矿井通风三维仿真优化及可控循环风研究.pdf

分类号 U D C 学位论文 矿井通风三维仿真优化及可控循环风研究 作者姓名刘晓培 指导教师柳静献教授 东北大学资源与土木工程学院 申请学位级别硕士学科类别工学 学科专业名称安全技术及工程 论文提交日期2 0 1 3 年6 月论文答辩日期2 0 1 3 年6 月 学位授予日期2 0 1 3 年7 月答辩委员会主席吴穹 评阅人冯国会教授 毛宁副教授 东北大学 2 0 1 3 年6 月 万方数据 AD i s s e r t a t i o ni nS a f e t yT e c h n o l o g ya n dE n g i n e e r i n g S i m u l a t i o na n d O p t i m i z a t i o n o nM i n eV e n t i l a t i o n S y s t e ma n dS t u d y o nC o n t r o l l e dR e c i r c u l a t i n g A i r B yL i uX i a o p e i S u p e r v i s o r P r o f e s s o rL i uJ i n g x i a n N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y J u n e2 0 1 3 万方数据 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 作者签名享一1 蕊诧 日 期如，≥．占。2 , 7 - 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后 半年口一年口一年半口两年回 作者签名主’I 鼢壤 签字日期刃坞彳6 马冲日 导师签名 签字日期2 0 虏、6 、2 y 万方数据 东北大学硕士学位论文 摘要 矿井通风三维仿真优化及可控循环风研究 摘要 在深井矿山开采中，通风系统作为井下生产的安全保障，对矿山安全十分重要。随 着我国对矿石需求量的迅猛增长以及矿山开采年限、矿山开采深度的增加，在矿井通风 系统方面，面临两个问题复杂通风网络的解算优化以及如何经济合理的向深部矿井送 风。本文以红透山铜锌矿为例，详细研究了问题的解决方案。 本文在对国内外相关文献分析的基础上，研究了矿井通风理论，基于V e n t s i m 三维 通风仿真软件，建立了红透山矿超过8 7 0 0 条、1 2 0 k m 长巷道的大型通风系统三维模型， 对矿山的通风现状进行了模拟。在制定通风系统测试方案基础上，对井下不同风机开启 状态时的通风现状进行测试和数据分析，发现浅部矿井存在一定的漏风，需要加强密闭。 另外，模拟结果与实测结果偏差小于6 ％，证明所建模型的准确性；进而提出了深井通 风系统改进的可行性方案，通过解算确定了在东侧新建风井的最优方案，其通风效率高 达到7 1 ．5 ％。 红透山矿开采己达到1 3 0 0 m ，针对这种深部开采，在回风气流有害气体净化实验成 果基础上，采用可控循环风技术用于红透山，解决深部矿井的节能送风问题。通过对红 透山气流质量监测表明，混合入风的流质量完全符合国家有关规定，其节约能耗3 2 ．1 ％。 V e n t s i m 三维仿真模拟系统对矿井通风网络的解算及优化起到了至关重要的作用， 为通风管理人员及决策人员提供了科学可靠的手段可控循环风技术对深部矿井有良好 的节能效果，它们都有很好的应用前景。 关键词矿井通风；三维仿真模拟V e n t s i m 软件；通风系统优化；可控循环风 I I I 万方数据 东北大学硕士学位论文A b s t r a c t S i m u l a t i o na n dO p t i m i z a t i o no nM i n eV e n t i l a t i o nS y s t e ma n d S t u d yo nC o n t r o l l e dR e c i r c u l a t i n g A i r A bs t r a c t I nt h ep r o c e s so fm i n i n gm i n e r a lr e s o u r c e s ，v e n t i l a t i o ns y s t e mh a sav e r yi m p o r t a n t s i g n i f i c a n c ef o rt h em i n es a f e t yp r o d u c t i o n ．A st h ed e m a n df o ro r eg r o w sr a p i d l ya n dt h e m i n i n gp e r i o da n dd e p t hi n c r e a s e ，i t f a c e st w op r o b l e m s t h ec a l c u l a t i o no fc o m p l e x v e n t i l a t i o nn e t w o r ka n dh o wt os u p p l ya i rt od e e pm i n ee c o n o m i c a l l y ．