羧甲基纖維在礦井通風(fēng)管中的應(yīng)用及 GIS 非穩(wěn)態(tài)模型優(yōu)化

劉輝 黃天塵 趙堃 張曉利 葉鷗

摘要：隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，“智能礦井”的建設(shè)正在大力推進(jìn)，將羧甲基纖維素鈉作為噴涂材料應(yīng)用在礦井通風(fēng)管道，可以提高礦井通風(fēng)性能；但目前較少研究噴涂材料在礦井中的通風(fēng)性能。研究旨在將地理信息系統(tǒng)（GIS）與非穩(wěn)態(tài)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合起來，為決策系統(tǒng)提供基于位置的信息和在線實(shí)時支持，提出了一個基于GIS 的非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型，并介紹了其算法。設(shè)計(jì)開發(fā)了3D VentCloud的網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)基于前端和后臺技術(shù)，有效地實(shí)現(xiàn)了所提出的算法；對模型進(jìn)行了驗(yàn)證，將該系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦噴涂材料通風(fēng)管道方案，證明了該模型的合理性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：GIS；礦井智能通風(fēng)；非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)；羧甲基纖維

中圖分類號：TQ342+.7；TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）05-0165-05

Theapplicationof carboxymethylfibresinmineventilationpipesandoptimizationof GISintelligentminenon-stationarysystem

LIU Hui1，HUANG Tianchen1，ZHAO Kun1，ZHANG Xiaoli2，YE Ou3

（1. Shaanxi Yongxin Mining Co.，Ltd.，Yulin 719000，Shaanxi China；

2. Xi'an University of Posts and Telecommunications，Xi'an 710000，China；

3. Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710000，China）

Abstract ：WiththedevelopmentofadvancedtechnologiessuchasartificialintelligenceandtheInternetofThings，the construction of“intelligent mines ”is being vigorously promoted. Applying sodium carboxymethyl cellu? lose as a spraying material to mine ventilation ducts can greatly improve the ventilation performance of the mine， but there is currently less research on the ventilation performance of spraying materials in the mine. Therefore，thisstudy aims to combine geographic information systems（GIS）with unsteady state ventilation network models to pro? vide location based information and online real-time support for decision-making systems. Firstly，a GIS based un? steady network model was proposed，and its algorithm steps were introduced. Secondly，a network prototype systemcalled 3D VentCloud was designed and developed. The research results show that the system effectively integratesthe proposed algorithm based on front-end and terminal technologies. At the same time，the model was validated， and the system was applied to a real coal minespraying material ventilation pipeline project，showing that the mod? elis reasonable and practical.

Keywords：GIS；intelligent mine ventilation；unsteady state network；carboxymethyl fibres

“智能礦井”是我國當(dāng)前的重點(diǎn)建設(shè)與發(fā)展方向，可望為煤礦安全生產(chǎn)提供可靠、快捷、智能與精確的技術(shù)支撐[1]。煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的重要組成部分。一套有效的礦井通風(fēng)系統(tǒng)和通風(fēng)管路，對于保障礦工的工作環(huán)境和礦井的可持續(xù)發(fā)展，具有十分重要的意義[2-3]。目前，國內(nèi)外學(xué)者采用羧甲基纖維鈉鹽作為基體，對其進(jìn)行接枝改性，制備出高效的霧化涂層，并用于煤礦井下通風(fēng)管道。將其涂敷在通風(fēng)管道表面，可起到二次補(bǔ)強(qiáng)作用，阻止氣體從風(fēng)管中逸出，延緩風(fēng)管腐蝕[4]。

同時目前對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型和通風(fēng)軟件的研究主要集中在傳統(tǒng)的穩(wěn)定計(jì)算模型上。然而，礦井通風(fēng)管道本質(zhì)上屬于一個具有地理空間和時間特征的動態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)[5]。雖然煤礦正常生產(chǎn)時的通風(fēng)狀態(tài)是穩(wěn)定的，但各種內(nèi)部擾動和地面氣壓會對礦井噴涂材料通風(fēng)管道內(nèi)的氣流和壓力產(chǎn)生一定的影響，從而引起氣流脈動。此外，由于瓦斯突出、礦井火災(zāi)等重大事故的發(fā)生，礦井噴涂材料通風(fēng)管道中通風(fēng)狀態(tài)會瞬間改變，造成管道內(nèi)氣流的瞬時紊亂[6]。因此的，正常生產(chǎn)或?yàn)?zāi)害時的通風(fēng)狀態(tài)都應(yīng)視為非穩(wěn)態(tài)流動，因此進(jìn)一步要求建立統(tǒng)一的通風(fēng)模擬模型，并與智能礦井通風(fēng)的概念相適應(yīng)。

