劉輝 黃天塵 趙堃 張曉利 葉鷗

摘要：隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等先進技術(shù)的發(fā)展，“智能礦井”的建設(shè)正在大力推進，將羧甲基纖維素鈉作為噴涂材料應(yīng)用在礦井通風管道，可以提高礦井通風性能；但目前較少研究噴涂材料在礦井中的通風性能。研究旨在將地理信息系統(tǒng)（GIS）與非穩(wěn)態(tài)通風網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合起來，為決策系統(tǒng)提供基于位置的信息和在線實時支持，提出了一個基于GIS 的非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型，并介紹了其算法。設(shè)計開發(fā)了3D VentCloud的網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)基于前端和后臺技術(shù)，有效地實現(xiàn)了所提出的算法；對模型進行了驗證，將該系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦噴涂材料通風管道方案，證明了該模型的合理性和實用性。

關(guān)鍵詞：GIS；礦井智能通風；非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)；羧甲基纖維

中圖分類號：TQ342+.7；TP391文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）05-0165-05

Theapplicationof carboxymethylfibresinmineventilationpipesandoptimizationof GISintelligentminenon-stationarysystem

LIU Hui1，HUANG Tianchen1，ZHAO Kun1，ZHANG Xiaoli2，YE Ou3

（1. Shaanxi Yongxin Mining Co.，Ltd.，Yulin 719000，Shaanxi China；

2. Xi'an University of Posts and Telecommunications，Xi'an 710000，China；

3. Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710000，China）

Abstract ：WiththedevelopmentofadvancedtechnologiessuchasartificialintelligenceandtheInternetofThings，the construction of“intelligent mines ”is being vigorously promoted. Applying sodium carboxymethyl cellu? lose as a spraying material to mine ventilation ducts can greatly improve the ventilation performance of the mine， but there is currently less research on the ventilation performance of spraying materials in the mine. Therefore，thisstudy aims to combine geographic information systems（GIS）with unsteady state ventilation network models to pro? vide location based information and online real-time support for decision-making systems. Firstly，a GIS based un? steady network model was proposed，and its algorithm steps were introduced. Secondly，a network prototype systemcalled 3D VentCloud was designed and developed. The research results show that the system effectively integratesthe proposed algorithm based on front-end and terminal technologies. At the same time，the model was validated， and the system was applied to a real coal minespraying material ventilation pipeline project，showing that the mod? elis reasonable and practical.

Keywords：GIS；intelligent mine ventilation；unsteady state network；carboxymethyl fibres

“智能礦井”是我國當前的重點建設(shè)與發(fā)展方向，可望為煤礦安全生產(chǎn)提供可靠、快捷、智能與精確的技術(shù)支撐[1]。煤礦井下通風系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的重要組成部分。一套有效的礦井通風系統(tǒng)和通風管路，對于保障礦工的工作環(huán)境和礦井的可持續(xù)發(fā)展，具有十分重要的意義[2-3]。目前，國內(nèi)外學者采用羧甲基纖維鈉鹽作為基體，對其進行接枝改性，制備出高效的霧化涂層，并用于煤礦井下通風管道。將其涂敷在通風管道表面，可起到二次補強作用，阻止氣體從風管中逸出，延緩風管腐蝕[4]。

同時目前對通風網(wǎng)絡(luò)模型和通風軟件的研究主要集中在傳統(tǒng)的穩(wěn)定計算模型上。然而，礦井通風管道本質(zhì)上屬于一個具有地理空間和時間特征的動態(tài)復雜系統(tǒng)[5]。雖然煤礦正常生產(chǎn)時的通風狀態(tài)是穩(wěn)定的，但各種內(nèi)部擾動和地面氣壓會對礦井噴涂材料通風管道內(nèi)的氣流和壓力產(chǎn)生一定的影響，從而引起氣流脈動。此外，由于瓦斯突出、礦井火災(zāi)等重大事故的發(fā)生，礦井噴涂材料通風管道中通風狀態(tài)會瞬間改變，造成管道內(nèi)氣流的瞬時紊亂[6]。因此的，正常生產(chǎn)或災(zāi)害時的通風狀態(tài)都應(yīng)視為非穩(wěn)態(tài)流動，因此進一步要求建立統(tǒng)一的通風模擬模型，并與智能礦井通風的概念相適應(yīng)。

