基于三维仿真系统的矿井风流调控技术及应用研究.pdf

分类号 密 级 U D C 学 号 6120110199 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 20142014 年 5 5 月 2525 日 基于三维仿真系统的矿井风流调控技术及应用研究基于三维仿真系统的矿井风流调控技术及应用研究 Research on mine airflow control technology and applications based on 3D simulation system 作 者 姓 名 汪光鑫 学 科、专 业 采矿工程 指 导 教 师 王海宁 教授 研 究 方 向 矿井通风系统优化 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，学校有权将学文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 矿井风流对通风系统犹如人体循环系统中的血液一样重要，风流合理有效的流动是地 下矿山安全生产的重要保障。随着矿业的发展，矿山通过增加开采深度，扩大开采范围， 提高开采强度来扩大生产能力的同时，通风系统愈加复杂，风流调控难题愈加突出，常出 现风流短路、循环甚至停滞等问题，导致风量分配不合理、通风效率低，危害矿山安全生 产。而矿井风流调控受通风网络、自然风压、通风动力等多因素影响，传统的网络分析手 段和风流调控技术难以有效改善复杂系统的通风效果。因此，本文应用三维仿真系统，分 析多因素对矿井风流的影响，研究矿井风流调控技术。主要研究内容及结论如下 （1）分析矿井通风三维仿真与优化系统的设计构架和仿真解算模型，通过数值实验 研究风网解算结果的影响因子及可靠性，结果表明解算精度取10-5m3/s，初始风量取10 m3/s 时模拟解算准确度较高。 （2）应用 Visual Basic 语言建立矿井自然风压实时计算模型，并分析自然风压对通 风系统和矿井风流的影响规律，为自然风压的调节和控制提供依据。 （3）通过综合分析通风网络定律和 PMV-PPD 指标，建立矿井风流稳定性、热舒适性 和有效性的评价模型和指标，定量定级别的评价矿井风流作用效果，为风流调控提供依 据。 （4）分析硐室型风流调控技术的结构、类型、功能、影响因素和风流调控理论模 型，确定其应用条件和范围。应用矿井通风三维仿真分析系统，探索硐室型技术设计选型 方法，并应用与某机械化盘区硐室型风机机站调控，有效改善风流短路、作业面风量不足 问题。 （5）对江西某铜矿展开现场测试，综合分析和评价矿井通风系统和风流作用效果， 通过仿真模拟和自然风压影响分析研究，提出合理的风流调控技术方案。方案实施后矿井 风流分配更合理，通风效果明显改善。 关键词关键词三维仿真；风网解算；自然风压；模拟分析；硐室型风流调控 万方数据 Abstract II Abstarct The importance of the airflow in mines is to ventilation system what blood is to the circulatory system of the human body. Airflow in a reasonable and effective mobility is an important guarantee for the underground mine production safety. With the development of mining, mines by increasing mining depth, expand the scope of exploitation and increasing mining strength to expand production capacity. It makes ventilation system more complex and the airflow regulation challenges become more prominent. It often appears problems such as airflow’s short circuit, circulation and even stagnation et al, which lead to unreasonable of air distribution and low- efficiency ventilation, to be hazards of mine safety. Regulation of mine air is affected by multiple factors such as ventilation network, natural wind pressure, main fan and ventilation structures. Traditional network analysis s and airflow control technology is difficult to effectively improve the ventilation of complex systems. Therefore, this paper applied the three-dimensional simulation system to analyze the impact of multiple factors on mine merry and research the merry control technology .The main contents and conclusions are as follows 1Design architecture and simulation calculation model of 3D simulation and optimization of mine ventilation system were analyzed. The factors and reliability of ventilation network solution were researched by numerical experiments. The results show that the simulation solver was more accurate when solver accuracy to take 10-5m3/s and the initial amount of wind to take 10 m3/s . 2The real-time calculation model of natural wind mine was drawn by Visual Basic language, and analyze the influence of natural wind pressure on mine ventilation systems and airflow. The model could provide a basis for the regulation and control of natural wind pressure . 3Mine air stability,thermal comfort and effectiveness uation model and the index were created by a comprehensive analysis of the law of ventilation network and the PMV-PPD index. The models provide a basis for regulating air flow by uating mine air effect. 4The structure, type, function, regulatory factors, and merry theoretical model of merry chamber-type control technology was analyzed to determine the conditions and the scope of application. Based on the regulation theory model, applying the three-dimensional simulation analysis of mine ventilation system, the selection of merry chamber-type control technology was first proposed. The airflow short circuits and insufficient air flow of work surface in mechanized panels were effective solved by using this . 万方数据 Abstract III 5A Jiangxi copper mine ventilation system and romantic effect were comprehensive analyzed and uatied by testing.The reasonable air flow regulation plan was presented by researching on simulation and natural wind pressure. The mine air distribution was more reasonable and the ventilation was better after implementation of the program. Key Wordsthree-dimensional simulation; ventilation network calculation; natural win d pressure; simulation analysis; cavern type airflow control device 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 摘 要 .......................................................................................................................................................... I Abstarct ........................................................................................................................................................ II 第一章 绪 论 ............................................................................................................................................. 