收稿日期:2010-05-07作者简介:姜诗明(1987)),男,新疆阿克苏人,西安科技大学能源学院安全技术及工程专业在读研究生。
基于MATLAB 的矿井通风网络解算程序编制姜诗明,裴绍宇,郄雷敏(西安科技大学能源学院,陕西西安 710054)摘 要:介绍了矿井通风网络解算的数学模型,根据C ross 迭代法基于MATLAB 编制了矿井通风网路解算程序,并结合实例介绍了程序使用方法。
表明用MATLAB 编制通风网络解算程序具有编程简单、代码简洁、使用方便等优点,为通风系统分析及优化提供了工具。
关键词:MATLAB ;通风网络解算;程序中图分类号:TD725 文献标识码:B 文章编号:1671-749X (2010)06-0028-020 引言矿井通风网络解算是在已知矿井通风网络结构、分支风阻、风机特性的情况下,求解所有分支风量的过程。
它作为通风安全管理定量分析工具,其作用贯穿矿井通风系统生命周期的始终,矿井的新建、改建、扩建都离不开它。
通风网络解算对于模拟井下通风状况,预测网络工况在网络结构、风阻、风机的参数改变时的变化,一直起着很重要的作用。
矿井通风网络解算对矿井通风系统进行理论分析或实验研究,辨识通风系统危险源,做出安全可靠性评价,制定安全技术措施,提高矿井通风系统安全可靠性有着重要的意义。
然而矿井通风网络解算程序编制却是一项困难的工作,目前通风网络解算软件一般利用VB 、C ++、C#等高级程序语言编制,在整个软件生命周期中普遍存在着软件开发严重依赖于操作系统及编程语言,难以实现跨平台、跨语言共享代码;软件自身形成封闭系统,难以对现有通风软件进行二次开发,功能扩展性差;程序代码冗长难懂,开发及维护困难等问题。
MATLAB 被称作第四代计算机语言,具有语言简洁高效,简单易学,运算符、库函数及工具箱丰富,计算功能强大,绘图方便,扩展能力强大,可移植性好等特点。
非常适合于编制矿井通风网络解算程序。
1 矿井通风网络解算数学模型矿井空气在通风网络中流动遵循节点风量平衡定律、回路风压平衡定律和阻力定律[1,2]。
对于节点数|V |=m,分支数|E |=n 的通风网络G =(V ,E ):BQ =0(1)C H =0(2)H R =R d iag |Q |d iag Q(3)其中:H =H R -H f -H n(4)式(1)可改写为:Q =C TQ C(5)将式(3)(4)(5)代入(2)得:F (Q C )=C (R d iag |C T Q C |d iag (C TQ C )-H f -H n)=0(6)式中:Q =(q 1,q 2,,q n )T,为分支风量列向量;|Q |为对风量列向量每个元素取绝对值所得的列向量;|Q |d iag 为以|Q |为主对角元素的对角矩阵;Q C 为余树枝风量列向量;H =(h 1,h 2,,,h n )T,为分支风压列向量;HR =(hR 1,hR 2,,,hR n )T,为分支阻力列向量;Hf =(hf 1,hf 2,,hf n )T,为风机风压列向量;H n =(hn 1,hn 2,,,hn n )T,为分支位能差列向量;R =(r 1,r 2,,,r n )T为分支风阻列向量;R d iag 为以R 为主对角元素的对角矩阵;F =(f 1,f 2,,,f n -m +1)为回路风压代数和列向量。
B =(b ij )m @n ,为通风网络图的关联矩阵;C=(c ij)(n-m+1)@n为通风网络图的基本回路矩阵;b ij=-1,分支e j空气流入节点v i 0,分支e j与节点v i不相关1,分支e j空气流出节点v ic ij=-1,分支e j在回路i中且与回路反向0,分支e j不在回路i中1,分支ej在回路i中且与回路同向2通风网络解算程序编制及实例分析2.1通风网络解算算法及程序编制式(6)为非线性方程组,通常采用迭代法求解其数值解。
设第k次迭代后风量近似值为Q k C,将式(6)用泰勒级数展开并忽略二阶无穷小项得:F(Q k+1C)=F(Q k C)+5F5Q CQ C=Q kc$Q k c=0(7)$Q k C=-5F5Q C -1Qc=Q kCF(Q k c)(8)式中:$Q k C=Q k+1C-Q kC,为独立回路风量修正值列向量;5F5Q C为雅可比矩阵,5F5Q C=2CR d iag CT QCd iagC T-C d H fd Q C(9)若雅可比矩阵为对角占优矩阵,即:5f i5q C iùE n j=1j X i5f i5q Cj,i=1,2,,,n-m+1(10)则可略去雅可比矩阵非对角元素,式(8)简化为: $q k ci=-f i(Q k C)5f i/5q ci,(i=1,2,,,n-m+1)(11)f i(Q k C)可根据(6)式计算,5f i5q ci=E nj=12c ij r j q j-d H f i d q i ,式(11)称为C ross迭代式,也称Scott-H i n sley迭代式。
