矿井进风井筒区域风流紊乱机理及调控方法研究

发布时间：2017-11-18 11:28

  本文关键词：矿井进风井筒区域风流紊乱机理及调控方法研究

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【摘要】：矿井自然风压导致的进风井筒区域风流紊乱是一个较为复杂的热动力现象。机械抽出式矿井的进风井筒及其井下联络巷之间,存在较多有高差的闭合回路。而这些闭合回路在有平均温度差或空气柱密度差的情况下,将产生阻碍某一井筒进风的自然风压。当该自然风压在较大范围变化时,即可导致进风井筒及其联络巷区域发生风速减小、风流停滞甚至逆转的现象。尤其在矿区气温较低时,这一风流不稳定现象经常发生,严重威胁着矿井安全生产的顺利进行。该现象不仅使冬季进风井筒供暖难以满足生产要求,而且可导致井底煤仓巷道区域出现瓦斯积聚,为生产安全埋下重大隐患。此外,井筒逆转风流可将井底瓦斯、粉尘及水蒸汽带入井口房,污染作业环境,缩短设备使用寿命。针对此问题,很多学者在矿井通风阻力及自然风压测定的基础上,对进风井筒区域的风流紊乱现象进行了研究。根据现场实测数据及推导的井筒风流紊乱判别式,找出了导致进风井筒区域风流状态改变的主要因素,并提出了相应控制措施。然而,当前研究多集中于井筒区域风流紊乱的应急分析与自然风压的被动治理,随着时间的推移,风流停滞或逆转的现象仍可经常出现,不能得到有效的预防与控制。因此,有必要对这一现象的发生发展过程进行深入探讨,揭示其演化机理,并从根本上得出调控方法,使该问题得到便捷、有效解决。本文基于以上考虑,主要采用理论分析、实验室实验和现场实测相结合的方法,通过大量的数据测试和系统分析,较为详实地研究了进风井筒区域风流温度、风量与自然风压的相互关系以及风流紊乱的演化机理,同时研究得到了防治该现象较为理想的方法。首先采用文献分析的方法,对已发生风流紊乱的矿井进行统计分析,研究进风井筒区域风流紊乱的共性特征;根据自然风压定义及现场实际情况,归纳矿井中自然风压的具体形成原因;通过对通风系统进行模型简化,对该现象的发生过程进行理论分析。其次在风流紊乱特征及理论分析基础上,采取近似相似的原则,建立了通风模拟实验系统,利用电加热带和制冷剂改变进风风流温度,形成模型中的自然风压,并采用风流多参数测定仪、皮托管、电子温度计、精密气压计等测试仪器对实验系统中风流参数进行监测,得到通风系统外部、内部因素对进风井筒区域风流状态的影响规律。然后,对实际通风系统的风流参数进行现场测试,验证理论和实验分析的结果,并研究进风井筒区域风量、风温与自然风压的相互关系,通过数据计算分析,揭示风流紊乱的演化机理。再根据风流紊乱机理,提出利用热风平衡井筒间自然风压、调控紊乱风流的方法,并采用数值模拟和现场实测的方法,研究热风对紊乱风流的调控规律,得出技术方案。最后,形成调控系统,并进行现场应用验证。研究成果对于增加通风系统稳定性、防止井筒结冰以及保障矿井的安全生产均具有重要意义。通过上述研究,论文的主要内容和取得的成果如下:(1)进风井筒区域风流紊乱特征及理论分析采用文献分析方法,总结得到了进风井筒区域风流紊乱的3个共性特征,即发生季节特征、伴随现象特征和矿井自身特征。同时根据自然风压的定义及现场实际情况,归纳了自然风压8个方面的具体致因。此外,通过对自然风压导致风流紊乱的理论分析,给出了进风井筒风流状态变化的判别条件,以及局部自然风压导致风流紊乱理论的数轴描述方法,具体认识如下:1)进风井筒区域风流紊乱现象大多出现于秋末、冬季和初春时节,尤其在矿区气温骤降的冬季夜间最易出现,而夏季发生该现象的报道较少;2)风流紊乱发生时,通常伴随较浓雾气冒出、井筒大量结冰、有害气体积聚或粉尘大量飞扬现象;3)现象一般发生在两个井筒之间,常见于年产120~300万t的大型矿井中;在1200m以上的超深矿井发生较少,300~800m中深井较多;且最常见于中央式通风系统,而分区对角式和区域式通风中较少;4)井筒区域自然风压是由矿区大气环境变化、围岩散热和生产活动热源等多种因素导致的能量差,具有较大的随机性和复杂性。5)通风系统的机械风压、阻力分布和自然风压是导致进风井筒区域风流紊乱的重要因素。其中进风井筒之间局部自然风压的积累及变化,是导致进风区域风流紊乱的关键因素。(2)矿井通风系统的模拟实验研究根据风流紊乱矿井特点,将原型抽象为“2进1回”简化通风系统,采用选择性相似原则建立了实验系统,模型中进风井筒直径为70mm和102mm,回风井70mm,高度为12.3m;线性比例尺71.4l?(28);速度比例尺1v?(28);密度比例尺1.11??(28)。通过设置热源对自然风压的模拟,以及对风流参数的动态监测,研究了通风系统外部温度因素、系统阻力分布和风流静压分别对进风井筒区域风流状态的影响规律。结果表明:1)局部自然风压具有冷、热风压2种基本形式。热风压阻碍井筒进风,促进与之并联井筒进风;而冷风压刚好与之相反,阻碍与之并联井筒进风。当冷、热风压协同作用于进风井筒时,通风系统总风量的增减取决于它们各自的主导作用。2)冷、热风压在主、副井并联回路中的持续作用,是导致局部自然风压不断增加的原因。3)进风井筒风阻差别对通风系统风流紊乱有较大影响,风阻小的井筒及其联络巷不易发生风流逆转,而风阻大的井筒则相反。