矿井通风与安全.docx
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矿井通风与安全
通风理论及计算机模拟期末考试作业
矿井通风系统工作原理仿真可视化实现及风流中瓦斯浓度监测实验验证系统
一、系统设计思路
进入21世纪以来，随着复杂系统仿真技术应用需求的不断提高和应用领域的不断扩展，计算机仿真技术早已从纯数字仿真、实物在回路中的半实物仿真，发展到人在回路中的虚拟环境仿真技术新阶段。
对真实系统的仿真，不再是只采用某一仿真技术，而是构造集数字仿真、实物在回路中的半实物仿真和人在回路中虚拟环境仿真技术为一体的综合仿真系统。
与此同时，高性能仿真计算平台也从单机平台转向基于计算机互联网络的机群系统，它综合应用了分布处理、网络通讯、Client／Server、面向对象、并行数据库、可视化等先进技术，从而构成具备强实时性和交互性的分布协同的仿真计算机体系结构，充分支持分布交互仿真所需的很好的互操作性、可移植性、可伸缩性和高可靠性等要求。
传统的数字仿真技术主要用于科学计算，但是随着复杂系统仿真应用需求的不断增加，这种以数字模型为中心的仿真系统，无论是对建模过程的描述，还是对仿真结果的分析都十分复杂，而且很难得到整体、形象、直观的仿真结果，无法及时判断与决策，甚至可能会丢失大量的信息，所以计算机技术在数字仿真技术中的应用就显得十分重要。
仿真与可视化技术的结合成为人们日益关注的问题。
所谓仿真可视化，就是把仿真中数字信息变为直观的、以图形表示的、随时间和空间变化的仿真过程呈现在研究人员面前，是研究人员能够知道系统变量之间、变量与参数之间、变量与外部环境之间的关系，直接获得系统的静态和动态特征。
仿真可视化不仅是用图形与图像来表征仿真计算结果，更重要的是为研究人员提供了观察数据交互作用的手段，实时的跟踪并有效的驾驭模拟与实验过程。
矿井通风系统是通风路线、通风动力和控制风流的通风构筑物的总称，它是矿井生产系统的重要组成部分。
矿井通风系统合理与否对矿井安全生产具有重要而长期的影响。
把仿真系统应用于矿井通风系统中，便形成了通风仿真系统，其主要功能为根据矿井通风系统绘出通风网络图，然后根据网络图对整个矿井通风系统进行模拟。
模拟内容一般涉及三个方面，矿井结构、矿井的风阻（包括风门、通风构筑物等）、风机位置及特性。
对于矿井的结构，他是一个动态的系统，工作面的推进和巷道的开掘和报废都会影响整个矿井通风系统，如何根据工作面的推进速度和巷道运行状态来模拟整个矿井通风系统。
首先根据矿井通风系统画出其通风网络图，其次找到通风网络图中节点与节点之间的关系，最后根据通风网路解算程序求出任何地方的通风状况，然后根据这些参数的变化就可以得到这个地方的通风状况，从而采取相应的措施。
该系统以《矿井通风与安全》教材内容为基本设计思路，以《矿井通风与计算机模拟》课程内容为启发，综合利用实验平台硬件布置、可视化软件编制与实现、光线传感技术运用为特点，实现矿井通风实验原理、全矿井通风的可视化，实现风流中瓦斯浓度精确监测。
二、模拟装置及可视化软件编制
1、矿井通风原理实验装置设计
根据一般矿井为实例设计矿井通风实验装置，该装置由矿井通风系统模型，安全监测系统组成。
可实现巷道风门的自动控制，进行巷道中风速（风量）、温度、点压力及有毒有害气体浓度的实时监测，在两个综采工作面和皮带运输巷中设置有自动图像采集系统，实现主要生产地点的工作状况在模拟地面控制调度室的动态图像显示。
模型规格：
根据实际需求选取模型参数，系统操作控制台1个。
通风系统模型主要结构有：
副井，水平运输大巷，运输上山，轨道上山，专用回风上山，2个综采工作面，1个掘进工作面，一条总回风巷，风井，主要通风机和矿井反风装置构成。
井下设有20道自动控制的风门，以改变风流流动路线，控制风量。
通风方式为抽出式，离心通风机。
选择符合实验要求的离心式通风机。
系统设置：
正常通风路线：
副井—运输大巷—风门13#、16#—绕道—风门18#—轨道上山—中部车场—风门6#—掘进巷—风门20#—皮带顺槽—综采工作面NO1—轨道顺槽—风门3#—上部车场—轨道上山—总回风巷—风井—风机调节风门—通风机—扩散器—大气。
通风系统主要由主要通风机、通风巷道和通风设施构成，主要通风提供系统通风的动力；通风巷道构成井下风流流动的通道，并承担相应的采掘工作任务；通风设施完成对井下风流进行调节控制的作用，实现风流的按需分配。
