矿井通风系统仿真技术研究与应用.pdf

2 0 1 1 年 第5 期 东 瞧茬 斜技 2 0 9 矿井通风 系统仿真技术研究与应用 吴海军， 尚云杰， 梅甫定 河南煤化集团鹤煤公 司， 河南 鹤壁4 5 8 0 2 0 摘要以面向对象编程语言V i s u a l C 为开发工具， 以先进的第四代 G I S技术及三维仿真技术为依托， 集通风网络图绘制、 通风网络解算、 通风系统可视化等功能为一体的矿井通风三维仿真模拟系统， 真实地反映了矿井生产过程中通风网络的实际状况， 在煤矿通风管理得到了推 广使用， 为通风系统的科学管理提供了较好的技术平台。 关键词 通风系统仿真研究 辅助决策 科学管理 中图分类号 T P 3 1 9 T D 7 2 文献标识码B 矿井通风仿真系统是指将计算机三维仿真技术引 入到通风安全领域， 通过构建通风系统基础数据库， 实 现抽象的通风安全信息向彩色的三维空间的映射， 直 观显示矿井各条巷道的通风参数， 以便于通风系统 图 形和通风信息的可视化交互处理， 并可实现通风参数 的实时监控与紧急预警。 1 通风仿真系统研究内容 通风仿真 系统 是基 于 国产地理 信息软件平 台 MA P G I S系统 ， 综合煤矿通风理论、 数据库、 G I S与 3 D 建模技术， 研究开发一套矿井通风安全信息管理与计 算决策辅助系统。仿真系统主要研究方向为信息控制 处理、 动态模拟预测、 实用性和矿井通风辅助决策等方 面。其主要研究内容为矿井通风三维动态模拟显示、 通风网络解算、 通风网络调节、 自动绘制通风网络图、 通风机性能状况分析、 通风 日常报表管理和基础数据 存储管理。 2通风 仿真 系统设 计 2 ． 1 基 本原 则 仿真系统不仅考虑设备、 操作系统和应用软件 的 先进性， 而且具有完备的数据库和数据更新、 查询、 检 索、 分析功能； 提高井下通风信息管理的效率， 为决策 者提供及时、 准确与有效的通风信息； 系统具备数据采 集 、 管理、 查询、 编辑、 地 图转换及报表输出等基础功 能； 系统预留多处接口， 具备可扩充性。 2 ． 2技 术要 求 2 ． 2 ． 1 精度和空间要求 系统空间数据采集采用双精度实数坐标和高程 值 ， 数据处理使用双精度运算， 在精度和质量允许范围 内实现空问数据与属性数据的高效压缩。空间要求系 统有效管理空间矢量、 栅格数据及非空间属性数据能 力达 1 0 0 G级， 保证数据的完整性、 一致性和准确性。 收稿 日期 2 0 1 10 2 2 8 作者简介 吴海军 1 9 7 4一 ， 男， 河南商丘人， 本科学历， 工程师， 全国注册安全工程师， 1 9 9 5年参加工作， 现在河南煤化集团鹤煤公 司从事“ 一通三防” 工作。 2 ． 2 ． 2可用性和可靠性 可用性指系统对用户界面的友好性， 一般包括操 作的便利性、 指示信息的充分性、 允许误操作、 色彩的 合理使用、 操作及显示方面的一致性。可靠性主要指 结果正确、 错误处理能力、 数据备份与恢复手段功能。 2 ． 2 ． 3 安全性 为确保三维仿真综合地学信息管理系统的安全运 行， 系统安全设计必须从全方位、 多层次方面考虑 ， 即 通过网络级、 操作系统级、 数据库级、 应用系统级和系 统管理级的安全设计措施来确保安全。这五个层面的 安全措施相辅相成， 共同构成整个系统的安全体系。 2 ． 3 结构 设计 通风仿真系统按层次体系结构进行设计 ， 在逻辑 上对不同的功能进行层次划分。整个系统在逻辑上可 划分为三个层次 数据库层、 专业平 台层和业务应用 层。提出了基于框 插件的矿井三维数字通风系统 的设计方法， 设计了一个框架、 四个功能插件和四个图 层插件。实现了矿井通风系统平台的发布和具体功能 部件的即插即用， 提高了矿井数字通风系统的可扩展 性和可维护性 。 图1 矿井三维数字通风系统体系结构 3 仿真系统主要功能 3 ． 1 系统登陆平台 系统采用了需授权的登陆平台， 确保了矿井通风 仿真系统的安全性。登陆者身份分为管理员和普通用 户， 并对两者的权限进行了限制。普通用户的权限为 普通的浏览操作， 管理员的权 限除了具有普通用户的 权限之外， 其最重要的权限就是可以对通风仿真系统 21 0 夯 晨 斜技 2 0 1 1 年第5 期 图进行修改和保存。非管理人员必须知道用户名和密 码的同时才能进行修改， 有效的防止 了非专业人员的 误操作。 3 ． 2矿井通风三维动态模拟显示 应用三维可视化技术和虚拟现实 V R 技术 ， 快 速、 准确的构建矿井三维模型。向系统 中导入巷道拓 扑关系数据文件， 系统将自动地生成精确、 逼真的巷道 模型。系统提供对三维模型的放大、 缩小 ， 实时旋转、 平移与前后移动三维窗口操作功能， 提供针对巷道、 节 点、 构筑物、 通风动力装置、 风流方向等系统 中的所有 三维实体查询。