矿井通风系统稳定性分析与仿真模拟.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 矿井通风系统稳定性分析与仿真模拟矿井通风系统稳定性分析与仿真模拟 学位类型学位类型 学术型学位 学科 （专业学位类别）学科 （专业学位类别） 矿业工程 作者姓名作者姓名 唐 辉 雄 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 赵伏军 教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 余学云 高级工程师 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2015 年 6 月 1 日 密密 级级公开 中图分类号中图分类号TD72 万方数据 矿井通风系统稳定性分析与仿真模拟矿井通风系统稳定性分析与仿真模拟 学位类型学位类型 学术型学位 学科 （专业学位类别）学科 （专业学位类别） 矿业工程 作者姓名作者姓名 唐 辉 雄 作者学号作者学号 12010101002 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 赵伏军 教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 余学云 高级工程师 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2015 年 6 月 1 日 学 位 授 予 单 位学 位 授 予 单 位 湖南科技大学 万方数据 Stability Analysis and Simulation of Mine Ventilation System Type of Degree Academic Degree Discipline Mining Engineering Candidate TANG Hui-Xiong Student Number 12010101002 Supervisor and Professional Title Prof. ZHAO Fu-jun Practice Mentor and Professional Title E.E.YU Xue-yun School School of Energy and Safety Engineering Date June.1, 2015 University Hunan University of Science and Technology 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 万方数据 - i - 摘摘 要要 矿井通风系统是矿井生产系统的重要组成部分，其稳定性分析是矿井日常通 风管理的重要内容。随着矿井采掘工作的不断推进，矿井通风系统实际上是一个 动态的、复杂的系统，并受多种因素的影响，因而风网结构也不断发生改变。若 能在风网结构变化前，对井下风流和风机工况情况进行仿真模拟，分析风网结构 稳定性，对保障矿井安全生产具有十分重要的意义。本文运用理论分析、现场实 测和数值模拟等研究方法，对矿井通风系统稳定性与仿真模拟进行了深入研究。 1采用理论研究与数值模拟方法，分析矿井角联风网的风流稳定性，得出了 风阻变化对风网风量的影响规律，绘制了风量随风阻变化的曲线。以分段函数模 型描述曲线变化特性，将曲线划分为风阻调节灵敏区、迟钝区和无影响区。若风 阻调节在灵敏区内，则风量变化是明显的。而一旦风阻调节进入迟钝区或无影响 区，风量变化不明显，难以达到调风目的，这就是造成矿井调风困难的主要原因。 2通过分析矿井通风机运行情况，得出了通风机运行时工况点在坐标系中可 能出现的位置和不稳定运行条件，提出了一种基于最小一乘准则求解矿井通风机 特性曲线的方法，并对通风机实测数据进行曲线拟合。与传统的算法相比，最小 一乘法拟合的曲线方程出现了多个零偏差点，总偏差、平均偏差和总偏差率均小 于最小二乘法，曲线受异常点的影响小，拟合精度高，更接近矿井实际情况。 3推导了等效风网特性曲线坐标方程，在此基础上分析了多风井通风系统的 稳定性。结合最小功耗理论，得到了多风井通风系统的最佳分风方案为自然分风， 即各通风机工作风路的风压相等。在多风井风网结构中，通过风阻调节使各风井 排风量接近自然分风风量，可以有效的降低矿井通风能耗。 4全面测定了芝兰冲煤矿目前通风状态下的通风参数， 掌握了矿井通风现状， 得到了矿井主要通风巷道的摩擦阻力系数、风阻值、井巷阻力分布、风机性能曲 线、 矿井自然风压和矿井通风难易程度。经检验，通风测定结果相对误差小于 5， 满足工程要求，数据真实可靠。 5创建了芝兰冲煤矿 Ventsim 三维通风动态仿真模拟系统模型，对通风现状 进行了仿真模拟，模拟结果真实可靠。模拟系统可为芝兰冲煤矿日常通风管理、 深部开拓巷道贯通后的风量预测和通风系统优化改造等提供必要的技术支持和决 策参考。 关键词关键词角联风网；稳定性；多风井通风系统；等效风网；仿真模拟 万方数据 - ii - 万方数据 - iii - ABSTRACT The mine ventilation system is an important part of the mine production system and the analysis of its stability is essential to the mine daily ventilation management. With the progress of mining work, the mine ventilation system is actually a dynamic and complex system, which affected by various factors. Therefore,the wind network structure is changing. In order to guarantee the safety of mine production,it is important to simulated the wind flow under the mine and the working status of the ventilator before the wind network structure changes. This paper conducts an in-depth study on the stability of the mine ventilation system and its simulated model by using the research s of theoretical study, field measurement and numerical simulation. 1 The theoretical research and the numerical simulation are adopted to analyze the wind flow stability of the mine diagonal wind network. Based on that, the influence rules of the wind resistance changes on the wind volume are obtained. The curve showing the relationship between the wind amount and wind resistance changes is drawn. The subsection mathematical model is employed to describe the variation characteristics of the curve. The curve is divided into the wind resistance adjustment sensitive area, blunt area and influence-free area. If the wind resistance adjustment is within the sensitive area, the wind amount changes are significant. Once the wind resistance adjustment enters the blunt area and the influence-free area, the wind amount changes become insignificant, which is hard to achieve the purpose of wind adjustment. This is the major reason for the difficulty of wind adjustment within the mine. 2 Through analyzing the operation of the mine ventilator, the potential positions of the operating points in the coordinate and the instable operating conditions of the ventilator during the operation can be obtained. A based on the least absolutely deviation to solve the characteristic curve of the ventilator in the mine is put forward. A curve fitting is conducted by the measured data of the ventilator. Compared with the traditional algorithm, the curvilinear equation based on the least absolutely deviation shows multiple zero deviation points. Its total deviation, average deviation and total deviation rate are smaller than those based on the least square . Besides, the curve is less affected by the abnormal points. The fitting precision is relatively high and closer to the actual