第一篇 矿井通风三维仿真理论与矿用空气幕理论发展 1
0矿井通风仿真理论与矿用空气幕理论发展概述 1
0．1矿井通风仿真技术发展 1
0．1．1矿井通风仿真的基本内涵 1
0．1．2矿井通风仿真系统国内外研究现状 2
0．1．3矿井通风仿真系统可视化技术发展 2
0．1．3．1可视化技术简介 2
0．1．3．2可视化技术发展现状 3
0．1．4基于仿真系统的通风技术研究现状 4
0．1．4．1网络自然分风研究现状 4
0．1．4．2网络调节与通风系统优化研究现状 4
0．1．4．3固定半割集条件下的按需分风 5
0．1．4．4风网特征图研究现状 5
0．1．4．5角联结构研究现状 5
0．2矿用空气幕技术理论研究与应用现状概述 6
0．2．1矿井风流控制技术研究现状 6
0．2．2矿用空气幕技术研究现状 10
第二篇 矿井通风三维仿真理论与应用 15
1金川矿井通风仿真数学模型 15
1．1矿井风流状态仿真数学模型 15
1．2矿井通风网络仿真数学模型 16
1．3通风网络风流分配仿真数学模型 17
1．4通风网络优化调节仿真数学模型 17
1．4．1网络优化调节仿真目标函数 17
1．4．2矿井功耗最小调节仿真数学模型 18
1．5角联风路自动识别仿真数学模型 19
1．6通风网络简化仿真数学模型 21
1．7最大通风能力仿真数学模型 22
1．7．1单一源汇网络与半割集 22
1．7．2极值流目标函数 23
1．7．3基于最大通风能力的独立通路法与通路法 23
1．7．3．1基于最大通风能力的独立通路的概念及其算法 23
1．7．3．2独立通路法确定网络的极值流程序模块 24
2矿井通风系统三维仿真总体设计与三维仿真建模 26
2．1三维仿真系统发展 26
2．1．1计算机图形学的发展 26
2．1．2三维计算机图形学方法及应用 27
2．1．2．1三维建模技术 27
2．1．2．2三维造型技术 27
2．1．2．3三维图形变换 27
2．2矿井通风三维仿真系统总体设计 28
2．2．1系统数据结构设计 28
2．2．1．1系统数据模型 28
2．2．1．2系统数据流 29
2．2．2系统总体功能结构设计 29
2．2．3系统主要功能 30
2．2．3．1系统的三维自动构建 30
2．2．3．2图形的三维显示 30
2．2．3．3风流动态模拟 31
2．2．3．4图属三维交互查询 31
2．2．4矿井通风系统三维仿真构建技术路线 31
2．3基于通风仿真的矿井通风系统普查 32
2．3．1矿井通风系统普查的目的 32
2．3．2矿井通风系统普查的项目 32
2．4基于矿井通风仿真的矿井通风系统参数测试 33
2．4．1通风阻力系数测试 33
2．4．1．1通风阻力系数测试的目的和意义 33
2．4．1．2通风阻力系数测试的内容 33
2．4．1．3通风阻力系数测试准备 34
2．4．1．4通风阻力系数测试步骤 34
2．4．1．5通风阻力系数测试模型 35
2．4．1．6通风阻力系数测试方法 36
2．4．2基于矿井通风仿真的风机性能测试 38
2．4．2．1风机性能测试的目的和任务 38
2．4．2．2风机性能测试方案和方法 40
2．4．2．3风机性能测定数据整理和计算 40
2．4．3基于矿井通风仿真的巷道断面与风速、风量测定 43
2．4．4矿井通风系统评价指标模型 43
2．4．5基于矿井通风仿真的通风构筑物测试 44
2．5矿井通风系统三维仿真建模 45
2．5．1通风系统三维仿真建模的基本思想 45
2．5．2通风网络三维建模 45
2．5．2．1建模方法和流程 45
2．5．2．2截面形状、草图平面和草图坐标的确定 45
2．5．2．3两分支巷道接口问题的研究 46
2．5．3通风参数自动标注的方法研究 46
2．5．3．1竖井风向箭头的三维建模 47
2．5．3．2斜井风向箭头的三维建模 47
2．5．3．3巷道风向箭头的三维建模 47
2．5．3．4通风参数自动标注模块的实现 48
2．6矿井通风系统三维仿真文档创建 48
2．6．1矿井通风三维仿真系统数据库设计 49