1 1.1 研究背景及意义 ........................................................................................................................ 1 1.1.1 研究背景 .......................................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 .......................................................................................................................... 3 1.2 通风系统仿真模拟与风流调控技术研究现状.................................................................. 3 1.2.1 通风系统三维仿真与分析研究进展 ........................................................................ 3 1.2.2 矿井风流调控技术研究现状 ...................................................................................... 4 1.3 研究内容及技术路线 ............................................................................................................... 6 1.3.1 研究内容 .......................................................................................................................... 6 1.3.2 技术路线 .......................................................................................................................... 7 第二章 矿井通风三维仿真与模拟分析 ............................................................................................. 8 2.1 仿真系统构架设计 .................................................................................................................... 8 2.2 通风网络三维仿真与解算 ...................................................................................................... 9 2.2.1 仿真模型建立 ................................................................................................................. 9 2.2.2 风网解算数学模型 ...................................................................................................... 10 2.3 风网解算影响因子及可靠性分析 ...................................................................................... 11 2.3.1 影响因子分析 ............................................................................................................... 11 2.3.2 可靠性分析 .................................................................................................................... 13 2.4 本章小结 .................................................................................................................................... 14 第三章 自然风压实时计算及其影响与控制 .................................................................................. 16 3.1 自然风压特性 ........................................................................................................................... 16 3.2 矿井自然风压实时计算模型................................................................................................ 17 3.2.1 自然风压计算方法 ...................................................................................................... 17 3.2.2 实时计算模块开发 ...................................................................................................... 18 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 V 3.3 自然风压影响分析与控制 .................................................................................................... 19 3.3.1 自然风压实时计算与可靠性分析........................................................................... 20 3.3.2 自然风压对矿井风流影响分析及调控.................................................................. 20 3.4 本章小结 .................................................................................................................................... 21 第四章 矿井风流特性分析与调控技术研究 .................................................................................. 22 4.1 矿井风流特性分析 .................................................................................................................. 22 4.1.1 风流稳定性分析模型 ................................................................................................. 22 4.1.2 风流热舒适性评价方程 ............................................................................................. 23 4.1.3 风流流动有效性分析 ................................................................................................. 24 4.2 通风网络中风流调节 ............................................................................................................. 25 4.2.1 调节方法 ........................................................................................................................ 25 4.2.2 调节流程 ........................................................................................................................ 26 4.3 硐室型风流调控技术研究 .................................................................................................... 27 4.3.1 结构及分类 .................................................................................................................... 