煤炭作为我国最重要的基础能源,长期支撑着我国国民经济的有序发展,近年来全国经济结构性的失衡也给煤炭开采利用造成重大冲击,新形势下寻找更加科学、高效、节能的煤炭生产方法尤为重要。良好的通风条件是矿井安全生产的前提,而矿井通风机的高效运行是矿井通风条件的基础。扩散器在矿井通风机的高效运行方面起着至关重要的作用。本论文对主要通风机的扩散器及矿井通风系统进行优化研究,不仅是矿井安全生产需要的,而且也是保证提高矿井生产能力和效益所必要的,具有重要科学意义和应用价值。本论文立足煤炭生产现状,结合国内外研究现状,对矿井主扇直立式扩散器及矿井通风系统改造与优化进行了深入研究,主要研究内容包括:第一,模拟分析直立式扩散器弯头处布设不同形式导流板式扩散器装置内部流场特点,依据数值模拟结果评价其动能回收率和扩散效率,确定特定供风条件下最优扩散器弯头导流板布置形式;第二,根据数值模拟结果,设计直立扩散器相似模拟实验;第三,综合模拟与实验结果,确定合理的现场改造方案,以此为依据指导改造工程方案实施;第四,研究提出矿井通风阻力计算与测量的新方法和自主研发图形化矿井通风网络解算软件;第五,结合山西某煤矿现有生产情况,选择测量路线、制定测量方案,对该风阻计算测量方法进行验证评估,基于测量数据,利用自主开发的图形化矿井通风网络解算软件对山西某矿通风系统压改抽前后通风系统进行解算,结合风网解算结果与矿井实际生产情况,提出一套合理的改造方案,对压改抽后通风系统进行优化改造。根据现场存在的问题,本文首先对矿井主扇扩散器进行数值模拟研究。鉴于目前CFD方法在通风机扩散器内流场计算中的重要性,本论文结合计算流体力学软件就5种目前比较通用的湍流模型（k-?,RNG k-?,Realizable k-?,k-?、SST k-?）分别模拟计算了60°和45°两种倾斜式扩散器模型的气动特性,对比分析确定了选用标准k-?湍流模型模拟扩散器内部风流流动,该湍流模型对扩散器的气动性能预测结果更加准确。以此为基础,利用FLUENT软件对弯头处布设有不同形式的导流板时的扩散器装置进行模拟分析。通过对扩散器气体流动规律分析,包括分析流场模型压力场、速度场等分布规律,依据数值模拟解算结果,确定了较优的导流板结构形式。模拟结果表明,当弯头处安装有二片或四片导流板时,直立式扩散器装置节能效果较好。为进一步验证数值模拟结果,本文开展了直立扩散器相似模拟实验研究,分别对弯头处安装有二片、三片、四片、五片和六片导流板时的扩散器装置性能进行测定,通过对扩散器入口断面与出口断面风流参数的测定,计算出不同工况条件下扩散器扩散效率,分析得出安装有四片或二片情况下扩散器工作性能最好,五片或三片次之。结合模拟结果与实验结果,充分考虑山西某矿现场条件,对该矿直立式扩散器进行优化改造时采用拆除弯头处最下方导流板的改造方案,通过比较扩散器装置改造前后扩散器入口静压变化、矿井负压变化与通风机功率变化,原有直立式扩散器改造后,其动压回收效果显著提高,主要通风机能耗降低7kw。此外,本论文提出了基于百米风阻的工作面通风阻力计算方法,利用断面单元法截取测量对象,所选取的测量巷道段尽量保证断面规则、不同位置相同参数变化较小,以此巷道百米风阻值作为判断工作面通风阻力测定结果误差大小的指标更加准确可靠。依据百米风阻测量方法,对山西某矿2个采区的主要通风路线风阻进行了测定,包括120多个测点,测定采用的方法、仪器符合要求,测定获得的数据可靠,精度满足需要。本论文还研究提出了基于PNN（人工神经网络概率）模型方法的矿井通风系统可靠性评价方法。根据煤矿通风系统的可靠性的研究现状和评价指标,考虑各种因素对通风系统的影响程度,选取12个主要因素作为为通风系统可靠性评估的指标,建立了基于PNN方法的通风系统可靠性评价模型。这12个主要因素包括:通风网络复杂性、矿井风压的合理性、矿井主扇运行的稳定性、矿井主扇的综合效率、矿井通风设备的合格率、矿山空气质量供应的要求比、用风地点的风量的合格率、利用风能场所空气质量的合格率、利用风能的地方的温度合格率、防灾设施合格率、矿山反向通风系统的灵活性、吨煤电费。根据工程实践和以往的研究以及有关专家的意见,通风系统可靠性状态分为3级模式,即模式1:安全模式2:中度安全模式3:不安全。PNN的矿井通风系统可靠性评估中的应用结构为4层,神经元的输入节点和输出神经元节点的数量分别为12和3。用训练数据集训练PNN,并用测试数据集验证训练的PNN。实验结果表明基于PNN识别方法具有较强的推广能力,经过训练的PNN的计算评估结果和工程实践具有较高的一致性。在图形化理论基础之上,采用C++和Qt的计算机技术,将网络自然分风和按需分风的速算方法应用到矿井通风中,研制出基于图形化的矿井通风网络解算系统。结合山西某煤矿通风阻力数据和PNN通风系统可靠性评价方法,利用自主开发的图形化矿井通风网络解算软件对该矿通风系统压改抽前后进行了解算分析。矿井通风方法改变前有一个进风井（南羊路进风立井）,五个回风井（排矸立井、辛庄回风立井、南羊路材料斜井、副立井、主斜井）,模拟计算结果与实测结果基本吻合。矿井通风方法改变后有五个进风井（副立井、主斜井、南羊路材料斜井、排矸立井、南羊路副立井）,一个回风井（南羊路回风立井）。通过模拟发现,副立井进风量过大,与初期设想的4000m3/min存在较大出入;南羊路副立井进风量3462m3/min,进风量较小,需要调整;南羊路副立井进风容易出现短路,需要加入一些通风设施调整风流流动,以满足用风地点需风量。结合该矿的生产布局、通风系统改造后的用风需求和上述风网解算发现的诸多问题,设计了几种控风措施和降阻增阻方案,通过分析比较,最终得出一套合理矿井通风系统优化方案,以此为依据指导矿井通风系统优化改造,方案实施后现场测定结果与模拟解算结果基本吻合。综上所述,本论文在理论层面和应用研究层面主要创新工作如下:1)对轴流式风机直立扩散器弯头处导流板设置数量和结构形式进行了系统的模拟分析,研究确定了直立式扩散器弯头处分别布设不同数量的短圆弧式、长圆弧式（90°）导流板时对直立式扩散器动压回收效果和扩散效果的影响规律。2)开展了轴流式风机直立式扩散器弯头分别布置短圆弧式、长圆弧式（90°）、椭圆弧导流板的相似模拟实验,确定了扩散效果较好的导流板布置数量及结构形式,并成功实施应用于山西某矿轴流式主扇直立式扩散装置优化改造。3)提出了基于百米风阻的工作面阻力计算方法,并将该方法运用到山西某煤矿的实际测量中,使得数据更加可靠。提出了基于PNN方法的通风系统可靠性评价方法,在此基础上利用自主开发的图形化矿井通风网络解算软件,对山西某煤矿通风系统改造后初期和后期存在的通风系统进行了解算分析,并设计了多种控风措施和降阻增阻方案,最终形成一套合理的矿井通风系统优化方案,为冬季进风井进风预热提供了数据支撑。