2．6．1．1数据库技术与面向对象技术 49
2．6．1．2系统属性数据及管理方式选择 50
2．6．1．3程序设计原理 50
2．6．2矿井通风三维仿真系统图的录入 55
2．6．2．1巷道的录入 56
2．6．2．2插入节点 57
2．6．2．3绘制构筑物 57
2．6．2．4绘制通风动力装置 57
2．6．2．5绘制风流方向 57
2．6．3三维通风仿真系统图的拓扑关系修改 58
2．6．3．1巷道方向的修改 58
2．6．3．2系统图简化与取消简化 59
2．6．4三维仿真系统图的检验 60
2．7矿井通风机应用仿真系统构建 62
2．7．1系统组成及功能 62
2．7．1．1基础参数设置 62
2．7．1．2仿真控制 63
2．7．1．3系统性能分析 64
2．7．2程序设计 65
2．7．2．1数据存取管理设计 65
2．7．2．2可视化操作界面设计 66
2．7．2．3特性曲线回归分析处理 66
2．7．2．4曲线动态绘制 66
2．7．2．5同步机制和接口 66
2．7．3结论 66
2．8网络属性数据查询与编辑 67
2．8．1巷道属性数据查询和编辑 67
2．8．2节点属性数据查询和编辑 67
2．8．3构筑物属性数据查询和编辑 67
2．8．4仿真系统中通风动力装置查询和编辑 68
3矿井通风三维仿真系统MVSS3．0的主要功能构架 70
3．1矿井通风三维仿真模拟系统MVSS3．0主要功能构架设计 70
3．1．1矿井通风十二大仿真功能模块设计 70
3．1．2矿井通风三维仿真模拟系统MVSS3．0三要素设计模块 70
3．1．3矿井通风仿真系统功能设计与其他同类产品的比较 71
3．2矿井通风三维仿真系统主要功能构建体系 72
3．2．1模拟评价通风系统设计或通风技术改造方案 72
3．2．2模拟验证新增或拆除通风设备或通风构筑物情况 72
3．2．3模拟通风系统现状或“三区”匹备状况 73
3．2．4模拟巷道断面规格、支护类型变化及风路增减阻调节情况 73
3．2．5按需调节仿真功能 73
3．2．6可视化仿真功能 73
3．2．7矿井通风系统综合分析与评价功能 73
3．2．8自动生成各种分析报告 74
3．2．9鼠标右键功能 74
3．2．10其他绘图、辅助工具及帮助功能 75
3．3矿井通风仿真系统功能仿真 75
3．3．1典型通风仿真系统模型构建 75
3．3．2矿井通风仿真系统功能仿真 80
3．3．2．1仿真模拟新掘井巷的贯通和报废 80
3．3．2．2仿真模拟井巷断面或长度变化 81
3．3．2．3仿真模拟巷道冒落、杂物堵塞 82
3．3．2．4模拟通风构筑物的个数、位置、调节量 83
3．3．2．5模拟通风动力设备的数量、位置和特性，井下多级机站通风 84
3．3．2．6网络风流按需分配仿真 85
3．3．2．7网络调节节点法 87
3．4矿井通风仿真系统MVSS功能模拟举例 90
3．4．1原始数据 90
3．4．2仿真模拟增加或删除风路对周围风路的影响 91
3．4．2．1仿真模拟增加风路对周围风路的影响 91
3．4．2．2仿真模拟删除风路对周围风路的影响 91
3．4．3仿真模拟机站位置的变化对周围风路的影响 92
3．4．3．1拆除地面主扇，在1150水平回风道设井下机站，且不加调节 92
3．4．3．2拆除地面主扇，在1150水平回风道设井下机站，并加调节 92
3．4．4模拟评价某矿井主回系统通风技术改造方案的可行性 93
3．4．4．1技术改造方案 93
3．4．4．2仿真模拟 93
3．4．5模拟1300m、1350m两机站移位与西主扇停开效果，并从中给出解决方案 95
3．4．6仿真模拟矿用空气幕设置方案对通风系统的影响 97
3．4．6．1仿真模拟矿用空气幕引射风流替代机站现场方案 97
4基于仿真的通风网络拓扑关系的自动构建技术 100
4．1矿井通风系统拓扑关系 100
4．1．1矿井通风系统拓扑关系的概念 100
4．1．2矿井通风系统拓扑关系的表表示 100
4．1．3矿井通风系统拓扑关系特点 100
4．1．3．1巷道与节点之间的关系直接影响仿真结果 101
