济宁二号煤矿通风系统优化.pdf

分类号分类号 密密 级级 公公 开开 U D C 单位代码单位代码 10424 学 位 论学 位 论 文文 济宁二号煤矿通风系统优化济宁二号煤矿通风系统优化 陶维国陶维国 申请学位级别申请学位级别工程工程硕士硕士 专业名称专业名称安全工程安全工程 指导教师姓名指导教师姓名辛辛 嵩嵩 职职 称称教教 授授 副副指指导师姓名导师姓名姜希印姜希印 职职 称称高级工程师高级工程师 山 东 科 技 大山 东 科 技 大 学学 二〇一八年五月二〇一八年五月 万方数据 论文题目论文题目 济宁二号煤矿通风系统优化济宁二号煤矿通风系统优化 作者姓名作者姓名陶维国陶维国 入学时间入学时间2015 年年 9 月月 专业名称专业名称安全工程安全工程 研究方向研究方向 安全管理安全管理 指导教师指导教师 辛辛 嵩嵩 职职 称称 教教 授授 副指导教师副指导教师 姜希印姜希印 职职 称称 高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期 论文答辩日期论文答辩日期 授予学位日期授予学位日期 万方数据 OPTIMIZATION OF VENTILATION SYSTEM FOR NO. TWO COAL MINE IN JINING A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by TaoWeiguo SupervisorProfessor XinSong College of mining and safety engineering May 2018 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经 标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。 作为申请学位的条件之一，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆 可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内 师生阅读、浏览。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名 导师签名导师签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划，完在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划，完 成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，论成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，论 文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规 定，同意将本论文作为申请学位论文。定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日 期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 通风系统是矿井六大生产系统之一，是实现矿井安全生产的重要技术平台， 矿井气候环境的改善，有害气体的和粉尘的排出以及瓦斯、火灾、热害等灾害的 防治，都需要一个良好的通风系统做保障。 该论文研究矿井的基本概况，通过阻力实测建立参数数据库，具体分析通风 系统存在的问题，通过研读大量文献，从通风阻力、风量、有效率、构筑设施、 主风机等几个方面总结了济二煤矿通风系统存在的问题。 新版煤矿安全规程规定 10 月 1 日后辅助通风机将严禁使用。但在济宁 二号煤矿井下辅助通风机在过去的几年中为保证南翼集中生产， 确实发挥了巨大 的作用，满足了南翼风量需求。济二煤矿三个采煤工作面短期内又在南翼集中生 产，南北翼生产严重不均衡，根据测算和实际验证辅助通风机停止运行后，南翼 风量难以满足 3 个采煤工作面，3 个局部通风地点的风量需求，而近期矿井九采 区、十采区、十一采区三个采区的生产格局，将持续到 11 月份，辅助通风机停 止运行后风量难以满足需求；远期还要考虑十采、十三采、十五采的回采问题， 供风距离将更远，通风难度将更大，基于矿井安全生产实际的迫切需求，为确保 辅助通风机停运后矿井正常生产，必须提前着手进行通风系统优化改造工作。 论文由济宁二号煤矿实际存在的通风问题入手， 对济二煤矿的通风系统进行 优化处理，通过绘制通风网络图，然后进行计算机网络解算，得出不同方案的模 拟数据，根据模拟数据，制定通风系统优化方案并组织实施。 关键词关键词通风网络优化；阻力测定；对比分析；数值模拟 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II ABSTRACT Ventilation system is one of the six major production systems in mine. It is an important technical plat for mine safety production. The improvement of mine climate environment, the discharge of harmful gas and dust as well as the prevention and control of gas, fire, heat damage and so on, all need a good ventilation system to protect it. This paper studies the basic situation of the mine, and establishes the parameter database through the measurement of resistance, analyzes the problems in the ventilation system, and sums up the problems in the ventilation system of the two coal mine from the ventilation resistance, the air volume, the efficiency, the construction facilities and the main fan through the study of a large number of documents. The new version of “coal mine safety regulations“ provisions after October 1st will prohibit the use of auxiliary fan. But in Jining No. two coal mine auxiliary fan in the past few years to ensure the south wing concentrated production, indeed played a huge role to meet the demand for the south wing of wind. Three coal mining faces in Ji two coal mine are produced in the south wing in a short period of time, and the production of the north and South wings is seriously unbalanced. According