B a s e do nH o n g I 【o u s h a n M i n ea sa l le x a m p l e ，t h es o l u t i o n sa r ep r o p o s e di nt h ep a p e r B yt h ea n a l y s i so fr e l e v a n tl i t e r a t u r et os t u d yt h em i n ev e n t i l a t i o nt h e o r y , H o n g t o u s h a n M i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m3 Dm o d e l sw i t ho v e r8 7 0 0 ．12 0 k ml o n ga i r w a y sh a sb e e ne s t a b l i s h e d w i t hV e n t s i ms o f t w a r e ．T h e r eisa i rl e a k a g ei ns h a l l o wm i n et h a tn e e d e dt os t r e n g t h e na i r t i g h t b yt h et e s t o nf a n si nd i f f e r e n ts t a t e s ．I na d d i t i o n ，t h ed e v i a t i o no fs i m u l a t i o nr e s u l t sa n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t si sl e s st h a n6 ％．I tp r o v e st h a tt h et h em o d e li sa c c u r a c y ．T h e nt h e f e a s i b l ei m p r o v e dp l a n sa r ep u tf o r w a r da b o u td e e pm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m ．B ys o l v i n g ，i ti s d e t e r m i n e dt h a tt h ev e n t i l a t i o ne f f i c i e n c yo f o p t i m a ls o l u t i o nr e a c h e s7 1 ．5 ％ S of a r , H o n g t o u s h a nM i n eh a sr e a c h e d13 0 0 m ．F o rt h i sd e e pm i m n g ，t h et e c h n o l o g yo f t h ec o n t r o l l e dr e c i r c u l a t i o no fa i rw a sa d o p t e dt os o l v et h ep r o b l e mo fd e e pm i n eb l a s t ．I n H o n g t o u s h a nM n e c o n t r o l l e dr e c i r c u l a t i n ga i rs y s t e m ，m i x i n ga i r f l o wq u a l i t yc o n f o r m st ot h e r e l e v a n ts t a t er e g u l a t i o n s ．A n dt h es y s t e mw i l lr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o nb y3 2 ．1 ％ V e n t s i m3 Ds i m u l a t i o ns y s t e mh a sp l a y e dac r u c i a lr o l ef o rt h ec a l c u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o no fm i n ev e n t i l a t i o nn e t w o r ka n dp r o v i d e sar e l i a b l es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h e v e n t i l a t i o nm a n a g e m e n t ．T h et e c h n o l o g yo ft h ec o n t r o l l e dr e c i r c u l a t i o no fa i rh a sag o o d e n e r g ys a v i n ge f f e c ti nd e e pm i n e sa n dg o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t s K e yw o r d s m i n ev e n t i l a t i o n ；3 Ds i m u l a t i o n ；V e n t s i ms o f t w a r e ；t h ev e n t i l a t i o ns y s t e m o p t i m i z a t i o n ；c o n t r o l l e dr e c i r c u l a t i n ga i r V 万方数据 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I Ⅱ A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．