然而，使用AutoCAD 很難處理礦井空間、時間和屬性數(shù)據(jù)以及拓撲關(guān)系。此外，基于GIS 的通風軟件系統(tǒng)多集中在傳統(tǒng)GIS 或靜態(tài)GIS 與穩(wěn)定通風模擬模型的結(jié)合。因此，需要一個與GIS技術(shù)相結(jié)合的統(tǒng)一的非穩(wěn)定通風模型，以提供在線和快速的決策支持，更好地滿足礦井噴涂材料通風管道通風的要求[7]。

因此，本研究旨在通過非穩(wěn)態(tài)通風網(wǎng)絡(luò)模型與 GIS 的結(jié)合以及系統(tǒng)的開發(fā)，提供快速的在線通風模擬解決方案，進一步研究羧甲基纖維素鈉噴涂材料在礦井通風中的應(yīng)用效果，促進礦井智能通風的建設(shè)。首先，提出了基于GIS 的非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型的算法。其次，基于通風模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及巷道網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計并開發(fā)了一個名為3DVentCloud的原型模擬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

1 基于GIS的非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型

1.1數(shù)學模型

首先，建立一個理想的幾何礦井巷道模型來建立非穩(wěn)態(tài)通風網(wǎng)絡(luò)模型的基本方程[8]。在不考慮氣流的可壓縮特性的情況下，模型的長度為L，橫截面積為A。

在沒有任何外力的情況下，礦井噴涂材料通風管道內(nèi)的氣流屬于穩(wěn)定狀態(tài)。如果礦井通風通道兩端的風壓突然發(fā)生變化，就會有一個等效的外力F 作用于空氣柱的兩端[9]。根據(jù)牛頓第二定律[10]，假設(shè)外力給出加速度a，空氣柱相應(yīng)的方程式為：

式中：R 為通風阻力；p1和 p2為靜壓；v1、v2為礦井巷道端速度；hr為外部功率。假設(shè)一條礦井巷道是單一的和水平的，那么兩端都與大氣相連。當放置在礦井巷道末端的風扇突然開始時，式（3）中的壓差為0，因此可以得到：

對于礦井噴涂材料通風管道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的氣流，假設(shè)空氣遵循3個基本的氣流定律，即通風阻力定律、回路中的壓力平衡定律和節(jié)點處的風平衡定律。這3個定律代表了通風網(wǎng)絡(luò)模型中礦井巷道分支的風量和通風阻力以及節(jié)點壓力這3個基本通風參數(shù)的限制關(guān)系和平衡關(guān)系[11]。

氣流的3個基本定律可以描述為：

式中：N 為礦井巷道分支的數(shù)量；M 為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)量；εki 和Cji分別為網(wǎng)絡(luò)圖的基本相關(guān)矩陣和獨立環(huán)路矩陣中的元素，其值為0、1或-1；ΔPi = hFj （Q） lhNj （Q）代表通風功率，包括風機功率hFj （Q）和自然功率hNj （Q）。式（6）也可以簡化為環(huán)路方程的矩陣形式：

式中：C 是循環(huán)矩陣；D中的元素為

在此基礎(chǔ)上，可以應(yīng)用Runge-Kutta迭代算法來模擬每個巷道分支的空氣量隨時間的變化?；诮?jīng)典的4階Runge-Kutta方法的具體解決方案為：

1.2通風網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)模型

基于GIS 的理論和方法，設(shè)計了非穩(wěn)態(tài)通風網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)模型，進一步研究羧甲基纖維素鈉噴涂材料在礦井通風中的應(yīng)用效果。首先，將通風網(wǎng)絡(luò)圖描述為 G （V.E），其中 Vv1. v2，…. vm是網(wǎng)絡(luò)圖中的一組節(jié)點，E e1. e2.…. en是網(wǎng)絡(luò)圖中的一組巷道分支?？紤]到每個礦井巷道分支上的氣流都有一個風向。因此，通風網(wǎng)絡(luò)圖是一個有向圖。通過對網(wǎng)絡(luò)圖的分析，可以得到網(wǎng)絡(luò)圖的鄰接矩陣、入射矩陣、切集矩陣、循環(huán)矩陣和路徑矩陣，這些矩陣存儲了通風網(wǎng)絡(luò)圖的拓撲信息[12]。另外，從 GIS 的角度來看，通風網(wǎng)絡(luò)圖及模型是一種具有代表性的空間空間對象，包括空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)及空間關(guān)系，空間關(guān)系是指將通風網(wǎng)絡(luò)圖的拓撲關(guān)系，也就是將巷道支路與節(jié)點聯(lián)系起來的聯(lián)系，并采用GIS的數(shù)據(jù)組織方法[13]，采用點線（節(jié)點-支路）的索引結(jié)構(gòu)來保存。