27 4.3.2 硐室型风机机站........................................................................................................... 27 4.3.3 柔性风门 ........................................................................................................................ 29 4.3.4 柔性风窗 ........................................................................................................................ 29 4.3.5 应用特性 ........................................................................................................................ 29 4.4 硐室型风流调控技术设计选型研究 .................................................................................. 30 4.4.1 影响因素分析 ............................................................................................................... 30 4.4.2 设计选型方法 ............................................................................................................... 31 4.4.3 硐室型调控装置模拟分析与选型........................................................................... 32 4.4.4 设计选型应用 ............................................................................................................... 33 4.5 本章小结 .................................................................................................................................... 34 第五章 矿井通风系统仿真分析与风流调控应用研究 ................................................................ 35 5.1 矿山概况 .................................................................................................................................... 35 5.2 通风系统测定分析与评价 .................................................................................................... 36 5.2.1 通风系统测定 ............................................................................................................... 36 5.2.2 风流作用分析与评价 ................................................................................................. 39 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 VI 5.3 通风系统三维仿真与网络模拟分析研究 ......................................................................... 41 5.3.1 三维仿真 ........................................................................................................................ 41 5.3.2 风网模拟分析 ............................................................................................................... 41 5.4 矿井风流调控研究 .................................................................................................................. 44 5.4.1 风网中风流调控........................................................................................................... 44 5.4.2 硐室型风流调控........................................................................................................... 46 5.4.3 调控效果分析 ............................................................................................................... 50 5.5 本章小结 .................................................................................................................................... 50 第六章 结论及展望 ................................................................................................................................ 51 6.1 结论 ............................................................................................................................................. 51 6.2 展望 ............................................................................................................................................. 52 参 考 文 献.............................................................................................................................................. 53 附 录 A 风网解算结果 ......................................................................................................................... 55 致 谢 ......................................................................................................................................................... 59 攻读学位期间的研究成果 .................................................................................................................... 60 万方数据 第一章 绪 论 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 1.1.1 研究背景研究背景 矿产资源是社会主义物质文明建设和发展的关键和基础，大力发展采矿工业是所有工 业生产发展的前提，是科技技术进步、经济增长的需要。近年来，随着国民经济的快速发 展，矿产资源的需求量不断增大，再加上采矿技术和采矿设备的不断发展，促使许多矿山 不断扩大生产总量来满足经济发展的需要。由于特殊的作业条件和生产环境，矿山的安全 问题一直就非常突出，尤其是地下开采矿山，由于井下地质条件复杂、工作面空间狭小及 生产作业期间产生有毒有害气体粉尘等，再加上开采深度增加、开采范围扩大以及作业强 度增强，使得加强矿山安全生产管理显得尤为重要。而矿井通风系统是地下开采矿山安全 生产的重要保障，就如同人体的血液循环系统一样，对维护矿井的正常和安全生产发挥着 不可替代的重要作用，因此，需要加强对矿井通风技术理论、网络模拟分析及井下风流流 动规律及其调控技术的研究，为保障井下工作人员的身体健康和劳动安全奠定基础。 矿井通风系统通过机械或自然风压的动力作用，不断将新鲜的空气供给生产作业区 域，同时排出有毒有害气体和粉尘，从而达到调节矿内气候条件，创造安全舒适工作环 境，保证井下人员的身体健康和安全生产目的，其复杂的动态体系随着生产计划的调整、 工作面的推进和更替而不断变化。由于矿业经济发展迅速，许多矿山不断扩大生产规模， 不断增加矿井开采深度，不断提高机械化作业程度，而且作业中段多，作业区间广，作业 需风点分散，使得通风网络更加复杂，风流按需分配的调控难度进一步加大，为达到通风 安全要求，仅依靠现场通风经验和手工计算来分析复杂的通风网络，工作量巨大，且分析 结果准确性难以保证，可能导致通风系统初步设计和优化改造难以达到预期目的。随着计 算机技术的飞跃性发展，矿井通风工作者也不断地将其先进技术应用到矿井通风理论和技 术