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1、第七章 矿井通风系统的最优化,第一节 最优化概念,在进行工程设计和系统分析时，各种工程技术问题的解决可以有不同的方案，但人们总希望选择一个最优的方案，也就是要做一个最优设计或做出最优决策，这就是最优化问题。例如，对于一个生产矿井来说，如何在现有的人力，设备，资金等条件下合理地组织生产，以使矿井产量高、效率高、成本低、经济效益好的问题就是一个最优化问题。,最优化技术是一门研究和解决最优化问题的学科。它是研究和解决如何在一切可能的方案中寻求最优方案的学科。它要研究和解决的问题有两大类，即：（1）如何将最优化问题表示成数学模型；（2）如何根据数学模型尽快地求出最优解。,最优化技术是应用数学的一个分支
2、，在20世纪50年代以前，解决最优化问题的数学方法主要是古典的求导方法和变分法等。由于科学技术和生产的迅速发展，实践中的许多最优化问题已经无法用古典方法来解决，但随着线性规划、非线性规划、动态规划、图论等新方法的产生及电子计算机的运用，最优化的理论和方法得到了丰富和发展，最优化技术也就成为一门新兴学科。最优化技术的应用已深入到了各生产、科研部门，并已成为促进国民经济飞速发展的有效方法。但最优化技术在矿山中的应用还处在开始阶段。,一、数学模型的建立用字母、数字及其它数学符号建立起来的等式或不等式以及描述客观事物的特征及其内在联系的图表、图象，框团等就叫数学模型。建立数学模型就是通过抽象的和近似的
3、要素把工程技术、技术经济问题化为数学型式。这是优化问题中最重要的一个步骤。,数学模型对计算结果的影响很大，因此对建立数学模型有以下的要求：(1)有足够的精确度；(2)简单；(3)依据要充分；(4)尽量借鉴标准形式。,建立数学模型的一般步骤为：(1)明确目标。(2)收集资料。(3)找出主要因素间的各种关系；(4)明确系统的约束条件；(5)用数学符号、数学公式表达所有的关系，并进行合理简化；(6)检查目标是否是所研究的问题；(7)模型的修整和简化。,二、最优化问题的数学方法 常用的方法有：(1)图论解法。如，求最小树，最长路及最大流等；(2)线性规划法。即解决目标函数和约束条件均为线性函数的规划问
4、题的方法；(3)非线性规划法。即解决目标函数和约束条件均为非线性函数的规划问题的方法；(4)动态规划法。这种方法用于解决在客观条件允许的范围内选择最好的措施去控制过程的发展的回题，以期最好地完成预定任务。,第二节 矿井通风系统的优化设计,一、系统最优化与最优设计所谓系统最优化，就是在一定条件下分析系统的特性，使得系统具有最佳功能的过程。也就是说，使系统的目标函数在约束条件下达到最大或最小。矿井通风系统的最优化包括两方面：一是优化通风网路，二是寻求风源与通风网路的最佳匹配及各种通风装置的最优组合。矿井通风中的许多问题可以用最优化方法来解决，比如，前面已讲过的最小树优选风机，风流控制方法优化等。,
5、矿井通风设计是矿井设计的一部分，它既要与其它系统配合，又要使系统本身最优。最优设计就是在分析设计对象的诸因素(可变因素、不变因素和约束条件等)、的基础上，经数学整理，建立数学模型，用不同的计算方法求得的最合理，最经济的设计方案。最优设计法虽然是一种能够得到最优效果的有效的方法，但还没有建立通用解法，也没有统一的分类方法。,二、通风并巷断面的优化当井巷的主要的用途是用于通风或对该巷道来说通风比其它用途更为重要时，应当用通风作为确定该巷道断面的依据。其基本思想是：在一定通风安全效果下，总费用最少。总费用是指掘进费用和生产费用的总和。总费用最小的巷道断面称为通风井巷经济(最优)断面。,三、矿井风压最
6、优化由于自然条件及开采技术条件等不同，矿井的总风压也不相同。所谓矿井最优风压，是指巷道掘进，维护及通风费用的总和最小并能提供矿井安全工作条件的矿井风压。矿井风压最优化的方法有两种：一种是方案比较法。另一种是分析法。,第三节 矿井通风网路的实时控制,矿井通风系统的最优化，不仅要求通风系统设计(包括生产矿井通风系统改造)最优化，而且要求通风系统实施的最佳控制。一个矿井通风系统，如果在一定意义上说是最优的，当然它也必须是稳定的，并且是可控的。,一、控制系统中的软件利用通风网路控制的基础知识，可以解决有关软件方面的问题。其包括以下内容：(1)在短时间内解算矿井网络，斯考德恒斯雷法是较好的方法；(2)根