to the calculation and actual verification, the air volume of the 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 III southern wing is difficult to meet the 3 coal mining faces, 3 local ventilation sites, and the near period mine nine, ten and eleven. The production pattern of three mining areas will continue to November. After the auxiliary fan stops running, the air volume is difficult to meet the demand. The recovery problem of ten mining, thirteen mining and fifteen mining will be considered in the long term. The ventilation distance will be farther, the difficulty of ventilation will be greater, the urgent demand of the mine safety production is based on the urgent demand of the mine safety production, in order to ensure the auxiliary fan stop. After the normal production of the mine, we must proceed with the optimization and transation of the ventilation system ahead of schedule. Starting from the actual ventilation problems in Jining No. two coal mine, the ventilation system of Ji two coal mine is optimized. By comparing the simulated data, we get the optimization plan. Key Words Ventilation network optimization; resistance measurement; comparative analysis; numerical simulation 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 目录目录 1 绪论绪论 ................................................................................................ 1 1.1 项目背景及意义..................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状..................................................................................... 2 1.3 研究的必要性......................................................................................... 2 1.4 研究方法................................................................................................. 4 2 矿井通风系统现状矿井通风系统现状 ........................................................................ 4 2.1 矿井概况................................................................................................. 2 2.2 矿井通风系统......................................................................................... 2 3 矿井通风系统优化与应用矿井通风系统优化与应用 .......................................................... 15 3.1 矿井需风量及实际配风....................................................................... 15 3.2 矿井主要通风机性能........................................................................... 18 3.3 矿井通风网络........................................................................................ 20 3.4 基于通风网络解算的通风系统分析................................................... 21 3.5 矿井通风系统优化措施制定及效果预测............................................ 27 4 矿井通风系统优化措施的实施与效果矿井通风系统优化措施的实施与效果 ....................................... 36 4.1 降低阻力措施的实施............................................................................ 36 4.1 优化措施的实际效果............................................................................ 37 5. 结论结论 ............................................................................................. 40 参考文献参考文献 .......................................................................................... 41 致谢致谢................................................................................................... 41 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V Contents 1 Introduction .................................................................................. 1 1.1 Project background and significance ....................................................... 