基于Java語言對礦井通風的初步模擬解算

王愛愛 王一帆 陳津生

摘 要：礦井中的管道結構復雜多樣，角聯(lián)結構為其核心，本項目通過對礦井角聯(lián)結構通風解算的探索，設計出一套基于Java語言的礦井角聯(lián)結構的通風解算系統(tǒng)，利用程序設計出適合煤礦通風使用的先進軟件工具，動態(tài)顯示井下風流、風量和風壓，為礦井的安全生產(chǎn)提供可靠保證。

關鍵詞：礦井角聯(lián)結構通風解算;程序設計;礦井安全生產(chǎn)

煤炭是我國國民發(fā)展的基礎產(chǎn)業(yè)。煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)呈管網(wǎng)式布置，各種有毒有害致災因子共存于同一環(huán)境，導致煤礦易發(fā)災害事故，因此通風系統(tǒng)是礦井中必不可少的。復雜的地下礦井通風網(wǎng)絡，有些分支無法用工程的方法將風阻或風量事先測量出來，難以推斷風流特征突然改變的原因。由此通風網(wǎng)絡解算程序編制尤為重要。通風機是煤礦的四大固定設備之一，它擔負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，主通風機工作電壓較高，電流較大，出現(xiàn)故障的概率也較大。一旦發(fā)生故障，將會對整個礦區(qū)的生產(chǎn)和安全造成重大影響。種種原因引出了通風系統(tǒng)復雜、檢查維護困難、系統(tǒng)堵風、漏風現(xiàn)象嚴重、通風機數(shù)量多、能耗高等問題，通過計算機解算對礦井通風的優(yōu)化研究勢在必行。

一、礦山概況

我國煤礦礦山數(shù)量眾多，年開采量達世界第一，是我國國民發(fā)展的基礎產(chǎn)業(yè)。礦井通風系統(tǒng)作為礦井開采所必須的一部分，影響著下礦工人的安全，關乎于地下開采的安全、效率和成本等問題。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)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%。[2]且由于礦井進一步的開采，致使深度增加、生產(chǎn)規(guī)模擴大，進而使現(xiàn)有的通風系統(tǒng)不適用于當前礦井。因此，利用計算機解算，優(yōu)化礦井通風系統(tǒng)，是一件刻不容緩的事情。

二、通風系統(tǒng)存在問題

以人工的方式建立礦井通風系統(tǒng)并不容易，要考慮到人工代價和流程。而即使資金雄厚，也難以逾越技術方面的限制。同時礦井的狀況也并不是一成不變的，服務年限增長、開采深度增加、生產(chǎn)規(guī)模擴大，都讓礦井的通風需求有所改變。而計算機的控制技術具有自動監(jiān)控和監(jiān)測管理的功能，其不斷發(fā)展使得礦井通風系統(tǒng)日益現(xiàn)代化，對于全自動智能管理系統(tǒng)的建立尤為有利。[3]制作基于Java語言的計算機解算系統(tǒng)，將計算機程序設計與實際生產(chǎn)相結合，相較于傳統(tǒng)大型解算程序，更加便捷，實用性更強，接受度更高，減少通風能耗，同時也方便了通風系統(tǒng)的調(diào)整，降低了開采礦井的成本。

三、基于計算機對礦井通風的解算應用

根據(jù)上述分析的礦山概況和通風系統(tǒng)存在的問題，通過對礦井角聯(lián)結構通風解算的理論知識，設計出一套基于Java語言的礦井角聯(lián)結構的通風解算系統(tǒng)，節(jié)省了人力，提高了工作效率，使解算過程更加便捷。礦井通風系統(tǒng)是由縱橫交錯的井巷構成的一個復雜系統(tǒng)。用圖論的方法對通風系統(tǒng)進行抽象描述，把通風系統(tǒng)變成一個由線、點及其屬性組成的系統(tǒng)，稱為通風網(wǎng)絡。主要針對角聯(lián)通風網(wǎng)絡小型礦井，來以小見大，設計出角聯(lián)通風網(wǎng)絡解算系統(tǒng)，通過輸入各個巷道的風阻風壓，通過一系列網(wǎng)絡迭代計算和采礦通風定律公式進而求得各個巷道的風量風壓，進而控制通風機的風量進行通風。

3.1礦井角連結構的通風解算

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

3.1.2 風壓平衡：假設：一般地，回路中分支風流方向為順時針時，其阻力取“+”，逆時針時，其阻力取“-”。

a.無動力源（HN=0，HN=0）

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

ΣhRi=0

3.1.3角聯(lián)分支風向判別。分支的風向取決于其始、末節(jié)點間的壓能值。風流由能位高的節(jié)點流向能位低的節(jié)點;當兩點能位相同時，風流停滯;當始節(jié)點能位低于末節(jié)點時，風流反向。[5]

3.2 Java語言的程序設計。

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 程序界面設計功能。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、保存和另存等幾個基本選項操作。編輯里面根據(jù)實際情況來設定，可以變更節(jié)點與巷道進而變更實際的風機與巷道。最后一項功能是解析，根據(jù)一些特定參數(shù)來解算模擬各個巷道的風壓風量

建立一套反應迅速的智能通風管理系統(tǒng)來應對生產(chǎn)持續(xù)、礦井規(guī)模加大、通風系統(tǒng)不斷復雜和通風系統(tǒng)管理繁瑣等問題。本軟件的功能為在已知礦道網(wǎng)絡圖、分支風阻、非特殊支路風向和總風量的情況下，計算出特殊支路風向和各個支路的分配風量。軟件由菜單欄、工具欄和基本顯示界面組成。打開程序時初始的界面和計算結果后的程序界面示意圖均簡潔清晰。如圖1。

輸入原始風阻及總風量，利用風量平衡定律、風壓平衡定律、阻力定律進行扇形機特性曲線擬合計算，自動圈化網(wǎng)孔，得到計算初擬風量，然后進行網(wǎng)孔迭代運算，解得各巷道風量，并判斷出各巷道的風向并動態(tài)顯示。最后給出通風措施及建議，能夠滿足現(xiàn)實礦井中通風解算的需要。

四、結語

目前，我國正大力推進實施職業(yè)健康安全管理體系，加強對國內(nèi)工礦企業(yè)勞動條件的管理，努力改善井下作業(yè)人員的勞動條件，促進礦井通風技術的應用。而我們的通風解算程序編制使通風過程變得更加智能更加高效，更加具有實用性。應用計算機解算復雜通風網(wǎng)絡，大大節(jié)省了人力、物力和財力。相對于人工解算，計算機的結果經(jīng)過多次迭代，準確性更高，使用更加便捷。

參考文獻

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

[2] 黃俊歆.礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控算法與三維可視化關鍵技術研究[D].中南大學，2012.

[3] 李樹軍.礦井通風技術及通風系統(tǒng)優(yōu)化設計探討[J].機械管理開發(fā)，2016，31（09）：148-149.

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

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

王一帆（2000-6-14），男，河北唐山，本科，學生，華北理工，能源與動力工程。

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