1. 系統(tǒng)開發(fā)背景

　　我國煤礦數(shù)目眾多，儲量豐富，但是由于我國煤層賦存和地質(zhì)條件復雜多樣，并且煤炭生產(chǎn)95%以上是井下工作，因而容易受瓦斯突出、火災、瓦斯爆炸等礦井災害的嚴重威脅。我國煤礦尚未實現(xiàn)對各種災害事故的有效控制，重特大惡性礦井事故仍時有發(fā)生，特別是近些年來，由于電力用煤需求的大幅增加，煤礦往往是超負荷開采，管理上也有些松懈，煤礦事故發(fā)生的頻率大大增加，造成了嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。同時由于煤礦礦井系統(tǒng)是十分復雜，而新進礦井工人往往需要很長一段時間才能逐漸熟悉礦井的相關(guān)系統(tǒng)，這無疑給礦井安全造成了一定的不利影響。雖然現(xiàn)在煤礦礦井中已經(jīng)安裝了一些自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)的作用往往只能用來監(jiān)測礦井在正常工作時的狀態(tài)以及在事故發(fā)生后，進行一些相關(guān)的分析，無法預知在某些災害發(fā)生后礦井中的狀態(tài)，無法確定出在災害發(fā)生后，礦井中的危險區(qū)域和安全區(qū)域，也就無法給礦井工作人員的逃生提供指導。

　　針對我國較多的煤礦災難事故，國家逐漸重視對煤礦的安全生產(chǎn)重視起來。在煤炭科學研究總院重慶分院的組織下，國家在2006年審批并通過了一項“十一五” 國家科技支撐計劃項目——煤礦瓦斯、火災與頂板重大災害防治關(guān)鍵技術(shù)，而清華大學的由長福教授作為專題負責人承擔了“瓦斯煤塵爆炸預防及繼發(fā)性災害防治關(guān)鍵技術(shù)”。專題的研究目標之一就是通過建立動態(tài)的井下通風網(wǎng)絡系統(tǒng)來對當瓦斯突出、瓦斯爆炸、冒頂?shù)葹暮Πl(fā)生時，礦井中的瓦斯擴散，壓力傳播，溫度改變等情況進行研究，以期發(fā)現(xiàn)各種災害條件下，礦井中的風流運移規(guī)律以及災害擴大的程度和所需用的時間。

　　正是在這樣的背景下，在項目的資助下，由清華大學能源與動力工程系和北京大風天利科技有限公司聯(lián)合進行軟件的開發(fā)。在此研究的基礎(chǔ)上，通過模擬礦井在不同災難條件下的工況，就可以對災害條件下，礦井中的狀態(tài)進行準確判定，清楚了解各種災害條件下礦井中的危險區(qū)域和安全區(qū)域，為礦井工作人員的逃生提供指導。同時，通過對煤礦系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的模擬，可以對礦井工作人員進行培訓，使其在礦井中發(fā)生災害時，能夠及時地采取相應措施，及時避免災難的擴大，最大程度保護礦井工作人員的生命安全。而通過軟件的模擬，在得知礦井在災難條件下的危險區(qū)域后，在礦井正常工作時，要對這些區(qū)域進行重點監(jiān)測和安全隔離措施，同時指出逃生路線，在適當?shù)膮^(qū)域設立避難的場所。軟件的開發(fā)對煤礦的安全生產(chǎn)以及在災難發(fā)生后，最大程度地降低災難的危害程度和保存工作人員的生命提供了重要指導。

2. 系統(tǒng)主要功能

　　該系統(tǒng)的功能主要定位在災害過程分析、通風過程分析和人員培訓等三個方面。

2.1 災害過程分析

　　通過模擬各種類型的礦井災難，在軟件的指導下，清楚了解礦井系統(tǒng)中的危險區(qū)域，并在平時生產(chǎn)中加強監(jiān)控，并在危險區(qū)域進行一定的安全設施布置，以在災難發(fā)生后能夠及時啟動安全設施，防治災難的進一步擴大。該系統(tǒng)包含了幾種井下主要故障的模擬：

2.1.1 風機故障模擬

　　礦井主通風機或者礦井內(nèi)局部通風機停轉(zhuǎn)或出現(xiàn)故障無法正常通風的情況。通過對主通風機或局部通風機的故障設置，應用本軟件和平臺能夠模擬得到在風機停轉(zhuǎn)后礦井通風網(wǎng)絡內(nèi)的風流變化和瓦斯?jié)舛仍诘V井通風網(wǎng)絡中的擴散過程以及不同時刻巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛确植肌?/span>

2.1.2 火災事故情況

　　現(xiàn)有巷道計算模塊已經(jīng)集成了火災兩個重要參數(shù)：釋放熱量和釋放氣體量的端口，通過設定這兩個參數(shù)可以實現(xiàn)在整個礦井通風網(wǎng)絡中的火災的分析。通過計算，能夠得到在火災情況下，溫度和有毒氣體在整個礦井通風網(wǎng)絡中的傳播過程。

2.1.3 瓦斯突出事故

　　現(xiàn)有巷道計算模塊通過提供瓦斯突出量等即可實現(xiàn)瓦斯突出情況的井下通風系統(tǒng)動態(tài)過程模擬。通過模擬該過程，能夠得到在瓦斯突出時，整個礦井通風網(wǎng)絡中的風流狀態(tài)以及瓦斯運移過程和不同時刻的瓦斯?jié)舛确植记闆r。