此算法计算步骤如下:¹输入通风网络结构及数据;º以风阻为权计算最小生成树及余树;»计算基本回路矩阵;¼余树分支风量赋初始值,根据式(5)计算所有分支的初始风量;½计算回路风量修正值,修正回路风量,根据式(5)计算所有分支风量;¾精度检验,即检查是否满足:m ax$q C i<E,(i=1,2,,,n-m+1)(12)E为预设精度值。
若满足上式则迭代终止,否则转½继续迭代计算;¿输出计算结果。
根据以上计算步骤在MATLAB中编辑解算m文件solve.m(略)[3-4]。
2.2实例分析如图1所示通风网络,风阻列向量R=(0.375,0.15,2.0,4.6875,12.5,1.7361,0.5)T,安装于分支7中的风机风压特性曲线为:hf=1046.3+5q-0.85q2。
图1通风网络图在so l v e.m文件同一路径下编辑通风网络数据文件i n.tx,t如表1前6列所示,一行中每个数据用空格或Tab键隔开,每一行用回车符隔开,共7行6列。
编辑风机数据文件fan.txt为1046.35-0.85000,每个数据用Tab键隔开,共1行6列。
运行solve.m输出解算结果见表1。
表1通风网络解算数据表分支编号始节点末节点风阻风机编号自然风压风机风压阻力风压风量1120.375000163.5340163.534020.88282230.1500022.238222.238212.1760324 2.0000151.6166151.61668.7068435 4.6875000376.2194376.21948.958853412.5000129.3784129.37843.2172645 1.7361000246.8410246.841011.92407510.510780.0369218.0453-561.991620.8828(上转第24页)图2埋管抽放改进工艺示意图1-闸门;2-三通接口;3-抽放管路;4-抽放器的卸压瓦斯将涌向本面,在被保护层面1232(3)底板岩层中平行煤层走向布置一条抽排巷抽放13-1煤层的卸压瓦斯及保护层瓦斯。
因施工进度影响, 1232(3)底板巷只能施工1650m,无底板巷的范围,采取在地面施工瓦斯抽放钻孔,抽放被保护层卸压瓦斯及保护层瓦斯。
2.4抽放效果2352(1)保护层工作面开采后,被保护层2322 (3)工作面13槽煤层卸压使煤层的透气性大大增加,通过对底抽巷考察钻孔测定,13槽煤层瓦斯的压力由4.4M Pa下降至0.5MPa,经计算13槽煤层卸压后的透气性系数为32.687m2/(M Pa2#d),是原始煤层透气性系数的2880倍;2322(3)工作面13槽煤层底抽巷的抽放钻孔抽放量由原来的0.01 m3/m in#孔,增加至1.0m3/m i n#孔,卸压区最大瓦斯抽放25m3/m in,平均18m3/m i n;2322(3)工作面13槽煤层被保护卸压后的相对变形增加。
综上所述,随着11槽保护层的开采导致受保护区域内的13槽煤层地应力下降,煤层裂隙增加,解吸瓦斯量增大,煤层由难以抽放转变为容易抽放,具备了从地面施工钻孔进行瓦斯抽放的必要条件。
为了探索在保护层开采过程中,不具备施工底板抽放巷抽放被保护层卸压瓦斯的瓦斯治理技术,以及地面煤层气开发技术,地面钻孔瓦斯抽放量的考察,在2352(1)工作面没有到达地面钻孔前,钻孔的抽放量较小,2002年8月19日2352(1)工作面推过钻孔,钻孔的抽放量开始增加,混合抽放量达到18m3/m i n左右,瓦斯浓度50%,抽放瓦斯纯量在9.0m3/m i n左右,当2352(1)工作面推过钻孔35m 后,地面钻孔抽放量达到最大,抽放瓦斯纯量15.41 m3/m i n,瓦斯浓度75%,抽放负压0.032M Pa,当2352(1)工作面推过钻孔197m后,钻孔的抽放纯瓦斯量为6.6m3/m in,瓦斯浓度90~95%,地面钻孔的抽放量变化见图3。
图3地面钻孔抽放量变化图3总结通过对潘一矿2322(3)工作面的实际分析,结合潘一矿井的具体情况,对瓦斯综合治理技术进行了研究。
经过一系列的瓦斯抽放参数的比较,对潘)矿瓦斯抽放系统进行设计并提出利用保护层开采,底抽巷抽放卸压瓦斯,抽放远程卸压等技术对瓦斯进行抽放。
从而对瓦斯积聚,瓦斯爆炸等问题进行有效的预防和控制。
并提出了矿井通风系统的优化措施以及完善矿井瓦斯监测系统的手段,强调加强瓦斯防治管理工作在煤矿生产过程中的重要性。
(下接第29页)3结语C r oss迭代法是目前通风网路解算软件普遍采用的方法,运用C ross法基于MATLAB编制矿井通风网络解算程序具有编程简单、代码简洁易于理解、维护容易、易于扩展等特点。
本文提供源程序在MATLAB R2008a中运行通过,具有通用性,可用于解算包含自然风压的通风网络,可供参考。
参考文献:[1]张国枢.通风安全学(修订版)[M].徐州:中国矿业大学出版社,2007.[2]刘剑.等.流体网络理论[M].北京:煤炭工业出版社,2002.[3]徐金明.M ATLAB实用教程[M].北京:清华大学出版社,北京:交通大学出版社,2005.[4]邓薇.M ATLA B函数速查手册[M].北京:人民邮电出版社,2008.24陕西煤炭2010年。