礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控算法與三維可視化關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)的高速發(fā)展,數(shù)字與可視化等信息技術(shù)越來越廣泛應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域,傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的信息化改造與技術(shù)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(yīng)提供者,把握著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。我國礦業(yè)經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)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(shù)已成為礦山企業(yè)技術(shù)進(jìn)步的必由之路。
　　礦井通風(fēng)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(chǎn)安全

2、息息相關(guān)。我國金屬礦井自50年代以來逐步建立了機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng),但風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率一直較低。據(jù)統(tǒng)計(jì),國內(nèi)礦山風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率僅為40％左右,比設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)效率低一半以上。通風(fēng)能耗約占礦井總能耗的1/3,通風(fēng)電費(fèi)約占通風(fēng)能耗的70％。大型礦井的風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率高達(dá)數(shù)千千瓦,年通風(fēng)電費(fèi)達(dá)數(shù)百萬元。隨著礦井服務(wù)年限的增長、開采深度的增加、生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大,地下礦通風(fēng)系統(tǒng)日益復(fù)雜,為滿足井下各用風(fēng)場所的風(fēng)量需求,對通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)控管理要求越來越高。
　　礦井

3、通風(fēng)系統(tǒng)空間層位關(guān)系及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、通風(fēng)動力設(shè)備及通風(fēng)構(gòu)筑物數(shù)量多、分布廣,普遍存在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)能要求不相匹配的現(xiàn)象,且目前的通風(fēng)管理手段及工具無法很好地滿足實(shí)際需要。
　　礦井通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及調(diào)控作為礦山建設(shè)及日常管理的重要環(huán)節(jié),是保障井下安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)及管理方案的優(yōu)劣直接影響到井下生產(chǎn)的安全性、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)能力和整體經(jīng)濟(jì)效益。礦井通風(fēng)系統(tǒng)是一個(gè)真三維的地理/地質(zhì)環(huán)境,因此,要實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)及管理,

4、其手段也應(yīng)在真三維環(huán)境下進(jìn)行的。因此,對于礦井通風(fēng)優(yōu)化調(diào)控系統(tǒng)的研究也必須在真三維環(huán)境下進(jìn)行。
　　本文著重對礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控算法與三維可視化關(guān)鍵技術(shù)展開研究,主要內(nèi)容包含以下幾個(gè)方面:
　　(1)礦井通風(fēng)優(yōu)化調(diào)控系統(tǒng)軟件體系構(gòu)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(diǎn),提出“層次式平臺+插件”的結(jié)構(gòu)體系,有效地實(shí)現(xiàn)框架和構(gòu)件的共享與復(fù)用,實(shí)現(xiàn)專業(yè)功能模塊的任意擴(kuò)展;將礦井通風(fēng)優(yōu)化調(diào)控系統(tǒng)作為礦山數(shù)

5、字化系統(tǒng)平臺的一個(gè)插件模塊,并提出數(shù)據(jù)一體化管理機(jī)制,與平臺以及其他專業(yè)功能模塊共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù),大大降低了通風(fēng)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(jìn)行交互操作優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn),提出了“繪圖工作面”的概念,大大提高了設(shè)計(jì)人員在真三維環(huán)境下礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的精確性和便捷性。
　　(3)對復(fù)雜礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算問題進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究,分析了現(xiàn)有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算算法的局限性

6、,結(jié)合回路風(fēng)量法和節(jié)點(diǎn)風(fēng)壓法的優(yōu)點(diǎn),提出了一種新的網(wǎng)絡(luò)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(fēng)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)。
　　(4)對礦井通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)控工作中的兩大關(guān)鍵問題——風(fēng)機(jī)選優(yōu)和風(fēng)網(wǎng)調(diào)節(jié),進(jìn)行了深入的研究。①提出構(gòu)建風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)庫,用以存儲較為全面的風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)信息,為風(fēng)機(jī)選型提供必須的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);②提出了用于風(fēng)機(jī)優(yōu)化選型的FOMR模型,利用風(fēng)網(wǎng)按需分配解算的結(jié)果來計(jì)算待選風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn),然后搜索風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)庫查找匹配的風(fēng)

7、機(jī);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(shí)間復(fù)雜度。為礦井通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)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(jìn)行了深入的研究,提出了DVNTM模型,將通風(fēng)系統(tǒng)抽象成一個(gè)離散的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型,便于表達(dá)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中任意位置的污染物濃度值;再結(jié)合流體擴(kuò)散理論對井下污染物的擴(kuò)散模擬算法進(jìn)行了研究,并詳細(xì)闡述了其基本原理及具體實(shí)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(fēng)系統(tǒng)單線圖的節(jié)點(diǎn)―正向弧―反向弧網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,采用最外層閉合輪廓線優(yōu)先的逆時(shí)針?biāo)阉鞣椒?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(jìn)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(yīng)用于云南大紅山銅礦的實(shí)際優(yōu)化調(diào)控工作中,該礦通風(fēng)系統(tǒng)非常復(fù)雜,通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中分支數(shù)達(dá)1014條