循环系数对非稳态可控循环通风系统主要参数的影响.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 文章编号0253 - 99932000 S0 - 0126 - 04 循环系数对非稳态可控循环通风 系统主要参数的影响 魏建平1,胡卫民2,刘明举1,李 辉1 1 1 焦作工学院,河南 焦作 454000 ; 21 郑州煤炭管理干部学院,河南 郑州 450052 摘 要根据建立的矿井通风系统的一维非稳定流动网络模型和瓦斯浓度的纵向弥散模型,模拟 分析了循环系数对循环风机开启、关闭及瓦斯非正常涌出等非稳态情况下,循环区各分支风量、 瓦斯体积分数变化的影响,为循环通风系统参数的选择和优化奠定了基础. 关键词可控循环通风;循环系数;非稳态;体积分数;风量 中图分类号 TD722 文献标识码 A 基金项目煤炭科学基金资助项目 95 安10807 循环系数是循环通风系数的重要参数,它表示循环风量与循环区实际风量的比值.对可控循环通风系 统中循环系数的研究,不仅受到矿井通风系统和循环区域范围、瓦斯涌出量等客观因素的限制,而且受到 经济、技术等各方面的制约,因此,研究内容十分有限.英国诺丁汉大学Lowndes 1989在模拟循环系 统氡浓度变化时,对循环系数分别为36 和50 时进行分析得出,循环系数变化对回风道浓度影响较小, 对进风道浓度影响较大[1];澳大利亚昆士兰大学Anderson等, 1989在实验矿井对可控循环通风经济 可行性进行了分析,结果表明,可控循环通风并非在任何条件下都比常规通风经济,只有当工作区域风量 循环系数大于某一临界值时经济上才合理[2];我国学者杜太亮1997分析了循环系数对矿井通风系 统的影响,并指出对固定循环通风系统最优循环率是存在的[3].但以上研究都是在稳态前提下进行的, 对非稳态下循环系数的影响的研究还几乎是空白. 对非稳态可控循环通风系统的研究,文献[4 , 5]中以紊流纵向弥散机理为依据,建立了循环通风系 统瓦斯浓度非稳态弥散模型,并利用计算机对风机开启、关闭及瓦斯非正常涌出等非稳态现象进行了详细 分析,笔者利用该模型完成了不同循环系数的模拟分析. 1 循环通风系统瓦斯体积分数非稳态弥散模型及解算 文献[4 , 5]根据流体不可压缩非稳定流的运动微分方程和网络理论建立了一维非稳定流回路方程, 即 ∑ b k 1 aik dqk dt hNi ∑ n j 1 Cij h Fj- Rjq2j i 1,2,3,⋯, b ,1 式中,aik ∑ n j 1 CijβjCjk; Cij为回路矩阵元素;β为惯性系数,βρl/ A ;ρ为平均密度, kg/ m3;l为巷道 长度, m;A为巷道断面积, m2;q为风量, m3/ s;t为时间, s;hNi为第i回路的自然风压;hF为通风 机压力, Pa ;Rj为分支风阻;b为独立回路数,bn-m 1 ;n为分支数;m为节点数. 方程中待求参数qi i 1,2,3,⋯ , b 是时间的函数,由于方程组由b个微分方程组成,方程可解. 求解出各分支风量函数qi t,可求得各分支的风速函数 v t . 第25卷 增刊煤 炭 学 报 Vol. 25 Sup. 2000年 12月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYDec. 2000 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 在紊流作用下,井巷污染物的转移过程是平移、扩散、弥散的综合叠加,这种问题的求解应以纵向弥 散机理为依据.假设某一时刻从某一地点释放的瓦斯量为qg x , t,根据纵向弥散机理,瓦斯体积分数 的纵向弥散模型为 5φ g 5t v 5φ g 5x Ex 52c 5x2 qg x , t ,2 式中,φg为断面平均瓦斯体积分数, ;v为断面平均流动速度, m/ s;Ex为纵向弥散系数;qg为某一 时刻某一地点单位长度的瓦斯释放量, m3/ s m . 分析式 2 , 瓦斯体积分数φg与v ,Ex, qg x , t有关,而φg,v ,Ex和 qg x , t都是时间和位置 的函数.如果能够得出不同时间、不同位置的风流风速、弥散系数和瓦斯释放量,利用式2就可求解 出不同时间、不同位置的瓦斯体积分数[4]. 根据上述模型,用Visual C 语言编制出计算机程序[4],通过调节循环风道风门改变循环系数,并 分别在不同循环系数下对循环风机开启、关闭及瓦斯非正常涌出等非稳态现象进行了计算机模拟. 2 循环风机开启过程 循环风机的位置及循环系数的大小直接影响到循环风机开启过程循环区域风量和瓦斯体积分数的变化 规律.将循环风机布置在循环风道中,分别对循环系数fc 45 , 40 , 35 , 30 及25 等5种情况进 行循环风机开启过程中循环区风量及瓦斯体积分数变化规律的计算机模拟.