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分类号密级 U D C学号 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 基于三维仿真系统的矿井基于三维仿真系统的矿井通风能耗调节研究通风能耗调节研究 Research on energy consumption regulation of mine ventilation based on three dimensional simulation system 2016 年 5 月 31 日 作 者 姓 名陈思源 学 科、专 业采矿工程 指 导 教 师王海宁 教授 研 究 方 向矿井通风与防尘 学 位 类 别___学术型硕士_____ 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我 所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果， 也不包含已获得江西理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 研究生签名时间年月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解江西理工大学关于收集、保存、使用学位论文的规定即学校有权保存按 要求提交的学位论文印刷本和电子版本， 学校有权将学位论文的全部或者部分内容编入有关 数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅；学校有 权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。 本人允许本学位论文被 查阅和借阅， 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 并通过网络向社 会公众提供信息服务。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名（手写） 导师签名（手写） 签字日期年月日签字日期年月日 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 受当下经济形势低迷的影响，矿业经济形势不景气已经是众所周知。而如何 在如此艰难的处境下继续搞好矿山安全生产，确保生产的有序进行并取得效益， 是企业需要解决的问题之一。在地下矿产资源开采过程中，矿井通风系统的成本 投入所占比重较大， 因此做好矿井通风能耗的控制， 将有效降低矿石开采的成本， 对矿山企业生产具有重要意义。 论文针对矿山生产通风能耗问题，简述了课题研究的背景和意义，并提出了 论文的整体思路及研究方法。然后对矿井通风能耗的分布情况进行分析，对井下 通风能耗分布的主要消耗点进行系统的调查并介绍了 3D VS 三维仿真系统软件 的主要功能及如何应用矿井通风三维仿真软件对矿山通风系统进行数字化模拟， 将自然风压、矿井通风阻力、风机运行等因素导入软件中，综合分析在各因素共 同作用下通风能量的消耗情况。针对风流流动过程中主要的能耗消耗点，结合能 耗分布及软件模拟结果，提出主要的解决办法。针对云南某大型缓倾斜钨矿山通 风系统， 应用矿井通风三维仿真软件进行模拟并分析井下风流流动过程中的通风 能耗情况，提出有效的技术措施。最后对论文进行总结，并提出展望。希望能够 让矿山企业在矿井通风管理及缩减成本方面有所启发， 更好地适应当前经济状况。 本文的创新点在于从通风能耗的角度来分析矿井开采过程中井下通风系统 存在的井下采空区过多、巷道毁坏严重、通风能量无法有效集中的问题，通过软 件模拟虚拟巷道并提出有效的优化调节措施，对类似矿山具有参考意义。在优化 过程中还利用了硐室型风机解决了井下污风串联的问题的同时， 确保了能量消耗 最小化。 关键词关键词经济低迷；通风能耗；三维仿真与模拟；方案优化；分析评价 万方数据 Abstract II Abstract Affected by the impact of the current economic situation in the doldrums, the mining industry economic depression is well known. And It is a big problem that people need to solve is how to continue to do well in such a difficult situation, ensure the orderly production and obtain benefit.In the process of exploiting mineral resources, the management of mine ventilation system is larger, so to do well in the control of ventilation energy consumption, will effectively reduce the cost of ore mining investment, ithas an important significance for the production of mining enterprises. For mine ventilation energy consumption problem ， the papper outlines the research background and significance, and puts forward the overall train of thought and research . And then analyses the distribution of energy consumption of mine ventilation, the distribution of underground ventilation energy consumption of systematic investigation and introduce the 3D simulation system software function and how to use mine ventilation 3D simulation software to do digital simulation in mine ventilation system. Then import the natural wind pressure, the mine ventilation resistance, the fan running and other factors into the software. Comprehensive analyses the situation of ventilation energy consumption under the common action of various factors. After detailed research and discussion on energy distribution and energy consumption software simulation, this paper puts forward the main solutions to the main energy consumption points in the process of air flow. In view of the ventilation system of a large gently inclined tungsten mine in Yunnan, the 3D simulation software is used to simulate and analyze the energy consumption of the air flow in the underground mine, and the effective technical measures are put forward. At the end of this paper, do some of the summary, and put forward the prospect. Hope that the mining enterprises to better adapt to the current economic situation in the field of mine ventilation management and capital investment. The innovation of this paper is to Analysis