基于电子矿图的通风仿真系统及其关键技术

田卫东,宫良伟.基于电子矿图的通风仿真系统及其关键技术[J].矿业安全与环保,2016,43(2):37-40.文章编号:1008-4495(2016)02-0037-04基于电子矿图的通风仿真系统及其关键技术田卫东,宫良伟(重庆工程职业技术学院,重庆402260)摘要:通风网络仿真系统多是运行在通风网络图上的,而通风网络图与电子矿图可能不同构,因此会产生较大的解算误差。提出了在电子矿图上进行网络解算的构想,并分析了基于电子矿图的通风仿真系统的可行性和优势。利用绘制电子矿图的CAD软件的二次开发功能,开发基于电子矿图的通风仿真系统是较好的仿真软件开发方式。开发该仿真系统的关键技术是电子矿图的网络化技术、电子矿图的数学表达,以及构造电子矿图中网络解算的数学模型等技术。关键词:通风仿真系统;通风网络;电子矿图;网络解算中图分类号:TD72摇摇摇文献标志码:B摇摇摇网络出版时间:2016-04-0621:39网络出版地址:收稿日期:2015-10-16;2016-02-28修订作者简介:田卫东(1963—),男,重庆酉阳人,高级工程师,研究方向为煤矿开采及灾害治理。E-mail:[e-mail]。VentilationSimulationSystemandItsKeyTechniquesBasedonElectronicMineMapTIANWeidong,GONGLiangwei(ChongqingVocationalInstituteofEngineering,Chongqing402260,China)Abstract:Theventilationnetworksimulationsystemismostlyrunningonaventilationnetworkdiagram,andtheventilationnetworkdiagramandtheelectronicminemapmaybenon-isomorphic,sogreatcalculationerrorsmaybeproduced.Inthispaper,aconceptionofnetworksolutionontheelectronicminemapwasproposed,andthefeasibilityandadvantagesoftheventilationnetworksimulationsystembasedontheelectronicminemapwereanalyzed.TheuseofthesecondarydevelopmentfunctionofCADsoftwaretodeveloptheventilationnetworksimulationsystembasedontheelectronicminemapisabetterdevelopmentmethodforsimulationsoftware.Thekeytechniquesfordevelopingthesimulationsystemincludedthenetworkingoftheelectronicminemap,itsmathematicalexpressionandthemathematicalmodelofthenetworksolutionintheelectronicminemap.Keywords:ventilationsimulationsystem;ventilationnetwork;electronicminemap;ventilationnetworksolution摇摇地下资源开采的一般方法是利用井筒(包括立井、斜井和平硐)、巷道深入地下进行资源开采,即井工开采方法。井工开采的矿井,无论是金属矿井还是非金属矿井(包括煤矿),都需要解决矿井通风问题。