V 第1 章概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 矿井通风系统的节能技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 ．1 矿井通风中自然能源的利用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 高效节能风机的使用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．3 多级机站通风技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．4 可控循环风的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 ．3 矿井通风系统计算机软件的国内外现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 ．1 国外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 13 ．2 国内研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4 本文研究的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 第2 章矿井通风系统的理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 矿井通风系统布局⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 ．1 中央式通风⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 ．2 对角式通风⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．1 3 混合式通风⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 矿井通风网络风流基本定律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．1 风量平衡定律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．2 风压平衡定律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．3 阻力定律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 矿井通风阻力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．1 摩擦阻力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 V Ⅱ 万方数据 东北大学硕士学位论文目录 2 ．3 ．2 局部阻力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 ．3 正面阻力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．4 矿井通风动力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4 ．1 自然风压及其应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4 ．2 风机的选择及应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．5 矿井通风网络的解算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．5 ．1 简单通风网络的解算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．5 ．2 复杂通风网络的解算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 第3 章红透山矿通风系统三维仿真模拟与优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ，1V e n t s i m 模拟软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 5 3 ．1 ．1V e n t s i m 软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．1 ．2V e n t s i m 软件功能介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．2 红透山矿概况及通风系统现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．1 矿区位置及气候条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．2 通风系统历史演变⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．3 红透山矿通风系统三维建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．3 ．1 巷道基本信息⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ．．．．．3 4 3 ．3 ．2 通风系统的A u t o C A D 三维建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 3 ．3 3 通风系统的V e n t s i m 三维建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．3 ．4 巷道参数设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．4 红透山矿通风系统优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．4 ．1 通风系统风流模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．4 ．2 红透山矿通风系统优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 第4 章红透山矿通风系统测试与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．1 通风系统测试方法分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．1 ．1 测试计划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．1 ．2 测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．2 红透山矿通风系统测试方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．2 ．1 测试内容⋯⋯⋯ Ⅷ 5 6 万方数据 东北大学硕士学位论文 目录 4 ．2 ．2 测试仪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．2 ．3 测试工作的开展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 4 ．3 红透山通风系统测试数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 4 ．3 ．1 日常工作状态各中段进风情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 4 ．3 ．2 地表主扇的工作情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 4 ．3 ．3 不同风机状态下- 4 6 7 m 中段的回风情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 4 ．4 通风系统测试数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 第5 章红透山可控循环风利用研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 5 ．1 可控循环风应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 5 2 有害气体净化技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．2 ．1 金属矿山有害气体⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．2 ．2 实验室中对有害气体吸收的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 融 5 ．2 ．3 红透山矿风流质量检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 53 红透山矿可控循环风现场应用及监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 5 ．3 ．1 红透山矿可控循环风现场应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 5 ．3 ．2 净化风与新风掺混后风流质量监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 5 ．4 可控循环风掺混控制与节能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 5 ．4 ．1 可控循环风掺混控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 5 ．