iVent软件在矿井通风教学中的应用与实践

890 编辑：中冶有色技术网来源：中南大学、煤炭资源与安全开采国家重点实验室、中南大学数字矿山研究中心

2023-05-31 11:44:45

0 引言

随着矿山开采深度增加和采掘机械化程度的提高，矿井通风与空调对于矿井建设和生产有着越来越重要的意义。《矿井通风与空气调节》属于国家精品课程，是采矿工程与安全工程的主干专业课，由于课程的实践性和工程性强，涉及知识广，理论知识抽象，通风网络复杂等问题，学生普遍反映学习难度较大，难以理解。受教学方法、教学工具和课时限制，该课程进一步系统地教学面临挑战。

通风是一门抽象的学科，教学过程中面临网络解算、通风设计和优化、通风系统演示、通风立体图绘制等难题，传统教学方式普遍采用黑板或ppt，二维静态文字与图像难以达到教学目的。紧随数字矿山飞速发展的步伐，运用可视化手段来模拟真实矿山，营造一个虚拟现实的通风系统，它近或优于真实的系统，借助通风软件教学弥补传统教学的不足，大大提高了教学效率。iVent是集三维通风网络设计、风网调节与模拟和风网解算与优化为一体的矿井通风软件系统，可作为通风教学的辅助平台，借助该平台可以使学生明确学习目的，迅速掌握矿井通风与空气调节的基本理论，锻炼通风设计和管理的能力，掌握应用软件的技能和解决实际问题的经验。

1 课程性质、特点及面临挑战

1.1 课程性质

《矿井通风与空气调节》作为采矿工程和安全工程专业的一门必修核心专业课，课程以阐明矿井通风的基本概念、基本原理、基本方法、基本运算、基本设计、基本测定、基本管理(“七基”)为核心，系统地介绍矿井空气流动基本理论、矿井空气流动能量方程、矿井通风阻力及其计算、矿井自然通风、矿井主扇与机械通风、矿井通风网络风量分配与调节、掘进工作面通风、矿井通风系统及其设计、矿井通风测定和通风系统管理、矿井热环境调节、矿井防尘与排氡，并使之融会贯通。通过理论教学、实验、实践和课程设计，使学生掌握非煤矿山矿井通风与空调的基本理论和基础知识，具有矿井通风设计、管理的能力。

1.2 课程特点

矿井通风与空气调节是一门专业性和实践性强的课程，是理论、实验、实践、设计和管理的有机结合。该课程具有以下特点:

(1)实验性强。实验内容包含：矿井空气测定/矿井大气压力测定、阻力测定、风筒断面的速度场系数测定与风表校正、风筒风阻特性曲线的实测、扇风机(装置)特性曲线的实测。

(2)理论性强，多学科交叉，该课程与《地质学》、《采矿学》、《地下施工》相配套，在其后开设。它是以复杂图形和网络计算为教学基础的学科，涉及图论的知识、网络数学模型分析、复杂网络自然分风电算等，需要有较强的基础课功底。

(3)内容多、难点多，知识层次清晰，内容环环相扣。后期的课程设计充分体现了课程的实践性，将全书内容贯通融入到实际的矿山通风系统设计中，进一步巩固所学知识，理论联系实际。

1.3 课程特点

(1)实验方面课程设置了较多实验，但实验条件有限，实验室建设需要较大场地和较多经费，现有的实验器材和实验方法无法测量出理想的数据，实验误差大，少数高校具备完善的实验室。

(2)教学方面由于课程理论和实践性强，与之相适应的教学方法需要形象丰富，除常规教学讲解外，还要开展课堂提问讨论、实验课、上机解算复杂网络、课程设计、等多种教学方式，常出现课时不够的现象。尤其是在复杂网络解算这一块，必须借助软件才能算出结果，传统的教学方法把学生置于被动地位，学生必须紧随教师思路积极思考，并能让学生有时间记笔记，以便课后复习巩固。

(3)课程设计课程涵盖的知识较广，不仅需要熟悉矿山各个系统，还需要对整个矿井通风系统结构、功能、安全、技术经济指标进行分析。难点多，知识环环紧扣。结课后的课程设计更是贯通了整本书的知识，同时还得对矿山的整个构架有清晰的了解，其中，风量和阻力的计算量大;并进行风机联合运行的稳定性分析复杂;看懂抽象的开拓系统图、采矿方法图，绘制通风立体示意图都需要三维空间的想象力。

2 iVent思想构架及教学意义

2.1 iVent主要功能

iVent矿井通风系统系统是在Dimine平台上专门为矿井通风业务研发的一款软件，该系统基于Dimine数字采矿平台核心技术构建，是在三维仿真基础上的通风系统设计、通风网络结算、三维通风状态模拟作业平台。主要功能涵盖：风网设计、风网解算、风网调节、结算报告输出、风机数据库管理风机构筑物模拟、需风量计算、循环风警示、最大阻力路线提取。