该通风系统模型包含了通风系统的所有组成部分，且通过动态演示，模拟实际矿井通风机运行、井下风流流动、调节装置改变从而改变风流流量和通风供给路线。
2、可视化软件编制
本可视化软件以VisualC++6.0为工具，综合运用图论、流体管网理论、数值分析、面向对象编程技术、数据库技术和计算机图形学建立系统模型，实现矿井通风网络多功能模拟可视化软件，有效提高了矿井通风系统的解算效率和安全技术管理水平。
2.1程序设计原理及主要功能
采用面向对象方法进行通风网络解算可视化程序设计时，面向对象方法以类的设计为核心，实现模块内信息的封装和隐藏，利用人类对事物的分类和抽象概括的这种思维方法进行软件的开发。
另外，为了充分利用现有风网解算的FORTRAN程序代码，引入现有的风网解算数学模型，本软件运用FORTRAN和VC++语言的混合编程方法，强化了软件的数值仿真能力，加快了软件开发过程。
矿井通风系统主要由通风井巷、通风动力装置和其它构筑物（如风桥、调节风窗等）构成。
根据面向对象程序设计思想，把这些构件对象化，分别设计了通风巷道类、节点类、通风动力装置类和风网附件类。
巷道、节点、通风动力装置、通风管网附件所具有属性数据，利用ASESSE数据库进行存储，采用开放式数据库连接技术（ODBC）进行数据库的设计，实现了对其属性信息的可视化管理。
采用上述设计思想，本软件主要实现了如下功能：
①各种矿井通风网络图的绘制。
②DXF格式文件的导入和转换，可与流行的矢量图形软件进行数据交换。
③根据克罗斯法或节点法对矿井通风管网系统进行风量的自然分配。
④根据风量按需分配的要求对管网进行局部调节。
⑤在割集内各巷道风量给定的情况下，可对整个矿井通风管网系统进行优化调节。
⑥模拟计算矿井内的空气温度分布，进行矿井通风网络温湿度和空调制冷计算。
⑦支持对矿井通风可压缩稳态流体网络的模拟分析。
⑧支持对非定常不可压缩矿井通风网络的模拟计算。
⑨支持正常与灾变时期通风网络的连续模拟解算。
⑩考虑不确定因素的模糊通风网络解算、实现风网组件属性信息的可视化管理，以及风网解算结果的图形化显示。
2.2可视化软件总体设计
本软件主要由图形绘制模块、数据库管理模块、通风网络解算模块和解算结果可视化显示模块四部分组成，各模块间关系如下图所示。
2.3可视化界面设计
根据矢量图形系统，设计矿井通风网络模拟的可视化界面，达到类似AutoCAD环境下的图形绘制效果。
图形绘制模块主要由图形属性管理类，绘图基类及其子类构成。
图形属性管理类类用于对图形元素的线型、颜色和所在图层等属性进行管理；绘图基类及其子类类及其派生的子类，包括通风巷道类，网络节点类，通风动力装置类以及管网附件类等实体类，用于实现矿井通风网络图的绘制。
图3典型通风网络图
基于矿井通风系统自身的特点，设计作为动力源类的主风扇类和局部风扇类；作为风网附件类的风门类，调节风窗类，密闭类和着火点类等。
参照CLine，CPline和CArc类设计通风巷道类，并参照CCircle类设计通风网络节点类。
此外，单独设计了新风方向类（12Freshair）来表示巷道内的新风流向。
还可通过编写接口程序，实现与AutoCAD系统进行数据交换的功能。
2.4数据库管理
采用开放式数据库连接进行矿井通风网络系统属性数据库的设计，针对不同的风网组件，分别创建了“分支属性信息”、“风机属性信息”、“网络节点信息”和“火源点信息”等多个数据表。
为了方便对数据表的统一管理，设计数据库管理类CDatabaseSet，并由此类派生出其它各数据表相应的管理子类。
为了实现矿井通风系统信息管理的可视化，以窗口的形式把数据库中的信息展现在用户面前，设计第二视图类CDatabaseView。
此外，考虑到图形元素与数据库数据的连接问题，创建了CLinkdataSet类和CDatalinkdlg类，并在CDatalinkdlg类中封装了相应数据库对象的指针，有效地解决了图形元素与其属性数据相脱离的问题。
本软件编制完成后的主要特色有：
①不仅支持矿井分风和风量调节的常规方法解算，还引入模糊理论增加模糊网络解算的选项，充分考虑风阻的不确定性，使模拟结果更接近于实际。
②在计算模块中引入井下空气温湿度的计算，可以求解矿井内各处空气温度和湿度的平均值和震荡值，进而求得井下空调所需的制冷量。
③既可对矿井通风可压缩稳态流体网络进行模拟分析，还可对非定常不可压缩通风网络进行模拟计算。
④实现正常通风期间和矿井发生火灾时井下风流的统一解算，适用于火势不变和火势扩大等多种情况。
三、光纤传感器对于风流种瓦斯浓度监测的应用
