發(fā)布時(shí)間：2018-02-03 04:58

  本文關(guān)鍵詞： 礦井通風(fēng) 低風(fēng)速區(qū)域 數(shù)值模擬 風(fēng)速分布 支護(hù)方式 井下巷道 風(fēng)洞模擬　出處：《太原理工大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：煤礦井下氣流場(chǎng)的分布及運(yùn)移規(guī)律對(duì)礦井生產(chǎn)和安全有重要的影響,其承載著供應(yīng)井下工作人員所需新鮮空氣和排除井下有毒有害氣體及粉塵的任務(wù)。針對(duì)煤礦井下氣流場(chǎng)的研究目前只停留在對(duì)于整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)解算和特殊用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)速分布的研究上,尚沒(méi)有對(duì)整個(gè)煤礦井下氣流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算和對(duì)普通巷道斷面風(fēng)速分布規(guī)律的研究。本文對(duì)井下巷道斷面內(nèi)的風(fēng)流速度分布進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn),得出了斷面風(fēng)流速度分布的規(guī)律,然后以斷面壓強(qiáng)為變量進(jìn)行了整個(gè)煤礦井下氣流場(chǎng)的數(shù)值模擬,最終形成了一套煤礦通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)診斷方法,得到如下結(jié)論:1)采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的方法對(duì)錨網(wǎng)錨桿、錨噴、工字鋼和平整壁面4種支護(hù)方式矩形斷面巷道的風(fēng)速分布進(jìn)行了研究,得出如下結(jié)論:①巷道壁面越粗糙,低風(fēng)速區(qū)域越大�，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的四個(gè)不同支護(hù)巷道斷面中,錨網(wǎng)錨桿支護(hù)巷道(兩幫壁面粗糙度最大)的巷道壁面附近低風(fēng)速區(qū)域最大,其沿著分析線a(反映兩幫風(fēng)速分布)從邊界到中心達(dá)到最高風(fēng)速80%時(shí)的距離百分比高達(dá)61%;平整壁面支護(hù)巷道(兩幫壁面粗糙度最小)低風(fēng)速區(qū)域最小,其沿著分析線a(反映兩幫風(fēng)速分布)從邊界到中心達(dá)到最高風(fēng)速80%時(shí)的距離百分比僅為17%。②針對(duì)煤礦井下巷道斷面風(fēng)速分布進(jìn)行研究可以為準(zhǔn)確計(jì)算巷道風(fēng)量及平均風(fēng)速提供參考。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及分析可知錨桿錨網(wǎng)、錨噴、工字鋼和平整壁面巷道風(fēng)速傳感器分別沿d線(反映頂板風(fēng)速分布)懸掛在距頂板0.231、1.290、0.202和0.217m處可測(cè)得這些巷道斷面的平均風(fēng)速。假如風(fēng)速傳感器懸掛于巷道中間距頂板0.2m的位置,則錨桿錨網(wǎng)、錨噴、工字鋼和平整壁面支護(hù)巷道測(cè)量值需乘的修正系數(shù)分別為1.05、1.45、1.03和1.02。得到的平均風(fēng)速與巷道等效截面積的乘積即為巷道風(fēng)量。2)在地下工程模擬風(fēng)洞進(jìn)行的斷面風(fēng)速測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,模擬巷道內(nèi)的低風(fēng)速區(qū)域厚度隨著斷面平均風(fēng)速增大而減小,隨著壁面粗糙度增大而增大。該規(guī)律可用于減小巷道低風(fēng)速區(qū)域,防止該區(qū)域引起事故。3)進(jìn)行井下巷道斷面風(fēng)速分布現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)可為后續(xù)的數(shù)值模擬提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括巷道斷面特征系數(shù)、巷道斷面面積、等效截面積、支護(hù)形式、斷面形狀、等效粗糙度、斷面平均風(fēng)速和斷面風(fēng)量。4)通過(guò)對(duì)工字鋼、錨噴與平整壁面支護(hù)巷道的壁面風(fēng)流速度邊界層和邊界層低速區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室風(fēng)洞相似模擬研究得到如下結(jié)論:①現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工字鋼、錨噴和平整壁面支護(hù)巷道邊界層內(nèi)風(fēng)速與距離的擬合結(jié)果顯示,風(fēng)速隨距邊界距離的增長(zhǎng)呈對(duì)數(shù)規(guī)律增長(zhǎng),其擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.96,擬合優(yōu)度均大于0.93。其得到的函數(shù)基本形式為y=kln(x)+b型,其中k和b為常數(shù)。②通過(guò)地下空間模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得出,隨著巷道中心點(diǎn)風(fēng)速的增加,邊界層低速區(qū)的厚度明顯減小;并且巷道壁面粗糙度越高的巷道,其邊界層低速區(qū)厚度越大。