基于三维仿真模拟的矿井单翼通风系统优化研究.pdf

分类号 TD727 密 级 公 开 分类号 TD727 密 级 公 开 U D C 单位代码 10424 U D C 单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 基于三维仿真模拟的矿井单翼通风系统 优化研究 基于三维仿真模拟的矿井单翼通风系统 优化研究 钱 智 彬钱 智 彬 申请学位级别硕士学位申请学位级别硕士学位 专业名称安全技术及工程专业名称安全技术及工程 指导教师姓名指导教师姓名 辛辛 嵩嵩 职职 称称 教教 授授 山 东 科 技 大 学 山 东 科 技 大 学 二〇一八年六月二〇一八年六月 万方数据 论文题目论文题目 基于三维仿真模拟的矿井单翼通风系统优 化研究 基于三维仿真模拟的矿井单翼通风系统优 化研究 作者姓名作者姓名 钱智彬钱智彬 入学时间入学时间2015 年年 9 月月 专业名称安全技术及工程专业名称安全技术及工程 研究方向灾害预测与防治研究方向灾害预测与防治 指导教师指导教师 辛辛 嵩嵩 职职 称教称教 授授 副指导教师副指导教师 职职 称称 论文提交日期论文提交日期2018 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期2018 年年 6 月月 万方数据 STUDY ON OPTIMIZATION OF MINE VENTILATION SYSTEM BASED ON 3D SIMULATION A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Qian Zhibin Supervisor Professor Xin Song College of Mining and Safety Engineering June 2018 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 随着矿山开采规模不断扩大、开采深度增加，地质条件复杂性和机械化程 度的提高使得矿井开采条件和生产方式也出现了较大变化，采用单翼通风系统 的矿井越来越普遍。由于单翼通风系统的进、回风井设置在井田的同一侧，其 通风系统具有风流路线过长、通风阻力偏大、风量集中等问题，严重影响了矿 井生产和工人安全。本文主要从单翼通风系统的形成原因、共性问题和优化方 法三个方面进行研究。 通过阅读大量文献资料和现场调研，分析总结了单翼通风系统的形成原因 和共性问题。以山东郓城煤矿为实例，在现场调查、测定通风数据的基础上， 系统分析了其单翼通风系统存在的主要问题，如通风总阻力高达 3796.6Pa，回 风巷道处风速高达 14.7m/s，进、回风巷道风量过于集中，“三区”阻力分布不 合理等问题。 为了解决这些问题，本文运用矿井三维仿真系统构建了郓城煤矿单翼通风 系统的三维仿真模型，通过对比模型解算数据与现场实际数据验证了三维仿真 模型的有效性。对郓城煤矿单翼通风系统进行了优化研究并制定优化方案，通 过仿真模拟通风系统优化后方案，矿井总阻力下降为 2743.3Pa，较优化之前降 低了 23；回风巷道的风速为下降为 7.8m/s。同时，建立郓城煤矿中期单翼通 风系统的三维仿真模型，预测分析生产中期潜在的通风问题，并提出了三种通 风系统优化改造方案，最后运用灰色关联分析法选取了最佳方案。在一定程度 上为分析解决矿井单翼通风系统的问题提供了理论依据。 关键词关键词单翼通风系统，通风优化，仿真模拟，郓城煤矿 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II ABSTRACT With mining scale, mining depth increase, the complexity of geological conditions and the improvement of mechanization makes mine mining conditions and mode of production, great changes have appeared in the ventilation system with one wing of the mine is becoming more common. Due to the single wing of inlet and return air shaft ventilation system is set in the field of the same side, its ventilation system with wind flow line is too long, ventilation resistance is big, the problem such as air volume concentration, seriously affects the safety of mine production and workers. In this paper, the ation causes, common problems and optimization s of single-wing ventilation system are studied. Through reading a large number of literature and field research, the causes and common problems of single-wing ventilation system are analyzed and summarized. Ltd.was in shandong coal mine as an example, on the basis of field investigation data, determination of ventilation, systematic analysis of the main problems of the single wing ventilation system, such as the total ventilation resistance as high as 3796.6 Pa, return air roadway in winds of up to 14.7 m/s inlet and return airflow roadway is too concentrated, the problem such as “three areas“ resistance distribution is not reasonable. In order to solve these problems, this paper USES mine 3 d simulation system ltd.was built a 3 d simulation model of single wing of coal mine ventilation system, by comparing the model calculating data and actual data to verify the effectiveness of the 3 d simulation model. For single wing ltd.was coal mine ventilation system is optimized to study and ulate optimization scheme, through the simulation of ventilation system optimization scheme, after the mine total resistance reduced to 2743.3 Pa, before the optimization by 23; The wind speed of the return roadway decreased to 7.8m/s. Ltd.was set up in the region, and the single wing ventilation system in the middle of the coal mine 3 d