一方面,矿井的许多灾害事故与矿井通风不良有关;另一方面,根据统计,一般矿井通风用电量占矿井总用电量20%左右,个别矿井通风用电量甚至达到50%。所以,无论从减灾还是从降低生产成本角度,都要注重对矿井通风的研究和管理。一个矿井有多个采矿工作点和与采矿相关的辅助工作点,还有不少与这些工作点相关的巷道(包括井筒),从而形成复杂的通风网络[1]。矿井通风问题的研究和管理大部分都可归结为对通风网络的研究和管理。复杂通风网络的研究和管理必须借助于计算机来进行。借助于计算机来研究和管理矿井通风网络的软件就是矿井通风仿真系统。矿井通风仿真系统最重要的作用就是通风系统仿真。所谓通风系统仿真就是在新的通风系统没有实际运行之前,利用计算机软件模仿实际通风系统运行,并根据运行结果判断新的通风系统运行后的安全性和通风费用。例如,在矿井巷道贯通前,应该知道巷道贯通后各需风点的风量变化,怎样进行风量调节;对矿井通风改造方案进行仿真运行,了解每·73·第43卷摇第2期2016年4月摇摇摇摇摇摇摇矿业安全与环保MININGSAFETY&ENVIRONMENTALPROTECTION摇摇摇摇摇摇摇摇摇Vol郾43No郾2Apr郾2016个方案的通风安全性和通风成本,作为通风改造方案选择的依据;对矿井设计方案进行通风仿真,可以定量了解通风方案的优劣,并可以优化主要通风机选择[2]。矿井通风仿真系统另一个作用就是矿井通风优化调节和进行合理的风量分配。矿井通风管理是矿山安全管理的重中之重,而通风仿真系统是矿井通风管理的重要工具。通风仿真系统能为矿井通风管理提供定量分析的依据,为矿井通风安全提供保证;也可以节约矿井通风费用,降低通风成本[3]。1摇基于电子矿图的通风仿真系统矿井通风仿真系统必须在特定的矿井通风系统图上运行。矿井通风系统图包括矿井通风系统平面图、立体图和网络图。矿井通风系统平面图是以采掘工程平面图为底图,添加上风流方向、巷道风量、巷道阻力、通风设备及设施,并去除与通风无关的要素而形成的图件;矿井通风系统立体图是根据投影原理把矿井巷道立体图投影到平面上,并加上一些通风图例而形成的图形,能很好地表达巷道间的立体关系。矿井通风系统平面图和立体图都可以绘制成单线和双线的两种类型。将单线的通风系统平面图的巷道交点和巷道线段抽象为点与线的几何图,并通过伸缩、曲直、翻转、并边、并点等方法进行简化,所形成的通风网络图件,就是通风系统网络图。通风系统网络图一般绘制成椭圆形状,主要起2个作用:一是能清晰地了解通风系统风流的分合关系;二是在网络图上进行通风网络仿真解算和分析。目前,多数通风仿真软件都是在这样的通风系统网络图上运行的。通风仿真系统的这种运行模式存在以下不足:一是通风系统网络图虽然是由通风系统平面图简化而来的,但并没有统一的简化标准,不同的工程师绘出的通风系统网络图并不一致,可能会产生与通风系统平面图“不同构冶或“失真冶现象,仿真软件在这样失真的网络图上运行的结果是不可信的;二是由于通风系统网络图和实际的通风系统平面图差别较大,其“仿真冶效果不直观[2]。要达到通风仿真不失真和运行直观的效果,笔者提出使通风仿真系统运行在通风系统平面图上或通风系统立体图上的想法。其可行性分析如下:1)无论是通风系统平面图还是通风系统立体图都可以看作是通风网络,与传统通风系统网络图相比,只是网络规模和网络形式不同。后者进行了并边、并点、缩边并点、消点并边、断路等简化处理,网络规模较小,风流分合关系明显,但丧失了直观性。从这个意义上说,通风系统平面图、立体图和通风系统网络图都是网络图,都可以运行通风仿真系统。2)硬件的发展使现代计算机的性能完全满足大规模网络的计算需要。计算机发展初期,其存储量和计算速度极小,这就要求通风仿真软件和通风系统网络图的规模要小。随着计算机的发展,其存储量和计算速度瓶颈被突破,能够进行大规模网络的快速计算。所以直接在通风系统平面图和立体图上进行通风仿真是可行的[4]。矿井通风管理中,习惯上把使用CAD绘制的电子版通风系统平面图和立体图称为电子矿图。