4 ．2 可控循环风系统的节能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 第6 章结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 3 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 5 附表日常工作状态及风机不同状态的测试数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 7 Ⅸ 万方数据 东北大学硕士学位论文第1 章概述 1 ．1 引言 第1 章概述 从第一次工业革命到1 9 世纪3 0 年代，在这8 0 年中，世界人口1 0 亿，导致对资源 需求的大幅增长结束于2 0 世纪初的第二次工业革命，开辟了人类电气化的新纪元， 使全球的生产力得到更加高速的发展，致使大规模的开发利用自然资源，尤其是地下矿 产资源成为现实【1 。2 1 。之后，随着世界经济的飞速发展，对地下矿产资源的开发利用日渐 加剧，人们对矿产资源的开采问题也越来越关心。 在我国，未来的几十年将处于工业化中期阶段，对矿产资源的利用及需求将会进入 一个高峰期，矿产资源的供求矛盾将会更加突出【3 J 。由于地下矿产资源稀缺，且不可再 生，目前我国的浅表矿床及开采条件相对较好的矿床储量不断的消耗，这迫使大多数矿 山转入深部或复杂矿床的开采1 4 ] 。据统计，我国大型金属矿山约有1 0 ％的开采深度在 7 0 0 “ ～1 0 0 0 m ，2 0 ％的开采深度在5 0 0 - ～7 0 0 m 。而且未来金属矿山的开采深度还会继续增 加，随之而来的技术难题之一就是通风问题，例如，矿井通风的内外部条件将会变得更 加复杂，通风网络越来越复杂，通风阻力增大，热害显现、通风能耗高等[ ％】。如果不 进行通风网络的优化和调整，将对矿井的安全生产造成不利影响。因此，对矿井通风系 统理论及技术研究就显得迫切和有意义。 矿井通风涉及到采矿工程学、流体力学、测量学、计算机科学以及数据库等多种学 科的理论知识，矿井通风系统是一个动态的、多变的复杂系统，对其进行设计、分析、 管理以及改造所需的工作量巨大。因此，对于大型矿山的复杂通风网络，光靠手工解算 是几乎不可能的，必须借助于计算机软件来处理。近些年来，伴随着电子信息技术的不 断发展，国内外在矿井通风仿真系统方面的研究十分活跃，各种矿井通风系统仿真软件 相继推出。因此，矿山通风系统的信息化、可视化、智能化已成为各国矿业所关注的课 题冈。 1 ．2 矿井通风系统的节能技术 经过半个多世纪的发展，我国矿井通风技术取得了较大的发展，各种新技术不断出 现、发展、完善，并趋于成熟。目前，我国的矿井通风理论主要是以能源的节约为中心， 通过对自然风的利用、高效节能风机、多级机站的设置及可控循环风的使用来实现技术 的进步和完善[ 8 1 。 万方数据 东北大学硕士学位论文第l 章概述 1 ．2 ．1 矿井通风中自然能源的利用 2 1 世纪将是天然清洁能源开发利用的大发展时期，对于矿井通风来说，充分利用自 然资源同样是值得关注的研究方向【9 1 。 1 地温预热技术早在2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，东北大学就率先提出在冬 季利用地温预热技术预热新鲜风流，减少能耗。这一技术不仅从理论上得以完善，并且 得到了广泛应用。 2 地温预冷技术在地温预热理论不断完善的基础上，东北大学针对深井开采 时，井下气温高的问题提出了利用地温预冷风流的设想，后来这一设想在湘西金矿得以 成功应用。在现场的测试中发现，经过低温岩层预冷的入风流温度要比由进风井直接进 入井下的入风流温度低3 ～5 ℃，再配合局部湿式循环降温和通风措施，较好地解决了深 部作业点温度升高的问题。低温预冷技术的发展对我国深热矿井的通风降温具有实际意 义。 3 自然风压的利用在一些小型的金属矿山，自然风压作为一种自然能源可直 接用于井下通风，成为对我们有利的能源。但是，对于那些大、中型的金属矿山中，多 采用机械通风，自然风压基本没得到有效利用，甚至当自然风向与矿井所需风流方向相 反时，还需要增加机械通风的能量克服自然风压。因此，在机械通风的矿井中怎样合理 的利用自然风压将是一个值得研究的课题。在进行通风系统优化时，考虑到矿山的具体 情况，合理利用自然风压，可达到减少能耗的效果。 1 ．2 ．2 高效节能风机的使用 矿井通风的电耗很大，能耗浪费十分严重。据不完全统计，矿井通风用电平均占全 矿用电的l ／3 多，成为矿山电耗的主要组成部分。而风机是高能耗设备，是整个矿井通 风系统的主要耗能设备。因此，合理选择和使用主要通风机，对矿井安全生产、改善井 下工作环境、节约能耗都有重要作用。 关于金属矿山使用的节能风机，是从2 0 世纪8 0 年代开始研制。在1 9 8 1 年，冶金 行业矿山节能风机推广中心研制出了K F T 系列矿用辅扇，实现了井下风量调节的辅扇 调节。1 9 8 5 年，推出了D K 4 5 、K 5 5 、K 4 5 、K 3 5 等系列主辅扇和J K 5 5 系列局扇。1 9 8 7 年推出了D K 4 0 、K 4 0 系列为主、辅通风机和J K 5 8 系列局部通风机，至此形成了第一代 K 系列矿用节能通风机1 1 0 J 。 1 9 9 0 年在对第一代K 系列矿用节能风机进行改进的基础上，形成了第二代K 系列 ．2 ． 