矿井通风网络解算方法的优化研究

陈彦亭李志鹏巩瑞杰庞晔斌3

（1.河北钢铁集团矿山设计有限公司；2.河钢集团矿业公司司家营北区分公司）

在矿井通风过程中，风流量按照巷道风阻的数值关系自然分配，是一个复杂的动态系统。一般大中型矿井通风系统都是由成百上千条风路组成的非线性流体网络，随着地面大气压和地温的变化、巷道的变形、掘进和回采工作面的推进、通风设施的状态参量、各种设备的扰动、风路的风阻、自然风压等参数都是不断变化的，因此，巷道局部通风效果难以维持［1-2］。

为实现在环境不断变化的矿井中保持通风系统高效稳定及经济安全，需要研发通风方案智能调节系统，对通风网络进行解算优化，确定最优调节方案，在保障生产需求和人员健康的前提下，实现按需通风、循环风分析等，提高通风有效利用率，最大限度地避免通风不足以及过度通风情况的发生，使矿山通风系统保持在一个合理高效、经济安全的范围内平稳运行，实现高效通风、降本增效的目的。

1 通风网络解算和优化方法研究

矿井通风网络优化调节技术是指通过科学计算，合理确定矿井通风网络调节位置和调节量，在考虑各工作面不同风量需求情况下对井下风流进行合理地分配，使井下需风地的风量满足安全和生产要求。矿井通风网络解算程序是解决通风问题的基础，优化方式是通风调节优化数值模拟程序研发的核心。

1.1 矿井通风网络解算方法

目前，许多高校、科研院所开发的矿井通风计算机分析程序都是按照Scotted-Hensly 法编写的，该算法简单易懂、占用内存少。基于此，在3DVent的基础上对原有程序进行二次开发，研发出一套智能通风优化调节数值模拟系统，该系统以维持通风系统高效性为目的，以按需通风为出发点，以变频风机、风门（窗）等调节为手段，通过通风数值模拟计算，自动分析出风机最佳变频频率以及风门（窗）最优调节参数，达到通风系统高效低耗的最佳化，实现降本增效。算法以图论为基础，以风量（风压）平衡、矿井空气流动等定律［2］为依据，逐次求解孔网的修正风量，直至达到预先给定精度并获得接近方程组真实解的风量值，通风网络解算程序如图1 所示，风量迭代计算模型为

1.2 程序设计语言选择

鉴于计算过程中涉及大量矩阵计算、方程组求解等数值计算问题，选用Matlab 和C++作为编程语言。Matlab被称为“矩阵实验室”，其在矩阵运算方面优势明显，运算符、库函数及工具箱丰富，计算功能强大，非常适合于矿井通风网络解算；C++语言是编译型语言，在迭代计算速度上优势明显。运用调用程序将2 种编程语言的优势结合起来［3-4］，可大幅提高通风解算和优化算法运行速度，以适应大型复杂通风网络的通风优化问题。

1.3 矿井通风优化工具

为求解优化问题，Matlab中提供的传统优化工具箱（Optimization Tool）能实现局部最优，但要解决通风能耗最小、风量最大等极值问题，还需全局最优化算法（Global Optimization Tool），其主要方法包括全局搜索算法（GlobalSearch）、遗传算法（ga）、模式搜索算法（Patternsearch）。算法精度可以使用Rastrigin 函数进行测试检验。

Rastrigin 函数适用于各种智能优化算法，该函数有非常多的局部极小点，而且仅有一个全局最小点，此处函数的值为0，非常适合用来做测试函数。经过测试函数的实验测试结果见表1。3种算法都是经过多个盆地找到多个局部极值点，但遗传算法具有随机性，每次运行结果不相同，其函数值一般也好于模式搜索算法；全局搜索算法是利用多个初始点搜索多个盆地，搜索各自所在盆地中的极值点，从而找到全局最优点。根据表1 运算结果，全局搜索算法最优。

2 通风网络调节非线性优化模型

以风机电耗、需风点风量之和为目标函数，以非定流分支风量和可调分支风阻值为决策变量，以巷道风量、可调分支风阻值上下限为不等式约束条件，以风量（风压）平衡、阻力和风机特性曲线等方程［5］为等式约束条件，在通风解算和全局优化算法研究基础上，求解矿井通风网络调节非线性优化模型。其中，巷道风量限值根据《金属非金属矿山安全规程》（GB l6423—2006）确定，规程中对不同类型巷道最低排尘风速和最高风速有明确规定；可调分支风阻值最小值为分支基础风阻值（代表风门全开），最大值为999（代表风门全关）。

