工具上采用的是波兰科学院 DZiurzenski 的 Wentgraf 系统，但其并不能进行通风网络解算，问题的原因就是该系统不适应多级机站通风方式下 所产生的单向回路问题。 1.2.1 多级机站通风技术发展概况 1.2.1 多级机站通风技术发展概况 上世纪 80 年代初，中国的矿井通风专家和工程师们借鉴和总结了瑞典基鲁纳Kiruna 矿的成功经验，创造性的提出了多级机站通风技术。随后梅山铁矿和马鞍山矿山研究院组 成了科研试验组，在梅山的北采区进行我国多级机站通风第一次工业试验研究。1985 年通 过冶金部鉴定，后来的研究表明，梅山的北采区多级机站系统虽有不足之处，但是已显示 出了多级机站通风技术的一系列优越性，展示了其广阔的发展前景。 1985 年之后，在我国的地下矿山掀起了第一次多级机站通风技术的推广高潮，不但在 理论上有较高发展，而且在实践应用中也有较大的进展，在冶金、有色、黄金、化工等系 统，有数十个矿山采用或部分采用了多级机站通风技术，如表 1.1。 - 3 - 表 1.1 15 个金属矿山多级机站通风系统设计建设与技术改造状况[3] Tab.1.1 State of ventilation system design and technical reation about metal mines using multistage-fan stations ventilation aeration[3] 时间 矿山 基本方案 主要效果 1996 年 山东夏甸 金矿 两翼对角式系统，主-辅 2 级机站通风 方式。主风机 K40-6-13，2 台，采场 无密闭，辅扇 K40-6-8，6 台。 有效风量率为 65.99， 主风 机效率为 76.47， 节电率为 45，年节电 71.510KWh 1997 年 山东金翅 岭金矿 单翼对角式系统，主-辅 2 级机站通风 方式。主风机 K40-6-15，2 台，采场 无密闭，辅扇 K40-6-8，利用符合安全 规定的采空区回风 有效风量率为 75.64， 主风 机效率为 80.64， 利用采空 区通道回风节约风井工程 费 650 万元 1998 年 上海梅山 铁矿 建成进、回风系统独立的 4 级机站通 风方式梅山多级机站型式。通过原 冶金部专家会议鉴定，获原冶金部科 技进步二等奖 年节电 52710KWh， 折合电 费 264 万元，获上海市节电 一等奖 1999 年 山东岭南 金矿 两翼对角式系统，主-辅 2 级机站通风 方式。主风机 K40-6-17，2 台，采场 无密闭，辅扇 K40-6-8，6 台。 有效风量率为 76.68， 主风 机效率为 70.50， 成功解决 在自然通风时主井提升电 控设备污染问题 2000 年 南京铅锌 银矿 改 3 级机站为 2 级机站通风方式。回 风巷道断面优化改造，降低回风段阻 力 30，采用空气幕等措施控制漏风 有效风量率为 75，满足 -475m 中段以上通风要求， 节电率为 26.60。 2000 年 浙江水平 铜矿 采用主-辅 2 级机站通风方式。主回风 机站 K40-4-14，采场机站 K40-6-7 （1.1KW）与 K40-6-9。 有效风量率为 82.70， 风机 效率为 89。 2000 年 白银露天 矿转地下 矿 采用 3 级机站通风方式。 压力分布均衡，显著减少 内、 外漏风， 节点效益显著， 装机功率 255KW，节约装机 功率 705KW。 2000 年 金川镍矿 （二矿区） 原设计的 4 级机站改为 2 级机站空气 幕代替风门。撤去 2-3 级机站 52 台风 机及 4 级机站 7 台风机。 2 台 GAF 风机 有效风量率为 85，2 级机 站风机效率为 68和 72。 年节电 1000.2610KWh。 - 4 - 时间 矿山 基本方案 主要效果 更换为 DK40-6-17。 2000 年 大冶尖林 山铁矿 龙洞采区采用 2 级机站，1 级
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