万方数据 东北大学硕士学位论文第l 章概述 矿用风机技术，其与第一代K 系列矿用节能风机相比，所作的技术改进包括以下几个方 面采用机翼型扭益中空钢板叶片代替原玻璃钢叶片；叶型参数进行了优化、噪声降低 改善叶柄受力结构和材料状态，提高叶轮的运转安全度主机敷设稳流环防喘振装置， 消除了风机特性曲线上的驼峰，提高了风机在高阻力区运行和多风机联合工作的运转稳 定性等。 目前，我国开发了第三代K 、D K 系列矿用节能轴流式通风机，是对第二代K 系列 矿用风机类型和机号组成进行系统的优化，是我国品种最全、性能覆盖面最广的金属用 节能通风机。其采用电机与叶轮直联的结构，整体稳定性好，装置局部阻力低，风机的 叶片，采用国内先进的三元流理论进行空气动力性能设计，采用机翼扭曲形叶片，静压 效率高达8 8 ％，节能效果显著【1 1 1 。 1 ．2 ．3 多级机站通风技术 我国自1 9 8 3 年开始多级机站通风技术的实验研究，至此，已有几十家大中型非煤氇 矿井采用此技术，改造原有的通风系统，都取得了明显的社会效益和经济效益。多风机 多级机站是由几级风机接力地将地表新风直接送到井下作业区，将污风抽排到地表。其 需风点的风量调节基本上由风机控制，尽量避免用风窗调节，以提高系统的可控性，使 矿井通风系统真正做到按需供风I l2 J 。 多风机多级机站具有显著的优越性，它既可提高矿井有效风量率，又可节省电能消 耗，有明显的节能效果。其节能原理如下 1 加强了通风风流的控制，内、外部漏风少。多级机站系统的机站大多数设于 井下，其漏风量主要取决于机站密闭的好坏和压差。多级机站在进风段、需风段及回风 段均设置机站，有专门的进、回风路。首先是几级机站将新鲜风流经由专用进风井引入 到需风的回采联络巷内，而作业工作面产生的污风经由局部通风装置及几级回风机站通 过专用的回风井排出地表。由于采区进回风天井间隔布置，每个矿块的底部联络巷均有 独立的风流，矿块之间风流不能串联。由于不经过运输水平和其他井巷，不存在漏风。 漏风量减少，提高了有效风量率，从而减少了矿井总风量。通风能耗与风量成三次方关 系，如果系统的总风量减少1 0 ％，则能耗降低2 7 ．1 ％，总风量减少2 0 ％，则能耗降低4 8 ．8 ％， 多级机站通风实践证明，在保证通风效果的基础上，系统总风量比主扇系统减少1 0 ％- 2 0 ％ 不困难，因此，多级机站通风是节能的主要途径【l 3 1 。 2 扇风机的运转时间短，在同一时间内，多级机站通风系统运行的风机功率总 数和运行时间要少于大主扇通风系统扇风机。因为多级机站通风系统的机站由多个并联 ．3 ． 万方数据 东北大学硕士学位论文第1 章概述 的相同风机组成，可以根据作业区需风量的变化而开闭风机，调节风量，并可按需分配 风量、开闭风机。而大主扇通风系统，主扇功率过高，启动时对电网影响太大，不允许 随便停机，因此，只要坑内有人员作业，即使是少量作业，主扇风机也必须照常运转， 白白浪费了电能。 3 扇风机的运转效率高。由于采用多级风机共同承担矿井阻力，每级机站分担 的阻力较小，多级机站通风采用了近年来研制成功的中低压、大流量的节能型风机，扇 风机的运转效率显著提高，由大主扇的4 0 ％提高到6 0 ％以上，甚至有时高达8 5 ％以上。 1 ．2 ．4 可控循环风的研究 面对目前金属矿山的开采深度正逐步增加的现象，要想在原有的通风系统的基础上 增加通风系统的进风量是比较困难的。通过改变主扇的一些通风技术参数或者对原有系 统进行一些技术改造，可以解决一部分的通风问题，但是综合技术可行性、经济合理性 等各方面因素考虑，并不是很理想，会大大提高通风的成本。可控循环风就是在这种情 况下提出来的，它是指将回风井中的部分风流经过净化达到国家后，再引入到进风并中， 将风流进行循环利用，这样，可以节约能耗，大大的降低成本【1 4 。。 曾经很多矿山对循环风的应用有诸多的限制，这是由于当时理论研究的匮乏以及监 测监控手段的落后所导致的。可控循环风技术由英国学者S ．J ．L e a c h 和A ．S l a c k 于1 9 6 4 年研究提出的，1 9 7 0 年初在英国开始应用。在加拿大，哥伦比亚大学采矿系于1 9 8 5 年 对可控循环风降低冬季预热成本的可能性进行了研究，第二年在曼尼托巴省拉坦铜锌矿 进行了现场实验，结果表明使用可控循环系统，一方面可减少矿井新鲜风量，另一方 面利用高温的回流风直接对低温的进风流进行加热，大大的减少冬季通风加热费用。在 美国，1 9 8 7 年新南沃尔斯大学矿业学校采矿系的V ．SV u t u k u r i 通过研究接力式串联风机 的循环风，指出了循环风用于局部通风的优点，说明接力式串联风机的循环风是实用的。 同年，在澳大利亚昆士兰大学的实验室进行了可控循环风的实验，并对循环风的经济理 论进行了研究，说明可控循环风在经济上的可行性。直到现在，国外在可控循环风的理 论研究及实践方面进行了大量的研究，还取得了不少的成果，同时还在有些矿山成功推 广应用了可控循环风技术，取得了较好的经济效益I l 5 1 。 在国内，可控循环风的理论研究以及应用都起步较晚。1 9 7 9 年中南矿冶学院的叶镇 杰教授通过对国外可控循环风的研究进行了分析，提出了循环风的应用可以改善采场通 风，提高工作面的有效风速，为主扇风量增加困难的矿井带来应用空间。但是必须对循 环风进行有效的净化。这才引起了国内部分学者的兴趣，开始进行循环风的研究工作。 一4 ． 万方数据 东北大学项士学位论文第l 章概述 近些年来，可控循环风的理论研究及实际应用在国内得到了很大的发展。