复杂矿井通风系统角联风路自动识别方法的研究

发表日期：2011-05-04 09:41:35 来源：互联网; 点击次数：

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    1 引言
     通风系统不稳定时，处于角联位置的风路会出现风量减少，甚至风流反向的现象。如果此时处在某个角联位置的风路是一用风地点（如工作面），瓦斯等有害气体的大量积聚，就会发生难以预料的灾难性后果。然而，由于矿井通风系统的复杂性，相当一部分用风地点处在角联位置上且难以判别，这就会给通风系统埋下了隐患。同时，由于角联风路具有风量和风流方向可控的性质，工程上又常利用它来控制矿井火灾。因此确定风路中哪些是角联风路以及研究角联负路的稳定性是至关重要的。
     1925年，波兰学者Czeczott首次提出了角联风路的概念。1976年Simode提出了从网络拓扑关系上判别角联风路的数学模型，并给出了通路法和集合运算法。但后者于1997年被证明是错误的。目前只有通路法在理论是上可行的。然而，通路法是一种基于通路集查找角联风路的方法，具有以下不足之处，使其难以进行实际应用：
     （1）通路法需要预先查找所有通路
     实际上这是一个非常浪费时间的过程，而查找的结果是一个在数量上相当庞大而有用信息相对较少的通路集。它只是一个中间结果而不是最终结果。随着风路总数的增加，通路集中的通路数呈几何倍数增长。笔者分别查找了淮南矿务局潘一矿、潘三矿、谢一矿、谢桥矿等4个大型矿井的通风系统的所有通路，相关结果数据如表2所示。
     (2)占用大量的计算机资源，效率极低
     角联分析时，要对通路集中的任意两条通路进行中间节点的比较和校验，从而频繁地检索数据库，占用大量的计算机资源和时间，而查找的结果却只有几十条风路，因而效率极低（见表2）。
     （3）通路法没有针对性
     只能同时对整个网络分析，不能针对具体某个风路分析。若工程人员已经进行了角联分析并将结果存在数据库中，但由于某些原因，使得某一两个角联风路数据丢失，那么必须再次忍受长时间的等待而对整个通风系统进行分析。
     因而，如何快速、准确、灵活地识别角联风路是现场通风工作中迫切需要解决的问题。为此，笔者从通风网络的性质出发，提出了节点位置法，较好地解决了这一问题。
    2 节点位置法
    2.1 角联风路的通路法定义
     根据角联风路的“七元组”，模型（如图1所示的广义θ形结构，其中，○表示一个节点，□表示任意多个节点），某两个通路之间若存在角联必须具有如下7个要素：①角联通路段P_θd；②进风侧关联通路P_θi；③出风侧关联通路P_θo；④分风点P_θf；⑤汇风点P_θt；⑥进风侧角联点P_θu；⑦出风侧角联点P_θo。
     令P_i、P_j为网络图中的任意两条通道，V_pi,V_pj分别是这两条通路上的节点集，其公共节点为：

     图1 角联风路七元组模型
     因而可将角联风路定义为：对于始节点和开节点相同而中间节点不同的两条已知通路，若某一风路的始末节点分别处在这两条通路上，则这一风路处在角联位置上。
    2.2 节点位置法的提出
     将图1所示的角联风路的“七元组”模型进一步简化分析。简化模型如图2所示。在此模型中，忽略了由送风井V_i到角联风路P_θd的始节点V_θi间的通路以及由角联风路P_θd的末节点V_θo到出风井V_o间的通路，仅考虑V_i与V_θo以及V_θi与V_o之间的节点关系。在此，采用与通路法的相反向的思维：对于已知的某一风路P_θd，为了确定其是否是角联风路，首先假定它是角联风路，然后再查找满足式（2）的两条通路，若能找到则说明它确实是角联风路，若不能，则说明它不是角联风路。

     图2 一个简单的网络图
     由通风网络图的性质可知：通风网络中的风流始于进风井，终止于出风井，这样就可以将进风井和出风井分别看成广义θ结构（如果存在的话）的分风点和汇风点；同时，至少存在一条通路P_im使得从进风井V_i到V_θo可达。因而：

由通风网络图的性质，至少存在一条通路P_mo使得V_θo到V_o可达。令

并结合式（4）得：

    式中，V_jlr——通路P_jlr上的节点集。
     因而，式（6）所确定的一条通路是满足式（2）的两个通路中的一条。

    故对于某一风路，若能找到满足式（8）的两条通路，就可断定此风路处在角联位置上。这也是节点位置法的判断依据。
     因此，节点位置法可归纳为：
     对于某一风路，若至少存在一条不经过其始节点的通路使得从进风井到这一风路的末节点可达，同时至少存在一条不经过其末节点的通路使得从这一风路的始节点到出风井可达，则这一风路处在角联位置上。
    3 节点位置法的应用与分析
     笔者分别用通路法和节点位置法开发了角联风路的计算机自动识别软件（见图3），在“奔腾Ⅳ”机器（其硬件性能见表1）上对淮南矿业集团潘一矿、潘三矿、谢一矿、谢桥矿等4个大型矿井的通风网络进行了自动识别，并对这两种方法的分析结果进行了比较。分析结果如表2所示。

     图3 角联风路自动识别软件分析结果
     表1 角联分析所采用计算机的硬件性能表

表2 节点位置法和通路法角联分析结果的比较

     在使用通路法进行角联分析时，潘一矿的风路数量仅仅比潘三矿的风路数量增加了35条，通路集中的通路数却由潘三矿的10625条增加到潘一矿的28505条，增加了一倍多；同时，平均每查找出一条角联风路所需的通路数也增加了两倍多。角联分析操作所耗费时间的变化更是大得惊人，增加了4倍多。
     同时，由图4和图5可看出，在使用通路法进行角联分析时，通路集中的通路数以及角联分析的耗费时间随风路总数的变化大致成指数关系。可以推断，随着精度要求不断提高，通风网络不断细化，风路总数必将不断增加，最终将得通路法很难完成给定的角联分析任务。

图4 通路集中的通路数随风路总数变化的趋势图

     图6 角联分析的耗费时间随风路总数变化的趋势图
     相反，在使用节点位置法进行角联分析时，不需要预先查找通路集，分析操作所耗费的时间也大大减少，而且，虽然潘一矿比潘三矿的风路数量增加了35条，总耗时和平均耗时却减少了。这是由于风路划分较细，单个节点的子节点数量较少，以及在分析过程中相关通路的查找的随机性造成的。因而，从统计的角度来看，在使用节点位置法进行角联分析时，平均每查找出一条角联风路所耗费的时间受风路总数的影响是很小的。
     从图5也可看出，在使用节点位置法进行角联分析时，角联分析所耗费的时间随风路总数的变化大致呈一条直线。
    4 结论
     （1）节点位置法降低了角联分析的复杂程度，缩短了分析时间，提高了灵活性，提供了一个更为准确、快速方便的角联风路分析方法。
     （2）使用现场数据对节点位置法进行了测试，并将其结果与通路法的分析结果进行了比较分析，证明了它的可行性。
     （3）随着我国大型矿井不断建成，通风网络日趋复杂，现代化水平不断提高，对通路网络的精度要求不断严格，节点位置法将会发挥更大的作用。

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