王愛愛 王一帆 陳津生

摘 要：礦井中的管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，角聯(lián)結(jié)構(gòu)為其核心，本項(xiàng)目通過對(duì)礦井角聯(lián)結(jié)構(gòu)通風(fēng)解算的探索，設(shè)計(jì)出一套基于Java語言的礦井角聯(lián)結(jié)構(gòu)的通風(fēng)解算系統(tǒng)，利用程序設(shè)計(jì)出適合煤礦通風(fēng)使用的先進(jìn)軟件工具，動(dòng)態(tài)顯示井下風(fēng)流、風(fēng)量和風(fēng)壓，為礦井的安全生產(chǎn)提供可靠保證。

關(guān)鍵詞：礦井角聯(lián)結(jié)構(gòu)通風(fēng)解算;程序設(shè)計(jì);礦井安全生產(chǎn)

煤炭是我國國民發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)呈管網(wǎng)式布置，各種有毒有害致災(zāi)因子共存于同一環(huán)境，導(dǎo)致煤礦易發(fā)災(zāi)害事故，因此通風(fēng)系統(tǒng)是礦井中必不可少的。復(fù)雜的地下礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，有些分支無法用工程的方法將風(fēng)阻或風(fēng)量事先測(cè)量出來，難以推斷風(fēng)流特征突然改變的原因。由此通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算程序編制尤為重要。通風(fēng)機(jī)是煤礦的四大固定設(shè)備之一，它擔(dān)負(fù)著向井下輸送新鮮空氣、排出粉塵和污濁氣流的重任，具有“礦井肺腑”之稱。[1]由于井下工作環(huán)境惡劣，主通風(fēng)機(jī)工作電壓較高，電流較大，出現(xiàn)故障的概率也較大。一旦發(fā)生故障，將會(huì)對(duì)整個(gè)礦區(qū)的生產(chǎn)和安全造成重大影響。種種原因引出了通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜、檢查維護(hù)困難、系統(tǒng)堵風(fēng)、漏風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重、通風(fēng)機(jī)數(shù)量多、能耗高等問題，通過計(jì)算機(jī)解算對(duì)礦井通風(fēng)的優(yōu)化研究勢(shì)在必行。

一、礦山概況

我國煤礦礦山數(shù)量眾多，年開采量達(dá)世界第一，是我國國民發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。礦井通風(fēng)系統(tǒng)作為礦井開采所必須的一部分，影響著下礦工人的安全，關(guān)乎于地下開采的安全、效率和成本等問題。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%。[2]且由于礦井進(jìn)一步的開采，致使深度增加、生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，進(jìn)而使現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)不適用于當(dāng)前礦井。因此，利用計(jì)算機(jī)解算，優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)，是一件刻不容緩的事情。

二、通風(fēng)系統(tǒng)存在問題

以人工的方式建立礦井通風(fēng)系統(tǒng)并不容易，要考慮到人工代價(jià)和流程。而即使資金雄厚，也難以逾越技術(shù)方面的限制。同時(shí)礦井的狀況也并不是一成不變的，服務(wù)年限增長、開采深度增加、生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，都讓礦井的通風(fēng)需求有所改變。而計(jì)算機(jī)的控制技術(shù)具有自動(dòng)監(jiān)控和監(jiān)測(cè)管理的功能，其不斷發(fā)展使得礦井通風(fēng)系統(tǒng)日益現(xiàn)代化，對(duì)于全自動(dòng)智能管理系統(tǒng)的建立尤為有利。[3]制作基于Java語言的計(jì)算機(jī)解算系統(tǒng)，將計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，相較于傳統(tǒng)大型解算程序，更加便捷，實(shí)用性更強(qiáng)，接受度更高，減少通風(fēng)能耗，同時(shí)也方便了通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)整，降低了開采礦井的成本。

三、基于計(jì)算機(jī)對(duì)礦井通風(fēng)的解算應(yīng)用

根據(jù)上述分析的礦山概況和通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，通過對(duì)礦井角聯(lián)結(jié)構(gòu)通風(fēng)解算的理論知識(shí)，設(shè)計(jì)出一套基于Java語言的礦井角聯(lián)結(jié)構(gòu)的通風(fēng)解算系統(tǒng)，節(jié)省了人力，提高了工作效率，使解算過程更加便捷。礦井通風(fēng)系統(tǒng)是由縱橫交錯(cuò)的井巷構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。用圖論的方法對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行抽象描述，把通風(fēng)系統(tǒng)變成一個(gè)由線、點(diǎn)及其屬性組成的系統(tǒng)，稱為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。主要針對(duì)角聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)小型礦井，來以小見大，設(shè)計(jì)出角聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算系統(tǒng)，通過輸入各個(gè)巷道的風(fēng)阻風(fēng)壓，通過一系列網(wǎng)絡(luò)迭代計(jì)算和采礦通風(fēng)定律公式進(jìn)而求得各個(gè)巷道的風(fēng)量風(fēng)壓，進(jìn)而控制通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量進(jìn)行通風(fēng)。

3.1礦井角連結(jié)構(gòu)的通風(fēng)解算

3.1.1 風(fēng)量平衡：風(fēng)量平衡定律是指在穩(wěn)態(tài)通風(fēng)條件下，單位時(shí)間流入某節(jié)點(diǎn)的空氣質(zhì)量等于流出該節(jié)點(diǎn)的空氣質(zhì)量;或者說，流入與流出某節(jié)點(diǎn)的各分支的質(zhì)量流量的代數(shù)和等于零。[4]若不考慮風(fēng)流密度的變化，則流入與流出某節(jié)點(diǎn)的各分支的體積流量（風(fēng)量）的代數(shù)和等于零，即：ΣQi=0

3.1.2 風(fēng)壓平衡：假設(shè)：一般地，回路中分支風(fēng)流方向?yàn)轫槙r(shí)針時(shí)，其阻力取“+”，逆時(shí)針時(shí)，其阻力取“-”。

a.無動(dòng)力源（HN=0，HN=0）

通風(fēng)網(wǎng)路圖的任一回路中，無動(dòng)力源時(shí)，各分支阻力的代數(shù)和為零，即：

ΣhRi=0

3.1.3角聯(lián)分支風(fēng)向判別。分支的風(fēng)向取決于其始、末節(jié)點(diǎn)間的壓能值。風(fēng)流由能位高的節(jié)點(diǎn)流向能位低的節(jié)點(diǎn);當(dāng)兩點(diǎn)能位相同時(shí)，風(fēng)流停滯;當(dāng)始節(jié)點(diǎn)能位低于末節(jié)點(diǎn)時(shí)，風(fēng)流反向。[5]

3.2 Java語言的程序設(shè)計(jì)。

3.2.1 引入Java類包。程序中引入了多種Java類包，包括java.sql.*類包、java.awt.*類包、java.lang.*類包等，為程序提供了全面的IO接口以及各類工具包。

3.2.2 程序界面設(shè)計(jì)功能。初擬定程序界面由文件、編輯、解析等三大主要功能組成。文件遵循一般傳統(tǒng)的形式，有新建、打開、保存和另存等幾個(gè)基本選項(xiàng)操作。編輯里面根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)定，可以變更節(jié)點(diǎn)與巷道進(jìn)而變更實(shí)際的風(fēng)機(jī)與巷道。最后一項(xiàng)功能是解析，根據(jù)一些特定參數(shù)來解算模擬各個(gè)巷道的風(fēng)壓風(fēng)量

建立一套反應(yīng)迅速的智能通風(fēng)管理系統(tǒng)來應(yīng)對(duì)生產(chǎn)持續(xù)、礦井規(guī)模加大、通風(fēng)系統(tǒng)不斷復(fù)雜和通風(fēng)系統(tǒng)管理繁瑣等問題。本軟件的功能為在已知礦道網(wǎng)絡(luò)圖、分支風(fēng)阻、非特殊支路風(fēng)向和總風(fēng)量的情況下，計(jì)算出特殊支路風(fēng)向和各個(gè)支路的分配風(fēng)量。軟件由菜單欄、工具欄和基本顯示界面組成。打開程序時(shí)初始的界面和計(jì)算結(jié)果后的程序界面示意圖均簡(jiǎn)潔清晰。如圖1。

輸入原始風(fēng)阻及總風(fēng)量，利用風(fēng)量平衡定律、風(fēng)壓平衡定律、阻力定律進(jìn)行扇形機(jī)特性曲線擬合計(jì)算，自動(dòng)圈化網(wǎng)孔，得到計(jì)算初擬風(fēng)量，然后進(jìn)行網(wǎng)孔迭代運(yùn)算，解得各巷道風(fēng)量，并判斷出各巷道的風(fēng)向并動(dòng)態(tài)顯示。最后給出通風(fēng)措施及建議，能夠滿足現(xiàn)實(shí)礦井中通風(fēng)解算的需要。

四、結(jié)語

目前，我國正大力推進(jìn)實(shí)施職業(yè)健康安全管理體系，加強(qiáng)對(duì)國內(nèi)工礦企業(yè)勞動(dòng)條件的管理，努力改善井下作業(yè)人員的勞動(dòng)條件，促進(jìn)礦井通風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用。而我們的通風(fēng)解算程序編制使通風(fēng)過程變得更加智能更加高效，更加具有實(shí)用性。應(yīng)用計(jì)算機(jī)解算復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，大大節(jié)省了人力、物力和財(cái)力。相對(duì)于人工解算，計(jì)算機(jī)的結(jié)果經(jīng)過多次迭代，準(zhǔn)確性更高，使用更加便捷。

參考文獻(xiàn)

[1] 王明達(dá).井下采礦礦井通風(fēng)節(jié)能措施探析[J].信息化建設(shè)，2016（06）：349.

[2] 黃俊歆.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[D].中南大學(xué)，2012.

[3] 李樹軍.礦井通風(fēng)技術(shù)及通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討[J].機(jī)械管理開發(fā)，2016，31（09）：148-149.

[4] 劉巧玲.淺析煤礦安全生產(chǎn)中通風(fēng)安全管理的加強(qiáng)[J].能源與節(jié)能，2018（05）：36-37.

作者簡(jiǎn)介：王愛愛（1998-03-07），女， 河北廊坊人，本科生，華北理工大學(xué)，主要研究方向：采礦工程。

王一帆（2000-6-14），男，河北唐山，本科，學(xué)生，華北理工，能源與動(dòng)力工程。

陳津生（1997-11-13），男，安徽蚌埠，本科，學(xué)生，華北理工，采礦工程。