2.1.4 頂板和風門事故

　　通過對巷道阻力特性以及風門開關(guān)狀態(tài)輸入?yún)?shù)的設定，能夠模擬在頂板垮塌和風門關(guān)死或破壞情況下礦井通風網(wǎng)絡中的風流狀態(tài)，主要是風流在礦井通風網(wǎng)絡的重新分配和無風流巷道的區(qū)域分布，并能夠計算得到在有風流巷道內(nèi)瓦斯的運移過程和無風流巷道內(nèi)瓦斯的緩慢擴散過程以及不同時刻瓦斯在巷道中的分布。

2.2 通風過程分析

　　利用該系統(tǒng)，可實現(xiàn)危險區(qū)域的預警，以及新采區(qū)擴建等井下結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時的分析。可以顯著節(jié)省設計時間，提高系統(tǒng)可靠性，并減少升本。

2.3 人員培訓

　　通過模擬礦井災難，提高礦井工作人員的安全意識，并在災難發(fā)生后，能夠及時采取有效措施進行控制或者在軟件的指導下，進行逃生路徑的選擇并躲避危險。

3. 系統(tǒng)主要特點

　　1）仿真模型精度高

　　管道瓦斯計算的數(shù)學模型是在最新的理論研究基礎(chǔ)上建立起來的仿真數(shù)學模型，為了驗證該軟件的仿真精度，科研小組在清華大學建立了一個礦井的實驗平臺，通過不斷的在平臺上做全工況實驗，獲取不同運行工況下的數(shù)據(jù)，并利用實際的數(shù)據(jù)對數(shù)學模型進行不斷的驗證和修訂，確認了最終的仿真算法。

　　2）畫面形象

　　該仿真軟件的畫面能夠動態(tài)的顯示礦井的巷道內(nèi)部瓦斯的濃度和該處的溫度，瓦斯的濃度用管道顏色的深淺來表示，顏色越深表示該處的濃度越大，顏色越淺表示瓦斯的濃度越小，如下圖所示：

　　下圖是一個礦井系統(tǒng)瓦斯仿真的完整的系統(tǒng)圖，該狀態(tài)是瓦斯正在擴散的一個過程，在擴散的過程中，通過畫面我們就能很好的通過顏色的深淺來判斷瓦斯?jié)舛鹊母叩停谝恍╆P(guān)鍵的點，該仿真軟件還可以自由的設定該處的報警值，當該處的瓦斯?jié)舛冗_到報警值時，可以通過聲光報警來提醒人員注意。

圖2： 仿真系統(tǒng)圖

　　在模擬災難條件下，在界面上能夠形象地表示出瓦斯、壓力以及溫度在巷道中的傳播或傳遞過程，并且能夠看到監(jiān)測點數(shù)據(jù)的實時變化，并能繪畫出監(jiān)測點一些重要參數(shù)如瓦斯?jié)舛取毫蜏囟鹊鹊膶崟r曲線和歷史曲線，并在瓦斯?jié)舛瘸^一定值時，提示報警。在進行礦井災難模擬時，工作人員只需要在界面上修改數(shù)據(jù)，而無需在系統(tǒng)仿真模型界面進行修改，操作方面，特別適合新手進行培訓演練。

　　3）模塊化建模

　　模塊化建模是將實際對象中獨立的物理設備作為基本研究對象，講大系統(tǒng)分解為數(shù)目合理、容易處理的基本部件，以一種規(guī)范化的標準建立這些基本部件和設備的數(shù)學模型，再將其開發(fā)成通用的基本模塊，然后將這些模塊進行連接組態(tài)，形成整個系統(tǒng)的仿真模型。

　　根據(jù)煤礦礦井巷道的特點，軟件將其主要分為三類：普通巷道、匯流巷道和分流巷道，并根據(jù)能量和質(zhì)量守恒定律，分別建立這三種類型巷道的仿真模型如下：

　　a) 通過判斷進出后壓力，確定流動情況。該模型是模擬煤礦中大多巷道的模塊，其主要功能是計算巷道內(nèi)壓力、溫度、流量、瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)的變化。下圖為普通巷道模型：

　　b)通過判斷上下級巷道模塊的流量信息，充分分析巷道流動中在匯流處發(fā)生的所有倒流情況，并執(zhí)行相應的功能，主要功能是在每一個時間步長，計算出分流模塊內(nèi)已經(jīng)均勻的壓力，溫度、流量和瓦斯?jié)舛炔鬟f到相應的上級或下級模塊。

　　c)與匯流模塊相似，通過分析來自上下級模塊的流量信息進行判斷流動的情況，并執(zhí)行相應的功能，計算所得的結(jié)果傳遞到上級或下級模塊。

　　4）系統(tǒng)功能強大，擴展性好

　　當系統(tǒng)搭建完成之后，便可以開展災難條件下，礦井通風系統(tǒng)的模擬仿真。在現(xiàn)有系統(tǒng)的功能基礎(chǔ)上，可以進行瓦斯突出、瓦斯爆炸、頂板破壞等煤礦災害的模擬仿真，能夠計算得到礦井各處的瓦斯?jié)舛取毫Α囟群土髁康戎匾獏?shù)。而在煤礦礦井系統(tǒng)發(fā)生變化時，系統(tǒng)能夠被及時做出調(diào)整，能夠與煤礦礦井通風系統(tǒng)保持一致。并且可以根據(jù)煤礦現(xiàn)場的實際需要，軟件功能進行相應的增加，擴展性能好。