整個算法是為基于GIS 的非穩(wěn)態(tài)通風網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計的。表1為整個結(jié)構(gòu)的具體流程。該模型和數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)通過整合地理信息為通風網(wǎng)絡(luò)提供了更多的地理空間和屬性數(shù)據(jù)的細節(jié)。

2 系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)

本研究設(shè)計了一個名為3D VentCloud的原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)是通過結(jié)合前端和后端技術(shù)開發(fā)的。前端是使用Html、JavaScript 和CSS 開發(fā)的。后端主要包括模型和算法，由C++和Python 開發(fā)。此外，采用Torna? do 作為服務(wù)器，在前端和后端之間傳輸數(shù)據(jù)[14]，從而將兩端連接起來。該系統(tǒng)主要包括3個層次，分別是技術(shù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層[15]。

（1）技術(shù)層。在這一層中，主要包括了以 GIS 為基礎(chǔ)的非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型和數(shù)據(jù)源兩個部分。數(shù)據(jù)來源是由最初獲取的巷道網(wǎng)絡(luò)中心線數(shù)據(jù)構(gòu)成的，采用GeoJson格式對其進行處理[16]，并將其存儲在 GIS 數(shù)據(jù)庫中。在 GIS 環(huán)境下，建立非穩(wěn)態(tài)通風網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)了通風網(wǎng)絡(luò)的拓撲關(guān)系的建立，并建立了一種以點、線為指標的非穩(wěn)態(tài)通風仿真模型。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于計算機輔助設(shè)計的方法。

（2）服務(wù)層。這一層以Tornado 體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過 WebSocket 界面，把 JavaScript 前端與Py? thon、C++軟件后端相聯(lián)接，完成了對 Python、C++軟件后端之間的信息交換[17]。3個js文件被用于完成3D 可視化的工作。

（3）應(yīng)用層。該層實現(xiàn)了煤礦通風管網(wǎng)的非穩(wěn)態(tài)通風仿真功能，三維可視化與時間空間屬性查詢功能，并實現(xiàn)了仿真結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了對巷道中線的讀出，并將其保存，實現(xiàn)了對礦井噴涂材料管道的三維建模，并將風管的幾何模型以. stl文件的形式輸出[18]。在仿真過程中，可以根據(jù)空氣流量的變化，對每一條巷道支路進行不同色彩的繪制，同時也可以對其進行查詢與顯示，從而得到更為詳細的巷道地理信息。

3 結(jié)果和討論

3.1非穩(wěn)態(tài)通風網(wǎng)絡(luò)模型驗證

為了在礦山實際應(yīng)用前驗證基于GIS 的非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型，本文從參考文獻[3]中獲取了數(shù)據(jù)。簡化的羧甲基纖維素鈉噴涂材料通風網(wǎng)絡(luò)圖及其最小生成樹如圖1所示；該網(wǎng)絡(luò)圖有11個巷道分支，包括一個虛擬分支和8個節(jié)點。

由表2可知，在本案例中，礦車在運輸通道（分支編號為2和3）內(nèi)迎風行駛，這將導致羧甲基纖維素鈉噴涂材料通風管道動態(tài)風阻增加，通道2和3的風量相應(yīng)減少。基于非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型，本文模擬了每個車道的風量隨時間的變化規(guī)律，具體如圖2所示，正值代表空氣的減少，負值代表空氣量的增加。

從圖2可以看出，2號和3號支路的運輸通道的空氣減少量最大，主要由于羧甲基纖維素鈉噴涂材料緊密地包裹在通風管道周圍，并通過其對孔隙空間的占用將管道粘合在一起；而3號支路的空氣增加量最大[20]，其主要原因為大部分氣流從進氣巷道流向與節(jié)點2的運輸巷道相連的巷道（支路2）。

此外，本文還對特定的巷道和節(jié)點進行了調(diào)查，以觀察礦車停止向風向移動后空氣體積和壓力隨時間變化的規(guī)律性。如圖3所示，以巷道2為例，展示了羧甲基纖維素鈉噴涂材料通風管道風量和風壓變化的非穩(wěn)態(tài)特征。

