通风系统的建模与优化

通过对通风系统基本组成进行分析，矿井通风系统模型分为通风网路模型、通风动力模型和通风控制模型等3类。在系统仿真模型的界定下，分别对通风系统这3类模型进行系统建模。

1.通风网路模型建立

在通风系统的各组成中，通风网路模型建立主要包括通风巷道模型的建立和通风网络模型的建立两种。

（1）通风巷道模型的建立。通风巷道模型是通风网络的基础，也是通风系统仿真的主要对象。在三维空间位置的表达上，通风井巷模型与原井巷工程模型基本相同，但作为通风系统的一部分，它还具有断面面积影响参数、巷道体积、风阻、风流方向、风量等通风属性。对于这些属性的描述，特别是风量、风向的描述就不仅包括空间位置的表达，还应有空间拓扑关系、矢量方向的表达。

在矢量方向表达过程中，由于巷道的形状不同，其风流方向的表达也不尽相同。对于水平直巷和斜坡道中直巷部分，其风流方向可有一个矢量值，它可由风流所在道的两端点的三维坐标与风流流动趋势计算得出；对于弧形巷道则需划分为多条直巷道进行计算，由于在弧形巷道仿真的过程中，已将其按照弧度的大小划分为小段直巷道，故可采用划分后弧度的切向量替代该段巷道的风流方向，从而以一系列的切向量和风流流动趋势完成弧形巷道风流方向的表达。

在巷道内气体体积的计算过程中，对于直巷道可由巷道长度和断面面积直接求出，对于弧形巷道，则可由弧形巷道的弧线长度和断面面积求出。

（2）通风网络模型的建立。通风网络模型是一种具有三维空间关系的复杂拓扑结构，可以通过三维矢量图的形式进行描述。其中，通风网络中的巷道可视作图中的各条边，巷道关键点作为图中的各顶点，同时风流的方向可认为是图中各边的矢量方向，风阻、风压、风速等均可视作图中各边的权值或系数，通风网络模型的建立和分析的过程就是通风网络图的建立和分析的过程。在此，分别以通风巷道即通风网络各边为核心建立了通风网络巷道关系模型和以各关键点为基础建立通风网络结点模型，来建立和分析通风系统的网络拓扑关系。

通风网络巷道关系模型主要以每条巷道为基本数据结构，与其他巷道进行相邻、连通等拓扑关系分析。其模型建立过程为：首先，根据井巷模型建立包括风阻、风压、风量等属性的通风井巷模型；其次，按巷道中的实际风流方向确定各条通风巷道的起点和终点，将每条巷道矢量化（即确定各边的方向）；再次，遍历各条巷道建立每条巷道的相邻接巷道集合，并将该集合中的巷道按起点相邻方式和终点相邻方式进行划分，形成两个子相邻巷道集合；最后，根据各条巷道的相邻巷道集合，以数组形式建立通风网络巷道关系模型，为进一步分析该通风网络的连通性和各巷道风流之间的影响程度做准备。

通风网络结点模型主要是在通风网络巷道关系模型的基础上，以各巷道的关键点作为基本数据结构，分析与该结点相连接的巷道通风状况。其模型建立过程为：首先，根据通风网络巷道关系模型中巷道的起点、终点提取通风网络中所包含的所有关键点，建立关键点模型；其次，遍历每个关键点，建立与该关键点相连接的巷道集合，并按照风流方向划分为进风巷道子集合和出风巷道子集合；最后，按照各巷道流入结点的风量，定量计算在该点均匀混合后所形成的风流组成成分，并以数组方式为主建立通风网络结点模型。

2.通风动力模型建立

通风动力模型包括自然风压模型和机械风压模型两类。

（1）自然风压模型。自然风压大小和方向受地面气温影响较为明显，随季节变化，自然风压易发生周期性的变化；对于深井，其自然风压受围岩热交换影响比浅井显著，故四季的变化较小。另外，由于井巷内空气成分和湿度等影响空气密度的因素存在，也对自然风压有一定影响，但影响较小。

在考虑的深度、气温和通风方式等情况下建立自然风压模型，该模型包括矿井各主要井口的高程、矿井深度、年均气温、最热月份平均气温及地表气压、最低月份平均气温及地表气压、恒温带深度、地热增温率、井深处的气温等属性。在自然风压模型的建立过程中，由于空气密度受多种因素影响，与高度成复杂的函数关系，为了简化模型，对各井巷中空气密度取平均值ρ进行建模，则自然风压HN可用式（4.15）表示，即