根据模拟结果绘制出循环区回 风道末端瓦斯体积分数及风量的变化规律,如图1所示. 图1 循环风机开启过程不同循环系数回风道瓦斯体积分数与风量的变化 Fig11 Variation of methane volume fraction and air quantity with different recirculation factor in the return airway during the fanπs start2up a瓦斯体积分数; b风量; 1～5 fc 45 , 40 , 35 , 30 , 25 循环风机开启后,回风道瓦斯体积分数经过降低 增大 再增大 降低,如此循环逐渐达到稳定,但 稳定后的瓦斯体积分数都比开启循环风机前明显增大.循环系数越大,瓦斯体积分数的变化幅度越大,不 同循环系数瓦斯体积分数间的差值也越大,稳定后的瓦斯体积分数越大.循环风机开启后,回风道风量迅 速增大,然后逐渐降低并逐步达到稳定,循环系数越大,变化幅度越大,不同循环系数间的差值基本相 同,但稳定时的风量也都比开启前明显增大. 分析其原因在于循环风机布置在循环风道内,由于循环风机对矿井主要通风机的逆向作用,虽然循 环区内风量增大,但循环区总进风量减少,瓦斯释放量假设不变,导致循环区瓦斯体积分数降低;在风机 刚开启时,由于循环风流中的瓦斯未进入回风道,而风量的变化超前于瓦斯体积分数,使得回风道瓦斯体 积分数出现短时内比开启前降低现象;另外,由于5种循环系数间差值相同,循环区进风量变化量相同, 回风道风量变化的幅度相同,但不同循环系数下循环区进风总量不同,使得循环系数越大,瓦斯体积分数 变化的差值越大. 721增刊魏建平等循环系数对非稳态可控循环通风系统主要参数的影响 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3 循环风机关闭过程 在相同条件下,分别对循环系数为45 , 40 , 35 , 30 及25 等5种情况,进行循环风机关闭 过程中循环区风量及瓦斯体积分数变化规律的计算机模拟.根据模拟结果绘制出循环区回风道末端瓦斯体 积分数及风量的变化规律如图2所示.图2 a仅绘制了循环系数fc 45 , 35 和25 等3种情况下 风量的变化. 图2 循环风机关闭过程中不同循环系数回风道瓦斯体积分数与风量变化 Fig12 Variation of methane volume fraction and air quantity with different recirculation factor in the return airway during the fanπs shut2down a瓦斯体积分数; b风量; 1～5 fc 45 , 40 , 35 , 30 , 25 图3 瓦斯非正常涌出时不同循环系数 下回风道瓦斯体积分数变化 Fig13 Variation of methane volume fraction with different recirculation factor in the return airway under the condition of abnormal methane emission 1～3 fc 45 , 35 , 25 在循环风机关闭过程中,循环区风量及瓦斯体积分数的变化规律仍然与循环风机的位置和循环系数有 关.循环风机布置在循环风道内,当循环风机关闭后,回风道瓦斯体积分数先增大,然后降低并逐步达到 稳定,循环系数越大,瓦斯体积分数变化幅度越大,变化的差值也越大,但稳定时的瓦斯体积分数相同且 明显小于关闭前的瓦斯体积分数.循环风机关闭后,回风道风量的变化与开启时相反,先迅速降低,然后 增大,逐步达到稳定.循环系数不同,但风量的变化幅度及稳定时的风量相同,且都小于关闭前的风量. 这种变化的原因在于,一方面循环区工作面实际供风量的减少,另一方面循环风道中的风门关闭不及时或 关闭不严密造成循环区总进风量增大,使瓦斯体积分数 降低.由于瓦斯体积分数的变化滞后于风量的变化,出 现回风道瓦斯体积分数短时增大现象.尽管各种循环系 数间差值相同,风量变化幅度基本相同,但进风量不 同,导致不同循环系数瓦斯体积分数的变化幅度不同, 循环系数越大,变化幅度越大. 4 瓦斯非正常涌出 在循环系数分别为45 , 35 和25 的情况下, 模拟出瓦斯非正常涌出量及涌出时间相同时循环区各地 点瓦斯体积分数的变化规律,根据模拟结果绘制出回风 道末端瓦斯体积分数的变化规律,如图3所示. 当循环区工作面出现瓦斯非正常涌出时,回风道瓦 斯体积分数突然增大,增大到一定值后又逐渐降低到瓦 斯涌出前的数值,风流经循环风道循环后,使得进风道 瓦斯体积分数也以相同的规律增大.该过程经多次循 环,每次循环,循环区各地点瓦斯体积分数出现一个峰 821 煤 炭 学 报 2000年第25卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 值,最后稳定在非正常涌出前的相应数值.