4．1．3．2巷道与构筑物 101
4．1．3．3巷道和通风动力装置 101
4．1．3．4巷道与风流方向 101
4．2矿井通风系统拓扑关系可视化程序实现机制 101
4．2．1巷道与节点 101
4．2．2巷道与构筑物和通风动力装置 102
4．2．3巷道与风流方向 102
4．3拓扑关系可视化程序设计 103
4．3．1巷道类与节点类 103
4．3．2巷道类和构筑物类或通风动力装置类 103
4．3．3巷道类和风流方向类 104
4．4通风网络拓扑关系自动建立与维护 104
4．5矿井通风网络拓扑分析和数据分析 109
4．5．1网络拓扑分析 109
4．5．1．1进风井和出风井 109
4．5．1．2图的连通性 109
4．5．1．3单向回路 110
4．5．1．4风流反向巷道 110
4．5．2数据分析 111
4．5．2．1固定风量巷道 111
4．5．2．2测试风量巷道 111
4．5．2．3调节风阻巷道 112
4．5．2．4最大阻力路线 112
4．5．2．5误差分析 112
5基于仿真的通风网络自动简化技术与应用 114
5．1通风网络自动简化程序设计 114
5．1．1通风网络自动简化程序设计框图 114
5．1．2通风网络自动简化技术 114
5．1．3通风网络自动简化实例 116
5．2通风网络简化与参数等效变换 117
5．2．1通风网络串联、并联与角联等效参数变换 117
5．2．2 ？型与Y型网络的非等效变换 118
5．3网络简化实现Q-H平衡图的层次性 118
6矿井风机站对旁侧风路的影响研究 121
6．1井下机站对旁侧风路的影响原理 121
6．2并联网络上的机站容易导致扇风机工况不稳 121
6．3用矿井通风仿真系统模拟运算机站对旁侧风路的影响 122
6．3．1用模拟运算验证井下机站对旁侧风路的影响 122
6．3．2用MVSS3．0模拟运算验证风路风阻对风流方向的影响 123
6．4防止旁侧风路风流反向的措施分析 124
6．4．1旁侧风路设置机站消除循环风 124
6．4．2循环体外设置机站消除循环风 125
6．4．3某矿井通风网络旁侧风路风流分析 126
7矿井风网特征图数学模型研究 127
7．1矿井风网特征图研究现状 127
7．2矿井风网特征图的概念 127
7．3风网特征图的五线模型 128
7．3．1节点线 128
7．3．2回路线 129
7．3．3通路线 129
7．3．4割集线 130
7．3．5风阻特性曲线 130
7．4风网特征图——平衡图绘制机制 130
7．4．1确定网络节点的纵坐标 130
7．4．2用深度优先搜索法搜索从源点到汇点的通路 131
7．4．3将通路中风量最小的分支的风量定义为该通路的宽度 131
7．4．4对通路分支进行着色 131
7．4．5通路作交集运算 131
7．4．6确定矩形块左下角点坐标 131
7．4．7确定矩形块右上角点坐标 132
7．4．8以此类推直到所有分支各就各位 132
7．5．立体网络的风网特征图 132
7．6含有角联分支的通风网络平衡图研究 133
7．6．1角联分支的不稳定性 133
7．6．2通风网络平衡图研究 134
7．7风网特征图的功能 135
7．8矿井风网特征图可视化研究 137
8基于通风仿真的通风网络风流分配算法及基本定律 141
8．1通风网络风流分配研究现状 141
8．2基于通风仿真的通风网络——串并联风网特性 141
8．2．1串联风网特性 141
8．2．1．1串联风网计算模型 141
8．2．1．2串联风路等效阻力特性曲线的绘制 142
8．2．2基于通风仿真的并联风网特性 142
8．2．2．1并联风网计算模型 142
8．2．2．2并联风路等效阻力特性曲线的绘制 143
8．3基于通风仿真的通风网络解算数学模型 144
8．3．1通风网络图的绘制原理 144
8．3．2矿井通风网络图及其表示方法 145
8．3．2．1矿井通风网络图 145
8．3．2．2矿井通风网络图的表示法 145
8．3．3通风网络图的绘制、解算和数据管理一体化模块 146
