巷道斷面風(fēng)速分布與煤礦通風(fēng)系統(tǒng)實時診斷理論研究.pdf

1、煤礦井下氣流場的分布及運移規(guī)律對礦井生產(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)。針對煤礦井下氣流場的研究目前只停留在對于整個通風(fēng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)解算和特殊用風(fēng)地點風(fēng)速分布的研究上，尚沒有對整個煤礦井下氣流場的數(shù)值計算和對普通巷道斷面風(fēng)速分布規(guī)律的研究。本文對井下巷道斷面內(nèi)的風(fēng)流速度分布進行了現(xiàn)場實測和實驗室實驗，得出了斷面風(fēng)流速度分布的規(guī)律，然后以斷面壓強為變量進行了整個煤礦井下氣流場的數(shù)值

2、模擬，最終形成了一套煤礦通風(fēng)系統(tǒng)實時診斷方法，得到如下結(jié)論:
　　1)采用現(xiàn)場測量的方法對錨網(wǎng)錨桿、錨噴、工字鋼和平整壁面4種支護方式矩形斷面巷道的風(fēng)速分布進行了研究，得出如下結(jié)論:
　?、傧锏辣诿嬖酱植?，低風(fēng)速區(qū)域越大。現(xiàn)場實測的四個不同支護巷道斷面中，錨網(wǎng)錨桿支護巷道（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）從邊界到中心達到最高風(fēng)速80％時的距離百分比高達61％;平整壁面支護巷

3、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）從邊界到中心達到最高風(fēng)速80％時的距離百分比僅為17％。
　?、卺槍γ旱V井下巷道斷面風(fēng)速分布進行研究可以為準確計算巷道風(fēng)量及平均風(fēng)速提供參考。通過現(xiàn)場實測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（反映項板風(fēng)速分布）懸掛在距頂板0.231、1.290、0.202和0.217m處可測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

4、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巷道測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)洞進行的斷面風(fēng)速測量實驗結(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)進行井下巷道斷面風(fēng)速分布現(xiàn)場與實驗室測量所得到

5、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)通過對工字鋼、錨噴與平整壁面支護巷道的壁面風(fēng)流速度邊界層和邊界層低速區(qū)的現(xiàn)場實測和實驗室風(fēng)洞相似模擬研究得到如下結(jié)論:
　?、佻F(xiàn)場實測工字鋼、錨噴和平整壁面支護巷道邊界層內(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呈對數(shù)規(guī)律增長，其擬合相關(guān)系數(shù)均大于0

6、.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)。
　?、谕ㄟ^地下空間模擬風(fēng)洞實驗得出，隨著巷道中心點風(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。通過實驗室測量工字鋼、錨噴和平整壁面支護巷道邊界層內(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呈對數(shù)規(guī)律增長，將巷道中心點風(fēng)速考慮進去后得到了上述三種支護風(fēng)洞模擬巷道擬合函數(shù)統(tǒng)一的基本形

7、式。
　　③邊界層低速區(qū)的厚度不僅受到巷道中心點風(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)洞實驗與現(xiàn)場巷道實測實驗其巷道中心點風(fēng)速相同時所測的邊界層低速區(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巷道現(xiàn)場實測邊界層低速區(qū)厚度值分別從風(fēng)洞模擬值的2.00、1.85減小到1.49倍

8、。
　　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，并進行了詳細的數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論。
　?、倬峦L(fēng)系統(tǒng)數(shù)值模擬將整個礦井通風(fēng)系統(tǒng)作為研究對象，采用有限元分析方法對建立的數(shù)學(xué)模型進行處理，對形成的模擬方法編寫Fortran程序進行數(shù)值計算。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)到三維坐標上，其通風(fēng)狀態(tài)改變的標志是斷面特征系數(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

9、10m的巷道微段）上。
　　②通過對正常、調(diào)節(jié)風(fēng)門異常、通風(fēng)機負壓減小、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)流流動的數(shù)值模擬具有計算結(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。
　　6)提出了通風(fēng)系統(tǒng)故障和事故實時診斷的理論和方法，并進行了詳細的數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論。
　?、芡L(fēng)

10、系統(tǒng)風(fēng)流故障實時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)計思路為將有限個監(jiān)測點得到的風(fēng)量值與正常值進行比較，得到其總體誤差值;然后通過預(yù)定的尋優(yōu)方法不斷調(diào)整每個區(qū)域代表單元的斷面特征系數(shù)來降低總體誤差值，比較每個區(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，該解所對應(yīng)的區(qū)域就是故障所在區(qū)域;最后對得到的事故區(qū)域進一步精確計算，給出發(fā)生事故后整個井下通風(fēng)系統(tǒng)巷道風(fēng)速及風(fēng)量的分布。
　　②通過在調(diào)節(jié)風(fēng)門異常、通風(fēng)機負