發(fā)布時間：2017-11-18 11:28

  本文關(guān)鍵詞：礦井進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域風(fēng)流紊亂機(jī)理及調(diào)控方法研究

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【摘要】：礦井自然風(fēng)壓導(dǎo)致的進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域風(fēng)流紊亂是一個較為復(fù)雜的熱動力現(xiàn)象。機(jī)械抽出式礦井的進(jìn)風(fēng)井筒及其井下聯(lián)絡(luò)巷之間,存在較多有高差的閉合回路。而這些閉合回路在有平均溫度差或空氣柱密度差的情況下,將產(chǎn)生阻礙某一井筒進(jìn)風(fēng)的自然風(fēng)壓。當(dāng)該自然風(fēng)壓在較大范圍變化時,即可導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)井筒及其聯(lián)絡(luò)巷區(qū)域發(fā)生風(fēng)速減小、風(fēng)流停滯甚至逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。尤其在礦區(qū)氣溫較低時,這一風(fēng)流不穩(wěn)定現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生,嚴(yán)重威脅著礦井安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行。該現(xiàn)象不僅使冬季進(jìn)風(fēng)井筒供暖難以滿足生產(chǎn)要求,而且可導(dǎo)致井底煤倉巷道區(qū)域出現(xiàn)瓦斯積聚,為生產(chǎn)安全埋下重大隱患。此外,井筒逆轉(zhuǎn)風(fēng)流可將井底瓦斯、粉塵及水蒸汽帶入井口房,污染作業(yè)環(huán)境,縮短設(shè)備使用壽命。針對此問題,很多學(xué)者在礦井通風(fēng)阻力及自然風(fēng)壓測定的基礎(chǔ)上,對進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域的風(fēng)流紊亂現(xiàn)象進(jìn)行了研究。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)及推導(dǎo)的井筒風(fēng)流紊亂判別式,找出了導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域風(fēng)流狀態(tài)改變的主要因素,并提出了相應(yīng)控制措施。然而,當(dāng)前研究多集中于井筒區(qū)域風(fēng)流紊亂的應(yīng)急分析與自然風(fēng)壓的被動治理,隨著時間的推移,風(fēng)流停滯或逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象仍可經(jīng)常出現(xiàn),不能得到有效的預(yù)防與控制。因此,有必要對這一現(xiàn)象的發(fā)生發(fā)展過程進(jìn)行深入探討,揭示其演化機(jī)理,并從根本上得出調(diào)控方法,使該問題得到便捷、有效解決。本文基于以上考慮,主要采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法,通過大量的數(shù)據(jù)測試和系統(tǒng)分析,較為詳實(shí)地研究了進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域風(fēng)流溫度、風(fēng)量與自然風(fēng)壓的相互關(guān)系以及風(fēng)流紊亂的演化機(jī)理,同時研究得到了防治該現(xiàn)象較為理想的方法。首先采用文獻(xiàn)分析的方法,對已發(fā)生風(fēng)流紊亂的礦井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,研究進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域風(fēng)流紊亂的共性特征;根據(jù)自然風(fēng)壓定義及現(xiàn)場實(shí)際情況,歸納礦井中自然風(fēng)壓的具體形成原因;通過對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模型簡化,對該現(xiàn)象的發(fā)生過程進(jìn)行理論分析。其次在風(fēng)流紊亂特征及理論分析基礎(chǔ)上,采取近似相似的原則,建立了通風(fēng)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),利用電加熱帶和制冷劑改變進(jìn)風(fēng)風(fēng)流溫度,形成模型中的自然風(fēng)壓,并采用風(fēng)流多參數(shù)測定儀、皮托管、電子溫度計(jì)、精密氣壓計(jì)等測試儀器對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中風(fēng)流參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測,得到通風(fēng)系統(tǒng)外部、內(nèi)部因素對進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域風(fēng)流狀態(tài)的影響規(guī)律。