2.2 iVent系统特色

iVent矿井通风系统特色主要体现在以下几个方面：

(1)兼容dmf、dxf、dwg数据格式，可实现开拓系统与通风系统、通风数据转与生产设计数据的相互转换;

(2)软件系统在真三维环境下进行软件设计，在编辑过程中动态维护拓扑关系，达到所见即所得的效果，充分考虑用户体验;

(3)单条分支可存在多个几何节点，有效降低风网复杂度;

(4)可模拟风窗、风门、风墙、降阻措施等通风调节措施在风网中的调节量;

(5)基于独立网孔法的回路风量计算方法，解算快速、稳定，千条风路10s内解算;

(6)全面、详尽、准确的风机数据库;

(7)支持对于风机串并联情况下的风机优选，协助用户快速选择当前工况情况下的适合风机;

(8)提供快速计算不同范围内需风量计算，避免繁琐的手工计算过程;

(9)具有回路法、通路发等多种局部风量调节方法，为不满足需风量要求的位置提供调节方案;

(10)可以一键输出报告。

2.3 iVent教学意义

针对课程和iVent各自特点，将iVent运用于矿井通风的教学之中，对推动课程的发展、培养学生实践能力具有长远的意义。

(1)课程实验的目的是让学生了解实验原理、学会使用实验器材，iVent是为矿井通风业务开发的一款作业软件，借助软件能辅助课程实验，快速明确实验目的，校验实验数据，快速处理数据，分析结果。

(2)在授课过程中，三维的效果，美观的界面，动画显示风流可以调动学习的热情，帮助教师讲解抽象的内容，可以把学习通风软件可列为教学内容的一部分，让学生亲自感受软件的交互性。在复杂网络的解算上，iVent通过简单的操作就能快速算出，并且三维可视化的方式清楚地表述出来，大大提高了教学效率。

(3)程设计是对全书内容的巩固，iVent每个功能的开发都服务于三维通风网络设计，极大程度上解决了课程设计无从下手和工作量大的问题。国内矿山数字化已有一定基础，培养学生使用iVent，符合目前矿山信息技术型人才的需求。

3 应用实例

3.1 iVent应用于复杂网络解算与风量调节

iVent有着快捷的解算功能，精确的选择风机对复杂通风网络进行解算，对整个矿井风量分配、风机运行情况进行模拟;另外，iVent也有着强大调节功能，可以通过“手动调节”、“回路法”或“通路法”调节。最后，iVent以动画的方式清楚形象的传达解算结果和风量调节方式，如图1所示。

通风网络解算与调节动画模拟部分截图

图1 通风网络解算与调节动画模拟部分截图

3.2 iVent应用于课程设计

结合iVent进行通风系统的课程设计，具体步骤如下：

(1)将井巷工程的.dmf文件导入系统实现自动构建风网，根据总体结构拟定通风方案、布置进风井和回风井、确定通风方式、选择主扇安装地点，再通过编辑，对通风网络进行必要的巷道添加和编辑、风机添加等调整与修改。

(2)运用需风量计算属性参考工具，根据规程要求快速计算回采、掘进、硐室需风量，为需风点风量设置提供依据，省却繁琐的手工计算过程。

(3)运用摩擦阻力系数库属性参考工具，使阻力计算更科学。提供了循环风、最大阻力线路、节点压力计算等多种高级计算工具，辅助分析矿井通风薄弱环节，提取最大阻力路线。

(4)在未设置风机时，可以根据工况风量和风压，运行虚拟风机，进行网络解算，运用全面、详尽、准确的风机数据库，协助用户快速选择当前工况情况下的合适风机。

(5)使用数据统计，对视图内巷道、风机、构筑物，进行整体统计，再按其金额，计算费用。

(6)运行风机，对整个矿井风量分配、风机运行情况进行模拟，并给出不满足需风量要求的解决方案，辅助进行风网的调节;具有回路法、通路法多种调节方法，调节中创造性考虑降阻调节。

(7)在设计的整个过程中，已在编辑和调整整个风网，设计结束，即完成通风网络图、立体图的绘制，无需单独安排课时绘图，如图2所示。

iVent应用与矿井通风课程设计

图2 iVent应用与矿井通风课程设计

4 结语

矿井通风的课程教学应注重理论与实践的有机结合，突破重点和难点，掌握矿山通风与空气调节基本规律和基本原理，并将其应用于实际的通风设计中，培养学生矿井通风设计和管理的能力。

iVent集三维通风网络设计、风网调节与模拟和风网解算与优化为一体，不仅能应用于抽象知识的教学、实验的指导，还能快速设计矿井通风系统，它与传统教学互补，虚拟可视化平台使教学更加生动、直观、高效，将教学内容由静态变为动态，抽象变为形象。在课程设计中，iVent能引导设计者快速理清设计思路，将所学知识串联起来，避免繁琐的计算过程，全方位培养学生通风设计的能力，为在毕业设计和实践工作中运用此类软件奠定基础。

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