1. 系统开发背景

　　我国煤矿数目众多，储量丰富，但是由于我国煤层赋存和地质条件复杂多样，并且煤炭生产95%以上是井下工作，因而容易受瓦斯突出、火灾、瓦斯爆炸等矿井灾害的严重威胁。我国煤矿尚未实现对各种灾害事故的有效控制，重特大恶性矿井事故仍时有发生，特别是近些年来，由于电力用煤需求的大幅增加，煤矿往往是超负荷开采，管理上也有些松懈，煤矿事故发生的频率大大增加，造成了严重的人员伤亡和财产损失。同时由于煤矿矿井系统是十分复杂，而新进矿井工人往往需要很长一段时间才能逐渐熟悉矿井的相关系统，这无疑给矿井安全造成了一定的不利影响。虽然现在煤矿矿井中已经安装了一些自动监测和控制系统，但这些系统的作用往往只能用来监测矿井在正常工作时的状态以及在事故发生后，进行一些相关的分析，无法预知在某些灾害发生后矿井中的状态，无法确定出在灾害发生后，矿井中的危险区域和安全区域，也就无法给矿井工作人员的逃生提供指导。

　　针对我国较多的煤矿灾难事故，国家逐渐重视对煤矿的安全生产重视起来。在煤炭科学研究总院重庆分院的组织下，国家在2006年审批并通过了一项“十一五” 国家科技支撑计划项目——煤矿瓦斯、火灾与顶板重大灾害防治关键技术，而清华大学的由长福教授作为专题负责人承担了“瓦斯煤尘爆炸预防及继发性灾害防治关键技术”。专题的研究目标之一就是通过建立动态的井下通风网络系统来对当瓦斯突出、瓦斯爆炸、冒顶等灾害发生时，矿井中的瓦斯扩散，压力传播，温度改变等情况进行研究，以期发现各种灾害条件下，矿井中的风流运移规律以及灾害扩大的程度和所需用的时间。

　　正是在这样的背景下，在项目的资助下，由清华大学能源与动力工程系和北京大风天利科技有限公司联合进行软件的开发。在此研究的基础上，通过模拟矿井在不同灾难条件下的工况，就可以对灾害条件下，矿井中的状态进行准确判定，清楚了解各种灾害条件下矿井中的危险区域和安全区域，为矿井工作人员的逃生提供指导。同时，通过对煤矿系统的控制系统的模拟，可以对矿井工作人员进行培训，使其在矿井中发生灾害时，能够及时地采取相应措施，及时避免灾难的扩大，最大程度保护矿井工作人员的生命安全。而通过软件的模拟，在得知矿井在灾难条件下的危险区域后，在矿井正常工作时，要对这些区域进行重点监测和安全隔离措施，同时指出逃生路线，在适当的区域设立避难的场所。软件的开发对煤矿的安全生产以及在灾难发生后，最大程度地降低灾难的危害程度和保存工作人员的生命提供了重要指导。

2. 系统主要功能

　　该系统的功能主要定位在灾害过程分析、通风过程分析和人员培训等三个方面。

2.1 灾害过程分析

　　通过模拟各种类型的矿井灾难，在软件的指导下，清楚了解矿井系统中的危险区域，并在平时生产中加强监控，并在危险区域进行一定的安全设施布置，以在灾难发生后能够及时启动安全设施，防治灾难的进一步扩大。该系统包含了几种井下主要故障的模拟：

2.1.1 风机故障模拟

　　矿井主通风机或者矿井内局部通风机停转或出现故障无法正常通风的情况。通过对主通风机或局部通风机的故障设置，应用本软件和平台能够模拟得到在风机停转后矿井通风网络内的风流变化和瓦斯浓度在矿井通风网络中的扩散过程以及不同时刻巷道内的瓦斯浓度分布。

2.1.2 火灾事故情况

　　现有巷道计算模块已经集成了火灾两个重要参数：释放热量和释放气体量的端口，通过设定这两个参数可以实现在整个矿井通风网络中的火灾的分析。通过计算，能够得到在火灾情况下，温度和有毒气体在整个矿井通风网络中的传播过程。

2.1.3 瓦斯突出事故

　　现有巷道计算模块通过提供瓦斯突出量等即可实现瓦斯突出情况的井下通风系统动态过程模拟。通过模拟该过程，能够得到在瓦斯突出时，整个矿井通风网络中的风流状态以及瓦斯运移过程和不同时刻的瓦斯浓度分布情况。

