矿井多级机站通风系统节能研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目 矿井多级机站通风系统节能研究 英文题目英文题目 Research on Consumption for Mine Multi-stage Station Ventilation System 学位类学位类别别 工学硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 张根源 学号学号2013023174 学科学科领域领域名称名称 矿业工程 指导教指导教师师 王文才 职称职称 教授 协助指导教协助指导教师师 职称职称 2016 年 5 月 31 日 分类号分类号 TD722 TD722 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 10127 10127 万方数据 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 现在，我国许多的煤炭和金属资源都是用地下开采的途径获取的。随着社会 的发展和浅层次资源的逐步减少， 地下开采资源的比例以及深度会变得越来越大， 现有的一些露天矿山也会陆续转移到地下。 由于矿井越来越多的进入了深度开采 阶段和对矿井下工作条件的要求不断增加， 多级机站的通风方式必然会更加频繁 的使用。由此可见，关于矿井通风节能方面的基础性研究有巨大的理论意义和现 实意义。 本文通过资料总结了多级机站通风的背景与意义以及国内外的研究现状。 根 据文献资料总结出节能原理及其措施。采用理论研究、实验模拟以及数值模拟相 结合的方法，对不同的通风方式的能耗进行了对比研究。 根据的相似理论建立了与呼和乌素煤矿采区通风系统相一致的 120 比例相 似通风实验模型，通过该实验模型进行巷道通风模拟实验，根据矿山实际需风量 设置实验时的需风量 Q0.2630m3/s； Q0.3189m3/s； Q0.3894m3/s； Q0.4004m3/s， 分别测量不同需风量下的每个测点的风流压力以及风量， 通过计算得出不同需风 量下的两种通风系统的能耗， 用相关的数据处理软件做出不同需风量下的两种通 风方式能耗的点线图并比较分析。 使用 FLUENT 软件构建通风巷道的几何模型并进行网格划分以及设置边界 条件，设定工作面的不同需风量，依据实际情况设置漏风点，使用两种不同的通 风方式分别模拟出各个需风量下巷道的风压与风速， 计算出不同需风量下的两种 通风方式的能耗，与实验室测算的能耗相比较并做进一步的分析。 两种连接方式的能耗都是随着风量的增大而增多的，同一需风量下，二级机 站通风方式的能耗总是低于单一大风扇通风方式的能耗， 这意味着在需风量相同 的条件下，多级机站的通风方式比单一大风扇的通风方式更加节能，更加经济。 在呼和乌素煤矿采区通风系统中验证在满足工作面需风量的前提下， 二级机站 的通风方式与单一大风扇通风方式比较，它的节能效益N16.60。 关键词关键词矿井；多级机站；均压通风；节能 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract Now, many coal and metal resources are acquired by underground mining in china. Multistage stations ventilation develop on the basis of two main and auxiliary fan ventilation, pressure pumping hybrid ventilation and a plurality of parallel ventilation fans. It is a new ventilation technology. It provides a new way abaut ventilation extending the mine. Thus, basic research on energy efficiency of mine ventilation has great theoretical and practical significance. This article briefly describes research background and significance, the current research, research content, s and technical route of multi-staged ventilation. We summarized the principles and measures of energy conservation Based on the literature. Using theoretical research, experimental simulation and numerical simulation , the energy consumption of different ventilation s were compared. According to coal mine working face, similar ventilation experimental model is established using the similarity theory to reduce 20 times. Experiments were carried out through the tunnel ventilation model simulation. You need to set up requiring wind of experiment based on actual air in mine Q 0.2630 m3/s; Q 0.3189 m3/s; Q 0.3894 m3/s; Q 0.4004 m3/s. Merry pressure were measured and the amount of air in each measurement point in different wind requiring. Calculated energy consumption under different ventilation quantity required and two ventilation system. Comparative and analysis energy consumption of different ways under different required air volume, using relevant software make map. Using the FLUENT software to build ventilation