simulation model, the medium-term 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 III forecast analysis production potential ventilation problems, and puts forward three kinds of ventilation system optimization retrofit scheme, finally using grey correlation analysis to select the best scheme. To some extent, it provides a theoretical basis for analyzing and solving the problems of single-wing ventilation system in mine. Key Words Single-wing ventilation system；ventilation optimization,； simulation simulation； Yuncheng coal mine 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 I 目目 录录 1 绪论绪论 ..................................................................................................... 1 1.1 课题背景与提出 ................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................ 4 1.3 研究内容 ............................................................................................................ 7 1.4 技术路线 ............................................................................................................ 8 2 矿井单翼矿井单翼通风系统通风系统的调查与的调查与分析分析 .................................................... 9 2.1 矿井单翼通风系统形成原因分析 .................................................................... 9 2.2 矿井单翼通风系统共性问题分析 .................................................................. 10 2.3 郓城煤矿现有单翼通风系统实例分析 .......................................................... 10 2.4 郓城煤矿中期单翼通风系统运行情况预测分析 .......................................... 21 2.5 本章小结 .......................................................................................................... 22 3 郓城煤矿郓城煤矿单翼单翼通风系统三维仿真通风系统三维仿真模型的建立及验证模型的建立及验证 .................. 24 3.1 软件介绍 .......................................................................................................... 24 3.2 郓城煤矿单翼通风系统三维仿真模型的建立 .............................................. 26 3.3 郓城煤矿单翼通风系统三维仿真模型的有效性验证 .................................. 33 3.4 本章小节 .......................................................................................................... 34 4 郓城煤矿单翼通风系统优化郓城煤矿单翼通风系统优化研究研究 .................................................. 35 4.1 郓城煤矿现有单翼通风系统优化研究 .......................................................... 35 4.2 郓城煤矿中期单翼通风系统优化研究 .......................................................... 45 4.3 郓城煤矿中期单翼通风系统优化方案的优选 .............................................. 53 4.4 本章小结 .......................................................................................................... 58 5 结论与展望结论与展望 ....................................................................................... 59 5.1 主要结论 .......................................................................................................... 59 5.2 主要创新点与展望 .......................................................................................... 60 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 II 参考文献参考文献 ................................................................................................. 61 致致 谢谢 ..................................................................................................... 65 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 ......................................................................... 66 附附 录录 ..................................................................................................... 67 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 III Contents 1 Introduction ........................................................................................................... 