巷道断面风速分布与煤矿通风系统实时诊断理论研究

摘要

煤矿井下气流场的分布及运移规律对矿井生产和安全有重要的影响，其承载着供应井下工作人员所需新鲜空气和排除井下有毒有害气体及粉尘的任务。针对煤矿井下气流场的研究目前只停留在对于整个通风系统的网络解算和特殊用风地点风速分布的研究上，尚没有对整个煤矿井下气流场的数值计算和对普通巷道断面风速分布规律的研究。本文对井下巷道断面内的风流速度分布进行了现场实测和实验室实验，得出了断面风流速度分布的规律，然后以断面压强为变量进行了整个煤矿井下气流场的数值模拟，最终形成了一套煤矿通风系统实时诊断方法，得到如下结论:
　　1)采用现场测量的方法对锚网锚杆、锚喷、工字钢和平整壁面4种支护方式矩形断面巷道的风速分布进行了研究，得出如下结论:
　　①巷道壁面越粗糙，低风速区域越大。现场实测的四个不同支护巷道断面中，锚网锚杆支护巷道（两帮壁面粗糙度最大）的巷道壁面附近低风速区域最大，其沿着分析线a（反映两帮风速分布）从边界到中心达到最高风速80％时的距离百分比高达61％;平整壁面支护巷道（两帮壁面粗糙度最小）低风速区域最小，其沿着分析线a（反映两帮风速分布）从边界到中心达到最高风速80％时的距离百分比仅为17％。
　　②针对煤矿井下巷道断面风速分布进行研究可以为准确计算巷道风量及平均风速提供参考。通过现场实测及分析可知锚杆锚网、锚喷、工字钢和平整壁面巷道风速传感器分别沿d线（反映项板风速分布）悬挂在距顶板0.231、1.290、0.202和0.217m处可测得这些巷道断面的平均风速。假如风速传感器悬挂于巷道中间距顶板0.2m的位置，则锚杆锚网、锚喷、工字钢和平整壁面支护巷道测量值需乘的修正系数分别为1.05、1.45、1.03和1.02。得到的平均风速与巷道等效截面积的乘积即为巷道风量。
　　2)在地下工程模拟风洞进行的断面风速测量实验结果显示，模拟巷道内的低风速区域厚度随着断面平均风速增大而减小，随着壁面粗糙度增大而增大。该规律可用于减小巷道低风速区域，防止该区域引起事故。
　　3)进行井下巷道断面风速分布现场与实验室测量所得到的数据可为后续的数值模拟提供可靠的基础数据。这些基础数据包括巷道断面特征系数、巷道断面面积、等效截面积、支护形式、断面形状、等效粗糙度、断面平均风速和断面风量。
　　4)通过对工字钢、锚喷与平整壁面支护巷道的壁面风流速度边界层和边界层低速区的现场实测和实验室风洞相似模拟研究得到如下结论:
　　①现场实测工字钢、锚喷和平整壁面支护巷道边界层内风速与距离的拟合结果显示，风速随距边界距离的增长呈对数规律增长，其拟合相关系数均大于0.96，拟合优度均大于0.93。其得到的函数基本形式为y=kLn(x)+b型，其中k和b为常数。
　　②通过地下空间模拟风洞实验得出，随着巷道中心点风速的增加，边界层低速区的厚度明显减小;并且巷道壁面粗糙度越高的巷道，其边界层低速区厚度越大。通过实验室测量工字钢、锚喷和平整壁面支护巷道边界层内风速与距离的拟合结果显示，风速随距边界距离的增长呈对数规律增长，将巷道中心点风速考虑进去后得到了上述三种支护风洞模拟巷道拟合函数统一的基本形式。
　　③边界层低速区的厚度不仅受到巷道中心点风速与壁面粗糙度的影响，还受到巷道整体尺寸的影响，随着巷道壁面粗糙度的降低，巷道的断面几何尺寸对边界层低速区厚度的影响逐渐降低。几何相似比为1∶4的地下空间模拟风洞实验与现场巷道实测实验其巷道中心点风速相同时所测的边界层低速区厚度并不等于1∶4，而且随着巷道壁面粗糙度的减小，即工字钢、锚喷与平整壁面支护巷道现场实测边界层低速区厚度值分别从风洞模拟值的2.00、1.85减小到1.49倍。
　　5)提出了井下通风系统模拟的数学模型和模拟方法，并进行了详细的数值模拟，得到如下结论。
　　①井下通风系统数值模拟将整个矿井通风系统作为研究对象，采用有限元分析方法对建立的数学模型进行处理，对形成的模拟方法编写Fortran程序进行数值计算。该数值模拟可将单元（小于10m的巷道微段）上的风速及风量全部给出，其结果能够对应到三维坐标上，其通风状态改变的标志是断面特征系数和边界条件的改变，断面特征系数能够定义在单元（小于10m的巷道微段）上。
　　②通过对正常、调节风门异常、通风机负压减小、巷道冒顶和有矿车停留五种状态下的通风状况进行的数值模拟表明该数值模拟方法可以稳定快速的计算出不同状态下的井下巷道风流及风量分布。与传统的通风网络解算算法相比，本文通风系统风流流动的数值模拟具有计算结果精度高、结果可利用性好和模拟适应性广等优点。
　　6)提出了通风系统故障和事故实时诊断的理论和方法，并进行了详细的数值模拟，得到如下结论。
　　④通风系统风流故障实时诊断方法以井下通风系统数值模拟方法为基础，其基本的设计思路为将有限个监测点得到的风量值与正常值进行比较，得到其总体误差值;然后通过预定的寻优方法不断调整每个区域代表单元的断面特征系数来降低总体误差值，比较每个区域降低误差的效果，最终给出将误差降到最低的最优解，该解所对应的区域就是故障所在区域;最后对得到的事故区域进一步精确计算，给出发生事故后整个井下通风系统巷道风速及风量的分布。
　　②通过在调节风门异常、通风机负压减小、巷道冒项和有矿车停留四种状态下的井下通风系统的故障实时诊断，证明了该故障实时诊断方法能够准确找到事故所在的区域，并且能够精确给出发生事故后整个井下通风系统巷道风速及风量的分布，可为迅速排除通风事故提供指导。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内外巷道内风速分布的研究现状

