陳彥亭李志鵬鞏瑞杰龐曄斌3

（1.河北鋼鐵集團礦山設計有限公司；2.河鋼集團礦業(yè)公司司家營北區(qū)分公司）

在礦井通風過程中，風流量按照巷道風阻的數值關系自然分配，是一個復雜的動態(tài)系統(tǒng)。一般大中型礦井通風系統(tǒng)都是由成百上千條風路組成的非線性流體網絡，隨著地面大氣壓和地溫的變化、巷道的變形、掘進和回采工作面的推進、通風設施的狀態(tài)參量、各種設備的擾動、風路的風阻、自然風壓等參數都是不斷變化的，因此，巷道局部通風效果難以維持［1-2］。

為實現在環(huán)境不斷變化的礦井中保持通風系統(tǒng)高效穩(wěn)定及經濟安全，需要研發(fā)通風方案智能調節(jié)系統(tǒng)，對通風網絡進行解算優(yōu)化，確定最優(yōu)調節(jié)方案，在保障生產需求和人員健康的前提下，實現按需通風、循環(huán)風分析等，提高通風有效利用率，最大限度地避免通風不足以及過度通風情況的發(fā)生，使礦山通風系統(tǒng)保持在一個合理高效、經濟安全的范圍內平穩(wěn)運行，實現高效通風、降本增效的目的。

1 通風網絡解算和優(yōu)化方法研究

礦井通風網絡優(yōu)化調節(jié)技術是指通過科學計算，合理確定礦井通風網絡調節(jié)位置和調節(jié)量，在考慮各工作面不同風量需求情況下對井下風流進行合理地分配，使井下需風地的風量滿足安全和生產要求。礦井通風網絡解算程序是解決通風問題的基礎，優(yōu)化方式是通風調節(jié)優(yōu)化數值模擬程序研發(fā)的核心。

1.1 礦井通風網絡解算方法

目前，許多高校、科研院所開發(fā)的礦井通風計算機分析程序都是按照Scotted-Hensly 法編寫的，該算法簡單易懂、占用內存少。基于此，在3DVent的基礎上對原有程序進行二次開發(fā)，研發(fā)出一套智能通風優(yōu)化調節(jié)數值模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)以維持通風系統(tǒng)高效性為目的，以按需通風為出發(fā)點，以變頻風機、風門（窗）等調節(jié)為手段，通過通風數值模擬計算，自動分析出風機最佳變頻頻率以及風門（窗）最優(yōu)調節(jié)參數，達到通風系統(tǒng)高效低耗的最佳化，實現降本增效。算法以圖論為基礎，以風量（風壓）平衡、礦井空氣流動等定律［2］為依據，逐次求解孔網的修正風量，直至達到預先給定精度并獲得接近方程組真實解的風量值，通風網絡解算程序如圖1 所示，風量迭代計算模型為

1.2 程序設計語言選擇

鑒于計算過程中涉及大量矩陣計算、方程組求解等數值計算問題，選用Matlab 和C++作為編程語言。Matlab被稱為“矩陣實驗室”，其在矩陣運算方面優(yōu)勢明顯，運算符、庫函數及工具箱豐富，計算功能強大，非常適合于礦井通風網絡解算；C++語言是編譯型語言，在迭代計算速度上優(yōu)勢明顯。運用調用程序將2 種編程語言的優(yōu)勢結合起來［3-4］，可大幅提高通風解算和優(yōu)化算法運行速度，以適應大型復雜通風網絡的通風優(yōu)化問題。

1.3 礦井通風優(yōu)化工具

為求解優(yōu)化問題，Matlab中提供的傳統(tǒng)優(yōu)化工具箱（Optimization Tool）能實現局部最優(yōu)，但要解決通風能耗最小、風量最大等極值問題，還需全局最優(yōu)化算法（Global Optimization Tool），其主要方法包括全局搜索算法（GlobalSearch）、遺傳算法（ga）、模式搜索算法（Patternsearch）。算法精度可以使用Rastrigin 函數進行測試檢驗。

Rastrigin 函數適用于各種智能優(yōu)化算法，該函數有非常多的局部極小點，而且僅有一個全局最小點，此處函數的值為0，非常適合用來做測試函數。經過測試函數的實驗測試結果見表1。3種算法都是經過多個盆地找到多個局部極值點，但遺傳算法具有隨機性，每次運行結果不相同，其函數值一般也好于模式搜索算法；全局搜索算法是利用多個初始點搜索多個盆地，搜索各自所在盆地中的極值點，從而找到全局最優(yōu)點。根據表1 運算結果，全局搜索算法最優(yōu)。

2 通風網絡調節(jié)非線性優(yōu)化模型

以風機電耗、需風點風量之和為目標函數，以非定流分支風量和可調分支風阻值為決策變量，以巷道風量、可調分支風阻值上下限為不等式約束條件，以風量（風壓）平衡、阻力和風機特性曲線等方程［5］為等式約束條件，在通風解算和全局優(yōu)化算法研究基礎上，求解礦井通風網絡調節(jié)非線性優(yōu)化模型。其中，巷道風量限值根據《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB l6423—2006）確定，規(guī)程中對不同類型巷道最低排塵風速和最高風速有明確規(guī)定；可調分支風阻值最小值為分支基礎風阻值（代表風門全開），最大值為999（代表風門全關）。

