常東升

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 朔州 036000）

引言

井下通風(fēng)是實(shí)現(xiàn)礦山安全開(kāi)采的重要保障，通風(fēng)系統(tǒng)的可靠程度直接影響開(kāi)采效率和人身安全。國(guó)內(nèi)的很多礦山通風(fēng)設(shè)計(jì)都存在著一些隱患，具體體現(xiàn)為：井下通風(fēng)、瓦斯信息的管理智能程度低，事故的預(yù)警能力差，上位機(jī)信息顯示不全面，安全判定比較依賴人為主觀經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)通風(fēng)信息采集和安全預(yù)警判斷無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。完整的通風(fēng)安全管理系統(tǒng)需要具備對(duì)礦井圖紙管理更新、生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、調(diào)度管理一體化、礦山災(zāi)害模擬預(yù)演的功能。本文結(jié)合實(shí)際的煤礦開(kāi)采，對(duì)現(xiàn)有的礦山通風(fēng)管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理與可視化分析界面平臺(tái)，首次引入Visual Basic編程與MapInfo強(qiáng)大的集成系統(tǒng)，改進(jìn)了現(xiàn)有的礦山通風(fēng)安全信息管理。

1 通風(fēng)管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 地理信息系統(tǒng)（MapInfo）

MapInfo桌面方案能夠進(jìn)行信息地圖化與數(shù)據(jù)可視化。本文引入MapInfo主要考慮以下因素：和其他的GIS專業(yè)軟件相比，操作更加簡(jiǎn)單，非專業(yè)人士也能熟練快速掌握，強(qiáng)大的電子地圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠把整個(gè)井下的通風(fēng)布局、風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)變化與巷道通風(fēng)狀態(tài)完整的反映，同時(shí)具備數(shù)據(jù)的管理與分析能力，人機(jī)交互與可視化界面能夠直觀的被大眾接受。本文基于Visual Basic編程對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的圖標(biāo)、信號(hào)處理與數(shù)據(jù)庫(kù)管理進(jìn)行開(kāi)發(fā)，據(jù)此實(shí)現(xiàn)MapInfo具備的基本性能[1]。

1.2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方式選擇

基于GIS應(yīng)用型的開(kāi)發(fā)方式主要有：獨(dú)立開(kāi)發(fā)、集成二次與純二次方式的開(kāi)發(fā)。集成二次開(kāi)發(fā)選用專業(yè)GIS軟件工具來(lái)實(shí)現(xiàn)基本性能，最大化的利用了對(duì)大容量數(shù)據(jù)庫(kù)的管理與信息分析功能，同時(shí)還能與其他可視化編程語(yǔ)言對(duì)接。集成開(kāi)發(fā)方式通過(guò)連接形式和嵌入自動(dòng)化、數(shù)據(jù)鏈交換來(lái)植入GID開(kāi)發(fā)軟件，進(jìn)行后臺(tái)運(yùn)行方式。利用回調(diào)策略來(lái)動(dòng)態(tài)獲得反饋信息，據(jù)此實(shí)現(xiàn)井下通風(fēng)信息的數(shù)據(jù)處理。利用組態(tài)模塊將各個(gè)功能植入程序中，軟件流程在Visual Basic環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。依據(jù)軟件編程的基本思路，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中需要多方位的考慮整個(gè)通風(fēng)的井下布局位置、信息采集量與數(shù)據(jù)處理、結(jié)果比對(duì)與故障決策。具體的實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 系通整體的開(kāi)發(fā)流程

2 具體模塊設(shè)計(jì)與關(guān)鍵問(wèn)題研究

2.1 關(guān)于通風(fēng)布局的圖例設(shè)計(jì)

與工程設(shè)計(jì)的其他系統(tǒng)類似，通風(fēng)系統(tǒng)布局圖配備有專業(yè)的圖標(biāo)、符號(hào)（風(fēng)流向、風(fēng)門類型）。鑒于本文引入的MapInfo桌面方案沒(méi)有自帶通風(fēng)專業(yè)圖標(biāo)，需要專門建立通風(fēng)圖例封裝模塊，方便操作人員在平時(shí)的管理中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更改，GIS中的符號(hào)對(duì)象屬于一種Windows類的字體，屬于點(diǎn)的對(duì)象。建立通風(fēng)圖標(biāo)模塊也等效于加入額外的Windows字體。如圖2所示，利用CroelDraw軟件繪畫出通風(fēng)布局圖，采用Windows字體文件形式將其導(dǎo)出。在CroelDraw軟件中建立二維坐標(biāo)系，繪畫出以原點(diǎn)為中心的通風(fēng)布局圖，將多個(gè)這樣布局方案整合為組合對(duì)象，輸出到新建立的.Ttf文件，等效為以一個(gè)字來(lái)保存該文件。只有通過(guò)這樣的圖例處理與文件轉(zhuǎn)換才能被GIS開(kāi)發(fā)軟件調(diào)用。

