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博士学位论文矿井通风系统风流参数动态监测及风量调节优化DynamicMonitoringofAirflowParametersandAirQuantityRegulationOptimizationforMineVentilationSystem作者：司俊鸿导师：陈开岩教授中国矿业大学二○一二年十月中图分类号TD72学校代码10290UDC622.4密级公开中国矿业大学博士学位论文矿井通风系统风流参数动态监测及风量调节优化DynamicMonitoringofAirflowParametersandAirQuantityRegulationOptimizationforMineVentilationSystem作者司俊鸿导师陈开岩教授申请学位工学博士培养单位安全工程学院学科专业安全技术及工程研究方向矿井通风与安全答辩委员会主席王德明评阅人二○一二年十月论文审阅认定书研究生司俊鸿在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。导师签字：年月日致谢论文是在陈开岩教授的悉心指导下完成的，没有陈开岩教授的指导、鼓励及大力支持，论文是不可能得以顺利完成的。师从五载，收获颇丰，感触亦深。陈开岩教授优秀的做人品质、严谨的治学态度、开拓创新的精神、高屋建瓴把握全局的能力以及忘我的工作精神，给学生树立了潜移默化的典范作用，这也是导师传授给学生最宝贵的财富。在此，谨向我的导师致以深深的敬意。感谢安全工程学院蒋曙光教授、张人伟副教授、吴征艳副教授对论文选题提出了宝贵的意见和建议。感谢盘江集团张仕和董事长，盘江精煤股份公司徐再刚总工程师，通风处麻竹林处长、旷永华副处长，金佳矿罗卫东总工程师、通风区蔡波区长、余德胜、杨彧、钱燕飞、羊超等在现场调研、现场实测、数据采集和应用方面的支持和帮助。感谢同门师兄弟蒋中承、张宝、王军、邵和、郭千枫、黄帅、宋凯、陈辉、赵红梅等人的大力支持和帮助。感谢年迈的父母、姐姐以及贤惠的妻子，对我学习的理解、督促和鼓励。再一次向所有帮助、支持、关心过我的人们致以诚挚的谢意！最后，向百忙之中评审本文并提出宝贵意见的各位专家致以崇高的敬意！I摘要合理的矿井通风系统风流参数是保障矿井安全生产、改善井下人员劳动安全健康条件和防灾抗灾的昀重要环节。随着矿井监控技术的发展，通风安全监控设备在煤矿安全生产中发挥着越来越重要的作用。针对目前矿井通风系统风流参数监测、风量调节优化中存在的问题，论文系统研究矿井通风网络风流参数动态监测与风量调节优化理论技术，为实现矿井自动化进程、保障矿井安全高效集约化开采提供了基础理论依据。通过对测风求阻的改进方法进行研究，提出了基于昀少调节次数的昀优回路选择算法，利用通风网络风流参数监测数据，建立了复杂矿井通风网络测风求阻改进模型，提出采用贪婪进化算法与广义交叉检验法相结合的Tikhonov正则化算法进行求解。根据复杂矿井通风系统全局调控与局部调控相结合的调节原则，提出了基于风机工况调节与井下巷道风阻调节相结合的测风求阻法调节选址方法，确定测风求阻模型的合理调节位置。在矿井通风网络风流参数动态监测研究的基础上，提出采用冗余传感器平差处理方法和标准差滤波方法进行监测数据预处理，提高监测数据的准确度，减少扰动对计算结果的影响。提出了矿井通风网络风流参数无盲区监测时监测点优化选址方法，以矿井通风风流参数（风压和风速）监测点昀少量、满足通风网络全部分支风阻实时解算需要、风流参数无盲区监测为目标函数，以通风网络回路风压平衡方程及节点风量平衡方程为约束条件，采用分步优化解算的思想，建立了基于可变模糊理论的风速传感器优化选址模型和监控系统线缆优化布置模型，确定了风流参数传感器的安装位置、传感器与监控分站的隶属关系、监控主线的昀优铺设方案。建立了以调节设施数量昀小和主要通风机总功率昀小为目标函数，以非定流余树分支风量和可调节分支风阻调节量为决策变量，以巷道风量、用风地点需风量、矿井通风总阻力、可调分支阻力调节量上下限为不等式约束条件，以通风网络回路风压平衡方程、节点风量平衡方程、分支阻力方程及风机特性曲线方程为等式约束条件的矿井通风网络风量调节非线性优化模型，提出了基于贪婪进化算法和关键路径法相结合的求解算法（GECP算法），获得了矿井通风系统安全、合理、经济运行的优化调控方案。采用MicrosoftVisualC++和MicrosoftSQLServer数据库混合编程的方法设计编制出矿井通风系统动态监测及风量调节优化软件，实现了通风网络监测设备选址、监测数据查询、测风求阻计算以及通风网络风量调节优化等功能。将上述成果在贵州盘江煤电集团有限责任公司金佳煤矿进行了试验研究。该论文有图61幅，表50个，参考文献163篇。关键词：通风网络；风量调节优化；传感器选址；测风求阻；贪婪进化算法IIAbstractThereasonablevalueofairflowparametersisthemostimportantpartsofprotectingthemineproductionsafety,improvingtheundergroundsafetyandhealthconditionsofstaffsaswellaspreventingthedisastersinmineventilationsystem.Withthedevelopmentofminemonitoringtechnology,themonitoringequipmentplaysafatalroleinkeepingthemineventilationsystemoperatingsafelyandstably.Aimingattheproblemsofairflowparametersmonitoringandairquantityregulationoptimizationofmineventilationsystem,thispapersystematicallystudiesthetheoryandtechnologyofdynamicmonitoringandairquantityregulationoptimization.Itprovidesthetheoreticalbasisfortherealizationofmineautomationprocess,protectionofthesafety,intensiveandefficientexploitationofmine.Accordingtothemeasuringairflow&evaluatingresistance(MAER)method,thispaperestablishesthealgorithmofchoosingtheoptimalcircuitfortheminimumregulationnumberofMAERmodelandamodifiedmodelofMAERbasedonthemonitoringdataincomplexmineventilationsystem.Combiningwithgreedyevolutionalgorithmandgeneralizedcross-validationmethod,theTikhonovregularizationmethodisproposedtoreviseabovemodel.Accordingtotheprincipleofglobalandlocalregulationofthecomplexmineventilationsystem,theregulatinglocationofMAERmethodisputforwardbasedonregulatingthemainfanoperatingconditionsandairresistanceofundergroundroadway.Inordertoimprovetheaccuracyofthemonitoringdataandreducethedisturbancetothemeasurementandcalculatingresults,theadjustmentofredundantairvelocitytransducermeasurementandthestandarddeviationfiltermethodareputforwardbasedonthetheoreticalstudyofthedynamicairflowparametersofminemonitoringsystem.Inordertoovercometheblindmonitoringzoneofairflowparameters,theoptimaltransducerlocationmethodisproposedinminemonitoringsystem.Theobjectivefunctionsaretheminimumamountoftransducerlocationsofairflowparameters(windpressureandairvelocity),anditshouldsatisfytherequirementofreal-timecalculatingthebranchresistanceofmineventilationnetworkandobtainingthewholeairflowparameterswithoutblindmonitoringzone;theconstraintsobeytheKirchhoff’scurrentlawandKirchhoff’svoltagelaw.Adoptingthestepbystepoptimizationsolutionmethod,themodelofairvelocitytransducerarrangementbasedonvariablefuzzyoptimizationtheoryandtheoptimaldistributionstyleofmonitoringcableareputforwardfordeterminingthetransducerlocationofairflowparameters,theaffiliationoftransducerandmonitoringsubstation,aswellastheoptimallayingplanofmonitoringcable.IIIThispaperestablishesthemathematicalmodelofairquantityregulationoptimizationofmineventilationnetwork.Theobjectivefunctioniscomposedofthefewestregulatinglocationsandthesmallestairpowerofmainfans;thevariablesaremixingoftheregulatingairresistanceofbranchesandtheairquantityofthecotreebrancheswhicharenottheconstantbranch;theinequalityconstraintconditionsincludethelowerandupperboundoftheairvelocity,theregulatingairresistanceoftheroadway,therequiredairquantityofthechamber,andthefanpressure;theequalityconstraintconditionsobeytheKirchhoff’scurrentlawand