针对以往甲烷化学检测方法的缺陷，国内外都已经发展了光学检测。
因此可以利用气体分子的1条孤立的吸收谱线对甲烷气体的吸收光谱进行测量，从而可方便地鉴别出甲烷气体，避免了光谱的干扰。
传统红外在线传感器通常受来自其它气体成分 （包括粉尘、水分背景成分等）交叉干扰影响，很难精确的校正背景气体交叉干扰所带来的数据误差，此问题在探测含量很低时，显得越来越严重，而且需要复杂的气体采样和预处理系统，响应时间不能满足实时响应的需求，不可以进行有效的实时检测控制。
采用激光吸收光谱检测技术与平衡检测方法相结合，同时采用在近红外光谱范围内的单线光谱技术。
这种技术利用半导体激光良好的单色性，即利用单线光谱技术，可以不受背景气体交叉干扰。
利用半导体激光波长的可调谐性可以避免粉尘、视窗污染对测量数值的干扰，并且能够自动修正气体温度、压力等气体参数变化的影响。
1光纤瓦斯传感器检测原理
1.1基本原理
当从发射单元中的半导体激光器射出的这一特定波长激光束穿过被测气体，由于其中的被测气体分子的吸收，接收单元探测到的激光强度将发生衰减。
发射器与接收器间的距离确定了光程，根据比尔-朗伯特定律，出射光强
与入射光强
和气体体积分数之间的关系为式
（1）
（1）式中，
为发射的入射光强度；
为经过气体的透过光强度；
表示光程长度；
是分子数密度；
是在标准气体状态下气体分子在波长
处的光学吸收截面。
1.2平衡检测原理
激光从激光器发出时用一分束器将入射激光
分成探测光束
与参考光束
，
为分束器的分束比。
参考光束
直接到达探测器2；探测光束
在穿过样品池后到达探测器1，光强为
，设被样品吸收的光强为
，则
（2）
探测器1与2输出到平衡器，则平衡器的输出信号
比例为
（3）
当
=1/2时，
为
（4）
于是就由
表示吸收光谱。
检测灵敏度还随着光谱分辨率
的增加，只要可分辨的光谱间隔
保持大于吸收线的线宽
。
设
的单位吸收光程的相对强度衰减为
（5）
假设在
间隔内
基本保持不变，则有
（6）
以及
（7）
由此可得
（8）
用很窄的激光谱线可得很小的光谱间隔
，从而大大增加了检测灵敏度。
2光纤瓦斯传感系统的装置
激光吸收光谱技术采用“单线光谱”测量原理，根据对被测气体的基本组分进行吸收光谱分析，选择特定波长的甲烷吸收光谱线，使得在此吸收谱线波长附近无其它气体组分的吸收谱线，通过调节激光器的温度和电流，将激光器波长调整到此吸收谱线的波长处。
基于激光吸收光纤瓦斯传感系统的实 验装置如图3所示。
实验装置主要包括3个主要元件:
激光器及数据处理控制器，光学发射/接收端，光学反射端，一个可选的电脑可以数据存储和系统诊断。
由于使用平衡检测方法，所以使用分束器把激光分成2路，一路把光束传输到参比池中，参比池中含有高浓度的目标气体，参比池的信号用来锁住被检测气体的特征光谱线；另一路的经光缆传输至发射单元的准直器，准直的激光光束穿过待测气体。
激光束通过反射器回射到接收装置上的探测器，即回射光束通过非同轴抛面镜被聚焦到探测器上，探测器输出电压传输到数据处理控制器进行数据处理得到待测气体的浓度值通过网口传输到电脑上进行实时记录数据。
基于激光吸收光纤瓦斯传感系统检测甲烷气体浓度采样不需要预处理，使用平衡检测方法即设备中设置有高浓度的目标气体，检测的气体信息不易失真，测量精度高，系统稳定，响应时间快，可方便地对生产过程进行实时的检测控制等优点。
实验结果表明，能够满足煤矿开采过程中瓦斯气体的检测发展要求，高精度的检测不仅适用于煤矿生产，而且对于大气环境有毒气体的低浓度检测也可以采用激光吸收光谱法进行测量。
四、功能实现
在完成仿真模型制作、仿真软件（MVSS3.1）安装及调试、传感器（风压传感器、风量传感器、风速传感器）安装（根据具体需求布置）、瓦斯浓度监测传感器（光纤传感器）安装、瓦斯源布置（模拟煤矿自然开采状况下瓦斯的自然放散如图5所示）、数据线连接后，启动通风机，实现可视化仿真模拟、数据自动采集及分析。
1-电磁阀；2-放散空间；3-压力传感器；4-管路5-煤样瓶
图5 瓦斯放散装置
五、结论
该系统设计以生产矿井通风系统为模型、以典型典型通风网络为模拟对象，开发具有可视化功能、数据自动采集、分析、存储、调用功能、面向对象的开放式程序软件，实现矿井通风系统的仿真可视化模拟、验证开采状况下风流种瓦斯浓度的精确监测与分析判断，具备实用性及科学性，能够指导实践需求。
参考文献
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