3 通風網絡解算與優(yōu)化程序設計

3.1 程序簡介

為實現對大型復雜礦井通風系統(tǒng)網絡進行實時、動態(tài)優(yōu)化解算，在滿足井下所需風量和安全規(guī)程前提下，以礦井通風總能耗或需風地風量為目標函數，以變頻風機頻率、風門開度等調節(jié)為手段，對通風系統(tǒng)進行網絡解算，自動分析出基于不同調控目的的風機最佳變頻頻率以及風門開度最優(yōu)調節(jié)參數，從而快速獲得安全、合理的優(yōu)化調控方案，通風網絡解算與優(yōu)化程序流程如圖2 所示。通過運用C++與Matlab 語言聯合編程，完成通風系統(tǒng)解算與優(yōu)化軟件初步編制。

軟件將主要功能集成到統(tǒng)一的操作界面之上，界面簡潔，各功能選項分布清晰，主要功能模塊為優(yōu)化通風（包括能耗最低、分支風量最大化和分支風量協同最大化）、風機遠程調控、風門遠程調控等。井下通風網絡及風機性能參數分別由TXT文本導入。

3.2 最低通風能耗計算

最低能耗計算鑲嵌于智能通風功能下拉菜單之中，點擊功能按鈕即可選擇和應用。該功能能夠在滿足規(guī)范要求及井下各巷道需風量的前提下，對井下風網進行迭代計算，解算出各巷道在此狀態(tài)下的調節(jié)風量，避免井下部分巷道風量過大、風量浪費的情況，降低風機功率，節(jié)省能耗。

3.3 最大分支風量計算

系統(tǒng)具有最大分支風量計算功能，該功能是以通風網絡文件中需調分支為標記，在滿足其他分支風量要求的前提下快速形成調節(jié)方案，通過井下通風構筑物及通風設備的變化調節(jié)，即可完成需調分支風量的增加，加大通風效率。同時，該功能將各分支調節(jié)前后的風量給予界面化顯示，效果直觀。

3.4 最大分支風量協同計算

礦山實際生產中施工工作面較多，需要調節(jié)的巷道往往有多個，而如果只單獨對某一巷道風量進行增加而未對其他巷道進行改變，就在一定程度上影響著其他巷道通風效率及安全。為此，開發(fā)分支風量協同最大功能，該功能是以多巷道為調節(jié)基數，在滿足其余巷道風量及規(guī)范要求的情況下，對多個需調巷道風量進行調節(jié)，使得該部分巷道的整體風量增大。雖然該功能不能使得某1 條巷道風量達到最大化，但整體通風效率的提升，使各需要調節(jié)的巷道通風效率都有所改觀，是整體效果的最優(yōu)化。

3.5 風機、風門遠程調控

利用組態(tài)軟件，編制遠程開度自動控制系統(tǒng)的可視化操作界面。通過工控機顯示界面輸入風門開度值，實現遠程一鍵風門開度自動控制操作。與通風系統(tǒng)解算與優(yōu)化軟件進行通信連接，對操作界面與PLC 系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性和實時性進行測試，確保通信的實用性。同時，在人機界面中將實時顯示當前風門開度。

4 物理試驗驗證

為了驗證軟件的可靠性，參照實際礦山通風系統(tǒng)，使用PVC 管道搭建了通風系統(tǒng)物理模型，如圖3所示?？紤]到巷道實際的風阻情況，增加了管道內壁的摩擦系數，同時加工制作了開度可控的風門、安裝了風速傳感器，并通過PLC 實現了風門的遠程控制和顯示，確保物理模型與實際情況接近。通過該物理模型試驗軟件數據與實測數據對比，風速誤差可控制在8%以內，進一步驗證了核心算法的準確性。在運算速度方面，以44個風門為變量時，單次運算時間在0.01 s以下，為節(jié)省運算時間提供了保證。

5 結 語

（1）從礦山實用性和經濟性的角度出發(fā)，使用現有通風設備和構筑物進行風量調控具有較高可行性；隨著技術的發(fā)展，利用井下風門和變頻風機對井下通風狀況進行調控具有很多優(yōu)勢。

（2）按照Scotted-Hensly法，運用計算機程序設計編寫通風解算優(yōu)化程序；通過測試試驗，全局搜索算法更適合作為通風能耗和風量調節(jié)的優(yōu)化工具；使用C++與Matlab混合編程，2種編程語言優(yōu)勢互補，可大大提高運行速度，以適用于大型復雜礦井通風系統(tǒng)。

（3）礦井通風網絡風量調節(jié)優(yōu)化技術有很高的發(fā)展前景，將成為礦山自動化和智能化建設發(fā)展中的重要一環(huán)，還需進一步進行探索和完善。