roadway geometry and mesh and set the boundary conditions, the need to set a different amount of wind face, set several leakage points based on the actual situation, the use of two different ventilation were required to simulate the various wind tunnel under wind pressure and air flow, the calculated energy required two kinds of different ways of ventilation air flow under the energy consumption estimates compared with the laboratory, and then 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III analyzing the energy consumption. Energy consumption are two ways to connect with the increasing volume of air and increased energy consumption two stations ventilation is always lower than a single large ventilation fan, which means that the same amount of wind demand conditions, and more ventilation level stations more energy-efficient than a single large ventilation fans, more economical. In the call of coal face verification, the actual demand on the basis of the amount of wind, two ventilation stations compared to the energy efficiency of a single large mainfan way N 16.60. KeywordsKeywords The mine；Multi-stage ventilator station；Ventilation；Energy saving 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 目目 录录 摘 要 ........................................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................................... II 1. 概述 ........................................................................................................................................... 1 1.1 多级机站通风系统概述 .......................................................................... 1 1.2 研究背景与意义 ...................................................................................... 2 1.2.1 研究背景 ........................................................................................ 2 1.2.2 研究意义 ........................................................................................ 3 1.3 国内外研究现状 ...................................................................................... 4 1.3.1 国外研究现状 ................................................................................ 4 1.3.2 国内研究现状 ................................................................................ 5 1.4 研究内容、方案以及技术路线 .............................................................. 6 1.4.1 研究内容 ........................................................................................ 6 1.4.2 研究方法、技术路线 ..................................................................... 6 2. 矿井多级机站通风系统节能原理 ....................................................................................... 8 2.1 均衡通风优化调节原理 .......................................................................... 8 2.2 均压通风原理 ........................................................................................ 10 2.3 可控循环通风原理 ................................................................................ 13 2.4 本章小结 ................................................................................................ 