巷道斷面風速分布與煤礦通風系統(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)律對礦井生產和安全有重要的影響，其承載著供應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。針對煤礦井下氣流場的研究目前只停留在對于整個通風系統(tǒng)的網絡解算和特殊用風地點風速分布的研究上，尚沒有對整個煤礦井下氣流場的數值計算和對普通巷道斷面風速分布規(guī)律的研究。本文對井下巷道斷面內的風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值

2、模擬，最終形成了一套煤礦通風系統(tǒng)實時診斷方法，得到如下結論:
　　1)采用現(xiàn)場測量的方法對錨網錨桿、錨噴、工字鋼和平整壁面4種支護方式矩形斷面巷道的風速分布進行了研究，得出如下結論:
　?、傧锏辣诿嬖酱植冢惋L速區(qū)域越大?，F(xiàn)場實測的四個不同支護巷道斷面中，錨網錨桿支護巷道（兩幫壁面粗糙度最大）的巷道壁面附近低風速區(qū)域最大，其沿著分析線a（反映兩幫風速分布）從邊界到中心達到最高風速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）低風速區(qū)域最小，其沿著分析線a（反映兩幫風速分布）從邊界到中心達到最高風速80％時的距離百分比僅為17％。
　　②針對煤礦井下巷道斷面風速分布進行研究可以為準確計算巷道風量及平均風速提供參考。通過現(xiàn)場實測及分析可知錨桿錨網、錨噴、工字鋼和平整壁面巷道風速傳感器分別沿d線（反映項板風速分布）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速。假如風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、錨噴、工字鋼和平整壁面支護巷道測量值需乘的修正系數分別為1.05、1.45、1.03和1.02。得到的平均風速與巷道等效截面積的乘積即為巷道風量。
　　2)在地下工程模擬風洞進行的斷面風速測量實驗結果顯示，模擬巷道內的低風速區(qū)域厚度隨著斷面平均風速增大而減小，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速區(qū)域，防止該區(qū)域引起事故。
　　3)進行井下巷道斷面風速分布現(xiàn)場與實驗室測量所得到

5、的數據可為后續(xù)的數值模擬提供可靠的基礎數據。這些基礎數據包括巷道斷面特征系數、巷道斷面面積、等效截面積、支護形式、斷面形狀、等效粗糙度、斷面平均風速和斷面風量。
　　4)通過對工字鋼、錨噴與平整壁面支護巷道的壁面風流速度邊界層和邊界層低速區(qū)的現(xiàn)場實測和實驗室風洞相似模擬研究得到如下結論:
　?、佻F(xiàn)場實測工字鋼、錨噴和平整壁面支護巷道邊界層內風速與距離的擬合結果顯示，風速隨距邊界距離的增長呈對數規(guī)律增長，其擬合相關系數均大于0

6、.96，擬合優(yōu)度均大于0.93。其得到的函數基本形式為y=kLn(x)+b型，其中k和b為常數。
　?、谕ㄟ^地下空間模擬風洞實驗得出，隨著巷道中心點風速的增加，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風速與距離的擬合結果顯示，風速隨距邊界距離的增長呈對數規(guī)律增長，將巷道中心點風速考慮進去后得到了上述三種支護風洞模擬巷道擬合函數統(tǒng)一的基本形

7、式。
　?、圻吔鐚拥退賲^(qū)的厚度不僅受到巷道中心點風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的地下空間模擬風洞實驗與現(xiàn)場巷道實測實驗其巷道中心點風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)厚度值分別從風洞模擬值的2.00、1.85減小到1.49倍

8、。
　　5)提出了井下通風系統(tǒng)模擬的數學模型和模擬方法，并進行了詳細的數值模擬，得到如下結論。
　?、倬峦L系統(tǒng)數值模擬將整個礦井通風系統(tǒng)作為研究對象，采用有限元分析方法對建立的數學模型進行處理，對形成的模擬方法編寫Fortran程序進行數值計算。該數值模擬可將單元（小于10m的巷道微段）上的風速及風量全部給出，其結果能夠對應到三維坐標上，其通風狀態(tài)改變的標志是斷面特征系數和邊界條件的改變，斷面特征系數能夠定義在單元（小于

9、10m的巷道微段）上。
　　②通過對正常、調節(jié)風門異常、通風機負壓減小、巷道冒頂和有礦車停留五種狀態(tài)下的通風狀況進行的數值模擬表明該數值模擬方法可以穩(wěn)定快速的計算出不同狀態(tài)下的井下巷道風流及風量分布。與傳統(tǒng)的通風網絡解算算法相比，本文通風系統(tǒng)風流流動的數值模擬具有計算結果精度高、結果可利用性好和模擬適應性廣等優(yōu)點。
　　6)提出了通風系統(tǒng)故障和事故實時診斷的理論和方法，并進行了詳細的數值模擬，得到如下結論。
　?、芡L

10、系統(tǒng)風流故障實時診斷方法以井下通風系統(tǒng)數值模擬方法為基礎，其基本的設計思路為將有限個監(jiān)測點得到的風量值與正常值進行比較，得到其總體誤差值;然后通過預定的尋優(yōu)方法不斷調整每個區(qū)域代表單元的斷面特征系數來降低總體誤差值，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系統(tǒng)巷道風速及風量的分布。
　?、谕ㄟ^在調節(jié)風門異常、通風機負