situation of the mine. 3 The equivalent wind network characteristic curvilinear coordinate equation is 万方数据 - iv - deduced. Based on that, the stability of the ventilation system with multiple ventilating shafts is analyzed. Acoording to the minimum power consumption theory, the optimal wind separation plan for the ventilation system with multiple ventilating shafts is the natural wind separation, which means the wind pressure of all branches of the ventilators are the same. In the wind network structure with multiple ventilating shafts, the wind output of various ventilating shafts is made to stay close to the wind amount of the natural wind separation through the wind resistance adjustment. This can effectively reduce the energy consumptionof mine ventilation. 4 The ventilation parameters of Zhilanchong Coal Mine under the current ventilation status are comprehensively measured so as to learn the ventilation status of the coal mine. The ventilation parameters including the frictional resistance coefficient and wind resistance value of the major ventilation courses, the resistance distribution of mine courses, the perance curve of ventilators, the natural wind pressure and the ventilation difficulty level of the mine are obtained. The test shows that the relative error is smaller than 5, which meets the engineering requirements. Thus the data obtained are reliable and authentic. 5 The Ventsim 3D dynamic simulated system model is established to simulate the ventilation status. The simulation results are reliable and authentic. The simulated system can provide necessary technical support and decision-making references for the wind amount prediction and the optimization and transation of the wind amount measurement after the in-depth development of the mine courses. Keywords Diagonal network；Stability；Windy shaft ventilation system；Multiple air shaft ventilation system；Equivalent network；Simulation. 万方数据 目目 录录 摘摘 要要 ......................................................................................................................... i ABSTRACT .............................................................................................................. iii 第一章第一章 绪论绪论 ............................................................................................................ 1 1.1 论文研究背景 ................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................ 1 1.2.1 矿井通风系统稳定性研究现状 ............................................................ 2 1.2.2 矿井通风系统仿真模拟研究现状 ........................................................ 4 1.3 研究内容与方法 ............................................................................................ 7 第二章第二章 矿井角联风网的稳定性分析矿井角联风网的稳定性分析 ................................................................ 9 2.1 风网的稳定性 ................................................................................................ 9 2.1.1 风路的稳定性描述 ............................................................................... 9 2.1.2 风流变化基本定律 ............................................................................. 10 2.1.3 风网的稳定性分析 ............................................................................. 11 2.2 角联风网的稳定性 ...................................................................................... 15 2.2.1 角联风路的稳定性分析 ..................................................................... 15 2.2.2 边缘风路的稳定性分析 ..................................................................... 18 2.3 本章小结 ...................................................................................................... 22 第三章第三章 多风井矿井通风系统的稳定性分析多风井矿井通风系统的稳定性分析 ................................................. 23 3.1 通风机特性曲线 .......................................................................................... 23 3.1.1 风机运行稳定性 ................................................................................. 23 3.1.2 风机特性曲线的求解 ......................................................................... 25 3.2 等效风网特性曲线 ...................................................................................... 29 3.2.1 风路特性曲线 .................................................................................... 29 3.2.2 等效风网特性曲线 ............................................................................. 30 3.2.3 对角并联通风系统稳定性分析 .......................................................... 31 3.3 通风系统的风量分配与调节 ....................................................................... 33 3.3.1 多风井通风系统风量的合理分配 ...................................................... 33 3.3.2 通风系统的风量调节 ......................................................................... 34 3.4 本章小结 ...................................................................................................... 