然后,對實(shí)際通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)流參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場測試,驗(yàn)證理論和實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果,并研究進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域風(fēng)量、風(fēng)溫與自然風(fēng)壓的相互關(guān)系,通過數(shù)據(jù)計(jì)算分析,揭示風(fēng)流紊亂的演化機(jī)理。再根據(jù)風(fēng)流紊亂機(jī)理,提出利用熱風(fēng)平衡井筒間自然風(fēng)壓、調(diào)控紊亂風(fēng)流的方法,并采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測的方法,研究熱風(fēng)對紊亂風(fēng)流的調(diào)控規(guī)律,得出技術(shù)方案。最后,形成調(diào)控系統(tǒng),并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證。研究成果對于增加通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性、防止井筒結(jié)冰以及保障礦井的安全生產(chǎn)均具有重要意義。通過上述研究,論文的主要內(nèi)容和取得的成果如下:(1)進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域風(fēng)流紊亂特征及理論分析采用文獻(xiàn)分析方法,總結(jié)得到了進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域風(fēng)流紊亂的3個共性特征,即發(fā)生季節(jié)特征、伴隨現(xiàn)象特征和礦井自身特征。同時根據(jù)自然風(fēng)壓的定義及現(xiàn)場實(shí)際情況,歸納了自然風(fēng)壓8個方面的具體致因。此外,通過對自然風(fēng)壓導(dǎo)致風(fēng)流紊亂的理論分析,給出了進(jìn)風(fēng)井筒風(fēng)流狀態(tài)變化的判別條件,以及局部自然風(fēng)壓導(dǎo)致風(fēng)流紊亂理論的數(shù)軸描述方法,具體認(rèn)識如下:1)進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域風(fēng)流紊亂現(xiàn)象大多出現(xiàn)于秋末、冬季和初春時節(jié),尤其在礦區(qū)氣溫驟降的冬季夜間最易出現(xiàn),而夏季發(fā)生該現(xiàn)象的報道較少;2)風(fēng)流紊亂發(fā)生時,通常伴隨較濃霧氣冒出、井筒大量結(jié)冰、有害氣體積聚或粉塵大量飛揚(yáng)現(xiàn)象;3)現(xiàn)象一般發(fā)生在兩個井筒之間,常見于年產(chǎn)120~300萬t的大型礦井中;在1200m以上的超深礦井發(fā)生較少,300~800m中深井較多;且最常見于中央式通風(fēng)系統(tǒng),而分區(qū)對角式和區(qū)域式通風(fēng)中較少;4)井筒區(qū)域自然風(fēng)壓是由礦區(qū)大氣環(huán)境變化、圍巖散熱和生產(chǎn)活動熱源等多種因素導(dǎo)致的能量差,具有較大的隨機(jī)性和復(fù)雜性。5)通風(fēng)系統(tǒng)的機(jī)械風(fēng)壓、阻力分布和自然風(fēng)壓是導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域風(fēng)流紊亂的重要因素。其中進(jìn)風(fēng)井筒之間局部自然風(fēng)壓的積累及變化,是導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)區(qū)域風(fēng)流紊亂的關(guān)鍵因素。(2)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)研究根據(jù)風(fēng)流紊亂礦井特點(diǎn),將原型抽象為“2進(jìn)1回”簡化通風(fēng)系統(tǒng),采用選擇性相似原則建立了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),模型中進(jìn)風(fēng)井筒直徑為70mm和102mm,回風(fēng)井70mm,高度為12.3m;線性比例尺71.4l?(28);速度比例尺1v?(28);密度比例尺1.11??(28)。通過設(shè)置熱源對自然風(fēng)壓的模擬,以及對風(fēng)流參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測,研究了通風(fēng)系統(tǒng)外部溫度因素、系統(tǒng)阻力分布和風(fēng)流靜壓分別對進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域風(fēng)流狀態(tài)的影響規(guī)律。結(jié)果表明:1)局部自然風(fēng)壓具有冷、熱風(fēng)壓2種基本形式。熱風(fēng)壓阻礙井筒進(jìn)風(fēng),促進(jìn)與之并聯(lián)井筒進(jìn)風(fēng);而冷風(fēng)壓剛好與之相反,阻礙與之并聯(lián)井筒進(jìn)風(fēng)。