1 1.1 Project background and proposal .................................................................................. 1 1.2 Research status at home and abroad .............................................................................. 4 1.3 Research content ............................................................................................................ 7 1.4 Technical route .............................................................................................................. 8 2 Analysis of Ventilation System in Yucheng Coal Mine ...................................... 9 2.1 The causes of the ation of the mine ventilation system of wing ............................ 9 2.1 Analysis of mine ventilation system with common problems ..................................... 10 2.3 Analysis of Yuncheng coal mine ventilation system with examples ........................... 11 2.4 Prediction and analysis of Yuncheng coal mine middle wing ventilation system .............................................................................................................................................. 21 2.5 Chapter summary......................................................................................................... 22 3 Three-dimensional Dynamic Simulation of Mine Ventilation System ........... 24 3.1 Software introduction .................................................................................................. 24 3.2 The establishment of three-dimensional simulation model of Yuncheng coal mine ventilation system of the wing .............................................................................................. 26 3.3 Validity verification of yuncheng coal mine single-wing ventilation system 3d simulation model...................................................................................................................33 3.4 Chapter summary......................................................................................................... 34 4 Application of 3D Dynamic Simulation Model in Optimization of Ventilation System ........................................................................................................................ 35 4.1 Yuncheng coal mine ventilation system optimization of the existing wing ................. 35 4.2 Yuncheng coal mine middle wing ventilation system optimization ............................ 45 4.3 Yuncheng coal mine middle wing optimization scheme of ventilation system optimization .......................................................................................................................... 53 4.4 Chapter summary......................................................................................................... 58 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 5 Conclusion and Outlook ..................................................................................... 59 5.1 Main conclusion .......................................................................................................... 59 5.2 Outlook ........................................................................................................................ 60 References .................................................................................................................. 61 Ackonledge ................................................................................................................ 65 Major Achievements during Master Degree .......................................................... 