8．3．3．1系统的总体模块设计 146
8．3．3．2系统中主要功能模块的实现 146
8．3．4基于通风仿真的通风网络解算的基本定律 147
8．3．4．1矿井风量守恒定律 147
8．3．4．2闭合回路能量守恒定律 148
8．3．4．3矿井通风阻力定律 149
8．3．4．4回路风压平衡定律 149
8．3．4．5节点风压法的基本原理 149
8．3．4．6拟线性法解法 151
8．4基于通风仿真的通风网络风流分配算法 152
8．4．1 Barczyk法 152
8．4．2 Cross法 154
8．5基于通风仿真的分流算法中的一些具体问题 156
8．5．1基准分支的拟定与迭代处理 156
8．5．2通风机械特性曲线的处理 156
8．5．3分流算法评估 156
9矿井通风机可视化仿真构建 158
9．1矿井通风机可视化仿真的意义 158
9．2矿井通风机运行特性 158
9．2．1通风机的工作特点 158
9．2．2通风机性能模型 159
9．2．2．1通风机风压模型 159
9．2．2．2通风机风量模型 160
9．2．2．3通风机功率模型 160
9．2．2．4通风机效率模型 161
9．2．2．5空气密度模型 161
9．3通风机的特性曲线和网路性能曲线 162
9．4矿井通风机可视化仿真的功能 162
9．4．1虚拟通风机的建立 162
9．4．2通风机个体特性化-参数初始化 163
9．4．3通风机性能测试数据处理 165
9．4．4风机性能曲线的绘制及相关操作 166
9．4．5通风机性能分析和工况分析 167
9．4．6仿真控制 170
9．5风机可视化程序设计 170
9．5．1总体设计 170
9．5．2数据存取管理设计 170
9．5．2．1数据存取管理方式的选择 171
9．5．2．2数据库及访问技术的选择 173
9．5．3数据库的设计 173
9．5．3．1概念结构设计 173
9．5．3．2逻辑结构设计 174
9．6特性曲线的自动绘制和性能分析程序设计 178
9．6．1坐标系统的建立 178
9．6．1．1 VC ＋＋中坐标系统 178
9．6．1．2坐标系统的设计 179
9．7矿井通风机可视化仿真研究结论 180
10通风网络单向回路关键技术 182
10．1通风网络单向回路问题的提出 182
10．2含有单向回路的通路算法 183
10．2．1通路矩阵 183
10．2．2无单向回路的通路矩阵算法 185
10．2．3含有单向回路的通路矩阵算法存在的问题 187
10．3有向图深度优先搜索 188
10．3．1有向图中任意两节点之间的正向深度优先搜索 188
10．3．2有向图中任意节点的深度优先遍历搜索 191
10．3．3搜索策略与退栈策略 191
10．4无向图深度优先搜索 192
10．5深度优先搜索法确定流体网络的全部通路 193
10．6有向宽度优先搜索 194
10．7深度优先搜索法确定含有单向回路的通风网络的全部通路 195
10．8避免单向回路出现或减少单向回路影响程度的方法探讨 197
10．8．1优化矿井机站位置 197
10．8．2在旁侧风路或循环体外增设机站 197
10．8．3网络优化调节减少循环风的影响 197
10．9含有单向回路的风网平衡图绘制方法 198
10．10单项回路算法结论 199
10．10．1深度优先搜索法确定含有单向回路的通路矩阵 200
10．10．2含有单向回路时的流体网络平衡图绘制 200
11基于仿真的通风网络角联结构自动识别技术与应用 201
11．1角联结构研究现状 201
11．2角联通风网络稳定性与利弊分析 201
11．2．1角联风路与非角联风路稳定性分析 201
11．2．2角联网路的利弊性分析 203
11．3角联分支的定义与性质 203
11．4角联网络θ结构七元组 205
11．5基于通风仿真的通风网络角联结构算法 206
11．5．1通路法 206
11．5．2路径法 209
11．6角联分支的风向判别 211
11．7角联分支对通风系统可靠度的影响 214
11．7．1角联分支的多少对通风系统可靠度的影响 214