當(dāng)冷、熱風(fēng)壓協(xié)同作用于進(jìn)風(fēng)井筒時,通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量的增減取決于它們各自的主導(dǎo)作用。2)冷、熱風(fēng)壓在主、副井并聯(lián)回路中的持續(xù)作用,是導(dǎo)致局部自然風(fēng)壓不斷增加的原因。3)進(jìn)風(fēng)井筒風(fēng)阻差別對通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流紊亂有較大影響,風(fēng)阻小的井筒及其聯(lián)絡(luò)巷不易發(fā)生風(fēng)流逆轉(zhuǎn),而風(fēng)阻大的井筒則相反。4)回風(fēng)段巷道阻力的增加,能夠大幅度減小通風(fēng)機(jī)分配給進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域的負(fù)壓,并促使風(fēng)流紊亂發(fā)生;易于發(fā)生風(fēng)流紊亂礦井應(yīng)避免回風(fēng)段阻力過大;進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域風(fēng)流逆轉(zhuǎn)時,減小回風(fēng)段阻力可能并不能改變逆轉(zhuǎn)風(fēng)流的方向。5)實(shí)驗(yàn)中,增加風(fēng)機(jī)靜壓的方法,與減小回風(fēng)段阻力方法近似,能夠增加通風(fēng)機(jī)分配給進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域的風(fēng)壓,并使逆轉(zhuǎn)風(fēng)流方向發(fā)生改變,但同時其他井筒的風(fēng)量也會顯著增加。6)通風(fēng)系統(tǒng)的外部因素,即風(fēng)流溫度因素是導(dǎo)致井筒區(qū)域形成自然風(fēng)壓,并造成風(fēng)流狀態(tài)發(fā)生變化的關(guān)鍵因素。通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部因素,即阻力分布與風(fēng)機(jī)靜壓,決定了自然風(fēng)壓改變井筒區(qū)域風(fēng)流狀態(tài)的難易程度,但對于紊亂風(fēng)流的控制具有很大的局限性。(3)礦井現(xiàn)場實(shí)測及風(fēng)流紊亂機(jī)理分析以“2進(jìn)1回”的實(shí)際礦井通風(fēng)系統(tǒng)為研究對象,首先對該礦井進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域范圍進(jìn)行了劃定,并對礦井的風(fēng)流參數(shù)及礦區(qū)地面大氣參數(shù)進(jìn)行測試,通過對測試數(shù)據(jù)的分析,重點(diǎn)研究了有、無井筒供暖熱風(fēng)的條件下,主井的裝載硐室聯(lián)絡(luò)巷的風(fēng)流逆轉(zhuǎn)過程。結(jié)果表明:1)冬季礦區(qū)氣溫較低時,進(jìn)風(fēng)井筒的熱環(huán)境容易存在差別。在氣溫變化時,進(jìn)風(fēng)井筒之間也容易形成自然風(fēng)壓,并導(dǎo)致風(fēng)流紊亂出現(xiàn)。夏季礦區(qū)氣溫較高時,進(jìn)風(fēng)井筒熱環(huán)境容易趨于一致,其風(fēng)流狀態(tài)也較穩(wěn)定。2)自然風(fēng)壓導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域出現(xiàn)風(fēng)流紊亂時,礦井總進(jìn)風(fēng)量波動范圍較小。主井及其聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)量減小或風(fēng)流停滯時,礦井總進(jìn)風(fēng)量可能增加。3)進(jìn)風(fēng)井筒的熱環(huán)境不一致,將導(dǎo)致井筒及聯(lián)絡(luò)巷的風(fēng)速容易隨礦區(qū)地面氣溫變化而改變。自然風(fēng)壓較大時,即導(dǎo)致井筒區(qū)域出現(xiàn)風(fēng)流紊亂。4)無井筒熱風(fēng)條件下,由于副井熱環(huán)境對風(fēng)流的散熱量小,當(dāng)?shù)V區(qū)氣溫降低時,副井風(fēng)溫降低速率較大,自然風(fēng)壓表現(xiàn)為促進(jìn)副井進(jìn)風(fēng)的冷風(fēng)壓。風(fēng)量增加后,副井的熱環(huán)境對風(fēng)流熱交換能力更弱,導(dǎo)致風(fēng)溫更低,同時促使自然風(fēng)壓進(jìn)一步增加,當(dāng)其接近副井通風(fēng)阻力時,即導(dǎo)致主井聯(lián)絡(luò)巷出現(xiàn)風(fēng)流停滯或逆轉(zhuǎn)狀態(tài)。5)有熱風(fēng)條件下,進(jìn)風(fēng)井筒熱環(huán)境不一致情況仍存在。有熱風(fēng)條件下的熱環(huán)境差異容易導(dǎo)致副井出現(xiàn)供暖不足并形成阻礙主井進(jìn)風(fēng)的冷風(fēng)壓。主井進(jìn)風(fēng)量減小后,由于供暖熱風(fēng)量不變,風(fēng)流溫度升高,形成阻礙其進(jìn)風(fēng)的熱風(fēng)壓。主、副井冷、熱風(fēng)壓的協(xié)同作用,導(dǎo)致自然風(fēng)壓的累積速率更快,風(fēng)流狀態(tài)變化時間更短。