66 Appendix....................................................................................................................67 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题背景与提出课题背景与提出 1.1.1 研究背景研究背景 为实现全面建成小康社会，为实现建成富强、民主、文明、和谐、美丽的 社会主义现代化强国家，我国的改革开放已经进入了新时代。依照“十二五规 划纲要”，国内千余座煤矿被关闭，另淘汰落后产能 0.8 亿吨，在 2015 年实现 非化石能源比例上升至 11.4的目标， 并将在后续五年中将其比重再提升 3.6 个 百分点，逐步实现能源结构合理化。同时，2015 年煤炭占消耗能源比例由原来 的 69下降至 64， “十三五规划纲要”计划煤炭消耗比在此基础上继续下调， 至 58以下；但是，2020 年消耗总量反而比 2015 年高 1.35 亿吨，原煤产量达 到 41 亿吨。所以，在未来的很长时间内，煤炭作为能源消费主体的地位不会改 变，这是由我国国情所决定“富煤、少油、贫气”[1-4]。 在高度重视煤矿安全生产的今天，煤矿事故也时有发生。在国家安全生产 监督管理总局、各级政府、企业的重视和共同努力下，煤矿较大生产事故发生 数量在整体上出现下降趋势。20002015 年我国矿山较大事故死亡人数统计， 如图 1.1 所示[2]。 5798 5670 6995 6702 6027 5491 4746 3758 3215 26302433 1973 1384 1067 931 588 5.77 5.07 4.64 3.71 3.08 2.81 2.04 1.4851.182 0.8920.8030.564 0.3740.2930.257 0.159 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 人数 年份 死亡人数/人百万吨死亡率人/百万吨） 图图 1.1 事故死亡人数趋势事故死亡人数趋势 Fig 1.1 Trends in the number of accident deaths 由图 1.1 可知， 近些年来矿山发生较大事故的死亡人数和百万吨死亡率总体 年份 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 呈下降趋势，矿山生产安全整体上得到了改善。但是生产事故发生率仍比较高， 为了分析煤矿生产安全事故的种类特征，本文通过统计 20012015 年国家煤矿 安全监察局事故查询系统所公布的煤矿事故信息，得到各类事故的死亡人数， 如表 1.1 所示[2]。 表表 1.1 20012015 年煤矿各类事故死亡人数统计结果年煤矿各类事故死亡人数统计结果单位人单位人 Tab 1.1 Death toll in all types of coalmine accidents from 2001 to 2015（（Unitpeople）） 年份年份 事故类型事故类型 瓦斯 顶板 水害 运输 冒顶 火灾 违章 其他 2001 1216 220 191 57 158 11 27 153 2002 1450 659 423 162 223 76 154 357 2003 1399 1063 442 214 152 49 24 396 2004 1220 948 249 199 17 100 9 252 2005 1066 688 353 212 21 73 6 323 2006 771 210 311 37 4 45 10 185 2007 680 98 183 9 19 73 0 140 2008 377 33 138 3 36 102 5 120 2009 423 47 159 16 6 19 0 86 2010 343 19 153 9 43 87 0 101 2011 316 29 134 13 34 32 0 52 2012 225 10 60 22 34 22 3 76 2013 277 14 72 5 6 13 0 35 2014 147 32 56 5 11 4 0 49 2015 56 9 40 0 11 22 0 51 通过表1.1统计得出 20012015年各种类事故的累积数量柱形图如图 1.2所 示。由表 1.1，图 1.2 分析可知，在煤矿生产安全事故中，瓦斯事故较之其他种 类事故尤为突出，而瓦斯事故的主要原因是矿井通风系统不合理、通风困难。 我国矿井通风系统普遍存在以下问题 1 通风系统不够合理，如采掘工作面串联通风、用风区域风流不稳定、矿 井风网独立回路数不符合规程要求、矿井风网角联等现象普遍存在； 2 通风总阻力过大，进、回、用风路线阻力所占比例的分布不够合理； 3 井下各用风地点的风量不能满足需风量的要求，风流的稳定性低； 4 整个矿井通风系统的抗灾能力差，难以满足煤矿安全规程中矿井灾 害防治的要求； 5 通风设施存在严重质量问题且布置不合理[5-8]。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 图图 1.2 20012015 年各类事故累计数量年各类事故累计数量 Fig 1.2 Cumulative number of all kinds of accidents in 20012015 1.1.2 问题提出问题提出 矿井通风方式通常分为中央并列式、中央分列式、两翼对角式、分区对角 式、区域式、混合式。而单翼通风系统是指进、回风井在井田的同一侧的通风 方式。随着矿井开采方式的不断现代化，开采深度和难度不断增大，目前使用 单翼通风系统的矿井越来越普遍。部分旧矿井，当生产后期仅剩单个或几个同 侧的工作面进行开采工作，矿井生产向单翼集中，形成了单翼集中生产的矿井 通风系统；部分新矿井，一侧井田的水文地质条件复杂、断层较多，使得矿井 开采一直集中在另一侧，形成了矿井单翼通风系统。 矿井单翼通风系统不同于当前普遍存在的 5 种通风方式，单翼通风系统往 往有通风阻力偏大，风量集中，部分巷道风速超限，通风路线过长等问题。但 是目前对于单翼通风系统的形成原因和共性问题没有系统的研究。本文通过查 阅相关文献、实地调查研究的方法分析了矿井单翼通风系统存在的共性问题， 以山东郓城煤矿为个体实例，基于三维动态仿真系统进行了单翼通风系统的优 化研究。 郓城煤矿位于山东省郓城县，巨野煤田东部。矿井地质储量 10.76 亿吨，可 利用储量 2.96 亿吨，本井田各煤层煤种主要以三分之一焦煤、气肥煤、气煤为 主，局部为天然焦。煤质为低～中灰、低硫、特低磷、中高～特高发热量，经 洗选加工后，均可用作炼焦配煤、动力燃料、气化、液化等工业用煤。矿井布 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 4 置有一条进风大巷和一条回风大巷。主立井、副立井及回风立井位于工业广场 内，副井、主井进风，风井回风，设计矿井通风方式为中央并列式，通风方法 为抽出式。由于目前矿井向东翼和深部的开拓延深，形成了单翼集中生产的矿 井通风系统。 矿井的通风路线较长，目前已施工的大巷南北长达 3000m，副井底至目前 正在回采的 1301 工作面的轨道顺槽长达近 1000m。1301 工作面顺槽设计长度 3000m，工作面长 260m，目前还剩余 1500m 未推采；矿井目前的总阻力即超过 3000Pa，不符合相关规定的要求；进、回风路线风速超限；考虑到矿井未来的 开拓延伸，阻力将进一步升高，必将加剧日常通风管理难度，影响并制约着矿 井下一步的开采进度，因此，对其通风系统进行优化具有重要的保障与指导意 义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 国国内内外外通风系统优化技术研究通风系统优化技术研究 国外对于矿井通风系统优化的研究很早，1556 年阿格里科拉就出版了第一 步涉及采矿的书矿治全书，讲述了地面风流引入通风方法与离心式风机、 风箱、风门等通风辅助设施，有效地排出了矿井中的甲烷混合气体。18 世纪初， 英格兰采矿工程师 John Buddle 通过“盲管”引流新鲜空气到回风炉，将含有瓦 斯的有害气体及排除地面，又发明了“盘区通风”，将采取划分成独立盘区， 使每个盘区分别有一个进风道和回