11．7．2角联分支可靠度大小对通风系统可靠度的影响 214
11．8角联风路自动识别与分析实例 215
11．9角联风路治理技术 216
11．9．1系统分析 216
11．9．2治理步骤和调整方案 217
11．9．3角联风路治理技术 217
11．10角联结构的可视化 218
12基于仿真系统的自然风压研究概论 219
12．1自然风压研究的意义 219
12．2自然风压研究现状 219
12．3自然风压的概念和实质 220
12．3．1自然风压的概念 220
12．3．1．1自然热位差 221
12．3．1．2水平气压差 221
12．3．1．3大气自然 221
12．3．2自然风压的实质 222
12．4基于仿真系统的自然风压分析方法 222
12．4．1自然风压分析方法一 222
12．4．1．1黏性流体运动模型 222
12．4．1．2黏性流体微元流束伯努利方程 222
12．4．1．3黏性流体总流的伯努利方程 224
12．4．1．4用平均密度求解自然风压 227
12．4．2基于仿真系统的自然风压分析方法二 228
12．4．2．1热力学第一定律 228
12．4．2．2气体稳定流动的能量方程式 229
12．4．2．3对流换热模型 231
12．4．2．4对水平巷道自然风压能量的研究 232
12．4．2．5对存在高差巷道自然风压能量的研究 232
12．5某矿井自然风压的计算及其规律 235
12．5．1基于仿真系统的自然风压的计算 235
12．5．2基于仿真系统的自然风压的变化规律与特性 240
12．6自然风压对网络分流的影响 241
12．6．1网络分流预处理 241
12．6．2有自然风压影响下的计算 242
12．7四季自然风压的影响 247
12．7．1夏季不稳定分支风流反向判别式 247
12．7．1．1 14平硐风流停滞或反向的条件判别式 247
12．7．1．2 14平硐和24平硐风流同时反向的判别式 248
12．7．2冬季不稳定分支风流反向判别式 248
12．7．2．1 24平硐风流停滞或反向的条件判别式 248
12．7．2．2 24平硐风流反向，35风流停滞或反向的判别式 249
12．8自然风压研究结论 249
13矿井通风仿真系统可视化研究 251
13．1可视化技术发展及矿井通风系统可视化研究现状 251
13．1．1可视化简介 251
13．1．2可视化技术研究和应用现状 252
13．1．3矿井通风仿真系统可视化发展现状及可视化方法 252
13．2矿井通风仿真系统可视化 253
13．3矿井通风仿真系统可视化需求分析 253
13．4矿井通风仿真系统可视化程序设计原理 255
13．4．1对象的划分与类的设计 255
13．4．2可视化图形对象类设计 256
13．4．3矿井通风仿真系统可视化属性数据设计和管理 258
13．4．4程序主框架设计 259
13．5矿井通风仿真系统可视化主要实现功能设计原理 260
13．5．1矿井通风系统图的录入和修改 260
13．5．2矿井通风系统属性数据查询和编辑 260
13．5．3通风动力装置可视化 260
13．5．4固定宽度双线表示巷道交点坐标自动计算和双线自动消隐 261
13．5．5矿井通风网络拓扑关系自动建立和管理 261
13．5．6风流分配可视化 261
13．6矿井通风可视化系统和仿真系统之间通信 262
13．6．1角联风路可视化 262
13．6．2按需调节可视化 262
13．6．3反向巷道可视化 264
13．6．4仿真系统基础数据检查可视化 264
13．6．5矿井通风仿真系统分析可视化 264
13．6．5．1网络解算误差可视化分析 264
13．6．5．2功耗误差分析报告 265
13．6．5．3矿井通风系统合理性初步分析 265
13．6．6矿井通风系统可靠性和灵敏度仿真 266
第三篇 矿用空气幕技术理论研究与应用 267
14矿用空气幕的结构及功能 267
14．1矿用空气幕的概念与结构 267
14．1．1矿用空气幕的概念 267