3 通风网络解算与优化程序设计

3.1 程序简介

为实现对大型复杂矿井通风系统网络进行实时、动态优化解算，在满足井下所需风量和安全规程前提下，以矿井通风总能耗或需风地风量为目标函数，以变频风机频率、风门开度等调节为手段，对通风系统进行网络解算，自动分析出基于不同调控目的的风机最佳变频频率以及风门开度最优调节参数，从而快速获得安全、合理的优化调控方案，通风网络解算与优化程序流程如图2 所示。通过运用C++与Matlab 语言联合编程，完成通风系统解算与优化软件初步编制。

软件将主要功能集成到统一的操作界面之上，界面简洁，各功能选项分布清晰，主要功能模块为优化通风（包括能耗最低、分支风量最大化和分支风量协同最大化）、风机远程调控、风门远程调控等。井下通风网络及风机性能参数分别由TXT文本导入。

3.2 最低通风能耗计算

最低能耗计算镶嵌于智能通风功能下拉菜单之中，点击功能按钮即可选择和应用。该功能能够在满足规范要求及井下各巷道需风量的前提下，对井下风网进行迭代计算，解算出各巷道在此状态下的调节风量，避免井下部分巷道风量过大、风量浪费的情况，降低风机功率，节省能耗。

3.3 最大分支风量计算

系统具有最大分支风量计算功能，该功能是以通风网络文件中需调分支为标记，在满足其他分支风量要求的前提下快速形成调节方案，通过井下通风构筑物及通风设备的变化调节，即可完成需调分支风量的增加，加大通风效率。同时，该功能将各分支调节前后的风量给予界面化显示，效果直观。

3.4 最大分支风量协同计算

矿山实际生产中施工工作面较多，需要调节的巷道往往有多个，而如果只单独对某一巷道风量进行增加而未对其他巷道进行改变，就在一定程度上影响着其他巷道通风效率及安全。为此，开发分支风量协同最大功能，该功能是以多巷道为调节基数，在满足其余巷道风量及规范要求的情况下，对多个需调巷道风量进行调节，使得该部分巷道的整体风量增大。虽然该功能不能使得某1 条巷道风量达到最大化，但整体通风效率的提升，使各需要调节的巷道通风效率都有所改观，是整体效果的最优化。

3.5 风机、风门远程调控

利用组态软件，编制远程开度自动控制系统的可视化操作界面。通过工控机显示界面输入风门开度值，实现远程一键风门开度自动控制操作。与通风系统解算与优化软件进行通信连接，对操作界面与PLC 系统通信的稳定性和实时性进行测试，确保通信的实用性。同时，在人机界面中将实时显示当前风门开度。

4 物理试验验证

为了验证软件的可靠性，参照实际矿山通风系统，使用PVC 管道搭建了通风系统物理模型，如图3所示。考虑到巷道实际的风阻情况，增加了管道内壁的摩擦系数，同时加工制作了开度可控的风门、安装了风速传感器，并通过PLC 实现了风门的远程控制和显示，确保物理模型与实际情况接近。通过该物理模型试验软件数据与实测数据对比，风速误差可控制在8%以内，进一步验证了核心算法的准确性。在运算速度方面，以44个风门为变量时，单次运算时间在0.01 s以下，为节省运算时间提供了保证。

5 结 语

（1）从矿山实用性和经济性的角度出发，使用现有通风设备和构筑物进行风量调控具有较高可行性；随着技术的发展，利用井下风门和变频风机对井下通风状况进行调控具有很多优势。

（2）按照Scotted-Hensly法，运用计算机程序设计编写通风解算优化程序；通过测试试验，全局搜索算法更适合作为通风能耗和风量调节的优化工具；使用C++与Matlab混合编程，2种编程语言优势互补，可大大提高运行速度，以适用于大型复杂矿井通风系统。

（3）矿井通风网络风量调节优化技术有很高的发展前景，将成为矿山自动化和智能化建设发展中的重要一环，还需进一步进行探索和完善。