圖2 字體的導(dǎo)出窗口界面

2.2 關(guān)于整體通風(fēng)系統(tǒng)的建立

經(jīng)過(guò)第2.1節(jié)所述步驟，將各個(gè)區(qū)域的通風(fēng)布局圖封裝并輸出文件后，各個(gè)文件等效為圖3所示的分層區(qū)，由于互相獨(dú)立，要想將這些分層區(qū)整合到一個(gè)完整的通風(fēng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需要將各個(gè)圖層保存到一個(gè)圖集中，圖集是作為標(biāo)準(zhǔn)的MapInfo格式形成的一種監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)集。

圖3 分層獨(dú)立的通風(fēng)布局

如圖4所示，增加風(fēng)流方向與可調(diào)節(jié)風(fēng)窗前后的通風(fēng)系統(tǒng)圖。在系統(tǒng)調(diào)入柵格型的圖像后，為了體現(xiàn)圖形對(duì)象的數(shù)據(jù)、信號(hào)屬性，需要將圖標(biāo)進(jìn)行矢量化，選用通風(fēng)設(shè)施模塊建立通風(fēng)設(shè)施圖標(biāo)，借用點(diǎn)、面、線三種結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)布置的整體矢量化。

對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的修改包括對(duì)表的修改和對(duì)圖形的修改，用主界面中的主工具欄可以實(shí)現(xiàn)大部分修改功能。其中包括：選取對(duì)象，無(wú)論是點(diǎn)、線、區(qū)域?qū)ο蠖伎梢赃x取并修改，用批量選取對(duì)象實(shí)現(xiàn)批量修改；線對(duì)象添加刪除節(jié)點(diǎn)；添加刪除文字；改變面對(duì)象形狀、大小、面積；修改表結(jié)構(gòu)，添加刪除字段，更改字段名稱和數(shù)據(jù)等。由柵格圖像繪制的矢量圖必須配準(zhǔn)，也就是將矢量圖標(biāo)準(zhǔn)化，使其坐落在標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系中，并具有正確的度量單位。通風(fēng)系統(tǒng)中點(diǎn)、線、面需要分層，不同的通風(fēng)設(shè)施也需要分層[2]。

圖4 增加風(fēng)流方向與可調(diào)節(jié)風(fēng)窗后的圖

2.3 格式轉(zhuǎn)換與程序調(diào)用

MapInfo主要支持如下幾種柵格：.gif圖形交換文件名，.jpg文件名，.tif圖像文件名，.pce文件名，.bmp文件名，.tga文件名，.bll文件名。鑒于MapInfo無(wú)法直接的打開(kāi)某些格式的圖標(biāo)，需要軟件編程來(lái)調(diào)用通用格式轉(zhuǎn)換器來(lái)完成格式轉(zhuǎn)換，方便在MapInfo進(jìn)行打開(kāi)編輯。

2.4 安全系統(tǒng)的功能模塊

安全系統(tǒng)的功能模塊涉及通風(fēng)、除塵、瓦斯突出量、防火與風(fēng)機(jī)管理幾個(gè)方面。對(duì)于礦井通風(fēng)安全而言，主要的技術(shù)指標(biāo)包含進(jìn)風(fēng)機(jī)風(fēng)量利用率、進(jìn)風(fēng)量、回風(fēng)量、瓦斯涌出的絕對(duì)值與相對(duì)值、可允許最大通風(fēng)容量等。就單一巷道的通風(fēng)因素，涉及到巷道斷面、進(jìn)風(fēng)風(fēng)量與風(fēng)速、進(jìn)風(fēng)CO2和巷道瓦斯?jié)舛?。日常管理功能需要完成除塵、防火以及安全檢查系列工作。

2.5 數(shù)據(jù)分析與報(bào)表導(dǎo)出

圖5所示的是整個(gè)系統(tǒng)的主界面，涉及的數(shù)據(jù)主要為開(kāi)采、回采、主通風(fēng)機(jī)以及回風(fēng)井的專題圖，報(bào)表的處理和生成導(dǎo)出部分包括瓦斯、通風(fēng)、除塵三方面。其中通風(fēng)報(bào)表涉及旬報(bào)、月報(bào)以及一通三防。除塵報(bào)表涉及呼吸性粉塵、其他防塵類月報(bào)。瓦斯報(bào)表主要為日?qǐng)?bào)。報(bào)表的生成借用VB程序利用DDE調(diào)出word或者EXCEL來(lái)進(jìn)行。然后利用數(shù)據(jù)引擎ADO進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)，將導(dǎo)出報(bào)表內(nèi)容增加到數(shù)據(jù)表中，并更新數(shù)據(jù)庫(kù)[3]。

