基于Java語言對礦井通風的初步模擬解算

王愛愛 王一帆 陳津生

摘 要：礦井中的管道結構復雜多樣，角聯結構為其核心，本項目通過對礦井角聯結構通風解算的探索，設計出一套基于Java語言的礦井角聯結構的通風解算系統，利用程序設計出適合煤礦通風使用的先進軟件工具，動態顯示井下風流、風量和風壓，為礦井的安全生產提供可靠保證。

關鍵詞：礦井角聯結構通風解算;程序設計;礦井安全生產

煤炭是我國國民發展的基礎產業。煤炭生產系統呈管網式布置，各種有毒有害致災因子共存于同一環境，導致煤礦易發災害事故，因此通風系統是礦井中必不可少的。復雜的地下礦井通風網絡，有些分支無法用工程的方法將風阻或風量事先測量出來，難以推斷風流特征突然改變的原因。由此通風網絡解算程序編制尤為重要。通風機是煤礦的四大固定設備之一，它擔負著向井下輸送新鮮空氣、排出粉塵和污濁氣流的重任，具有“礦井肺腑”之稱。[1]由于井下工作環境惡劣，主通風機工作電壓較高，電流較大，出現故障的概率也較大。一旦發生故障，將會對整個礦區的生產和安全造成重大影響。種種原因引出了通風系統復雜、檢查維護困難、系統堵風、漏風現象嚴重、通風機數量多、能耗高等問題，通過計算機解算對礦井通風的優化研究勢在必行。

一、礦山概況

我國煤礦礦山數量眾多，年開采量達世界第一，是我國國民發展的基礎產業。礦井通風系統作為礦井開采所必須的一部分，影響著下礦工人的安全，關乎于地下開采的安全、效率和成本等問題。據統計，國內礦山風機運轉效率僅為40%左右，比設計的風機效率低一半以上。通風能耗約占礦井總能耗的1/3，通風電費約占通風能耗的70%。[2]且由于礦井進一步的開采，致使深度增加、生產規模擴大，進而使現有的通風系統不適用于當前礦井。因此，利用計算機解算，優化礦井通風系統，是一件刻不容緩的事情。

二、通風系統存在問題

以人工的方式建立礦井通風系統并不容易，要考慮到人工代價和流程。而即使資金雄厚，也難以逾越技術方面的限制。同時礦井的狀況也并不是一成不變的，服務年限增長、開采深度增加、生產規模擴大，都讓礦井的通風需求有所改變。而計算機的控制技術具有自動監控和監測管理的功能，其不斷發展使得礦井通風系統日益現代化，對于全自動智能管理系統的建立尤為有利。[3]制作基于Java語言的計算機解算系統，將計算機程序設計與實際生產相結合，相較于傳統大型解算程序，更加便捷，實用性更強，接受度更高，減少通風能耗，同時也方便了通風系統的調整，降低了開采礦井的成本。

三、基于計算機對礦井通風的解算應用

根據上述分析的礦山概況和通風系統存在的問題，通過對礦井角聯結構通風解算的理論知識，設計出一套基于Java語言的礦井角聯結構的通風解算系統，節省了人力，提高了工作效率，使解算過程更加便捷。礦井通風系統是由縱橫交錯的井巷構成的一個復雜系統。用圖論的方法對通風系統進行抽象描述，把通風系統變成一個由線、點及其屬性組成的系統，稱為通風網絡。主要針對角聯通風網絡小型礦井，來以小見大，設計出角聯通風網絡解算系統，通過輸入各個巷道的風阻風壓，通過一系列網絡迭代計算和采礦通風定律公式進而求得各個巷道的風量風壓，進而控制通風機的風量進行通風。

3.1礦井角連結構的通風解算

3.1.1 風量平衡：風量平衡定律是指在穩態通風條件下，單位時間流入某節點的空氣質量等于流出該節點的空氣質量;或者說，流入與流出某節點的各分支的質量流量的代數和等于零。[4]若不考慮風流密度的變化，則流入與流出某節點的各分支的體積流量（風量）的代數和等于零，即：ΣQi=0

3.1.2 風壓平衡：假設：一般地，回路中分支風流方向為順時針時，其阻力取“+”，逆時針時，其阻力取“-”。

a.無動力源（HN=0，HN=0）

通風網路圖的任一回路中，無動力源時，各分支阻力的代數和為零，即：

ΣhRi=0

3.1.3角聯分支風向判別。分支的風向取決于其始、末節點間的壓能值。風流由能位高的節點流向能位低的節點;當兩點能位相同時，風流停滯;當始節點能位低于末節點時，風流反向。[5]

3.2 Java語言的程序設計。

3.2.1 引入Java類包。程序中引入了多種Java類包，包括java.sql.*類包、java.awt.*類包、java.lang.*類包等，為程序提供了全面的IO接口以及各類工具包。

3.2.2 程序界面設計功能。初擬定程序界面由文件、編輯、解析等三大主要功能組成。文件遵循一般傳統的形式，有新建、打開、保存和另存等幾個基本選項操作。編輯里面根據實際情況來設定，可以變更節點與巷道進而變更實際的風機與巷道。最后一項功能是解析，根據一些特定參數來解算模擬各個巷道的風壓風量

建立一套反應迅速的智能通風管理系統來應對生產持續、礦井規模加大、通風系統不斷復雜和通風系統管理繁瑣等問題。本軟件的功能為在已知礦道網絡圖、分支風阻、非特殊支路風向和總風量的情況下，計算出特殊支路風向和各個支路的分配風量。軟件由菜單欄、工具欄和基本顯示界面組成。打開程序時初始的界面和計算結果后的程序界面示意圖均簡潔清晰。如圖1。

輸入原始風阻及總風量，利用風量平衡定律、風壓平衡定律、阻力定律進行扇形機特性曲線擬合計算，自動圈化網孔，得到計算初擬風量，然后進行網孔迭代運算，解得各巷道風量，并判斷出各巷道的風向并動態顯示。最后給出通風措施及建議，能夠滿足現實礦井中通風解算的需要。

四、結語

目前，我國正大力推進實施職業健康安全管理體系，加強對國內工礦企業勞動條件的管理，努力改善井下作業人員的勞動條件，促進礦井通風技術的應用。而我們的通風解算程序編制使通風過程變得更加智能更加高效，更加具有實用性。應用計算機解算復雜通風網絡，大大節省了人力、物力和財力。相對于人工解算，計算機的結果經過多次迭代，準確性更高，使用更加便捷。

參考文獻

[1] 王明達.井下采礦礦井通風節能措施探析[J].信息化建設，2016（06）：349.

[2] 黃俊歆.礦井通風系統優化調控算法與三維可視化關鍵技術研究[D].中南大學，2012.

[3] 李樹軍.礦井通風技術及通風系統優化設計探討[J].機械管理開發，2016，31（09）：148-149.

[4] 劉巧玲.淺析煤礦安全生產中通風安全管理的加強[J].能源與節能，2018（05）：36-37.

作者簡介：王愛愛（1998-03-07），女， 河北廊坊人，本科生，華北理工大學，主要研究方向：采礦工程。

王一帆（2000-6-14），男，河北唐山，本科，學生，華北理工，能源與動力工程。

陳津生（1997-11-13），男，安徽蚌埠，本科，學生，華北理工，采礦工程。