6)進(jìn)風(fēng)井筒間的自然風(fēng)壓變化,主要取決于礦區(qū)地面氣溫變化和進(jìn)風(fēng)井筒的熱環(huán)境差異。如果該自然風(fēng)壓隨氣溫變化不斷增加或減小,風(fēng)流就會經(jīng)常出現(xiàn)停滯或逆轉(zhuǎn)的狀態(tài)。7)自然風(fēng)壓通過冷、熱風(fēng)壓的協(xié)同作用,改變了進(jìn)風(fēng)區(qū)域的風(fēng)量分配。風(fēng)量變化會反作用于井筒的熱環(huán)境,導(dǎo)致井筒間風(fēng)流溫差進(jìn)一步增加,從而促進(jìn)自然風(fēng)壓NH逐漸增大,并形成循環(huán)機(jī)制,最終導(dǎo)致風(fēng)流逆轉(zhuǎn)。(4)進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域的風(fēng)流調(diào)控方法研究在機(jī)理研究的基礎(chǔ)上,對進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域的風(fēng)流調(diào)控方法進(jìn)行了討論,重點(diǎn)研究了有熱風(fēng)條件下的風(fēng)流調(diào)控問題,獲得了如下認(rèn)識:1)無熱風(fēng)條件下的井筒區(qū)域風(fēng)流調(diào)控,不同時期采取不同的方法。春季氣溫逐漸回升時期,采取調(diào)節(jié)井口房熱環(huán)境的方法;冬季臨近時期,采取提前供應(yīng)熱風(fēng)的方法。井筒有熱風(fēng)條件下的風(fēng)流調(diào)控,通過監(jiān)測井筒區(qū)域的風(fēng)流溫度、風(fēng)速等參數(shù),并調(diào)控其熱風(fēng)量的技術(shù)方法來實(shí)現(xiàn)。2)正常進(jìn)風(fēng)情況下,冷、熱風(fēng)流在井口附近混合后,風(fēng)流溫度迅速增加,隨后明顯減小;風(fēng)流濕度和密度均減小,隨后逐漸增加。熱風(fēng)一般在井深100m范圍內(nèi)對風(fēng)流溫度、濕度和密度影響較大。熱風(fēng)條件下,風(fēng)流溫度在同一井深斷面處的分布具有不均勻性,隨著井深的增加,斷面上的風(fēng)流溫度趨于一致。3)根據(jù)熱風(fēng)對井筒風(fēng)流參數(shù)的影響結(jié)果,確定了井筒內(nèi)風(fēng)溫傳感器的設(shè)置位置。主井溫度傳感器設(shè)置在井深25m處的斷面中間罐道梁上,副井設(shè)置在50m處斷面的中間罐道梁上,且略靠近熱風(fēng)道相對一側(cè)。4)通過減小主井、增加副井熱風(fēng)量的方法可迅速增加主井進(jìn)風(fēng)量,同時能夠使主井聯(lián)絡(luò)巷的異常風(fēng)流短時間內(nèi)恢復(fù)正常。副井平均溫度高于主井3.0~4.5℃時,能夠形成利于主井進(jìn)風(fēng)的自然風(fēng)壓,區(qū)間范圍為-90.80~-51.82Pa,并能夠使裝載硐室具有1100~1750 m3/min的進(jìn)風(fēng)量。(5)進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域風(fēng)流紊亂調(diào)控系統(tǒng)及應(yīng)用基于已取得的研究結(jié)果,提出了通過監(jiān)測井筒風(fēng)流參數(shù)并調(diào)控其熱風(fēng)量來解決該問題的技術(shù)方法,同時研發(fā)設(shè)計(jì)了進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域風(fēng)流紊亂調(diào)控系統(tǒng),并在現(xiàn)場進(jìn)行了應(yīng)用。結(jié)果表明:1)對于易出現(xiàn)風(fēng)流紊亂的礦井,采用監(jiān)測井筒風(fēng)流參數(shù)并調(diào)控其熱風(fēng)量的方法能夠平衡進(jìn)風(fēng)井之間形成的自然風(fēng)壓,并使井筒及其井下聯(lián)絡(luò)巷的風(fēng)流狀態(tài)恢復(fù)正常。2)通過合理布置傳感器,對礦區(qū)低溫環(huán)境下的進(jìn)風(fēng)井筒區(qū)域風(fēng)溫、風(fēng)速進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,并根據(jù)其變化情況,利用變頻控制器、PLC、電控閥門等設(shè)備對井筒供暖熱風(fēng)量進(jìn)行調(diào)控,能夠在短時間內(nèi)減小井筒間的風(fēng)流溫度差,進(jìn)而對風(fēng)流紊亂現(xiàn)象啟到有效的防控作用。3)在晝夜溫差較大、入風(fēng)井口較多的寒冷礦區(qū),應(yīng)加強(qiáng)對進(jìn)風(fēng)井筒風(fēng)流參數(shù)的監(jiān)測控制,并采取可實(shí)現(xiàn)便捷調(diào)控的井筒供暖方法,及時避免井筒間的風(fēng)流溫差過大,進(jìn)而減小風(fēng)流紊亂的發(fā)生,提高通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD72

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前6條

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本文編號：1199644