15 3. 矿井多级机站通风系统节能基本措施的研究 .............................................................. 16 3.1 合理配置机站数目 ................................................................................ 16 3.2 优化系统风量 ........................................................................................ 17 3.3 实施均压通风，减少漏风 .................................................................... 18 3.4 适度利用可控循环通风 ........................................................................ 20 3.5 实施均衡通风，尽可能少的使用通风调节设施 ................................ 21 3.6 降低局部阻力 ........................................................................................ 22 3.7 使用高性能通风机 ................................................................................ 23 3.8 本章小结 ................................................................................................ 24 4. 多级机站通风实验 .............................................................................................................. 25 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II 4.1 实验模拟系统 ........................................................................................ 25 4.2 实验装置测点布置与实验测定仪器的选择 ........................................ 27 4.2.1 测点的布置 .................................................................................. 27 4.2.2 实验仪器 ...................................................................................... 27 4.3 能耗理论 ................................................................................................ 29 4.4 单机压入与单机抽出的二级机站能耗实验研究 ................................ 29 4.5 本章小结 ................................................................................................ 35 5. 数值模拟 ............................................................................................................................... 36 5.1 FLUENT 软件简介 ................................................................................ 36 5.2 流体流动的数学模型 ............................................................................ 37 5.3 几何模型的建立与网格划分 ................................................................ 40 5.4 边界条件的处理 .................................................................................... 41 5.5 FLUENT 数值模拟模型的正确性验证 ................................................ 42 5.5.1 单机压入与单机抽出的二级机站的数值模拟 ............................. 42 5.5.2 单机压入与单机抽出的二级机站的数值模拟正确性验证 ......... 51 5.6 双机压入与单机抽出的二级机站数值模拟及现场验证 .................... 52 5.7 本章小结 ................................................................................................ 58 结 论 ..................................................................................................................................... 59 参考文献 .................................................................................................................................... 60 在学研究成果 ............................................................................................................................ 