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矿井通风系统是一个动态的系统,其通风参数、通风网络结构等都处于不停的变化之中,作为一个有机的整体,通风系统局部的变化往往会引起整体参数的变化,并且这种变化规律复杂不易被准确预见,这也正是目前矿井通风管理所面临的难题。
目前,矿井通风管理主要依赖矿井安全监测系统和各类通风信息管理系统,实现矿井通风系统参数和通风安全信息的日常维护与管理。矿井安全监测系统完成了井下环境参数的实时数据采集和设备运行状态的实时监测,对异常通风信息的预测与预报为煤矿安全工作提供了重要的参考依据,然而由于缺乏数据的智能化分析,仅靠监控系统提供的原始信息并不能完全反映通风系统的实际状态,为煤矿管理人员进行及时调节提供有效指导。而通风信息管理系统类软件,成功地将计算机信息管理技术应用在井巷可视化、通风网络解算与调节、通风系统图与网络图绘制以及通风日常报表管理等方面,提高了煤矿安全信息管理的水平,但这类软件设计存在的普遍问题是缺乏处理动态实时数据的能力,对于处在变化中的通风系统来说,软件提供的辅助参考价值很小。通风管理软件与安全监测系统的相互脱离,使得井下采集的实时数据不能及时应用在通风的计算与分析中,软件解算的过程具有明显的滞后性。由于不能实现数据的实时分析,风网解算的结果也不能及时反馈到生产管理、优化改造、救灾等系统中。这些功能设计上的缺陷严重制约相关通风模拟软件在矿井中的进一步应用及推广,影响了煤矿通风安全管理工作和信息化建设的发展要求。
为此,中国地质大学(武汉)开发了煤矿三维实时数字通风系统,该系统以矿井通风理论、三维建模技术、面向对象程序设计、数据库传输技术、可视化技术以及计算机图形学理论为依托,综合了先进的第四代GIS技术及数字三维仿真技术,具备井巷三维可视化、通风流实时监控与预警、矿井通风辅助决策三个功能子系统。煤矿三维实时数字通风系统在吸取传统通风管理软件的优势上,很好的解决了与矿井安全监测系统的实时数据集成问题,该系统具有以下创新:
(1)系统首次实现实时通风监测信息与三维通风系统巷道模型的结合,实现了在立体场景中对实时通风监测信息的可视化、可靠性分析、预警与通风系统优化。
(2)基于信息分层管理技术,系统实现矿井通风系统几何参数和各种动态参数的有机融合,实现对矿井通风参数数据在三维通风立体图上的实时动态可视化。
(3)数字通风系统的结构、基础功能与图层等相对独立的独立插件/框架,用户可对数字通风系统插件进行组装、扩展。
本论文基于该煤矿三维实时数字通风系统,从矿井通风的实时数据出发,以矿井风流流动的基本规律与稳定性影响因素为基础,通过研究矿井通风系统与安全监测系统异构数据的集成与可视化模拟,从建立通风实时数据分析与预警功能的数学模型入手,实现了对通风系统各巷道风量、瓦斯等实时参数的分析与预警。根据实时分析的结果,系统确定当前工况参数是否处于正常范围之内；如果参数出现异常,需要确定造成当前参数异常值出现的原因,同时实现对井下通风的实时模拟,并进行相应的通风系统实时辅助决策,从而帮助技术和管理人员完成对日常大量数据的分析,在此基础上确定通风系统是否存在不安全隐患,为指挥生产、及时发现和处理事故发挥技术支持作用,以进一步提高矿井安全生产的预警能力和事故防范能力。
本论文主要做了以下一些工作:
(1)课题紧紧围绕矿井通风实时数据这一研究对象,结合相关资料的搜集与文献查阅,针对当前煤矿通风安全生产现状以及国内外通风管理系统的研究成果和存在的问题,提出了基于三维实时数字通风系统,对煤矿通风实时数据进行分析处理的研究思路,并确定了论文研究的主要目标、内容与技术路线,为论文构建了一个整体的研究框架。
(2)论文第二章主要针对矿井风流流动规律及其稳定性影响因素进行了分析,主要研究了风流在通风巷道中流动时需要遵守的能量守恒定律、风量平衡定律、风压平衡定律和阻力定律,详细分析了影响矿井风流流动稳定性的四个主要因素:通风网络、机械通风动力、自然风压和瓦斯等有毒气体的涌出。
(3)第三章深入的研究了实时数字通风系统与安全监控系统间异构数据的同步集成、通风信息的三维可视化模拟问题。将煤矿通风信息分为基础信息与安全监测实时信息,分析了实时监测数据的传输特征,并详细探讨了异构数据联机通信的五种转换方式:数据库访问方式、文件交换方式、动态数据交换技术、Wincock技术和OPC技术。针对矿井通风系统数据可视化的特点,完成其可视化模拟的属性设计,实现矿井通风系统几何参数和各种动态参数的有机融合,以及矿井通风参数数据在三维通风立体图上的实时动态可视化。
(4)论文第四章从矿井风流流动的理论基础入手,结合矿井通风系统风阻与风量的相关性,通过确定风量的正常波动范围,对风量的异常值进行了界定,并建立异常分析的数学算法模型,实现基于敏感度的矿井通风异常风量与原因分析。通过对通风预警的各类指标的研究,结合系统所建立的通风预警模型,完成对通风异常信息的预测与预报功能的研究。
(5)论文第五章详细介绍了大淑村矿三维实时数字通风系统,并就数字通风系统数据的采集以及三维可视化模拟与分析功能进行了现场测试与展示。