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量工字鋼、錨噴和平整壁面支護(hù)巷道邊界層內(nèi)風(fēng)速與距離的擬合結(jié)果顯示,風(fēng)速隨距邊界距離的增長(zhǎng)呈對(duì)數(shù)規(guī)律增長(zhǎng),將巷道中心點(diǎn)風(fēng)速考慮進(jìn)去后得到了上述三種支護(hù)風(fēng)洞模擬巷道擬合函數(shù)統(tǒng)一的基本形式。③邊界層低速區(qū)的厚度不僅受到巷道中心點(diǎn)風(fēng)速與壁面粗糙度的影響,還受到巷道整體尺寸的影響,隨著巷道壁面粗糙度的降低,巷道的斷面幾何尺寸對(duì)邊界層低速區(qū)厚度的影響逐漸降低。幾何相似比為1:4的地下空間模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)巷道實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)其巷道中心點(diǎn)風(fēng)速相同時(shí)所測(cè)的邊界層低速區(qū)厚度并不等于1:4,而且隨著巷道壁面粗糙度的減小,即工字鋼、錨噴與平整壁面支護(hù)巷道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)邊界層低速區(qū)厚度值分別從風(fēng)洞模擬值的2.00、1.85減小到1.49倍。5)提出了井下通風(fēng)系統(tǒng)模擬的數(shù)學(xué)模型和模擬方法,并進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬,得到如下結(jié)論。①井下通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)值模擬將整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)作為研究對(duì)象,采用有限元分析方法對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行處理,對(duì)形成的模擬方法編寫(xiě)fortran程序進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。該數(shù)值模擬可將單元(小于10m的巷道微段)上的風(fēng)速及風(fēng)量全部給出,其結(jié)果能夠?qū)?yīng)到三維坐標(biāo)上,其通風(fēng)狀態(tài)改變的標(biāo)志是斷面特征系數(shù)和邊界條件的改變,斷面特征系數(shù)能夠定義在單元(小于10m的巷道微段)上。②通過(guò)對(duì)正常、調(diào)節(jié)風(fēng)門異常、通風(fēng)機(jī)負(fù)壓減小、巷道冒頂和有礦車停留五種狀態(tài)下的通風(fēng)狀況進(jìn)行的數(shù)值模擬表明該數(shù)值模擬方法可以穩(wěn)定快速的計(jì)算出不同狀態(tài)下的井下巷道風(fēng)流及風(fēng)量分布。與傳統(tǒng)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算算法相比,本文通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流流動(dòng)的數(shù)值模擬具有計(jì)算結(jié)果精度高、結(jié)果可利用性好和模擬適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)。6)提出了通風(fēng)系統(tǒng)故障和事故實(shí)時(shí)診斷的理論和方法,并進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬,得到如下結(jié)論。①通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流故障實(shí)時(shí)診斷方法以井下通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)值模擬方法為基礎(chǔ),其基本的設(shè)計(jì)思路為將有限個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)得到的風(fēng)量值與正常值進(jìn)行比較,得到其總體誤差值;然后通過(guò)預(yù)定的尋優(yōu)方法不斷調(diào)整每個(gè)區(qū)域代表單元的斷面特征系數(shù)來(lái)降低總體誤差值,比較每個(gè)區(qū)域降低誤差的效果,最終給出將誤差降到最低的最優(yōu)解,該解所對(duì)應(yīng)的區(qū)域就是故障所在區(qū)域;最后對(duì)得到的事故區(qū)域進(jìn)一步精確計(jì)算,給出發(fā)生事故后整個(gè)井下通風(fēng)系統(tǒng)巷道風(fēng)速及風(fēng)量的分布。②通過(guò)在調(diào)節(jié)風(fēng)門異常、通風(fēng)機(jī)負(fù)壓減小、巷道冒頂和有礦車停留四種狀態(tài)下的井下通風(fēng)系統(tǒng)的故障實(shí)時(shí)診斷,證明了該故障實(shí)時(shí)診斷方法能夠準(zhǔn)確找到事故所在的區(qū)域,并且能夠精確給出發(fā)生事故后整個(gè)井下通風(fēng)系統(tǒng)巷道風(fēng)速及風(fēng)量的分布,可為迅速排除通風(fēng)事故提供指導(dǎo)。
[Abstract]:In this paper , the distribution of wind velocity in underground coal mine is studied by means of field measurement and laboratory experiments .

【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TD724

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1486488