7、据通风网路作出压力坡线图和线图，据此可以清楚地了解各点的压力和风流通过各分支时消耗的能量及扇风机和自然风压所供给的能量等的分布状况；,(3)对于有自然风压存在的闭合回路，风流方向和自然风压方向相同的分支，其通风风阻较小，风流方向和自然风压方向相反的分支，其通风风阻较大，这样的一种组合方法，和与其相反的组合方法相比，扇风机供给的能量要小；(4)根据风量测定和主要扇风机的工作风压，利用模型模拟法能够求得各条分支风阻的概略值。,二、矿并通风自动化管理系统对矿井大气参数进行集中监视，对所得数据利用汇编的软件程序进行分析，以及在此基础上对矿井通风进行最佳控制，需要建立一套完整的矿井通风实时控制系统，这也
8、是提高通风效果和改善采矿工作安全条件的发展方向，对有灾害发生的矿井尤为重要。,第四节 生产矿井通风系统技术改造优化方案的确定,一、通风系统的调查研究与技术测定通风系统改造比新井通风设计更为复杂。由于矿井开拓、开采的方式不同，通风系统各异，因而通风系统的挖潜改造的内容、途径和形式也是多样的，难以有统一的模式。通风系统改造的关键在于通过全面深入的调查研究，摸清现有通风系统的状况，找出存在的问题和解决方法。通风系统的现状调查与测定是矿井通风系统改造方案优选的基础工作。通常包括以下内容：矿井通风阻力测定，主扇性能鉴定，矿井漏风和通风设施的调查，矿井所需风量的调查等。,二、通风系统技术改造方案的优选在调
9、查研究和技术测定工作完成之后，根据矿井改扩建的要求和现行的有关技术政策与规定，针对矿井存在的实际问题，即可提出多种技术上可行、经济上合理、安全可靠的矿井通风系统改造方案，据此也即可进行择优工作。1提方案时应注意的几个问题(1)必须贯彻执行“安全第一”的方针。进行的改造必须能大大改善安全生产状况，使通风系统趋于合理，使矿井通风安全面貌有一个根本性的改观。,(2)对矿井通风系统改造要有明确的要求，这是制定改造方案的方向和最终要达到的目标，也是衡量一个矿井通风系统改造好坏的依据。其具体要求是：改造后的通风系统能力要和矿井生产能力相适应；技术上要合理可靠，改造后的通风系统应是一个风量充足、风流稳定的通
10、风系统；经济上要有好的效果。即应是以最少的投资，较少的工程量和材料消耗，获得最好的经济效益，以减少设备材料消耗，节约电耗和管理费用；既要充分利用现有的井巷和设备，又要根据本地区本单位的财力物力可能，应尽可能采用先进的技术和装备；抗灾能力要强。既使是在灾害发生的情况下，也能使灾害不扩大，并使之减少到最小范围。,(3)制定方案前必须开展调查研究，要以矿井的各种实测资料为依据拟定各种可能的改造方案。(4)随着矿井生产的发展，矿井延深的扩大，瓦斯等级情况的变化，改造通风系统提高矿井通风能力将会是一项长期的经常性的工作。因此，必须要有一个长远的规划，以避免老改造工程未完又要进行新的改造的现象的出现，要注
11、意新旧系统的过渡，协调与交替，要在保证矿井安全生产的前提下，完成全部改造工程及方案实施，考虑问题的思路应遵循先挖潜后扩建、先易后难的原则，强调因地制宜，综合治理。,2通风系统改造方案优选步骤(1)现有通风系统的调查。包括风量分配状况，漏风状况，阻力测定资料及风机性能鉴定资料等；(2)资料整理分析；(3)找出关键问题；(4)提出解决问题的方案；(5)对各方案进行比较，借助计算机找出其中最优者。,第五节 矿井通风安全工作管理一体化初探,一、一体化模型描述,二、一体化模型的计算机化以一体化模型为基础，可以编制统一的计算机管理系统。这个系统把一体化模型中的所有数据统一管理。1管理系统工作方式,2管理系
12、统的特点这个管理系统的特点在于它的统一性，如图所示。图中各子系统是反馈并联关系，它们彼此之间可以充分交流信息，不再是独立和封闭的小系统。,3管理系统的功能这个管理系统可完成以下几个方面的任务：(1)有效数据存储；(2)数据运算，加工、分类排序及统计分析等；(3)数据通讯；(4)提供信息咨询及预测资料；(5)有条件时，发出风机调节(如改变主扇传动装置转速)及风量调节(如各采区的风量调节器操纵)的指令并监测其实施效果等。,4管理系统的优点这个管理系统具有以下几个方面的优点：(1)提供信息迅速、准确，(2)实现了办公自动化，提高了工作效率，(3)节省了物理空间。,三、一体化管理的计算机软硬件要求及联网1硬件组合2软件3联网问题,
