煤矿井下水害漫延及避灾路线问题的研究

发布时间：2017-03-28 22:05

  本文关键词：煤矿井下水害漫延及避灾路线问题的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近些年来,矿井水害事故发生率一直居高不下,威胁职工生命安全,也给企业财产带来惨重的代价。为了使井下工作人员在突水时安全逃生,一方面需要系统地研究水流在巷道复杂拓扑结构中的漫延规律,建立相应的仿真模型;另一方面需要根据漫延规律制定相应的避灾路线,以最大程度地保证职工的生命安全,降低给企业带来的损失。为此,本文主要从两个方面,即矿井水害漫延的数值模拟和矿井下避灾路线最短路径问题,开展了相关的研究。具体研究的内容包括:(1)为了对井下水害漫延进行仿真,本文首先对巷道突水的变化过程进行了分析。分析发现,根据突水影响因素在不同时间段对水流速度的影响不同,巷道中水流的漫延过程可分成两个阶段:初期动态变化阶段及动态平衡阶段。初期动态变化阶段存在于突水发生的初期,此阶段的特点是巷道中水流的速度以及水位标高都会动态发生变化。一段时间过后,巷道中的水流会到达动态平衡阶段。动态平衡阶段的特点是巷道水位标高几乎达到动态平衡,突水漫延速度基本上不会随单位时间突水量的变化而发生变化。(2)为了模拟井下水害的漫延情况,本文开展了基于格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)的水害漫延模型构建研究。首先对LBM用于井下水害漫延的可行性进行了分析论证;基于此建立了相应的突水漫延模型。所构建的模型可用于井下几种比较常见的巷道结构:直巷道、“Y”型巷道以及“+”型巷道等。进而针对“Y”型巷道角度不唯一的情况,提出了一种新的耦合边界的方法。通过实验仿真,并与comsol软件的模拟结果对比,验证了本文所构建模型的可行性。(3)针对井下突水漫延趋势分析时最短路径查找问题,本文给出了一种基于离散萤火虫算法的突水漫延最短路径查找方法。该算法通过采用转移概率初始化的方法初始化萤火虫个体,重新定义了萤火虫的空间距离、最大荧光亮度和相对荧光亮度等,使得萤火虫个体的状态可表示一条从起始点到目标点的有效路径。为了增加解的多样性以及防止计算的结果陷入局部最优解,以一定概率对萤火虫代表的路径执行扰动操作。经过多次迭代计算后,可得到所要求解的最短路径。(4)本文提出了一种可用于突水漫延最短路径查找的模拟植物生长算法,该方法用每个生长点来代表一条从起始点到目标点的有效路径。因为采用比例选择策略,所以目标函数值越优的个体越容易被选择优先生长。通过不断选择新基点,然后以这些基点为基础产生新的树枝生长点。以此往复,多次计算后得到的最优解就是所要求的井下最短路径。最后,通过理论上可行性分析以及仿真计算,验证了该方法可以用来求解井下最短路径问题。
【关键词】：矿井水害漫延模拟 矿井下最优避灾路线 格子Boltzmann方法 离散萤火虫算法 模拟植物生长算法
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD745;TP18
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 选题背景及其研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 国外研究现状11-12
• 1.2.2 国内研究现状12-13
• 1.2.3 存在问题13-14
• 1.3 本文研究的主要内容14-16
• 1.4 本章小结16-18
• 第二章 矿井突水漫延及避灾路线相关理论与技术18-36
• 2.1 矿井突水漫延相关理论与技术18-30
• 2.1.1 格子气自动机18-20
• 2.1.2 LBM20-30
• 2.2 矿井避灾路线相关理论与技术30-34
• 2.2.1 巷道网络的表示30
• 2.2.2 影响巷道路径权重的因素30-32
• 2.2.3 轮盘选择法32
• 2.2.4 基本Dijkstra算法32-33
• 2.2.5 应用AAA求解最短路径问题33-34
• 2.3 本章小结34-36
• 第三章 基于LBM的井下突水漫延仿真研究36-48
• 3.1 井下巷道结构的抽象36-37
• 3.2 巷道突水的变化过程分析37-38
• 3.3 单个直巷道的突水漫延模型38-39
• 3.3.1 D2G9模型38
• 3.3.2 数值模拟38-39
• 3.4 “Y”型巷道的突水漫延模型39-45
• 3.4.1 简单“Y”型巷道的突水漫延模型40-43
• 3.4.2 数值模拟43-45
• 3.5 “+”型巷道的突水漫延模型45-46
• 3.6 本章小结46-48
• 第四章 群智能算法在井下最短路径问题中的研究48-70
• 4.1 煤矿井下巷道网络拓扑结构48
• 4.2 基于离散萤火虫算法求解井下最短路径48-59
• 4.2.1 萤火虫算法原理49-51
• 4.2.2 离散萤火虫算法51-56
• 4.2.3 仿真实验及结果56-59
• 4.3 基于模拟植物生长算法求解井下最短路径问题59-67
• 4.3.1 模拟植物生长算法的原理59-61
• 4.3.2 基于模拟植物生长算法的井下避灾路线最短路径寻优算法61-65
• 4.3.3 仿真实验及结果65-67
• 4.4 两种算法的可行性分析67-68
• 4.5 本章小结68-70
• 第五章 总结和展望70-72
• 5.1 总结70-71
• 5.2 本文的创新点71
• 5.3 展望71-72
• 参考文献72-76
• 致谢76-78
• 攻读学位期间发表的学术论文78

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