1 1.2 Research status at home and abroad ........................................................ 2 1.3 The necessity of research ......................................................................... 3 1.4 Research ...................................................................................... 3 2 Present situation of mine ventilation system ............................... 4 2.1 General situation of mine ......................................................................... 5 2.2 mine ventilation system ........................................................................... 5 3 Optimization and application of mine ventilation system ....... 18 3.1 Air demand and actual air distribution in mine ...................................... 18 3.2 Perance of main ventilator in mine ................................................ 21 3.3 Mine ventilation network ....................................................................... 23 3.4 Ventilation system analysis based on ventilation network calculation .. 24 3.5 Mine ventilation system optimization measures ulation and effect prediction. ............................................................................................................ 30 4 Implementation and effect of optimization measures for mine ventilation system ............................................................................ 36 4.1 The implementation of the measures to reduce resistance ..................... 39 4.1 The actual effect of the optimization measures ..................................... 42 5. Conclusion ................................................................................... 43 Reference ......................................................................................... 44 Thanks .............................................................................................. 47 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 项目背景及意义项目背景及意义 煤炭的开采已经具有了悠久的历史， 煤炭已经成为了人们生活中必不可少的 一种消耗品。而且煤炭已然成为重工业发展的必需品，就行人们离不开粮食，工 业的发展也离不开煤炭。即使科技飞速发展，新能源不断被发现不断被使用，煤 炭仍然在在能源产业中占有很大比例。能源产业所必须面临的问题就是不可再 生，煤炭作为一种重要的生活、发展必需品，消耗量大且不可再生。为了推动能 源的可持续发展及合理的利用矿井必须经多个阶段的考验。在矿井服务年限中， 开采深度不断增加、巷道的掘进、产量的变化等都会矿井的通风系统造成一定的 影响。开采的年限越长，风机工作时间越长。而长时间的工作使得风机的工作效 率变低、耗电量增加。而矿井通风系统与矿井的生产息息相关。通风系统一旦出 现问题，将严重影响生产，甚至直接威胁生产人员的生命健康，造成不可挽回的 严重损失。矿井的通风系统如果足够完善、可以减少基础建设投资的费用，加快 建设速度，使矿井的开采不受到通风不足的影响，同时对矿井未来的发展趋势及 其经济效益有着长远的影响。为了使矿井的通风系统处于较为稳定的安全状态， 必须及时的对矿井通风阻力进行测定， 并及时根据阻力测定报告制定相应的通风 系统优化措施。 综上所述， 对于矿井通风系统的阻力测定以及优化措施的实施是矿井必须要 进行的且需要长期坚持的一项重要工作。 阻力的测定及优化措施的制定不是耗时 耗力的浪费而是“磨刀不误砍柴工”的优化工程。是科学的、有理有据的对矿井进 行效益增长，即能够保护环境带来环境效益；又能够保证矿井的安全生产带来安 全效益，达到利益最大化。结合矿井真实情况，进行矿井通风系统阻力测定及优 化措施实施，把理论分析与现场调研结果相结合，建设完善的矿井通风系统，使 得矿井的生产能力达到最大化，是我国煤炭发展要长期坚持的技术指导方针。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 矿井通风系统是由纵横交错的井巷构成的一个复杂系统， 煤矿生产系统由众 多的巷道，结构复杂多变等特征，对于矿井进行网络解算的工作来说，计算量非 常的大，并且解算项目比较复杂。因此用图论的方法对通风系统进行抽象描述， 把通风系统变成一个由线、点及其属性组成的系统通风网络，并将计算机技术 用于矿井通风网络分析，是目前快速、准确地解决这一问题的唯一方法。 1.2.1 国内研究现状国内研究现状 我国的通风系统研究中在 1984 年，由福州大学沈斐敏教授及其科研组最终 修改编写为编写成为矿井通风微机程序设计与应用教材，作为采矿工程和矿 井安全专业的教材使用，自此系统的学习矿井通风中计算机的使用。后辽宁工程 技术大学的刘剑教授等自主研发的 MVSS3.0 系统进行自动识别分析与网络解 算，规划未来矿井生产布局，预测实施效果，通过方案优选对比，确定最优的矿 井通风系统改造与优化方案。 经过多年的研究与发展我国已经对矿井的通风系统有了较为深入的研究， 更 是结合我国实际的开采情况对矿井的通风系统优化进行了深入的研究。 逐渐形成 了一门针对矿井通风系统优化及网络结算的科学。 1.2.2 国外研究现状国外研究现状 自 1931 年的波兰人 H.Czeczott 构建型网络几何解算法，标志着通风网络 数学解析法的开始。 七年之后， 英国学者 S.