from the angle of energy consumption of ventilation of the problem of too much space in the underground mining area, the destruction of the roadway and the energy of ventilation can not be effectively concentrated in the process of mining,through the software to simulate the virtual roadway and put forward effective measures to optimize the adjustment. It is of 万方数据 Abstract III reference value to similar mines.In the optimization process, the chamber type air blower is used to solve the problem of the underground air series connection, and the energy consumption is minimized. Key wordseconomic downturn；ventilation energy consumption；3D simulation； programme optimization；Analysis and uation 目目录录 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 II 摘 要.....................................................................................................................................I Abstract................................................................................................................................II 第一章第一章 绪绪 论论........................................................................................................................5 1.1 研究背景和意义研究背景和意义....................................................................................................5 1.1.1 研究背景......................................................................................................5 1.1.2 研究意义.......................................................................................................3 1.2 矿井通风系统及能耗研究进展矿井通风系统及能耗研究进展..........................................................................3 1.2.1 矿井通风系统概述......................................................................................3 1.2.2 能耗分析的研究进展..................................................................................4 1.3 主要研究内容及其技术路线主要研究内容及其技术路线...............................................................................5 1.3.1 主要内容.......................................................................................................5 1.3.2 技术路线.......................................................................................................5 第二章第二章 矿井通风系统中的能耗分析矿井通风系统中的能耗分析...................................................................................7 2.1 自然风压对矿井通风能耗的影响分析自然风压对矿井通风能耗的影响分析..............................................................7 2.1.1 自然风压.......................................................................................................7 2.1.2 自然风压的估算及测定方法.....................................................................7 2.1.3 自然风压对矿井通风系统的影响............................................................ 8 2.2 风流流动过程中的能耗分析风流流动过程中的能耗分析............................................................................12 2.2.1 风流运动的能量方程............................................................................... 12 2.2.2 矿井通风阻力的能耗分析.......................................................................13 2.2.3 矿井漏风.................................................................................................... 15 2.3 风机机站的能耗分析风机机站的能耗分析.........................................................................................15 2.3.1 风机机站的能量损失............................................................................... 16 2.3.2 工况点.........................................................................................................17 2.4 本章小结本章小结..............................................................................................................17 第三章第三章 基于矿井通风三维仿真系统软件的矿井通风能耗模拟基于矿井通风三维仿真系统软件的矿井通风能耗模拟......................................17 3.1 3D VS 仿真系统软件仿真系统软件.........................................................................................18 3.1.1 系统功能.................................................................................................... 18 3.1.2 系统仿真模拟的实现............................................................................... 