從圖3可以看出，隨著礦車向順風方向移動，2號巷道的羧甲基纖維素鈉噴涂材料通風管道風量減少分別呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢和下降趨勢，然后保持穩(wěn)定狀態(tài)。礦車停止迎風移動后，2號巷道的風量減少呈現(xiàn)出相反的趨勢，最后達到最初的穩(wěn)定狀態(tài)，主要原因為羧甲基纖維素鈉噴涂材料表面上存在許多孔隙，極大地增加了與風的接觸面積。同時風壓的變化也有類似的規(guī)律性，該結(jié)果與文獻[3]的研究結(jié)果一致，符合羧甲基纖維素鈉噴涂材料通風網(wǎng)絡(luò)模型中風量和風壓的變化規(guī)律。

3.2 礦井通風網(wǎng)絡(luò)的案例研究應(yīng)用

本研究將非穩(wěn)態(tài)通風網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用于實際煤礦中，以進一步驗證模型的實用性，并調(diào)查真實的礦井通風，進一步推動智能通風的發(fā)展。因此，獲得了煤礦的真實礦井通風網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包含290條巷道和222個節(jié)點。巷道網(wǎng)絡(luò)的三維幾何模型通過3D VentCloud系統(tǒng)讀取并可視化。

利用 GIS 技術(shù)構(gòu)建了礦井巷道內(nèi)的礦井通風網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并對巷道內(nèi)的羧甲基纖維素鈉噴涂材料通風管道進行了仿真。首先利用最短路法對巷道風阻進行了等級劃分，并據(jù)此得到了70條剩余支路及對應(yīng)的最小支路網(wǎng)絡(luò)。將各剩余分支與最小支撐樹相加，得到70條不同的線路。在此基礎(chǔ)上，建立了一個以 GIS為基礎(chǔ)的非定態(tài)網(wǎng)數(shù)學模型，并對其進行了仿真。得出了各礦巷道支路在不同時刻的空氣流量。結(jié)果表明，在礦井中，隨著時間的推移，礦井的通風趨于平穩(wěn)，所得到的結(jié)論也與常規(guī)的穩(wěn)態(tài)通風網(wǎng)絡(luò)模型相吻合。并且，該算法僅用了4.72 s的時間便可完成仿真。

為進一步提高非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型在礦井羧甲基纖維素鈉噴涂材料通風管道中監(jiān)測效果。使用非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型中的模擬氣流與礦井噴涂材料通風管道中實際通風調(diào)查數(shù)據(jù)進行比較。使用非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型中的模擬氣流與實際氣流的速率誤差如圖4所示。

從圖4可以看出，模擬氣流速率的總體誤差從17.26%降至1.42%。使用非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型后的氣流速率更接近實際測量數(shù)據(jù)。非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型模擬氣流速率與實際測量數(shù)據(jù)相匹配，進一步證明非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型在礦井噴涂材料通風管道的有效性。然而，仍有一些異常值與測得的氣流存在較大差異。表3列出了與測量數(shù)據(jù)相比差異超過10%的巷道（2、4、6、8、10巷道）。這些較大差異的主要原因是，大多數(shù)礦井噴涂材料通風管道中的氣流速率都很小，非穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型中的一個小差異在以百分比表示時會導致很大的誤差。例如，對于4號巷道，與測量數(shù)據(jù)的偏差僅為0.1 m3/s，導致11%的誤差。更大的差異也更頻繁地出現(xiàn)在礦井噴涂材料通風管道中，且在礦井通風管道中測量的阻力容易受到大的誤差的影響，主要原因為羧甲基纖維素鈉噴涂材料噴灑在通風管道上后，該噴涂材料可以牢固地包裹在通風管道壁上，形成硬化的“外殼”。同時，其大的比表面積使其能夠接觸更多的灰塵，從而產(chǎn)生良好的灰塵膠結(jié)效果，進一步影響通風阻力。

4 結(jié)語

本文研究了基于GIS 技術(shù)的非穩(wěn)態(tài)礦井羧甲基纖維素鈉噴涂材料通風模擬模型，并開發(fā)了原型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)了在線通風模擬，可以更好地適應(yīng)和促進智能礦井通風的建設(shè)。通過整合GIS 技術(shù)和非穩(wěn)態(tài)通風模擬模型，本研究提供了一個統(tǒng)一的基于GIS 的通風網(wǎng)絡(luò)模型，可以有效地模擬非穩(wěn)態(tài)通風狀態(tài)的動態(tài)變化，以及穩(wěn)態(tài)通風狀態(tài)。此外，基于所提出的算法開發(fā)了一個原型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以提供快速的模擬結(jié)果和基于位置的信息。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效地模擬羧甲基纖維素鈉噴涂材料通風結(jié)果，并有望為煤礦安全生產(chǎn)提供在線和實時的決策支持。

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