可见，影响自然风压的决定性因素之一是空气柱的密度差ρ，而空气密度又与温度T、大气压力p、气体常数R和相对湿度φ等因素有关；当两侧空气柱温差一定时，自然风压与矿井或回路最高与最低点（水平）间的高差Z成正比。

对于浅井自然风压模型，随着深度增加空气密度变化不大，故可以视为定值，则式（4.15）改变为式（4.16），即

式中：H1为进风井深度；ρ1为进风井空气平均密度；H2为出风井深度；ρ2为出风井空气平均密度；g为重力加速度。(www.xing528.com)

对于深井自然风压模型，空气柱的密度、温度、热量都在变化，属于多变过程，由于等温过程所计算的随深度压力变化值和多变过程计算的结果极为接近，故在深井自然风压模型中，采用等温过程计算自然风压。当地表大气压为p0时，随深度增加H米后，该点的大气压力为

式中：K为随深度增加的校正系数[按式（4.18）计算]；R为气体常数（取29.27）；T为空气柱的平均绝对温度（T=273+t）。则任意两点压差可由式（4.19）表示。在生产矿井中，平均温度t可通过实测获得，若新设计的矿井则按式（4.20）计算，即

对于进风井，t表示进风井平均气温（℃）；t′表示进风井口气温（℃）；t″表示进风井底气温（℃）；对于回风井，t表示出风井平均气温（℃）；t′表示出风井底气温（℃），其值为该处岩石温度减去1～2℃；t″表示出风井口气温（℃）（t″=t′-0.005H）。

（2）机械风压模型。机械风压是由通风机造成的能量差，故以通风机建模为核心，建立机械风压模型。通风机是产生机械风压的主要动力，其按服务范围可分为主要通风机、辅助通风机和局部通风机等3种。通风机模型主要包括流量Q、全压Ht、静压HS、动压HV、轴功率（输入功率），全压功率Nt、风机功率（输出功率）、效率η、转速n、工况点信息、个体特性曲线和通风机装置信息等基本属性，其中全压Ht=HS+HV，HS=RQ2。此外，针对风机模型的仿真要求，还应建立扇风机编号、种类、所在巷道编号、是否运转等属性。

矿井主要通风机有轴流式和离心式两种，其特性曲线驼峰点左右均是规则的，在其正常工作范围内，均可以用m次多项式（4.21）予以近似表达[165]，即

方程中aj待定系数取决于风机的型号、转数和叶片安装角，在此采用最小二乘法求解。该方法规定当多项式在所取的Qi（i=1，2，…，n）处算出的h值与hi值之差的平方和r最小，即式（4.22）取最小值时，为最好的拟合曲线。

根据多元函数极值原理，式（4.22）对aj求偏导，得到式（4.23），并将其简化为式（4.24），即

当n＞m时，式（4.25）有定解，求得m+1个未知量（即拟合函数中的待定系数a0，a1，…，am）。一般情况下，采用二次多项式就足以很好地拟合通风机特征曲线，故式（4.21）化简为式（4.26），这样就可利用三组工况点数值对a0、a1和a2求解。

3.通风控制模型建立

地下全面通风的隔断、引导和控制风流的设施主要包括风门、调节风窗、风桥、密闭等几类，与之相对应，通风控制模型也包括风门模型、调节风窗模型、风桥模型、密闭模型等4类模型。

（1）风门模型。风门是地下通风中一种既能满足行人或通车要求，又能隔断风流的设施，可分为普通风门和自动风门。所以，通风风门模型包括风门编号、位置、类型、所在巷道及开关状态等属性，以影响通风系统的风流方向。

（2）调节风窗模型。调节风窗是地下风道风量调节设施，它是指地下风道上方开一小窗，用可滑移的窗板来改变窗口的面积，从而改变风道中的局部阻力，调节风道的风量。风窗模型包括风窗编号、位置、所在巷道及开闭面积等属性，以影响所在巷道风阻大小。

（3）风桥模型。风桥是当通风系统中进风道与回风道水平交叉时，为将进风与回风互相隔开，需要构筑风桥。按其结构不同可分为绕道式风桥、混凝土风桥、铁筒风桥。风桥模型包括风桥编号、位置、类型、进风道编号、回风道编号、进风道与回风道关系等属性。通过风桥模型确定交叉风路的空间关系，为通风系统的整体分析和解算奠定基础。

（4）密闭模型。密闭是隔断风流的构筑物，包括临时密闭和永久密闭。密闭模型包括编号、位置、所在巷道、类型及密闭情况描述等属性。