1．2．2 矿井通风风量计算的研究现状

1．2．3 利用数值模拟方法研究矿井通风的现状

1．3 论文主要研究内容

第二章 矿井巷道断面风速分布井下实测研究

2．1 余吾煤矿简介

2．1．1 余吾煤矿概况

2．1．2 余吾煤矿通风状况分析

2．1．3 余吾煤矿风速及有害气体监控系统

2．1．4 余吾煤矿常用的巷道支护方式

2．2 余吾煤矿巷道断面风速分布的现场实测简介

2．2．1 现场实测仪器

2．2．2 巷道风流速度分布的现场实测方法

2．3 锚杆锚网支护巷道断面风速实测及结果分析

2．4 锚喷支护巷道断面风速实测及结果分析

2．5 工字钢支护巷道断面风速实测及结果分析

2．6 平整壁面巷道断面风速实测及结果分析

2．7 煤矿井下断面风速分布现场测量结果分析

2．8 本章小结

第三章 井下巷道断面风速分布的风洞实验研究

3．1 地下工程模拟风洞简介

3．2 风洞风速测试系统

3．2．1 实验采用的传感器简介

3．2．2 计算机全程实时采集系统简介

3．3 实验方法

3．3．1 模拟巷道的边界层风速测量

3．3．2 实验室模拟巷道断面风速分布的测量

3．4 工字钢支护巷道断面风速风洞模拟实验及结果分析

3．5 锚喷支护巷道断面风速风洞模拟实验及结果分析

3．6 平整壁面支护巷道断面风速风洞模拟实验及结果分析

3．7 井下巷道断面风速分布现场与实验室测量的对比分析

3．7．1 现场与实验室的测量巷道及测量方法对比分析

3．7．2 现场与实验室测量结果的对比分析

3．8 井下巷道断面风速分布测量与后续数值模拟的联系

3．9 本章小结

第四章 煤矿井下巷道风流速度边界层的研究

4．1 井下巷道风流速度边界层简介

4．2 余吾煤矿巷道风速边界层的现场实测结果及分析

4．2．1 工字钢支护巷道的现场实测

4．2．2 锚喷支护巷道的现场实测

4．2．3 平整壁面支护巷道的现场实测

4．3 井下巷道风速边界层的地下工程模拟风洞实验及结果分析

4．3．1 工字钢支护巷道的实验室研究

4．3．2 锚喷支护巷道的实验室研究

4．3．3 平整壁面支护巷道的实验室研究

4．4 并下巷道风速边界层的地下工程模拟风洞实验数据分析及讨论

4．4．1 工字钢支护风洞模拟巷道边界层低速区分析

4．4．2 锚喷支护风洞模拟巷道边界层低速区分析

4．4．3 平整壁面支护风洞模拟巷道边界层低速区分析

4．5 风洞模拟巷道风流速度边界层的函数拟合研究

4．5．1 工字钢支护风洞模拟巷道风流速度边界层的函数拟合

4．5．2 锚喷支护风洞模拟巷道风流速度边界层的函数拟合

4．5．3 平整壁面支护风洞模拟巷道风流速度边界层的函数拟合

4．6 关于风速边界层的现场实验与实验室模拟实验的对比讨论

4．6．1 工字钢支护现场实测与实验室模拟结果对比

4．6．2 锚喷支护现场实测与实验室模拟结果对比

4．6．3 平整壁面支护现场实测与实验室模拟结果对比

4．7 井下巷道风速边界层与其它领域风速边界层的对比讨论

4．8 本章小结

第五章 井下通风系统数学模型与数值模拟

5．1 井下通风系统研究现状概述

5．2 通风系统风流流动数学模型与数值模拟方法

5．2．1 通风系统风流流动数学模型的建立

5．2．2 通风系统风流流动模型的有限元分析方法

5．3 通风系统风流流动数值模拟

5．3．1 通风系统风流数值模拟方法与程序设计

5．3．2 工程实例简介

5．3．3 物理与计算模型

5．4 通风系统风流数值模拟结果及分析

5．4．1 正常状态下数值模拟结果

5．4．2 调节风门异常状态下数值模拟结果

5．4．3 通风机负压减小状态下数值模拟结果

5．4．4 巷道冒顶状态下数值模拟结果

5．4．5 有矿车停留状态下数值模拟结果

5．4．6 数值模拟结果讨论

5．5 本章小结

第六章 井下通风系统故障实时诊断理论与方法

6．1 故障实时诊断的基本策略与方法

6．2 故障实时诊断的程序设计

6．3 调节风门异常状态下的实时诊断

6．4 通风机负压减小状态下的实时诊断

6．5 巷道冒顶状态下的实时诊断

6．6 有矿车停留状态下的实时诊断

6．7 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 研究展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及参加的科研工作