礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化調控算法與三維可視化關鍵技術研究.pdf

1、隨著計算機及信息技術的高速發(fā)展,數(shù)字與可視化等信息技術越來越廣泛應用于工業(yè)化生產的各個領域,傳統(tǒng)產業(yè)的信息化改造與技術升級成為大勢所趨。礦業(yè)行業(yè)作為國家能源與原材料供應提供者,把握著國民經濟發(fā)展的命脈。我國礦業(yè)經過半個世紀的快速發(fā)展,已建成國有礦山近萬座,集體礦山和非國有礦山20多萬座,年開采礦石量超過50億t。因此,數(shù)字礦山技術已成為礦山企業(yè)技術進步的必由之路。
　　礦井通風系統(tǒng)是傳統(tǒng)的地下開采八大系統(tǒng)之一,與地下開采的生產安全

2、息息相關。我國金屬礦井自50年代以來逐步建立了機械通風系統(tǒng),但風機的運轉效率一直較低。據(jù)統(tǒng)計,國內礦山風機運轉效率僅為40％左右,比設計的風機效率低一半以上。通風能耗約占礦井總能耗的1/3,通風電費約占通風能耗的70％。大型礦井的風機裝機功率高達數(shù)千千瓦,年通風電費達數(shù)百萬元。隨著礦井服務年限的增長、開采深度的增加、生產規(guī)模的擴大,地下礦通風系統(tǒng)日益復雜,為滿足井下各用風場所的風量需求,對通風系統(tǒng)的調控管理要求越來越高。
　　礦井

3、通風系統(tǒng)空間層位關系及網絡拓撲結構復雜、通風動力設備及通風構筑物數(shù)量多、分布廣,普遍存在設計與生產實際產能要求不相匹配的現(xiàn)象,且目前的通風管理手段及工具無法很好地滿足實際需要。
　　礦井通風系統(tǒng)的設計及調控作為礦山建設及日常管理的重要環(huán)節(jié),是保障井下安全生產的基礎。設計及管理方案的優(yōu)劣直接影響到井下生產的安全性、生產成本、生產能力和整體經濟效益。礦井通風系統(tǒng)是一個真三維的地理/地質環(huán)境,因此,要實現(xiàn)礦井通風系統(tǒng)的數(shù)字化設計及管理,

4、其手段也應在真三維環(huán)境下進行的。因此,對于礦井通風優(yōu)化調控系統(tǒng)的研究也必須在真三維環(huán)境下進行。
　　本文著重對礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化調控算法與三維可視化關鍵技術展開研究,主要內容包含以下幾個方面:
　　(1)礦井通風優(yōu)化調控系統(tǒng)軟件體系構架的研究。針對礦山數(shù)字化軟件涉及多專業(yè)、多功能、需求多樣性等特點,提出“層次式平臺+插件”的結構體系,有效地實現(xiàn)框架和構件的共享與復用,實現(xiàn)專業(yè)功能模塊的任意擴展;將礦井通風優(yōu)化調控系統(tǒng)作為礦山數(shù)

5、字化系統(tǒng)平臺的一個插件模塊,并提出數(shù)據(jù)一體化管理機制,與平臺以及其他專業(yè)功能模塊共享基礎數(shù)據(jù),大大降低了通風系統(tǒng)建模難度,提高工作效率。
　　(2)在全面分析二維及三維繪圖環(huán)境下進行交互操作優(yōu)缺點的基礎上,結合礦井通風系統(tǒng)設計的特點,提出了“繪圖工作面”的概念,大大提高了設計人員在真三維環(huán)境下礦井通風系統(tǒng)設計工作的精確性和便捷性。
　　(3)對復雜礦井通風網絡解算問題進行了系統(tǒng)、深入的研究,分析了現(xiàn)有通風網絡解算算法的局限性

6、,結合回路風量法和節(jié)點風壓法的優(yōu)點,提出了一種新的網絡解算算法——INSA算法。該算法具有收斂速度快、能解決含有單向回路的通風網絡等優(yōu)點。
　　(4)對礦井通風系統(tǒng)調控工作中的兩大關鍵問題——風機選優(yōu)和風網調節(jié),進行了深入的研究。①提出構建風機數(shù)據(jù)庫,用以存儲較為全面的風機數(shù)據(jù)信息,為風機選型提供必須的基礎數(shù)據(jù);②提出了用于風機優(yōu)化選型的FOMR模型,利用風網按需分配解算的結果來計算待選風機的工況點,然后搜索風機數(shù)據(jù)庫查找匹配的風

7、機;③提出了用于搜索通路的GAFP算法,降低了搜索通路算法的時間復雜度。為礦井通風系統(tǒng)調控工作提供了新的解決方法和更加行之有效的管理手段。
　　(5)對全礦的污染物動態(tài)模擬進行了深入的研究,提出了DVNTM模型,將通風系統(tǒng)抽象成一個離散的拓撲結構模型,便于表達通風網絡中任意位置的污染物濃度值;再結合流體擴散理論對井下污染物的擴散模擬算法進行了研究,并詳細闡述了其基本原理及具體實現(xiàn)步驟。為全礦的污染物動態(tài)模擬提供了一種新的有效方法;

8、
　　(6)提出了CMCA算法,充分利用礦井通風系統(tǒng)單線圖的節(jié)點―正向弧―反向弧網絡拓撲結構圖,采用最外層閉合輪廓線優(yōu)先的逆時針搜索方法,在巷道頂?shù)装彘g插入若干與巷道底板平行的面,從而得到多層閉合輪廓線;對這些閉合輪廓線進行三維重建,從而生成三維聯(lián)通巷道表面模型;
　　(7)已將本文的研究成果集成于DIMINE礦山數(shù)字化軟件平臺中,并應用于云南大紅山銅礦的實際優(yōu)化調控工作中,該礦通風系統(tǒng)非常復雜,通風網絡中分支數(shù)達1014條