然而，使用AutoCAD 很難處理礦井空間、時間和屬性數(shù)據(jù)以及拓?fù)潢P(guān)系。此外，基于GIS 的通風(fēng)軟件系統(tǒng)多集中在傳統(tǒng)GIS 或靜態(tài)GIS 與穩(wěn)定通風(fēng)模擬模型的結(jié)合。因此，需要一個與GIS技術(shù)相結(jié)合的統(tǒng)一的非穩(wěn)定通風(fēng)模型，以提供在線和快速的決策支持，更好地滿足礦井噴涂材料通風(fēng)管道通風(fēng)的要求[7]。

因此，本研究旨在通過非穩(wěn)態(tài)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型與 GIS 的結(jié)合以及系統(tǒng)的開發(fā)，提供快速的在線通風(fēng)模擬解決方案，進(jìn)一步研究羧甲基纖維素鈉噴涂材料在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用效果，促進(jìn)礦井智能通風(fēng)的建設(shè)。首先，提出了基于GIS 的非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型的算法。其次，基于通風(fēng)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及巷道網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一個名為3DVentCloud的原型模擬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

1 基于GIS的非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型

1.1數(shù)學(xué)模型

首先，建立一個理想的幾何礦井巷道模型來建立非穩(wěn)態(tài)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型的基本方程[8]。在不考慮氣流的可壓縮特性的情況下，模型的長度為L，橫截面積為A。

在沒有任何外力的情況下，礦井噴涂材料通風(fēng)管道內(nèi)的氣流屬于穩(wěn)定狀態(tài)。如果礦井通風(fēng)通道兩端的風(fēng)壓突然發(fā)生變化，就會有一個等效的外力F 作用于空氣柱的兩端[9]。根據(jù)牛頓第二定律[10]，假設(shè)外力給出加速度a，空氣柱相應(yīng)的方程式為：

式中：R 為通風(fēng)阻力；p1和 p2為靜壓；v1、v2為礦井巷道端速度；hr為外部功率。假設(shè)一條礦井巷道是單一的和水平的，那么兩端都與大氣相連。當(dāng)放置在礦井巷道末端的風(fēng)扇突然開始時，式（3）中的壓差為0，因此可以得到：

對于礦井噴涂材料通風(fēng)管道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的氣流，假設(shè)空氣遵循3個基本的氣流定律，即通風(fēng)阻力定律、回路中的壓力平衡定律和節(jié)點(diǎn)處的風(fēng)平衡定律。這3個定律代表了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型中礦井巷道分支的風(fēng)量和通風(fēng)阻力以及節(jié)點(diǎn)壓力這3個基本通風(fēng)參數(shù)的限制關(guān)系和平衡關(guān)系[11]。

氣流的3個基本定律可以描述為：

式中：N 為礦井巷道分支的數(shù)量；M 為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；εki 和Cji分別為網(wǎng)絡(luò)圖的基本相關(guān)矩陣和獨(dú)立環(huán)路矩陣中的元素，其值為0、1或-1；ΔPi = hFj （Q） lhNj （Q）代表通風(fēng)功率，包括風(fēng)機(jī)功率hFj （Q）和自然功率hNj （Q）。式（6）也可以簡化為環(huán)路方程的矩陣形式：

式中：C 是循環(huán)矩陣；D中的元素為

在此基礎(chǔ)上，可以應(yīng)用Runge-Kutta迭代算法來模擬每個巷道分支的空氣量隨時間的變化。基于經(jīng)典的4階Runge-Kutta方法的具體解決方案為：

1.2通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)模型

基于GIS 的理論和方法，設(shè)計(jì)了非穩(wěn)態(tài)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)模型，進(jìn)一步研究羧甲基纖維素鈉噴涂材料在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用效果。首先，將通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖描述為 G （V.E），其中 Vv1. v2，…. vm是網(wǎng)絡(luò)圖中的一組節(jié)點(diǎn)，E e1. e2.…. en是網(wǎng)絡(luò)圖中的一組巷道分支?？紤]到每個礦井巷道分支上的氣流都有一個風(fēng)向。因此，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖是一個有向圖。通過對網(wǎng)絡(luò)圖的分析，可以得到網(wǎng)絡(luò)圖的鄰接矩陣、入射矩陣、切集矩陣、循環(huán)矩陣和路徑矩陣，這些矩陣存儲了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖的拓?fù)湫畔12]。另外，從 GIS 的角度來看，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖及模型是一種具有代表性的空間空間對象，包括空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)及空間關(guān)系，空間關(guān)系是指將通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖的拓?fù)潢P(guān)系，也就是將巷道支路與節(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來的聯(lián)系，并采用GIS的數(shù)據(jù)組織方法[13]，采用點(diǎn)線（節(jié)點(diǎn)-支路）的索引結(jié)構(gòu)來保存。