19 3.2 通风能耗影响因素分析通风能耗影响因素分析.....................................................................................20 3.2.1 自然风压.................................................................................................... 20 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 III 3.2.2 井巷风阻.................................................................................................... 21 3.2.3 风机性能.................................................................................................... 22 3.3 通风系统模拟分析方法通风系统模拟分析方法.....................................................................................24 3.3.1 数据导入.................................................................................................... 24 3.3.2 风网解算.................................................................................................... 24 3.3.3 可靠性分析................................................................................................25 3.4 本章小结本章小结..............................................................................................................26 第四章第四章 矿井风流流动过程中能量的合理控制矿井风流流动过程中能量的合理控制................................................................. 27 4.1 矿井风量的确定与控制矿井风量的确定与控制.....................................................................................27 4.1.1 总需风量的确定........................................................................................27 4.1.2 矿井风量的合理分配与应用...................................................................28 4.2 风机效率的提高方法风机效率的提高方法.........................................................................................30 4.3 矿井通风阻力调节方法矿井通风阻力调节方法.....................................................................................31 4.3.1 矿井摩擦阻力调节....................................................................................31 4.3.2 矿井局部阻力调节....................................................................................32 4.4 矿井漏风量的控制矿井漏风量的控制.............................................................................................32 4.5 本章小结本章小结..............................................................................................................33 第五章第五章 某矿山井下通风系统分析与能量调节某矿山井下通风系统分析与能量调节................................................................. 34 5.1 矿区基本条件矿区基本条件......................................................................................................34 5.2 矿井通风系统的分析及评价矿井通风系统的分析及评价............................................................................35 5.2.1 通风系统测定分析....................................................................................35 5.2.2 通风系统评价............................................................................................38 5.3 矿井通风系统节能研究矿井通风系统节能研究.....................................................................................39 5.3.1 自然风压的影响.......................................................................................39 5.3.2 矿井通风网络中的能量调节矿井通风网络中的能量调节...................................................................40 5.3.3 通风动力的优化........................................................................................41 5.3.4 通风构筑物的合理布置...........................................................................43 5.3.5 能耗经济分析............................................................................................44 5.4 本章小结本章小结..............................................................................................................46 第六章第六章 结论与展望结论与展望............................................................................................................47 6.1 结论结论.......................................................................................................................47 