4)回风段巷道阻力的增加,能够大幅度减小通风机分配给进风井筒区域的负压,并促使风流紊乱发生;易于发生风流紊乱矿井应避免回风段阻力过大;进风井筒区域风流逆转时,减小回风段阻力可能并不能改变逆转风流的方向。5)实验中,增加风机静压的方法,与减小回风段阻力方法近似,能够增加通风机分配给进风井筒区域的风压,并使逆转风流方向发生改变,但同时其他井筒的风量也会显著增加。6)通风系统的外部因素,即风流温度因素是导致井筒区域形成自然风压,并造成风流状态发生变化的关键因素。通风系统内部因素,即阻力分布与风机静压,决定了自然风压改变井筒区域风流状态的难易程度,但对于紊乱风流的控制具有很大的局限性。(3)矿井现场实测及风流紊乱机理分析以“2进1回”的实际矿井通风系统为研究对象,首先对该矿井进风井筒区域范围进行了划定,并对矿井的风流参数及矿区地面大气参数进行测试,通过对测试数据的分析,重点研究了有、无井筒供暖热风的条件下,主井的装载硐室联络巷的风流逆转过程。结果表明:1)冬季矿区气温较低时,进风井筒的热环境容易存在差别。在气温变化时,进风井筒之间也容易形成自然风压,并导致风流紊乱出现。夏季矿区气温较高时,进风井筒热环境容易趋于一致,其风流状态也较稳定。2)自然风压导致进风井筒区域出现风流紊乱时,矿井总进风量波动范围较小。主井及其联络巷风量减小或风流停滞时,矿井总进风量可能增加。3)进风井筒的热环境不一致,将导致井筒及联络巷的风速容易随矿区地面气温变化而改变。自然风压较大时,即导致井筒区域出现风流紊乱。4)无井筒热风条件下,由于副井热环境对风流的散热量小,当矿区气温降低时,副井风温降低速率较大,自然风压表现为促进副井进风的冷风压。风量增加后,副井的热环境对风流热交换能力更弱,导致风温更低,同时促使自然风压进一步增加,当其接近副井通风阻力时,即导致主井联络巷出现风流停滞或逆转状态。5)有热风条件下,进风井筒热环境不一致情况仍存在。有热风条件下的热环境差异容易导致副井出现供暖不足并形成阻碍主井进风的冷风压。主井进风量减小后,由于供暖热风量不变,风流温度升高,形成阻碍其进风的热风压。主、副井冷、热风压的协同作用,导致自然风压的累积速率更快,风流状态变化时间更短。6)进风井筒间的自然风压变化,主要取决于矿区地面气温变化和进风井筒的热环境差异。如果该自然风压随气温变化不断增加或减小,风流就会经常出现停滞或逆转的状态。7)自然风压通过冷、热风压的协同作用,改变了进风区域的风量分配。风量变化会反作用于井筒的热环境,导致井筒间风流温差进一步增加,从而促进自然风压NH逐渐增大,并形成循环机制,最终导致风流逆转。(4)进风井筒区域的风流调控方法研究在机理研究的基础上,对进风井筒区域的风流调控方法进行了讨论,重点研究了有热风条件下的风流调控问题,获得了如下认识:1)无热风条件下的井筒区域风流调控,不同时期采取不同的方法。春季气温逐渐回升时期,采取调节井口房热环境的方法;冬季临近时期,采取提前供应热风的方法。井筒有热风条件下的风流调控,通过监测井筒区域的风流温度、风速等参数,并调控其热风量的技术方法来实现。2)正常进风情况下,冷、热风流在井口附近混合后,风流温度迅速增加,随后明显减小;风流湿度和密度均减小,随后逐渐增加。热风一般在井深100m范围内对风流温度、湿度和密度影响较大。热风条件下,风流温度在同一井深断面处的分布具有不均匀性,随着井深的增加,断面上的风流温度趋于一致。3)根据热风对井筒风流参数的影响结果,确定了井筒内风温传感器的设置位置。主井温度传感器设置在井深25m处的断面中间罐道梁上,副井设置在50m处断面的中间罐道梁上,且略靠近热风道相对一侧。4)通过减小主井、增加副井热风量的方法可迅速增加主井进风量,同时能够使主井联络巷的异常风流短时间内恢复正常。副井平均温度高于主井3.0~4.5℃时,能够形成利于主井进风的自然风压,区间范围为-90.80~-51.82Pa,并能够使装载硐室具有1100~1750 m3/min的进风量。(5)进风井筒区域风流紊乱调控系统及应用基于已取得的研究结果,提出了通过监测井筒风流参数并调控其热风量来解决该问题的技术方法,同时研发设计了进风井筒区域风流紊乱调控系统,并在现场进行了应用。结果表明:1)对于易出现风流紊乱的矿井,采用监测井筒风流参数并调控其热风量的方法能够平衡进风井之间形成的自然风压,并使井筒及其井下联络巷的风流状态恢复正常。2)通过合理布置传感器,对矿区低温环境下的进风井筒区域风温、风速进行实时监测,并根据其变化情况,利用变频控制器、PLC、电控阀门等设备对井筒供暖热风量进行调控,能够在短时间内减小井筒间的风流温度差,进而对风流紊乱现象启到有效的防控作用。3)在昼夜温差较大、入风井口较多的寒冷矿区,应加强对进风井筒风流参数的监测控制,并采取可实现便捷调控的井筒供暖方法,及时避免井筒间的风流温差过大,进而减小风流紊乱的发生,提高通风系统的可靠性。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD72

【参考文献】

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本文编号：1199644