整個算法是為基于GIS 的非穩(wěn)態(tài)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)的。表1為整個結(jié)構(gòu)的具體流程。該模型和數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)通過整合地理信息為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)提供了更多的地理空間和屬性數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)

本研究設(shè)計(jì)了一個名為3D VentCloud的原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)是通過結(jié)合前端和后端技術(shù)開發(fā)的。前端是使用Html、JavaScript 和CSS 開發(fā)的。后端主要包括模型和算法，由C++和Python 開發(fā)。此外，采用Torna? do 作為服務(wù)器，在前端和后端之間傳輸數(shù)據(jù)[14]，從而將兩端連接起來。該系統(tǒng)主要包括3個層次，分別是技術(shù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層[15]。

（1）技術(shù)層。在這一層中，主要包括了以 GIS 為基礎(chǔ)的非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型和數(shù)據(jù)源兩個部分。數(shù)據(jù)來源是由最初獲取的巷道網(wǎng)絡(luò)中心線數(shù)據(jù)構(gòu)成的，采用GeoJson格式對其進(jìn)行處理[16]，并將其存儲在 GIS 數(shù)據(jù)庫中。在 GIS 環(huán)境下，建立非穩(wěn)態(tài)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系的建立，并建立了一種以點(diǎn)、線為指標(biāo)的非穩(wěn)態(tài)通風(fēng)仿真模型。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法。

（2）服務(wù)層。這一層以Tornado 體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過 WebSocket 界面，把 JavaScript 前端與Py? thon、C++軟件后端相聯(lián)接，完成了對 Python、C++軟件后端之間的信息交換[17]。3個js文件被用于完成3D 可視化的工作。

（3）應(yīng)用層。該層實(shí)現(xiàn)了煤礦通風(fēng)管網(wǎng)的非穩(wěn)態(tài)通風(fēng)仿真功能，三維可視化與時間空間屬性查詢功能，并實(shí)現(xiàn)了仿真結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對巷道中線的讀出，并將其保存，實(shí)現(xiàn)了對礦井噴涂材料管道的三維建模，并將風(fēng)管的幾何模型以. stl文件的形式輸出[18]。在仿真過程中，可以根據(jù)空氣流量的變化，對每一條巷道支路進(jìn)行不同色彩的繪制，同時也可以對其進(jìn)行查詢與顯示，從而得到更為詳細(xì)的巷道地理信息。

3 結(jié)果和討論

3.1非穩(wěn)態(tài)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型驗(yàn)證

為了在礦山實(shí)際應(yīng)用前驗(yàn)證基于GIS 的非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型，本文從參考文獻(xiàn)[3]中獲取了數(shù)據(jù)。簡化的羧甲基纖維素鈉噴涂材料通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖及其最小生成樹如圖1所示；該網(wǎng)絡(luò)圖有11個巷道分支，包括一個虛擬分支和8個節(jié)點(diǎn)。

由表2可知，在本案例中，礦車在運(yùn)輸通道（分支編號為2和3）內(nèi)迎風(fēng)行駛，這將導(dǎo)致羧甲基纖維素鈉噴涂材料通風(fēng)管道動態(tài)風(fēng)阻增加，通道2和3的風(fēng)量相應(yīng)減少?；诜欠€(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型，本文模擬了每個車道的風(fēng)量隨時間的變化規(guī)律，具體如圖2所示，正值代表空氣的減少，負(fù)值代表空氣量的增加。

從圖2可以看出，2號和3號支路的運(yùn)輸通道的空氣減少量最大，主要由于羧甲基纖維素鈉噴涂材料緊密地包裹在通風(fēng)管道周圍，并通過其對孔隙空間的占用將管道粘合在一起；而3號支路的空氣增加量最大[20]，其主要原因?yàn)榇蟛糠謿饬鲝倪M(jìn)氣巷道流向與節(jié)點(diǎn)2的運(yùn)輸巷道相連的巷道（支路2）。

此外，本文還對特定的巷道和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)查，以觀察礦車停止向風(fēng)向移動后空氣體積和壓力隨時間變化的規(guī)律性。如圖3所示，以巷道2為例，展示了羧甲基纖維素鈉噴涂材料通風(fēng)管道風(fēng)量和風(fēng)壓變化的非穩(wěn)態(tài)特征。

從圖3可以看出，隨著礦車向順風(fēng)方向移動，2號巷道的羧甲基纖維素鈉噴涂材料通風(fēng)管道風(fēng)量減少分別呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢和下降趨勢，然后保持穩(wěn)定狀態(tài)。礦車停止迎風(fēng)移動后，2號巷道的風(fēng)量減少呈現(xiàn)出相反的趨勢，最后達(dá)到最初的穩(wěn)定狀態(tài)，主要原因?yàn)轸燃谆w維素鈉噴涂材料表面上存在許多孔隙，極大地增加了與風(fēng)的接觸面積。同時風(fēng)壓的變化也有類似的規(guī)律性，該結(jié)果與文獻(xiàn)[3]的研究結(jié)果一致，符合羧甲基纖維素鈉噴涂材料通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型中風(fēng)量和風(fēng)壓的變化規(guī)律。