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 IV 6.2 展望展望.......................................................................................................................47 参考文献参考文献.............................................................................................................................49 附录附录.....................................................................................................................................51 致致 谢谢...................................................................................................................................57 攻读学位期间的研究成果攻读学位期间的研究成果..................................................................................................58 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 V 第一章第一章 绪绪 论论 在国民经济持续发展的过程中，采矿工业一直扮演着发展基石的作用。无论 在经济发展的任何一个时期内，矿产资源的开采是持续的、不间断进行的。随着 矿山开采技术的不断成熟，矿山的生产能力也在不断提升[1]。在扩大生产能力的 同时， 通风能耗的增加也就难以避免。因此如何在通风能耗得到有效控制的情况 下解决矿井内部通风问题是当前经济形势下应该认真考虑的问题。 1.1 研究背景和意义研究背景和意义 1.1.1 研究背景研究背景 矿业生产是国民经济发展的基础， 而国民经济的发展好坏又直接影响到矿业 的持续发展。在国民经济形势持续低迷的大背景下，近两年矿产品行业形势急转 直下，为矿山的生产带来了巨大的压力。目前，我国的矿产品生产基本存在着生 产成本过高，市场需求量小，价格低廉的问题，如何能够在保证经济效益的情况 下进行安全生产是当前的一大难题。在生产成本的投入中，井下生产需投入的电 费比重较大，矿井的通风能耗又占了电费的很大比重。因此，在保证矿山资源开 采的经济效益的措施中，考虑井下通风系统能量最优化是一个重要的解决途径。 对于地下矿山而言，矿井通风能耗的解决能够创造出巨大的经济效益。矿井 通风系统优化的好坏不仅仅决定着井下通风质量的好坏， 同时也能够避免多余的 能量损失。 而影响矿井通风系统通风能耗的因素很多， 例如自然风压、 矿井风量、 风机耗能、井巷阻力、通风构筑物的调整，还有漏风等等[2]。自然风压作为一种 自然通风动力,对矿井的作用有利有弊。对自然风压影响的把握可以有效地杜绝 一些井下通风问题， 也可以通过自然风压的季节变化的规律对井下的生产进行合 理的安排布置,总之能够合理利用自然风压是有百利而无一害的[3]。 因此自然风压 在地下开采过程中的影响是不可忽略的， 随着季节的变化， 其影响的程度也不同。 通常情况下，分为夏季困难时期和冬季容易时期。当然自然风压会受到其它一些 因素的影响，而出现一些特例的情况，具体的分析要根据每个矿山的实际情况而 定[4]。对于风机耗能而言，大型的地下矿山来说，其消耗的年通风费用就可达百 万，而这仅仅只是井下风机运行所需的资金投入。因此对于风机的选型、风机效 率还是风机安设位置的选择是至关重要的。[5-7]如何选择风机及安装位置，如何 降低风机运行的效率，对每个矿山而言都是必须要认真考虑和解决的。而井下安 设风机，主要是为了能够克服井下的通风阻力。可见通风阻力和风机能耗之间是 万方数据 第一章 绪 论 2 密切联系的[8],想要解决风机能耗，降低通风费用，降低通风阻力的措施同样必不 可少。 矿井通风阻力的能量消耗占总通风能量消耗的比重是最大的。因此每个矿 山想要做好对通风系统的优化，就必须熟悉井下通风阻力的分布情况，才能够为 后期的措施提出提供保障。对于全矿而言， 矿井的用风系统对矿井通风阻力的 影响来说起到了决定性的作用。通风的最终目的是有效改善井下作业点的风质， 因此解决井下通风阻力问题的关键在于解决回采作业点及沿程的风阻[9]。随着井 巷长度不断增加，作业愈加频繁，难免增加井下通风阻力。对于无法避免的能耗 因素， 则考虑采用相应的措施去降低其损耗[10]。 这就涉及到了通风构筑物合理设 置的问题。合理的通风构筑物设置能够有效地起到调节风流的作用，确保风流有 效冲刷采场的同时构建一条或多条阻力较短，通风较优的风流线路。由于其在对 风流进行调控的同时，增大了局部的通风阻力，因此也就对风量分配与通风网络 存在着或大或小的影响，从而增加风流的不稳定性。所以，如何合理的设置通风 构筑物，同样是很重要的。[11-12] 由于上诉因素均存在一定的不可控性，在实际的人工计算中，很难准确地确 定其在全矿通风系统中所占能耗的比重， 因此矿井通风系统软件的应用模拟是必 要的。通过近十几年的研究[13-16]，矿井通风网络模拟技术不断创新,出现了越来 越多的矿井通风三维仿真软件， 并且通过软件的模拟有效地解决了很多的矿井通 风问题，具有很强的实用性。在矿井通风软件不断发展过程中，通风软件存在的 功能不完善、操作繁琐、模拟精度差等问题也在不断得到解决，我国的通风软件 在快速插入模拟计算及仿真方面也取得了一定的突破， 但是和国外的软件程序相 比还是存在差距。[17-19] 针对这些问题,江西理工大学开发了矿井通风三维仿真软件（3D VS） ，包括 了参数录入，风网计算，数据导出及结果数据标注等完整的模拟解算功能，精度 也达到了一定的要求，利用矿山采集数据的导入，将矿山通风系统进行数字化模 拟，通过分析数据，很好地体现了矿井通风现状,为矿井通风管理工作带来了很 大的便利，也为矿井通风系统的整改及优化提供了分析数据。该三维仿真软件具 有操作便捷、可视化程度高、界面友好等优点，有很强的推广潜力，为人们所接 受并学习。在矿井通风系统三维仿真软件的模拟过程中，可以通过参数的输入， 智能分析其风流流动规律及各个因素在风流流动过程中的影响程度， 从而有效控 制能耗，优化全矿通风系统[20]。 在矿井通风系统优化过程中，如何降低能耗是势在必行的，有效的措施和合 理的控制能够为矿山创造出较好的经济效益。 为了分析从矿井通风能耗角度对矿 井通风系统进行优化给矿山带来的效益大小， 本论文以云南某大型缓倾斜钨矿山 为研究课题，对井下通风系统能耗进行分析并提出解决措施，进一步对矿井通风 万方数据 第一章 绪 论 3 系统优化后取得的研究成果进行分析。 1.1.2 研究意义研究意义 通风能耗是矿山通风管理成本投入的重要来源。在经济低迷的大背景下，通 过对通风能耗的研究分析，可以提高企业对于矿井通风的重视程度，明白矿井通 风在实际矿山生产过程中不仅仅体现在“通风先行”的层面上， 其对全矿的经济效 益而言是不可或缺的。 做好通风系统优化则能够在保障井下工作人员身心健康的 同时， 合理地采取适当的措施降低全矿的通风能耗， 为矿山带来巨大的经济效益。 本文通过对矿井通风能耗的分析， 并利用三维仿真系统软件对云南某大型缓 倾斜钨矿井下通风能耗进行模拟， 用理论与实践的方法不仅有效地解决了井下通 风系统存在的通风问题，还降低了矿山的通风费用，节约生产成本，使得在矿山 经济普遍困难的时期能够有序地进行井下生产，提高矿山的经济效益。希望课题 研究的结果能够为其他类似地下矿山通风管理带来一定的启发。 1.2 矿井通风系统及能耗研究进展矿井通风系统及能耗研究进展 1.2.1 矿井通风系统概述矿井通风系统概述 矿井通风的目的是为了能够连续不断地为井下作业点输送新鲜风流， 创造良 好的作业环境，保证工人的身体健康，提高工人劳动生产率。在矿井通风史上， 因井下通风问题而导致的安全生产事故应该得到人们的重视， 矿井通风重要性不 言而喻。 而矿井通风理论和方法正是前人通过科学研究和血泪积累的经验结合形 成的。 完善的矿井通风系统是矿井通风的保障。无论是基建矿井还是生产矿井，都 需要做好矿井通风系统的完善工作。矿井通风系统具有复杂的、非线性的，在矿 井不断开采的过程中，井下的通风状况也会随之发生或大或小的变化。通风人员 应时刻关注井下通风状况的变化，对井下通风系统有一个全局观，不能仅仅局限 于局部区域
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