基于并行计算的矿井通风能力动态核定及优化调节研究

摘要

合理确定矿井的通风能力，充分挖掘矿井通风系统的最大潜力，才能保障煤矿企业安全生产，获得最大的经济效益。现行矿井通风能力核定方法是建立在当前和过去几年的通风系统测定数据基础上，对矿井未来生产能力进行预测。随着煤矿开采技术的革新和快速发展，矿井逐渐向高产高效集约化模式发展，频繁的接替使得通风网络拓扑结构、通风系统参数变化较快，影响矿井通风系统的安全稳定性。论文系统研究了采掘动态接替与通风系统优化调节的关系，通过研究通风系统随采掘接替的演化规律、井下局部地点调节风窗局部阻力系数变化规律，提出了基于矿井采掘接替进程的通风能力动态核定模型和基于并行计算的通风网络优化调节模型，开发了相应的算法应用软件，为保障高产、高效集约化矿井安全开采提供了基础理论依据。
　　根据《煤矿通风能力核定标准》中对各需风点风量的要求，建立采掘工作面需风量计算模型，并编制相应的程序。在考虑矿井采掘布局特点和接替的安全规则下，采用数理统计方法，对采掘工作面推进速度进行统计分析，建立采掘工作面的随机推进速度模型。并采用CFD数值模拟软件，研究回采工作面在不同配风量条件下，采空区自燃“三带”分布规律，从而确定回采工作面在回采过程中风量合理变化范围。
　　根据矿井实际采掘接替进程，建立了单巷和多巷掘进工作面状态模型，以及双U形通风方式的采煤工作面状态转换模型，分析了双U形通风方式采煤工作面风流方向变换状态。建立了采掘活动引起的矿井通风网络变化及风量跟踪调节的模拟方法，提出相应的算法。
　　建立以采空区漏风分支两端节点压差、调节设施数量和主要通风机总功率三者无量纲化加权综合为最小的矿井通风网络风量调节多目标非线性优化模型。针对GECP算法对大规模问题求解时寻优速度较慢的不足，提出了基于并行计算的矿井通风网络调节优化算法（PCGECP），设计了相应的数据结构与程序架构，从而快速、高效的确定矿井通风系统安全、合理、经济运行的优化调控方案。
　　为了指导矿井通风网络优化调节方案的实施，采用CFD数值模拟的方法，进行了矩形巷道中矩形调节风窗的局部阻力特性研究，分析了巷道风窗开口面积比、开口位置和风流雷诺数对局部阻力系数的影响特性。并采用数字式精密微差压计测定巷道风窗局部阻力系数随其开口面积比和风流雷诺数的变化规律。
　　采用Microsoft Visual C++、Microsoft Visual Studio软件开发平台和Microsoft SQL Server数据库编程的方法分别设计编制出基于采掘接替计划的矿井通风能力动态核定软件及基于并行计算的通风系统网络调节优化软件。将上述研究成果在大柳塔煤矿进行了试验研究，动态分析了矿井在模拟时间段内的通风能力，并提出了减小采空区漏风相应的优化调节方案。

目录

声明

致谢

变量注释表

1绪论

1.1研究的背景及意义(Background and Significance of Research)

1.2国内外研究现状(Research Status at Home and Abroad)

1.3主要研究内容(Main Contents of Research)

1.4论文研究的关键技术路线(Key Technical Route of Research)

2矿井通风能力动态模拟主要影响因素

2.1矿井风量计算(Calculation of the Coal Mine Needed Air Quantity)

2.2矿井采掘布局与接替的安全规则(Safety Rules of Coal Mine Mining and Excavation Layout and Replacement)

2.3采掘工作面推进速度统计分析(Statistical Analysis of Day Mining Footage of Mining and Heading Face)

2.4采煤工作面合理配风量研究（Reasonable Air Distribution Research of the Mining Working Face）

2.5本章小结(Brief Summary)

3基于采掘接替进程的矿井通风能力动态核定

3.1采掘工作面状态转换模型(Status Transition Model of Working and Heading Face)

3.2采掘工作面通风系统状态分析(Analysis of Working and Heading Face Ventilation System)

3.3矿井通风网络动态模拟算法(Algorithm of Dynamic Simulation on Coal Mine Ventilation Networks)

3.4本章小结(Brief Summary)

4基于并行计算的矿井通风网络调节优化求解技术

4.2矿井通风网络风流调节优化模型(Optimization Model of Air Regulation of Mine Ventilation Network )

4.3求解通风网络调节优化模型的GECP并行算法(PCGECP Algorithm for Solving Ventilation Network Optimal Adjustment)

4.4通风网络风流调节优化并行计算程序设计(Design of Parallel Computing Program for Ventilation Network Air Flow Optimal Adjustment)

4.5典型复杂通风网络风量优化调节实例分析(Case Study of Typical Complex Ventilation Network Air Quantity Optimization)

4.6本章小结(Brief Summary)

5调节风窗局部阻力系数影响因素的数值模拟及实验分析

5.1不同风窗面积局部阻力系数的数值模拟(Numerical Simulation of LRC with Different Ventilation Regulator Area)

5.2雷诺数对风窗局部阻力系数的影响(Numerical Simulation of LRC with different Reynolds Number)

5.3调节风窗位置对局部阻力系数的影响(Numerical Simulation of Local Resistance Coefficient with Different Position)

5.4局部阻力系数测定实验(Mensuration Experiment of LRC)

5.5本章小结(Brief Summary)

6大柳塔煤矿通风能力动态核定及通风系统调节优化

6.1矿井概述(Summary of DaLiuta Coal Mine)

6.2大柳塔矿通风能力动态分析及核定(Dynamic Check and Ratify of Ventilation Capacity of DaLiuta Coal Mine)

6.3大柳塔矿井通风网络优化参数设置(Optimization parameters of Daliuta mine ventilation network)

6.4矿井通风网络优化调节(Optimal Adjustment of Coal Mine Ventilation Networks)

6.5本章小结(Brief Summary)

7结论与展望

7.1主要研究结论(Main Conclusions)

7.2论文创新点(Innovation of Research)

7.3研究展望(Prospect of Research)

参考文献

附录1 大柳塔井通风网络基本参数

附录2 文中所使用部分UDF函数

作者简历

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