63 致 谢 ..................................................................................................................................... 64 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1. 概述概述 1.1 多级机站通风系统概述多级机站通风系统概述 多级机站通风系统是指在矿井中的主要的通风风路上的进风段、 回风段以及 需风段三个地方安装的若干个风机， 把地面上的新鲜空气从进风巷道接力般的运 送到需风地点， 与此同时将工作面产生的浊风从回风巷道运送到地面上的通风系 统。就其本质而言，矿井中的通风系统就是相当复杂的一个非线性系统[1]。 完整的多级机站通风系统包括四级机站[2] Ⅰ级机站此机站是压入式风机，它安装在通风系统的进风巷道，地面上的 新鲜空气由它导入矿井中。 Ⅱ级机站 这一部分风机的作用是矿井工作面处的引风以及通风系统中压力 的接力，它是确保矿井中的工作面供风充足的主要通风机， 也就是说矿井中的采 矿工作面是它的作用对象。 Ⅲ级机站此部分通风机是抽出式的通风机，它们安装在矿井下采区的回风 巷道部分，它们的作用是把矿井下开采区的浊风直接排出。 Ⅳ级机站此部分的通风机为矿井下整个通风系统总的回风通风机机站，它 们起到预防地面上自然风流扰乱的作用， 迫使空气在整个回风的通风系统中有序 的流动。它们把每个开采区的污浊的空气排至地面。 此外，如果某个通风线路的风阻值较大，那么还可以增加一部分附加的通风 机站[3]。 多级机站通风系统的优点[4]①它可以随着矿井中工作面风量需求的变化而 灵活的调整风量， 保证井下工作面有充足的新鲜空气。 ②它还可以减少整个矿井 通风网络上的压差.使得通风网络中的每个分支的风压都处于平衡状态，从而减 少漏风量， 确保有效的风量[5]。 ③它更加有利于使用节能型的通风机和分区通风， 能够提高通风机的效率，降低通风的阻力，减少通风能耗。 多级机站通风系统的缺点[6]①通风机较多而且分散，在矿井中安装以及维 修的工作量比较大，管理起来也比较困难；现在国内的一些矿山中虽然陪着有机 站的集中控制系统，但是在反风门以及闸门的自动控制方面尚存在一些问题。② 多级机站的局部阻力值比较大， 大约占据风机全压的 50以上。 同级机站中拥有 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 并联的通风机的个数越多，这级机站的通风阻力值就越大[7]。③多级机站通风需 要挖掘专用的通风巷道， 使新鲜的空气不需要长距离的运送巷道就能够到需风地 点，不仅确保了进风风量，而且降低了内部漏风的风量，但是专用的通风巷道的 花费较大[8]。 1.2 研究背景与意义研究背景与意义 1.2.1 研究背景研究背景 近年来多级机站通风在我国的矿井中得到了广泛的应用， 它拥有明显的优越 性，不仅可以提升矿井中的有效风量，而且还可以节省用电[9]。自 1983 年我国 开始对多级机站通风技术研究以来， 使用了此项技术的大中型非煤矿已经有几十 个了，它们改造原先旧的矿井通风系统，都已经取得了比较好的经济效益。矿井 多级机站通风拥有调节便捷，节省能源等优点[10]。 现在，我国许多的煤炭和金属资源都是用地下开采的途径获取的。随着社会 的发展和浅层次资源的逐步减少， 地下开采资源的比例以及深度会变得越来越大， 现有的一些露天矿山也会陆续转移到地下开采[11]。 经过过去几十年时间的开采， 现在许多地下矿山已经进入到了深部开采阶段。 开采深度的不断延深，它的通风风流的路线长度、通风的阻力值和专用的通风井 掘进、维护费用也在不断增大，当使用一台主要通风机通风已经不能确保按照需 求供风的时侯， 就必须使用两台或者两台以上的通风机来进行压抽混合式通风作 业，以便能够增加供风量[12]。 目前，在我国采用了多级机站通风的矿山有数十个1996 年，山东夏甸金 矿使用的是主-辅两级机站的两翼对角式的通风方式[13]；1997 年，山东金翅岭金 矿使用的是主-辅两级机站的单翼对角式的通风方式；1998 年，上海梅山铁矿使 用的是四级机站的进、回风系统独立的通风方式[14]；1999 年，山东岭南金矿使 用的是主-辅两级机站的两翼对角式的通风方式[15]；2000 年，南京铅锌银矿改造 三级机站为二级机站的通风方式；2000 年，浙江水平铜矿使用的是主-辅两级机 站的通风方式[16]；2000 年，白银露天矿转变成地下矿，使用的是三级机站的通 风方式；2000 年，金川镍矿改造四级机站为二级机站的通风方式[17]；2000 年， 大冶尖林山铁矿使用的是二级机站的通风方式；2002 年，蚕庄金矿使用的是主- 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 辅二级机站的通风方式[18]；2002 年，上海梅山铁矿使用的是四级机站的集中控 制通风系统；2004 年，蚕庄金矿使用的是三级机站的通风方式；2004 年，河北 北铭河铁矿使用的是四级机站的通风方式[19]；2004 年，三山岛金矿使用的是三 级机站的通风方式；2005 年，略钢黑山沟铁矿使用的是三级机站两翼对角式通 风方式。 1.2.2 研究意义研究意义 多级机站的通风方式是在主辅两个通风机联合通风作业、 压抽混合式的通风 以及多个通风机并联通风作业的基础上所发展出来的，它是一项新的通风技术。 它为矿井继续延深情况下的通风方式的改造提供了新的途径[20]。 经过过去几十年时间的开采， 现在许多地下矿山已经进入到了深部开采阶段。 多级机站的通风方式越来越多被应用于矿井中。在我国，矿山使用了多级机站的 通风方式的有大冶铁矿、梅山铁矿和金川镍矿等。从这些矿山的实际成果中可以 发现，矿井多级机站的通风方式和旧的统一通风方式相比，拥有风机效率高、有 效风量率高、通风电耗少等特点[21]。 据近年来的统计，通风机的运行效率只有大约 40，还不到预计的一半。然 而在金属矿山中，风机的能耗大约占总能耗的 1/3，而通风能耗的 70是电费， 一般来说，在大型的矿井中通风机的功率能够达到数千瓦， 这就使得矿山每年的 通风电费有数百万元。其主要原因是，它们的通风方法和风机性能、设计手段以 及管理水平的低下而造成的矿井通风系统高能耗[22]。由于矿井越来越多的进入 了深度开采阶段和对矿井下工作条件的要求不断增加， 多级机站的通风方式必然 会更加频繁的使用。 由此可见，关于矿井通风节能方面的基础性研究有巨大的理 论意义和现实意义[23]。 矿井通风节能方面研究的主要方向是 ①矿井通风系统建设与改造的过程中， 应该依据各自的具体情况，多途径的发展，主要包括统一主扇的通风、主一辅 风机的通风、分区的通风方式以及多级机站的通风方式[24]；②研制新型、高效 以及节能的矿用通风机[25]；③优化通风设计；④使用自动控制的通风方式[26]。