36 第四章第四章 矿井通风系统测定与分析矿井通风系统测定与分析 .................................................................. 39 4.1 通风阻力测定 .............................................................................................. 39 4.1.1 测定仪器 ............................................................................................ 39 万方数据 4.1.2 测定方法 ............................................................................................ 39 4.1.3 数据处理 ............................................................................................ 42 4.2 风机性能测定 .............................................................................................. 45 4.2.1 测定仪器 ............................................................................................ 45 4.2.2 测定方法 ............................................................................................ 45 4.2.3 数据处理 ............................................................................................ 47 4.3 芝兰冲煤矿通风系统测定结果分析 ............................................................ 49 4.3.1 芝兰冲煤矿测定结果的可靠性验证 .................................................. 49 4.3.2 芝兰冲煤矿通风系统分析 ................................................................. 52 4.3.3 芝兰冲煤矿通风系统测定结论 .......................................................... 54 4.4 稳定性对阻力测定的影响 ........................................................................... 56 4.4.1 基点气压变化的影响 ......................................................................... 56 4.4.2 风流稳定性的影响 ............................................................................. 57 4.4.3 测点标高准确性的影响 ..................................................................... 59 4.5 本章小结 ...................................................................................................... 61 第五章第五章 矿井三维通风动态仿真模拟系统矿井三维通风动态仿真模拟系统 ..................................................... 63 5.1 Ventsim 三维通风动态仿真模拟软件 ........................................................... 63 5.1.1 系统简介 ............................................................................................ 63 5.1.2 主要功能 ............................................................................................ 63 5.1.3 三维动态仿真的实现 ......................................................................... 64 5.2 三维通风动态仿真模拟系统 ....................................................................... 66 5.2.1 创建三维通风仿真系统模型 .............................................................. 66 5.2.2 赋基础数据值 .................................................................................... 68 5.2.3 芝兰冲煤矿通风系统现状模拟及评价 .............................................. 71 5.3 矿井通风调节与预测 ................................................................................... 72 5.4 本章小结 ...................................................................................................... 75 第六章第六章 结论与展望结论与展望 ............................................................................................. 77 6.1 结论 ............................................................................................................. 77 6.2 主要创新点 .................................................................................................. 78 6.3 展望 ............................................................................................................. 78 参考文献参考文献 ................................................................................................................. 81 致致 谢谢 ..................................................................................................................... 85 附录攻读硕士学位期间的科研成果及获奖情况附录攻读硕士学位期间的科研成果及获奖情况 ...................................... 87 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 论文研究背景论文研究背景 矿井通风系统是矿井生产系统的重要组成部分，它是由矿井通风网络、主要 通风机和通风构筑物等若干子系统及其单元组成的大型复杂关联系统[1]。近年来， 国内外煤矿重大瓦斯事故均与矿井通风系统稳定性有着密切关联[2-3]。随着矿井主 要通风机等通风设备老化、通风系统服务年限延长、井下巷道收缩率增大、作业 面向深部布置、作业方式变化、风网结构变动[4-6]，再加上国民经济对矿产资源的 需求量增加，生产布局井田范围扩大，多个进风井进风、多个排风井排风的矿井 增多[7-9]，通风系统变的越来越复杂，越来越不稳定，通风管理变的越来越困难。 在这种情况下，开展矿井通风系统稳定性分析和仿真模拟研究显得尤为重要和迫 切。 风流不稳定表现出井巷中风流流向发生变化或风量大小变化幅度超出允许范 围的现象。矿井通风系统的稳定性主要取决于主要通风机的台数、种类、相对位 置、性能以及自然风压的大小、通风网路的结构形式等[10]。矿井内风流稳定与否， 在一定程度上反映了矿井通风动力和网路结构的合理程度与协调情况。矿井通风 系统的稳定性，直接影响到通风系统能否有效的将有毒、有害气体和粉尘等稀释 排出矿井。在用风地点或瓦斯涌出的巷道中，风流方向不稳定可能会导致瓦斯积 聚或局部温度升高，严重时导致瓦斯和煤尘爆炸[11-12]。由此可见，矿井通风系统 的稳定性不仅是一项技术指标，同时也是一项重要的安全指标。因此保持矿井通 风系统特别是用风地点的稳定性， 对保障矿井安全生产具有十分重要的意义[13-15]。 采用仿真模拟技术创建矿井三维通风动态仿真模拟系统，对正常通风时期的 通风系统进行模拟，获得正常通风时期风网的特性参数。在通风系统发生变化时， 通风系统仿真模拟能为生产矿井日常通风管理提供支持和决策参考。仿真模拟对 通风状态做出足够准确的模拟，从而提出正确、有效的技术措施，及时调整通风 系统，使矿井通风系统达到最优控制风流的目的。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 矿井通风系统是矿井生产系统的重要组成部分，与矿井的稳产、高产、防灾 抗灾能力和矿井的经济效益