直接运行在电子矿图上的通风仿真系统叫作基于电子矿图的通风仿真系统。基于电子矿图的仿真系统具有下列优点:荫仿真误差小,不会引起因网络结构错误而产生的计算失真现象。只要各巷道通风属性及主要通风机特性方程符合实际,通风网络解算结果就是可信的。荫仿真直观,一目了然。由于电子矿图是依据矿井的实际工程按一定比例和一定规则绘制的,所以仿真软件在电子矿图上运行就像是真实的风流在矿井中流动一样,甚至可以设计成动画,直观形象,使用方便。荫方便系统集成。可以把通风仿真系统、矿井安全监测系统,以及其他与矿图有关的系统集成在一起,运行在同一个矿图上,便于企业集中管理。2摇电子矿图的绘制软件和通风仿真系统的开发方式目前,能够绘制电子矿图的软件很多,如AutoCAD、AutoCADMap、中望CAD、浩辰CAD等。AutoCAD的市场占有率最高;AutoCADMap是在AutoCAD平台上开发的GIS软件,含有AutoCAD的全部功能,可以用于绘制电子矿图;中望CAD和浩辰CAD是国产的绘图软件。许多矿井都使用AutoCAD绘制电子矿图,在矿山已经使用了多年,具有极好的二次开发功能[5-8]。国产CAD软件有后来居上的趋势,也带有二次开发功能。通风仿真系统的开发方式决定了通风仿真系统利用电子矿图的方式。通风仿真系统的开发方式有3种:一是直接用CAD的二次开发功能进行开发,将通风仿真系统的菜单融入CAD菜单中;二是利用C++、VisualBasic、VB.net等计算机高级语言从底层开发,通风仿真系统独立于CAD;三是利用GIS软件的二次开发功能进行开发。·83·Vol郾43No郾2Apr郾2016摇摇摇摇摇摇摇摇摇矿业安全与环保MININGSAFETY&ENVIRONMENTALPROTECTION摇摇摇摇摇摇摇第43卷摇第2期2016年4月采用第一种方式开发的通风仿真系统是运行在CAD上的,可以直接使用CAD软件绘制的电子矿图进行通风仿真。该方式开发的通风仿真系统具有以下优点:1)电子矿图的绘制和通风网络仿真在同一个环境下工作,使用方便;2)利用CAD的二次开发功能开发与通风仿真有关的功能,不需要开发电子矿图的绘制功能,开发较为容易。AutoCAD、中望CAD和浩辰CAD都具有二次开发功能,均可以作为仿真系统的开发平台。采用第二种方式开发的通风仿真系统是独立运行的,与电子矿图的绘制环境没有关系。通风仿真系统运行的电子矿图需要导入才能使用,其使用的格式要与电子矿图的绘制软件兼容。这种通风仿真系统不依赖于其他软件,但开发难度较大。电子矿图的兼容和及时更新也是这种开发方式将会遇到的一个难点。第三种方式类似于第一种方式,但利用的是GIS的二次开发功能。一般来说,GIS的绘图功能不如CAD。这种方式开发的通风仿真系统运行在GIS软件下,CAD绘制的电子矿图必须能够导入到GIS系统才能进行通风网络仿真。该方式也存在电子矿图的兼容和更新问题。所以,建议使用与CAD格式完全兼容的GIS系统。通风仿真系统的后两种开发方式都需要电子矿图的导入和格式的转换,使用上要复杂一些。但需要说明的是,虽然AutoCADMap是GIS软件,但利用AutoCADMap开发的通风仿真系统和利用AutoCAD开发的通风仿真系统使用一样方便。因为AutoCADMap具有AutoCAD的全部功能,并在AutoCAD的基础上添加了GIS功能。笔者就是利用AutoCADMap绘制电子矿图,并在其上开发和运行矿井通风仿真系统的。3摇基于电子矿图的通风仿真系统的关键技术3.1摇电子矿图网络化技术要在电子矿图上运行通风仿真系统,就必须对一般的矿井通风系统平面图和立体图进行改造,即对电子矿图进行网络化。所谓电子矿图网络化,就是改造电子矿图,使图中每一个具有独立属性的巷道段(每一个巷道可根据断面大小、支护方式等属性不同,分为一个以上的巷道段)、巷道段与巷道段之间的交点成为能用计算机表示的独立对象,并使整个电子矿图