2.1.4 顶板和风门事故

　　通过对巷道阻力特性以及风门开关状态输入参数的设定，能够模拟在顶板垮塌和风门关死或破坏情况下矿井通风网络中的风流状态，主要是风流在矿井通风网络的重新分配和无风流巷道的区域分布，并能够计算得到在有风流巷道内瓦斯的运移过程和无风流巷道内瓦斯的缓慢扩散过程以及不同时刻瓦斯在巷道中的分布。

2.2 通风过程分析

　　利用该系统，可实现危险区域的预警，以及新采区扩建等井下结构发生变化时的分析。可以显著节省设计时间，提高系统可靠性，并减少升本。

2.3 人员培训

　　通过模拟矿井灾难，提高矿井工作人员的安全意识，并在灾难发生后，能够及时采取有效措施进行控制或者在软件的指导下，进行逃生路径的选择并躲避危险。

3. 系统主要特点

　　1）仿真模型精度高

　　管道瓦斯计算的数学模型是在最新的理论研究基础上建立起来的仿真数学模型，为了验证该软件的仿真精度，科研小组在清华大学建立了一个矿井的实验平台，通过不断的在平台上做全工况实验，获取不同运行工况下的数据，并利用实际的数据对数学模型进行不断的验证和修订，确认了最终的仿真算法。

　　2）画面形象

　　该仿真软件的画面能够动态的显示矿井的巷道内部瓦斯的浓度和该处的温度，瓦斯的浓度用管道颜色的深浅来表示，颜色越深表示该处的浓度越大，颜色越浅表示瓦斯的浓度越小，如下图所示：

　　下图是一个矿井系统瓦斯仿真的完整的系统图，该状态是瓦斯正在扩散的一个过程，在扩散的过程中，通过画面我们就能很好的通过颜色的深浅来判断瓦斯浓度的高低，在一些关键的点，该仿真软件还可以自由的设定该处的报警值，当该处的瓦斯浓度达到报警值时，可以通过声光报警来提醒人员注意。

图2： 仿真系统图

　　在模拟灾难条件下，在界面上能够形象地表示出瓦斯、压力以及温度在巷道中的传播或传递过程，并且能够看到监测点数据的实时变化，并能绘画出监测点一些重要参数如瓦斯浓度、压力和温度等的实时曲线和历史曲线，并在瓦斯浓度超过一定值时，提示报警。在进行矿井灾难模拟时，工作人员只需要在界面上修改数据，而无需在系统仿真模型界面进行修改，操作方面，特别适合新手进行培训演练。

　　3）模块化建模

　　模块化建模是将实际对象中独立的物理设备作为基本研究对象，讲大系统分解为数目合理、容易处理的基本部件，以一种规范化的标准建立这些基本部件和设备的数学模型，再将其开发成通用的基本模块，然后将这些模块进行连接组态，形成整个系统的仿真模型。

　　根据煤矿矿井巷道的特点，软件将其主要分为三类：普通巷道、汇流巷道和分流巷道，并根据能量和质量守恒定律，分别建立这三种类型巷道的仿真模型如下：

　　a) 通过判断进出后压力，确定流动情况。该模型是模拟煤矿中大多巷道的模块，其主要功能是计算巷道内压力、温度、流量、瓦斯浓度等参数的变化。下图为普通巷道模型：

　　b)通过判断上下级巷道模块的流量信息，充分分析巷道流动中在汇流处发生的所有倒流情况，并执行相应的功能，主要功能是在每一个时间步长，计算出分流模块内已经均匀的压力，温度、流量和瓦斯浓度并传递到相应的上级或下级模块。

　　c)与汇流模块相似，通过分析来自上下级模块的流量信息进行判断流动的情况，并执行相应的功能，计算所得的结果传递到上级或下级模块。

　　4）系统功能强大，扩展性好

　　当系统搭建完成之后，便可以开展灾难条件下，矿井通风系统的模拟仿真。在现有系统的功能基础上，可以进行瓦斯突出、瓦斯爆炸、顶板破坏等煤矿灾害的模拟仿真，能够计算得到矿井各处的瓦斯浓度、压力、温度和流量等重要参数。而在煤矿矿井系统发生变化时，系统能够被及时做出调整，能够与煤矿矿井通风系统保持一致。并且可以根据煤矿现场的实际需要，软件功能进行相应的增加，扩展性能好。