系统支持巷道虚拟漫游功能， 动态地 显示井下通风设施和真实通风状况 ， 实现了矿井通风 系统 的可视化 。 3 ． 3通风 网络操 作功 能 导人基础数据， 系统具有 自动生成矿井通风网络 图的功能。通风网络图可根据要求进行相应的调节， 使通风网络图满足不同角度的审视需求。根据实际应 用显示， 通风网络结算结果与实测通风结果相符， 可以 对通风网络结算结果设置报警值， 当巷道风量不足或 巷道风量过大时， 系统将 自动提示， 使工作人员能够及 时发现通风系统存在的问题 ， 快速提出相应的对策。 实现了通风仿真系统中对通风机的可视化控制操 作和功能分析。在风机列表对话框中显示了所有的风 机信息， 包括风机名称、 风机所在巷道编号、 巷道名称， 风量、 效能、 风压等相关参数， 自动描绘出风机的 一 Q 、 NQ、 ．， 7 一Q曲线， 实时了解风机 的工作状况， 实现 了对矿井空间数据、 图形数据和属性数据的有效管理。 3 ． 4通风 日常报表管理 通风 日常报表管理是该系统的主要功能之一。大 量的通风 日常数据是矿井通风管理的重要资料 ， 以前 这些数据的处理主要靠手工进行 ， 不但费时费力， 而且 使用查询时颇不方便。使用该系统可以使数据的处理 实现 自动化， 将通防科、 通风区、 抽放队、 安检科等部门 日常处理的3 0种报表进行计算机处理， 然后将计算、 汇总、 统计与分析后的各类报表上报相关部门， 有的还 可以专题地图的形式输出。 3 ． 5 实现 了与安全监测系统的连接 仿真系统和矿井安全监测系统实现了实时连接 ， 使得矿井监测数据和通风仿真系统的数据做到真正的 实时交互， 使计算和图形显示相结合， 使计算、 图形和 数据库操作达到同步 ， 实现了程序无缝连接。 4应用 实例 河南煤化集团鹤煤公司三矿 1 9 5 8 年投产， 2 0 1 0年 生产能力 1 3 5万 t ／ a 。矿井采用立井暗斜井多水平开 拓方式和两翼对角式通风方法， 属高瓦斯矿井。 鹤煤公司三矿通风仿真系统 自开发和应用以来， 成功制定和实施了南翼斜风井投运、 南北翼风井降阻、 新回风井立项建设等 1 1 项技术方案， 通风工程投人资 金 3 6 3 2万元。仿真系统的成功应用表明， 煤矿灾害信 息的管理和处理工作更加快捷化、 系统化、 科学化和规 范化， 显示出了较强的矿井通风辅助决策能力 ， 有力地 促进了煤矿通风管理工作的进步和发展。 上接 第 2 0 8页4 0 0 浅部的工作面主要接受露头区第 四系下组水补给， ＼Z3 5 o 多分布在工作面的地质构造体及岩层原生裂隙处， 以分散 “ 1 f l 式赋水为主， 补给量大多小于涌水量。而在深部由于受地 ．删．k z ； 2 0 0 质构造的切割影响， 补给来源被切断， 赋水多分布在地质 馔1 5 0 构造体及岩层原生裂隙处， 主要以静储量为主。 1 } 2上组 煤煤 层开 采的矿 井涌水 量及预 测 建井时期矿井最大涌水量为4 5 2 m ’ ／ h 1 9 7 8年 。 自1 9 8 1 年投产至 2 0 0 9年底， 矿井年平均涌水量最大 为 2 8 4 ． 0 m ／ h 2 0 0 9年 ， 最小 为 1 6 7 ． 0 m ／ h 2 0 o 8 年 ， 平均 2 2 2 ． 1 m ／ h ； 涌水量月平均最大为3 4 3 ． 4 m ／ h 1 9 9 3年 1 月 ， 最小为 1 4 0 ． 8 m ／ h 1 9 9 3年 9月 。历 年矿井涌水量曲线见图 1 。 自建井至 1 9 9 1 年间， 矿井涌水量总趋势是逐年递 减。1 9 9 2 2 0 0 9年间， 由于实施放顶煤开采， 矿井涌水 量较前期略有增加， 但总体上稳定并随新区的开拓也 升降起伏。表明， 由于矿井长期开采， 矿井涌水量已基 本稳定。在开采条件大致不变的情况下， 矿井涌水量 亦不会有太大的变化。据此， 未来矿井开采上组煤 的 1 9 8 5 1 9 9 0 1 9 9 5 2 00 0 年份 图1 矿井涌水量随时间变化曲线图 正常涌水量取 1 9 9 2年以来的平均涌水量， 即2 2 7 m ／ h 。 1 9 9 2 2 0 0 9年间矿井涌水量最大不均匀系数为 1 ． 4 4 5 1 9 9 9年 ， 由此确定矿井最大涌水量为3 2 8 m ／ h 。 参考文献 [ 1 ] 胡绍祥， 李守春． 矿山地质学 第二版 ． 中国矿业大学出版社， 2 o o 8 ． 6 [ 2 ] 陈酩知， 刘树才， 杨国勇． 矿井涌水量预测方法的发展[ J ] ． 工程 地球物理学报 ， 2 0 0 9 ． 6 [ 3 ] 魏久传， 煤层底板岩体断裂损伤与底板突水机理研究[ D ] ． [ 博 士学位论文] ， 2 0 0 0 [ 4 ] 陈兆炎， 苏文智等． 煤田水文地质学， 煤炭工业出版社， 1 9 8 9 ． 5 [ 5 ] 矿坑涌水量计算方法． 中国工业出版社， 1 9 6 3 ． 9 ．