各峰值间的间隔时间基本等于风流循环一周的时间.当循环系 数不同时,瓦斯体积分数变化的趋势基本一致,但循环系数越大,瓦斯体积分数变化的幅度越大,各峰值 越高,作用时间越长,变化的差值也越大,这主要是由于瓦斯释放量相同而循环区进风量不同造成的. 5 结 论 非稳态下可控循环通风系统风流参数的变化规律除受循环风机的位置、功率、循环系数的影响外,还 与主要通风机的功率、循环区域的位置、范围大小等因素有关.通过建立的模型对5种不同循环系数下循 环风机开启、关闭及瓦斯非正常涌出等非稳态过程中,循环区域各地点瓦斯及风量的变化规律进行了计算 机模拟. 在其它条件不变情况下,当循环风机开启、关闭及瓦斯出现非正常涌出时,不同循环系数下各地点瓦 斯体积分数及风量的变化规律基本一致,但循环系数越大,瓦斯体积分数及风量变化幅度越大;相同间隔 的几种循环系数风量变化的差值基本相同,但循环系数越大,瓦斯体积分数变化的差值也越大. 参考文献 [1] Ian Lowndes , Cem Sensogut. Computer simulation of radon contamination levels around controlled district recirculation cir2 cuits [J ]. Mining Science Technology , 1990 10 177～188. [2] Anderson J M , Bloss M L. The mechanics of controlled partial recirculation ventilation systems [A]. Proceedings of 4th U S. Mine Ventilation Symposium [C]. Berkeley California , 1989. 219～225. [3] 杜太亮.矿井可控循环风系统中循环率分析与优化[J ].煤炭工程师, 1997 2 35～38. [4] 胡卫民.矿井可控循环通风系统非稳定状态分析及瓦斯显现规律研究[D].徐州中国矿业大学, 1999. [5] 胡卫民,魏建平,刘明举.非稳态可控循环风系统瓦斯分布规律研究[J ].煤炭学报, 1998 , 23 3 283～288. 作者简介 魏建平1971 - ,男,河南驻马店人,讲师. 1993年毕业于中国矿业大学, 1996年获焦作工学院安全工程硕士学位. 现从事通风与安全方面的教学与研究工作. The effect of recirculation factor on the main parameters of non2steady controlled recirculation system WEI Jian2ping1, HU Wei2min2, LIU Ming2ju1, LI Hui1 11Jiaozuo Institute of Technology , Jiaozou 454000,China;2.Zhengzhou Coal Management Cadre College, Zhengzhou 450052,China Abstract Based on the established models of undimensional non2steady flow in mine ventilation network and methane longitudinal dispersion , efforts have been made to simulate and analyze the effect of recirculation frac2 tion on the variation of air quantity and methane concentration in all the branches of the recirculation system un2 der transient conditions such as the start2up and shut2down of the recirculation fan , the abnormal emission of methane , etc. A foundation has been laid for the selection and the optimum of the recirculation factor. Key words controlled recirculation ; recirculation factor ; non2steady; methane factir fraction ; air quantity 921增刊魏建平等循环系数对非稳态可控循环通风系统主要参数的影响