14．1．2矿用空气幕的结构 267
14．2矿用空气幕功能 267
14．3空气幕安装布置形式及运行取风方式 268
14．3．1布置形式 268
14．3．2取风方式 268
14．4结论 269
15矿用空气幕隔断风流替代风门理论模型的研究 271
15．1单机空气幕隔断风流有效压力理论模型 271
15．1．1单机空气幕隔断风流的理想流体流动模型 271
15．1．2单机空气幕隔断风流的实际风流流动模型 272
15．1．2．1循环型单机空气幕隔断风流的实际风流流动模型 272
15．1．2．2非循环型单机空气幕隔断风流的实际风流流动模型 273
15．2多级并联空气幕隔断风流流动模型 274
15．2．1多机并联空气幕隔断风流的理想风流流动模型 274
15．2．2多机并联空气幕隔断风流的实际风流流动模型 274
15．2．2．1循环型多机并联空气幕隔断风流的实际流动模型 274
15．2．2．2非循环型多机并联空气幕隔断风流的实际有效压力 275
15．2．3空气幕阻隔风流能力的影响因素分析 276
15．2．4结论 278
16空气幕增阻调节风流替代风窗理论模型研究 279
16．1单机空气幕增阻调节风流替代风窗理论模型 279
16．2多机并联空气幕增阻调节风流替代风窗理论模型 281
17空气幕引射风流替代机站理论模型研究 283
17．1单机空气幕引射风流理论模型研究 283
17．2多机并联空气幕引射风流理论模型 284
17．2．1多机并联空气幕的能量损失 284
17．2．2多机并联空气幕引射风流的流动模型 284
17．3空气幕引射风流能力的影响因素分析 286
17．4结论 288
18引射型或隔断型空气幕特性数值分析与试验研究 289
18．1空气幕隔断风流理论的数值分析 289
18．1．1 ΔH（n）＝f（Qc，n）函数 289
18．1．2 ΔH（n）＝f（Qc，Sc）函数 290
18．1．3 ΔH（n）＝f（Qc，Rc）函数 290
18．2空气幕引射风流理论的数值分析 291
18．2．1单机空气幕理论模型处理与分析 291
18．2．1．1 Q＝f（ΔH，R）函数 291
18．2．1．2 Q＝f（ΔH，Sc）函数 292
18．2．2多机空气幕理论模型处理与分析 292
18．2．2．1 Q＝f（ΔH，n）函数 292
18．2．2．2 Q＝f（ΔH，R）函数 293
18．2．2．3 Q＝f（ΔH，Sc）函数 294
18．3结论 294
19矿用空气幕引射、隔断、增阻三大理论的应用研究 296
19．1矿用空气幕隔断风流替代风门的现场应用研究 296
19．1．1矿用空气幕隔断风流现场应用条件 296
19．1．2空气幕现场应用试验方案及空气幕选型 297
19．1．3空气幕现场应用结果与分析 298
19．1．3．1试验研究内容及方法 298
19．1．3．2现场测试结果与分析 298
19．1．4结论 300
19．2矿用空气幕引射风流替代机站的现场应用研究 301
19．2．1主斜坡道空气幕引射风流替代风机动力的研究 301
19．2．1．1基本情况及研究意义 301
19．2．1．2试验方案及空气幕选型 301
19．2．1．3试验结果与分析 302
19．2．1．4本节结论 304
19．2．2空气幕替代风机站的现场应用研究 304
19．2．2．1技术方案及空气幕选型 305
19．2．2．2现场试验研究内容及方法 306
19．2．2．3试验结果及分析 306
19．2．2．4本节结论 308
19．3矿用空气幕增阻替代风窗的现场应用试验研究 308
19．3．1现场应用研究的条件及意义 308
19．3．2技术方案及空气幕选型 309
19．3．3现场试验研究及方法 310
19．3．4试验测试结果与分析 310
19．3．4．1控制主斜坡道的进风量 310
19．3．4．2防止主斜坡道结冰 311
19．3．5本节结论 311
19．4矿用空气幕现场应用研究总结论 311
19．4．1主要结论 311
19．4．2主要技术创新点 313
参考文献 314