3.2 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的案例研究應(yīng)用

本研究將非穩(wěn)態(tài)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用于實(shí)際煤礦中，以進(jìn)一步驗(yàn)證模型的實(shí)用性，并調(diào)查真實(shí)的礦井通風(fēng)，進(jìn)一步推動智能通風(fēng)的發(fā)展。因此，獲得了煤礦的真實(shí)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包含290條巷道和222個節(jié)點(diǎn)。巷道網(wǎng)絡(luò)的三維幾何模型通過3D VentCloud系統(tǒng)讀取并可視化。

利用 GIS 技術(shù)構(gòu)建了礦井巷道內(nèi)的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并對巷道內(nèi)的羧甲基纖維素鈉噴涂材料通風(fēng)管道進(jìn)行了仿真。首先利用最短路法對巷道風(fēng)阻進(jìn)行了等級劃分，并據(jù)此得到了70條剩余支路及對應(yīng)的最小支路網(wǎng)絡(luò)。將各剩余分支與最小支撐樹相加，得到70條不同的線路。在此基礎(chǔ)上，建立了一個以 GIS為基礎(chǔ)的非定態(tài)網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行了仿真。得出了各礦巷道支路在不同時刻的空氣流量。結(jié)果表明，在礦井中，隨著時間的推移，礦井的通風(fēng)趨于平穩(wěn)，所得到的結(jié)論也與常規(guī)的穩(wěn)態(tài)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型相吻合。并且，該算法僅用了4.72 s的時間便可完成仿真。

為進(jìn)一步提高非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型在礦井羧甲基纖維素鈉噴涂材料通風(fēng)管道中監(jiān)測效果。使用非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型中的模擬氣流與礦井噴涂材料通風(fēng)管道中實(shí)際通風(fēng)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。使用非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型中的模擬氣流與實(shí)際氣流的速率誤差如圖4所示。

從圖4可以看出，模擬氣流速率的總體誤差從17.26%降至1.42%。使用非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型后的氣流速率更接近實(shí)際測量數(shù)據(jù)。非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型模擬氣流速率與實(shí)際測量數(shù)據(jù)相匹配，進(jìn)一步證明非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型在礦井噴涂材料通風(fēng)管道的有效性。然而，仍有一些異常值與測得的氣流存在較大差異。表3列出了與測量數(shù)據(jù)相比差異超過10%的巷道（2、4、6、8、10巷道）。這些較大差異的主要原因是，大多數(shù)礦井噴涂材料通風(fēng)管道中的氣流速率都很小，非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型中的一個小差異在以百分比表示時會導(dǎo)致很大的誤差。例如，對于4號巷道，與測量數(shù)據(jù)的偏差僅為0.1 m3/s，導(dǎo)致11%的誤差。更大的差異也更頻繁地出現(xiàn)在礦井噴涂材料通風(fēng)管道中，且在礦井通風(fēng)管道中測量的阻力容易受到大的誤差的影響，主要原因?yàn)轸燃谆w維素鈉噴涂材料噴灑在通風(fēng)管道上后，該噴涂材料可以牢固地包裹在通風(fēng)管道壁上，形成硬化的“外殼”。同時，其大的比表面積使其能夠接觸更多的灰塵，從而產(chǎn)生良好的灰塵膠結(jié)效果，進(jìn)一步影響通風(fēng)阻力。

4 結(jié)語

本文研究了基于GIS 技術(shù)的非穩(wěn)態(tài)礦井羧甲基纖維素鈉噴涂材料通風(fēng)模擬模型，并開發(fā)了原型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在線通風(fēng)模擬，可以更好地適應(yīng)和促進(jìn)智能礦井通風(fēng)的建設(shè)。通過整合GIS 技術(shù)和非穩(wěn)態(tài)通風(fēng)模擬模型，本研究提供了一個統(tǒng)一的基于GIS 的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，可以有效地模擬非穩(wěn)態(tài)通風(fēng)狀態(tài)的動態(tài)變化，以及穩(wěn)態(tài)通風(fēng)狀態(tài)。此外，基于所提出的算法開發(fā)了一個原型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以提供快速的模擬結(jié)果和基于位置的信息。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效地模擬羧甲基纖維素鈉噴涂材料通風(fēng)結(jié)果，并有望為煤礦安全生產(chǎn)提供在線和實(shí)時的決策支持。

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