圖5 系統(tǒng)的初始化界面

2.6 通風(fēng)機(jī)性能測(cè)試模塊

性能測(cè)試模塊主要借用通風(fēng)機(jī)的狀態(tài)量來(lái)繪制出相應(yīng)的風(fēng)機(jī)效率-風(fēng)量變化、風(fēng)壓值-風(fēng)量變化、輸出功率-風(fēng)量變化三者的曲線關(guān)系，從而實(shí)時(shí)掌握通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

2.6.1 通風(fēng)機(jī)工作效率η式中：Q 為風(fēng)量大小，m3/s；P為全壓值，Pa；N 為通風(fēng)機(jī)軸的輸出功率，kW。

2.6.2 需求功率值Nq（kW）

式中：k代表風(fēng)流的絕對(duì)熱度指數(shù)；G為風(fēng)機(jī)的重量；R為關(guān)于風(fēng)流的氣體常數(shù)；Tout、Tin分別為通風(fēng)系統(tǒng)輸出、輸入的溫度相對(duì)值。

2.6.3 理論功率值Nt（kW）

式中：ht為理論風(fēng)壓值，Pa；Qt為理論風(fēng)流量大小，m3/s。

在將風(fēng)機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)導(dǎo)入之后,進(jìn)一步對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行等小變化，擬合出效率、風(fēng)壓、功率三者與風(fēng)量的變化曲線，有助于技術(shù)人員掌握風(fēng)機(jī)的性能。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 礦井簡(jiǎn)介

同煤某煤礦是一個(gè)年產(chǎn)能為750萬(wàn)t的現(xiàn)代化礦井，通風(fēng)配置方式主要為通過(guò)副井進(jìn)風(fēng)、西、北兩個(gè)風(fēng)井回風(fēng)的對(duì)角流動(dòng)方式。查閱近年來(lái)礦井瓦斯的相對(duì)涌出量為0.35 m3/t、絕對(duì)涌出量為5.48 m3/min。礦井的屬于低瓦斯等級(jí)，但是由于煤塵的爆炸危險(xiǎn)度，爆炸指數(shù)達(dá)到了37%。可采的各個(gè)煤層都存在自然發(fā)火的隱患，自然發(fā)火周期通常為3～5個(gè)月，最短周期進(jìn)15天，因此通風(fēng)防塵任務(wù)非常艱巨，引入改數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以后，進(jìn)一步加強(qiáng)了井下通風(fēng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)管理，通風(fēng)除塵效率和信息安全管理工作量明顯得到了改善。

3.2 實(shí)際運(yùn)行分析

結(jié)合該礦的實(shí)際情況，進(jìn)一步改善了系統(tǒng)的個(gè)別性能。首先，結(jié)合實(shí)際完善了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，建立了更為詳細(xì)的數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)分析計(jì)算速度進(jìn)一步優(yōu)化，生成的圖形與報(bào)表更加清晰直觀。然后，制定出通風(fēng)網(wǎng)、通風(fēng)機(jī)的調(diào)控策略。

4 結(jié)論

1）創(chuàng)新性的將地理信息管理MapInfo系統(tǒng)引入到礦山通風(fēng)方面，在擴(kuò)展該系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，通過(guò)利用VB和OLE嵌入式的集成二次開(kāi)發(fā)，優(yōu)化了通風(fēng)系統(tǒng)的可視化程度，在實(shí)際應(yīng)用中效果顯著。

2）該數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)具備優(yōu)越的人機(jī)交互界面，在詳細(xì)繪制井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖的基礎(chǔ)上，有效采集各個(gè)信號(hào)量，生成相應(yīng)的狀態(tài)變化曲線與報(bào)表分析。

3）該狀態(tài)預(yù)警數(shù)據(jù)主要包括通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)、通風(fēng)機(jī)電氣量指數(shù)、瓦斯涌出量變化以及煤塵濃度值、通風(fēng)阻力測(cè)量等。鑒于這些數(shù)據(jù)未能全部自動(dòng)接入信號(hào)接口單元，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳與采集仍需要進(jìn)一步改進(jìn)。

[1] 劉茂華，孫秀波，楊倫，等.MapInfo二次開(kāi)發(fā)中OLE自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用[J].礦山測(cè)量，2005（1）：14-16.

[2] 程健維，楊勝?gòu)?qiáng).礦井采掘工作面通風(fēng)效果綜合評(píng)價(jià)[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，17（5）：165-169.

[3] 汪西榮.礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)應(yīng)用及研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2006.

（編輯：王慧芳）