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 1.3 国内外研究现状国内外研究现状 1.3.1 国外研究现状国外研究现状 多级机站通风系统的研究历程是漫长且艰辛的， 早期的科研人员与矿井工作 人员为了研发出先进的可控式的多级机站通风方式付出了许多的汗水。 最早的多 级机站通风方式起源于加拿大、美国以及一些欧洲国家[27]。 70 年代初期，在煤矿上英国就使用了多个风机并联的通风方式，其中最为 庞大的辅扇通风机组高达 12 台[28]。在巷道建设的过程中安装串并联通风机，在 上面平台上用楔子固定住滑轮来安装上部通风机， 此平台还可以用于维修与行人。 美国研发了有专门进回风巷道的多级机站通风系统。此外，还运用通风机来 重新分配矿井下空气的新方式，必要时还可以增加风窗、调节门以及辅扇来进行 调节[29]。 从 60 年代开始，瑞典的矿井机械化水平越来越高，使用柴油运输设备产生 的浊气污染越来越严重，因此对通风方式的改进优化提上了议事日程。借鉴美国 麦克费逊的一项实验，即把相互独立的，几个相似的通风机组成的矿井通风系统 中， 能够形成较为稳定的风流，创新性的产生整个矿井通风系统中的通风量和采 煤工作面的需求风量相互适应的想法， 创造出一种由同一种形式的通风模块组成 的整个矿井范围的可控的通风系统通风方式[30]。 19791981 年期间，基鲁纳矿使用了进风巷道局部风扇与各分区段辅助风扇 的自动控制。据当时的统计，使用此项技术能够节省电量高达 70。在整个矿井 中使用多级机站通风方式的还有美国的亨德森矿山， 它不仅挖掘了专门的进回风 井， 而且在空气流经进风巷道中部后，还使用了扇风机来再分配风量以及调节门 来辅助[31]。 在矿井中使用多级机站通风方式不仅通风机的数量较多， 而且通风网络较为 复杂，因此多级机站通风的网络解算成为一项复杂而繁琐的工作[32]。 1925 年，波兰的 H.Czeczott 首先提出了角联分支网络理论[33]。 1928 年，波兰的 H.Czeczott 进一部提出了网络解算方面的问题[34]。 1931 年，波兰的 H.Czeczott 运用了几何的方法来解算含有角联分支的通风 网络[35]。 1935 年，波兰的 S.Barezyk 提出了逐次逐进法[36]。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5 - 1951 年，日本的平松良熊研究提出了构筑多元方程来惊醒通风网络的解算 [37]。 1951 年，英国的 D.R.Scott 与 F.BHinsley 进一步提出了迭代计算[38]。 1953 年，英国的 D.R.Scott 与 F.BHinsley 充分利用计算机，提出了斯考德- 恒斯雷法[39]。 1981 年，Y.J.Wang 研究出了关键线路与割集运算的工程网络关键路线[40]。 1987 年，美国的比哈米迪帕蒂研究出了分段线性的方法[41]。 1.3.2 国内研究现状国内研究现状 1980 年，我国矿井的科研者学习瑞典矿经的通风经验，成功的把多级机站 通风运用于地下开采中[42]。 1982 年，马矿院与梅山铁矿开始将多级机站通风方式进行现场试验。直到 “九五” 的时候， 应用多级机站通风才发展起来， 并且掀起了一股多级机站潮流。 此后又经过了 30 多年的研究试验，多级机站的通风技术取得了巨大的发展[43]。 在我国学者与专家携手努力之下， 多级机站的通风方式也在持续不断完善中， 并且获得的许多的研究成果[44]。 2001 年，梅山矿业公司的董振民按照多级机站通风的网络结构不同，把多 级机站通风系统分为以下两种 不具备独立的进风巷道的系统以及具备独立的进、 回风巷道的系统[45]。 2002 年，青岛建筑工程学院的教授陈喜山等把多级机站通风系统划分为四 种不同的模式 回风侧分区、分区不独立、深井子域分区以及无风墙的模式[46]。 2007 年，胡杏保等根据机站的不同布置把多级机站通风系统划分为以下几 种四级机站的模式、采场区机站-中段部分机站-总的回风机站三级机站运行模 式以及主通风机-辅通风机二级机站模式[47]。 2012 年，山东理工大学的教授赵小稚等按照系统的层次不同把多级机站通 风系统划分为以下两种不完全型系统与完整型系统[48]。 在我国矿山中如果使用多级机站通风方式， 那么一般会存在机站布置方面的 难题。少数的矿山甚至在一些地方不布置机站，这就使得多级机站通风不完整， 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 6 - 严重影响整个矿山的实际通风效果，为了攻克此难题，我国的许多学者致力于这 方面的研究与开发，已经取得了一些成果[49]。 1990 年，教授王海宁研究出了多级的串并联空气幕模型，在较大断面以及 较大压差的运输井巷中展开了一系列的研究试验，而且获得了许多的成果[50]。 近年来，教授王海宁根据风流的流动理论，进一步构建了酮室中的通风机机 站理论模型，并且在矿山中展开了大量的应用研究[51]。 张立炎等研究了金属矿山中通风能耗比较高的原因， 提出了通过优化重建通 风网络、 维护通风构筑物、合理设置以及合理配置通风的动力设备以此来实现通 风系统节能[52]。 1.4 研究内容、方案研究内容、方案以及技术路线以及技术路线 1.4.1 研究内容研究内容 （1）矿井多级机站通风系统节能原理研究 均衡通风原理；均压通风原理；可控循环风原理。 （2）矿井多级机站通风系统节能基本措施研究 根据各种矿山的实际节能情况提出节能的措施合理配置机站数目；优化系 统风量；实施均压通风，减少漏风；适度利用可控循环通风；实施均衡通风，尽 可能少的使用通风调节设施；降低机站局部阻力；使用高性能通风机。 （3）矿井多级机站通风系统能耗的实验研究 采用实验室模型测算的综合方法， 研究不同需风量下两种通风方式的能耗特 性。 （4）不同需风量下两种通风方式的能耗数值模拟以及其各自的节能效益和 现场验证。 1.4.2 研究方法、技术路线研究方法、技术路线 依据前人的研究以及现有的能耗实验研究给出矿井多级机站的节能方面的 基本理论和在通风过程中能够减少能耗的一些较为具体的措施， 利用这些原理与 措施设计出模拟实验的装置， 运用实验室实际实验与 Fluent 数值模拟相结合的方 式进行不同方式通风的能耗实验研究， 使用皮托管以及补偿式的微压计对各个测 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 7 - 点进行压力测量，并计算出风量，通过公式计算出不同需求风量下的能耗，划出 能耗的规律图。 使用数值模拟对巷道的风速与压力的分布模拟，计算出相应风量 下的能耗，与实验测量的比较检验，最后进行现场节能验证。 技术路线见图1.1 图 1.1 技术路线 矿井多级机站通风系统节能研究 查看相关文献，并分析 实验室模拟试验 节能理论的研究 建立数学模型 结合资料用 FLUENT 软件模拟 实验建立通风几何模型 设立边界