许多矿山应用 了可控循环风技术，如陶阳煤矿于2 0 0 1 年开始进行区域循环风实践，连云港市白集煤 矿于2 0 0 4 年投入使用了区域可控循环风系统等等。目前，越来越多的理论研究及现场 应用对可控循环风的可行性提供支持，但是在积极推行可控循环风技术的过程中，做好 监测监控工作，有利于该项技术在我国井下区域通风方面的安全应用，为矿山的安全高 效发展提供保障【1 6 】。 1 ．3 矿井通风系统计算机软件的国内外现状 随着高性能、低价格计算机的出现，在矿山的科研设计中应用计算机已经比较普遍。 利用计算机软件解算矿井通风系统，可根据矿井通风系统现状，直接解算出井下局部改 变对矿井通风系统的影响及可能造成的隐患，再根据所出现的隐患，采取相应的措施， 继续解算，直到整个系统合理为止，为系统的改进提供优化方案。同时，还具有速度快、 精度高，手工输入的原始数据大量减少，避免了人工操作的很多弊端等佬点【1 7 1 。 1 ．3 ．1 国外研究现状 早在1 9 5 3 年，S c o t t 和H i n s l c y 两位学者就已经使用计算机来解决矿井通风网络问 题。1 9 6 7 年W a n g 和H a r t m a n 开发出计算包含多风机和自然通风在内的立体矿井通风网 络程序，该软件表明用于解决矿井通风问题的分析软件跨入了成熟阶段。，随后，大量用 于更加复杂的矿井通风系统的分析软件层出不穷。在1 9 7 4 年，宾夕法尼亚州立大学的 S t e f a n k o 和R a m a n i 两位专家对矿井通风网络分析的发展也做出了很大贡献，研究了井 下柴油机对通风网络的影响，并提出了一系列相关的数学公式。1 9 8 1 年，G r e u e r 研究了 有关通风系统污染物及发生火灾时污染情况的软件，成为最具代表性的软件之一。在2 0 世纪末，国外最具代表性的矿井通风模拟软件，如表1 ．1 所示。 表1 ．12 0 世纪末国外通风软件一览表 T a b l e1 ．1L i s to f2 0 2c e n t u r yf o r e i g nv e n t i l a t i o ns o f t w a r e ．5 ． 万方数据 东北大学硕士学位论文第1 章概述 目前，在西方国家大多数有关矿井通风网络解算的软件已经商业化，比较有影响力 的两款软件是M i n T e e h 和D a t a M i n e 。在印度尼西亚，目前应用比较普遍的通风软件是 V e n t P C 2 0 0 0 。而在澳大利亚，V e n t s i m 三维通风仿真系统以其真三维仿真等先进的可视 化技术得到广泛推广。 1 ．3 ．2 国内研究现状 东北大学在上世纪5 0 年代就开始进行矿井通风和网络解算的研究，王英敏提出并 建立了相应的算法，并在计算机上实现。1 9 7 3 年，抚顺煤炭研究院编写了我国第一个矿 井通风网络分析程序。1 9 8 4 年，沈斐敏等编写了微型电子计算机在矿井通风中的应用， 为更多接触学习矿井通风网络解算的人员提供了理论知识。1 9 9 1 年，中国矿业大学的张 惠忱编写了计算机在矿井通风中的应用，为计算机在矿井通风领域进一步应用提供 了技术支持。昆明有色冶金设计研究院谢宁芳开发的功能较为完善的通风专家3 ．0 软件 是目前国内较为先进的采矿类应用软件，这款软件开发始于2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代 初，适用于各类井下开采矿山矿井通风系统优化设计和相关设计。除此之外，国内还有 很多其他的通风软件，从不同角度反映、解决了矿井通风中的不同实际问题，例如在2 0 0 5 年，王刚、毕于深等针对矿井通风网络解算过程中最小生成树的生成过程采用传统的“破 图法”计算时间长的问题，提出应用贪心算法解算矿井通风网络，以期缩短计算时间， 提高程序运行速度；袁梅、章状新等编制了矿井自然分子网络的电算程序 M Ⅵ岬 等掣1 8 】。 1 ．4 本文研究的主要内容 本课题依托于红透山铜锌矿复杂网络通风三维仿真分析及通风网络优化方法研究 项目。论文以红透山矿为例，应用V e n t s i m 三维仿真模拟软件对其通风系统进行了模拟 与优化，主要内容包括 1 根据所搜集的文献资料，了解有关矿井通风系统的理论，包括矿井的阻力计 算、矿井动力的选择及布置、矿井通风网络的解算等，为后面的工作提供理论支持 2 了解红透山矿通风系统的现状，整理矿山为我们提供的关于矿山通风系统的 一6 一 万方数据 东北大学硕士学位论文第1 章概述 资料。 3 根据所整理的资料，建成红透山矿通风系统的三维仿真模型； 4 根据所建成的模型，发现通风问题，并对通风系统进行改造、优化，将优化 后的方案进行V e n t s i m 三维仿真模拟，与原系统进行对比 5 进行现场通风系统的测试，将模拟结果与测试结果比较，验证所建成的模型 6 在实验室研究的基础上，将可控循环风应用到红透山通风系统中，并计算出 其应用价值。 ．7 ． 万方数据 万方数据 东北大学硕士学位论文 第2 章矿井通风系统的理论研究 第2 章矿井通风系统的理论研究 2 ．1 矿井通风系统布局 每个矿井通风系统至少有一个可靠的进风井及回风井，根据进风井和回风井的相对 位置，将矿井通风系统划分为三种形式，即中央式通风、对角式通风和混合式通风。由 于每个矿体的条件不一样，在布置进风井与回风井时，要考虑各矿的具体条件，不要受 所介绍的通风布置的局限n 9 1 。 2 ．1 ．1 中央式通风 进风井与回风井