威克发明了针对简单网络特性曲线的 图解分析法。进入 50 年代，W.马斯通过模拟电流过程及 D.R.Sikaod 模拟水力管 网进行网络解算，此种类似方法统称为物理模拟法，因各种缘由逐渐被人摒弃。 而数学分析法与图解法得到广泛运用和发展， 特别是前者与计算机技术结合更是 愈走愈宽，但是图解法因其自身的直观性而作为一种辅助分析法，学术界又把数 学分析法细分为三种网络分风，详见下图 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 图图 1.1 网络解算类型网络解算类型 Figure 1.1 network calculation type 1.3 研究的必要性研究的必要性 根据新版煤矿安全规程，10 月 1 日后辅助通风机将严禁使用，井下辅 助通风机在过去的几年中为保证南翼集中生产，确实发挥了巨大的作用，满足了 南翼风量需求，使矿井产量一直保持 420 万吨水平。现今济宁二号煤矿三个采煤 工作面短期内又在南翼集中生产，南北翼生产严重不均衡，根据测算和实际验证 辅助通风机停止运行后，南翼风量难以满足 3 个采煤工作面，3 个局部通风地点 的风量需求，而近期矿井九采区、十采区、十一采区三个采区的生产格局，将持 续到 11 月份，辅助通风机停止运行后风量难以满足需求；远期还要考虑十采、 十三采、十五采的回采问题，供风距离将更远，通风难度将更大，基于矿井安全 生产实际的迫切需求，为确保辅助通风机停运后矿井正常生产，必须提前着手进 行通风系统优化改造工作。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 4 1.4 研究方法研究方法 针对本研究的实用性特点，论文研究中拟采取理论联系实际的技术路线，将 理论研究的结果应用到济宁二号煤矿矿井通风系统中。 此次论文研究拟采用的研究方法包括以下几个方面 （1）理论分析方法 通过深入研究通风安全学、流体力学与流体机械、采煤技术等理论，掌握国 内外矿井通风系统改造与优化方面的先进技术，查阅有关文献。 （2）现场实测方法 通过应用先进的通风管理系统对矿井通风系统进行实时监测，采用最为方 便、快捷、有效、安全、经济的通风阻力测量方法进行阻力测定，搜集必要的基 础数据，作为系统分析的基础。 （3）计算机模拟方法 通过对现场调研，收集资料，将收集到的相关基础资料录入到计算机中进行 相关的数据处理，将得到的数据进行误差校验和是否符合煤矿安全规程的有 关规定，建立数据库，最后建立计算机模拟模型，将数据库的数据导入到模型中 进行模拟。 （4）综合分析方法 通过现场实测和计算机模拟得到相关结果，采用理论指导实践，实践验证理 论的方法，得到经济合理的结论，最终用以指导实际的安全生产。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 矿井通风系统现状 2 2 矿井通风系统现状矿井通风系统现状 2.1 矿井概况矿井概况 2.1.1 地理交通位置地理交通位置 济宁二号煤矿是一座机械化程度较高的大型煤矿，设计时预计生产能力为 400 万吨。井田地理位置优越，有京杭运河、兖新铁路等交通路线环绕交通十分 方便。井田面积达 87.5km2 ，，平均煤厚较大，储量丰富。矿井在 1997 年正式投 产开采深度为-450m～-1000m。 2.1.2 井田特性井田特性 矿井通风方式为主井、副井进风的中央并列式，中央风井回风。现核定生产 能力为每年 420 万吨，核定通风能力为每年 606 万吨。 2014 年瓦斯等级鉴定结果为瓦斯相对涌出量为 0.14m3/t,绝对涌出量为 1.15m3/min；二氧化碳相对涌出量为 0.63m3/t,绝对涌出量为 5.37m3/min。主采 3 上、3 下煤层，煤层自然倾向性吸氧量 0.41～0.53，为Ⅱ类自燃煤层；有煤尘 爆炸性，火焰长度〉18，抑制煤尘爆炸最低岩粉量 25～70，最短发火期 47 天。 2.2 矿井通风系统矿井通风系统 2.2.1 矿井通风网络系统矿井通风网络系统 煤矿的通风系统是由巷道的交汇且相连接构成的。风流不断从巷道中流过， 流经的这些交汇巷道行程了矿井的通风系统。新鲜的风流从井口进入矿井，流过 进风巷道流到工作面。经过采煤或者掘进工作面后变成污风，向回风巷道流动， 流出矿井，流到地表。井下空气的流动遵循一定的自然规律，巷道中的风量根据 阻力大小自然分风。因此，为了保证井下用风地点的风流足够，需要了解学习矿 井通风的相关知识，利用气体流动规律和流体力学原理控制风流的流动方向，从 而保证用风地点的风量足够。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 矿井通风系统现状 3 对与矿山而言，将巷道的位置、长度、断面大小等忽略，用单线条对矿井的 风流路线进行描绘矿井通风系统图，此时得到的图形称之为体 on 高峰系统网络 图。通风系统网络图的作用较大，可以判定风流的流向；矿井在发生灾害的情况 下风流的方向，通风机的工作状态，局部风机等是否能够有效较低灾害的损失； 计算风量调节后对矿井通风系统造成的影响等。 使用矿井通风中的原理对矿井的 通风系统进行分析，结合矿井整体的通风网络特征。 在径向通风网络解算是通常用到以下概念（1）节点多条（三条及以上） 巷道相交时产生的交点。（2）分支用来表示一段巷道的有方向的线段。（3） 网络 把矿井内的巷道用分支表现出来后组成的网络，能够有效的反映矿井原来 通风系统中的通风特点及风流路线等（4）网孔分支和巷道交汇的节点构成的 闭合路径（5）风向风流在巷道中的流动方向。（6）伪节点为伪风支所增加 的节点。 2.2.2 矿井通风现状矿井通风现状 济宁二号煤矿矿井主要通风机的型号为 GAF33.5-17-1GZ，两台风机均配备 TD1600-8/1430 同步电机，电机额定功率 1600kw，额定转速 750r/min。2016 年 7 月下旬， 2风机运行， 叶片角度为4.5 ， 风机风量 315.3m3/s， 风机静压为 2950Pa， 电压 6.3kV，电流 123A，矿井总进风 18215m3/min，其中南翼系统总进风 10286 m3/min；总回风 18438m3/min，南翼总回风 10416m3/min。 矿井辅助通风机硐室位于南翼 3煤仓附近， 2011 年 6 月正式投入使用。辅 助风机参数型号FBCDFNo26/2 280A，流量67～190m3/s，静压200～ 3700Pa，最大静压效率≥82；配用电机型号YBF450-8，额定电压6KV， 额定功率2 280kW，两台，一用一备，电源来自南翼 4 号变电所，双回路供电。 2016 年 7 月，辅助通风机是 1风机双级运行，叶片角度为-9o，负压 1100Pa，风 机风量 158.7m3/s，电机电压 6.21kV，电流 28.3A，辅助通风机以西总回风 7108m3/min，辅助通风机风量约 9522m3/min，处于辅助通风机范围的采掘和局 部通风地点为11310 工作面、10301 工作面、十采回风道、9311 运顺、93上13 运顺共 2 个面 3 个头。自 2011 年 6 月正式投入使用以来，运行正常、稳定，实 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 矿井通风系统现状 4 现了南翼二水平九、十一、十三、十五采和十采区的正常采掘活动，保证了矿井 的通风系统安全稳定，取得了显著的经济安全社会效益。 2.2.3 矿井通风系统阻力测定与分析矿井通风系统阻力测定与分析 矿井通风阻力的测迪是矿井通风系统进行优化的重要一环， 也是必须要进行 的基础工作。 通过对矿井的阻力测定能够及时的了解矿井的阻力是如何分布的并 且能够知道矿井的通风阻力的具体数值。进行阻力测定后，还能够了解主要同等 级的工作情况， 同时还未使用先进的推算模拟技术对矿井通风系统进行结算时提 供了最需要的基础数据。