耗散结构理论在矿井通风系统优化中的应用

赵显顺

摘要：随着社会经济的快速的发展，尤其是进入21世纪以来，科学技术的快速发展更碎给人们的生活带来的很多的便利，很多的安全生产活动都要依靠科技来进行。因此，科学必须进步。对于煤矿业来说，井下通风技术是确保地下开采非常有效的手段，为了增加这项技术的运用，利用当前先进的科学技术是很多企业以及研究人员的优选，这样才能使得通风系统更加的合理，从而使得采矿工程能够顺利的进行，采矿人员的安全也能够得到保障。本文利用了耗散结构理论，能够对通风系统的形成过程以及系统平衡等进行研究，从而得出相关的结论，这些都有助于矿井通风系统的优化。

关键词：矿山安全；耗散结构理论；矿井通风系统；优化；应用

引言：一个矿井通风系统如果没有自然风压的作用或没有风机运转,即系统与外界无物质和能量交换,可以视为一个封闭系统。若用熵函数概念来表达这种过程的特点,即熵不断增大到最大值。处于这种状态的通风系统,没有风流存在,无法给工作面提供新鲜空气,排出被污染的空气,故不能满足生产通风的需要。当矿井通风系统受到自然风压作用或者通风系统中有风机运转时,风机消耗了大量能量,新鲜空气经通风系统的进风段，到达用风工作面,污浊气体经回风道排出系统,维持着一个“输入一输出”的体系结构，故可以把通风系统看成一个开放系统。耗散结构理论是一个用于处理远离平衡的开放系统的有力工具,已经广泛应用于工程、管理和医学等领域，本文也将其运用到矿井通风系统的优化上，促进矿井的安全生产。

一、耗散结构理论简介

一个远离平衡的开放系统,通过不断地同外界进行物质、能量和信息交换,从周围环境中引入负熵,以抵消系统熵的增加,由于内部各子系统之间存在非线性相互作用,通过涨落,使各元素或子系统有可能合作行为,形成时间、空间和功能都稳定有序的耗散结构。从热力学第二定律的数学表达式（dS/dt≥0)出发,推广到与外界有能量和物质交换的开放系统,熵的改变有两部分组成,根据耗散结构理论,事物的发展过程是一个不断形成新的耗散结构的过程。耗散结构形成必需的内外条件为7:1)系统必须开放，与外界进行物质、能量和信息交换以引入负熵流;2)内部各元素之间存在非线性协同作用和相干效应;3)系统存在涨落,在外界参量控制下达到某一临界值.使系统远离平衡态，形成新的耗散结构。

2. 耗散结构理论在矿井通风系统的应用

根据耗散结构理论，事物发展过程是一个不断形成新的耗散结构的过程。耗散结构的形成需要满足以下的内外条件:①系统必须开放,与外界进行物质、能量和信息交换以引人负熵流;②内部各元素之间存在非线性协同作用和相干效应;③系统存在涨落,在外界参量控制下达到某一临界值，使系统远离平衡态,形成新的耗散结构。而通风系统于耗散结构理论也有很多的相似之处，根据这些相似之处，人们就会相信通风系统就是一个耗散系统,同样耗散结构形成的条件可以用于指导日常的通风管理工作。

1. 建立开放的通风系统和完善通风网路建设

管理好通风网路,减少通风系统中的各种阻力,确保系统同外界贯通,使通风系统源源不断地获得自身存在和发展所需要的物质.能量和信息,可以改善通风网络中各条分支风流状态。为促进通风系统的形成和发展，需形成纵横交错的通风网络,分支内部以及它们之间的物质.能量交流，都依赖通风网络的通畅。

2. 通风网络系统层分支管理和通风系统效率

耗散结构理论表明,要形成耗散结构,系统必须远离平衡。系统偏离平衡的程度可由系统内产生“流"的“力"的强弱来表征。系统处于平衡态时，系统内部的“流"和产生流的“力"皆为零。当系统处于非平衡态的线性区时,当"力"和“流"为非线性关系,即“力"不是很弱时,系统远离平衡，处于非平衡非线性区。非平衡过程的“流"不仅取决于该过程的推动“力",还受其他非平衡过程的影响,不同的非平衡过程存在某种耦合。通风系统远离平衡时,风流在各分支中不平衡流动,分支之间形成紧密联系,互相依赖,互相制约的局面。这种不.平衡的发展,将导致形成一种全矿性依赖布局,即由于通风，网络中各分支的初始状态不一样,以及各节点所联络的分支不同,导致风流在下一级分支中按一定规律进行风量分配，促使通风网络中的风流表现为不平衡的状态。系统层分支作为通风系统中的主要通道，是其他分支风量分配的基础，对提高通风效率有极为重要的作用。

3.涨落效应,使系统稳定、优化和完善

当通风系统被外界参量控制在远离平衡态的状态时,系统在涨落的影响下形成耗散结构,它是一种稳定态,系统内部各子系统之间存在着协同作用力,这种作用力越大,越有.利于形成高度稳定有序的结构。根据耗散结构理论,一个稳定的耗散结构具有抗干扰的能力,外界因素引起系统的波动会被结构本身所吸收,与低层次系统相遇,通过耗散结构的吞并溶合,保持其特性不变。这一点对达到设计的通风目的来说极为重要,从理论上证明了得到一个工作相对稳定的通风系统的可行性。在大型通风系统中,为确保系统稳定工作，风机的作用是显而易见的。相同的通风系统,在不同风机或工况点作用.下,将形成不同的耗散结构。风机工况点数据偏差对矿井通风网络解算结果的影响,正是通过这种机制起作用的。鉴于此,在通风系统数据处理方面(如网络解算等)要求原始数据真实,可靠,以确保数据处理结果的可靠性。

2. 结语

矿井通风系统是一个开放的远离平衡系统,可以利用耗散结构理论进行分析,也可以进一步应用耗散结构理论的模型,尝试应用于矿井通风系统优化与控制的计算机模拟。对于采矿工作来说，建立一个工作良好、稳定的通风系统,网路建设是重要的工作之一,是系统同外界进行物质、能量交换的基础。另外，在矿井通风网络中不同分支对系统的贡献是不同的,故在通风管理中要区别对待,提高整个通风系统的效率。除此之外，风机是系统同外界进行物质和能量交换的动力,为系统输入负熵,使系统远离平衡而形成耗散结构。

参考文献：

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