礦井通風穩定性影響因素淺析

孫廣福,張亞文

(七臺河精煤礦業集團新建煤礦)

礦井通風穩定性影響因素淺析

孫廣福①,張亞文

(七臺河精煤礦業集團新建煤礦)

通風系統是一個復雜的、動態的系統,它的穩定受眾多因素影響,對保證礦井安全生產和防治災害發揮著關鍵的作用。分析了通風系統的特點、風流流動規律以及影響風流流動的因素,研究了巷道中阻力變化對風流穩定性的影響,并以巷道運輸設備對風流影響為例進行數值模擬。通過實例分析,對研究礦井通風的影響因素及其穩定性具有重要的現實意義。

礦井;通風系統;風流;數值模擬;穩定性;影響因素;分析

礦井通風系統的任務是,向井下各用風地點提供足夠的新鮮空氣,稀釋并排除瓦斯等各種有害物質,給井下工人創造良好的工作環境;發生事故時,有效地控制風流方向和大小,與其他措施相結合,防止災害的擴大,進而達到消滅事故的目的。可見通風系統的穩定性對礦井實現安全生產和安全管理影響深遠,所以分析和掌握礦井風流影響因素及流動規律,對于控制風流以達到預期的通風效果具有重要的現實意義。

1 礦井通風系統的特點

1)復雜性。礦井通風系統是受諸多因素影響的一個復雜系統。就大型礦井而言,網絡分支多者在600條以上,網絡節點也可在500個以上,分支數占總分支數的34.6%～98.9%,全礦巷道長50～200 km,通風設施數目可達上百個,用風地點一般也有15～40個。

2)動態性。礦井通風系統結構隨著煤礦生產的進行而不斷地發生變化,采掘工作面不斷推進、接替,采區的準備、投產、結束與接替,礦井開拓延伸等工程的不斷進展,使通風系統在網絡結構上隨時發生變化而且各種參數的變化是隨機的。可見通風系統是一個動態的隨機的系統。

2 影響礦井通風系統穩定性的因素

礦井通風系統是一個復雜的、隨機的、非穩定的動態系統。影響通風系統穩定性因素很多,主要表現為通風動力裝置、通風網絡結構和自然風壓等。

1)通風機動力變化。礦井風網內主要通風機、輔助通風機數量和性能的變化,不僅會引起風機所在巷道的風量變化,而且會使風網內其他分支風量也發生變化,并影響風網內其他風機的工況點。而在其他通風部分改動困難、不經濟或改動無法滿足需要時,由于局部通風機在通風網絡的某個分支上加上了一定的動力,可明顯改變網絡中風流的分布狀況,使礦井通風系統保持穩定。

2)通風網絡結構。空氣流過的井巷就組成了礦井通風系統的通風網絡,而礦井通風網絡圖是礦井通風網絡分析的重要依據,由點的集合和分支的集合所組成。由于通風巷道的年久老化和失修,尤其是個別地段的地壓作用,致使風道斷面發生嚴重縮小、變形,因而導致礦井回風系統阻力增大、礦井供風不足、通風能耗增加,而不得不進行大規模的通風系統改造。

3)礦井自然風壓。由于進回風側空氣柱的密度不同造成重力差,形成了礦井自然風壓。一般情況下,在夏天,自然風壓為負,不利于礦井通風;在冬天,自然風壓為正,有利于礦井通風。礦井通風系統風流不穩定一般是指井巷中風流質或量發生變化,且其變化幅度超過了允許范圍,風流的不穩定現象可分為正常生產時期與災變時期的不穩定現象。正常生產時期風流的不穩定現象,按其產生原因,又可以分為由于通風動力工作不穩定和由于通風網絡引起的不穩定現象。

3 通風風流穩定性判別

當網絡中某條風路的風阻值R有增量△Ri時,它對網絡中其他風路ej的風量值Qj產生的影響fj滿足:

fj的大小就反映了風路ej的風流穩定程度。

令:式中:Qj為網絡無風阻變化時,第j條風路的風量值;Qj′為網絡有風阻變化時,風阻變化后第j條風路的風量值;fj為在第i條風路的風阻變化時,第j條風路的風流穩定程度系數;n為網絡中的分支數。

由公式(2)可以看出,當fj=1時,風路ej的風流穩定程度最好,但只要用風地點的風量不超過允許的范圍,相對應的fj也有一個允許區間,只要風量變化時fj落在允許的區間內,ej的風流穩定程度也可以認為比較好,反之就比較差;當fj出現負值時,該風路的風流變為反向,說明該風路穩定程度最差。

4 風阻變化對風流穩定的影響分析

風阻對風流的影響主要是由于阻力引起,而阻力主要受巷道斷面、行車和堆積物等影響,但風路的風阻始終滿足風阻、風量和風壓之間的關系,即:

當風路的風阻Ri發生變化時,其風壓Hi與風量Qi也相應地發生變化。對公式(3)微分:

巷道模擬模型示意圖見圖1。

圖1 巷道模擬模型示意圖

圖1中的1表示運輸設備;2為巷道。運輸設備1以一定的速度在巷道2中運行,運行方向與通風風流方向相反。根據要分析的對象,具體模擬運輸設備周圍的速度場和壓力場,結果見圖2,圖3。

式中:

由公式(4)可知:當風阻Ri變化時,其風壓Hi、風量Qi均發生變化。

為了分析風阻對風流穩定性的影響,以巷道中行車對風流穩定性影響為例進行數值實驗。并假設邊界條件:通風氣流為不可壓縮流體,可忽略由流體黏性力做功所引起的耗散熱,流體的紊流黏性具有各向同性,同時假設流動為穩態紊流。

由模擬結果可知:運輸設備在巷道中行駛時,對周圍的風流造成很大影響,運輸設備無形增加了巷道中的阻力,阻力變化導致風流不穩定。圖2反映了風流速度場的分布情況,在距離運輸設備較近位置,風流分布變得很不規則,且離運輸設備越近,風流速度減弱,在運輸設備前后形成低速區,這是阻力在巷道中影響風流穩定性的一種體現。圖3反映了運輸設備運動時,壓力場發生了變化,在運輸設備前方形成一個正壓區,后方形成一個負壓區,當運輸設備運行速度越大時,前后的壓差很明顯,導致在負壓產生卷吸作用,引起了風流的不穩定性。

5 結 語

礦井通風系統是一個復雜的、隨機的、非穩定的動態系統,文中對風流流動規律以及影響風流流動的因素進行研究,并以巷道運輸設備對風流影響為例進行數值模擬。通過模擬研究得出,距離運輸設備較近位置,風流分布變得很不規則,離運輸設備較近時,風流速度減弱,在運輸設備前后形成低速區,壓力也發生顯著變化,甚至出現卷吸區域。這些都是阻力在巷道中影響風流穩定性的一種體現,對研究礦井通風系統的影響因素及其穩定性有重要的現實意義。

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Principle and Application of Hydraulic Fracturing Technique in Seam Water Injection

Jiang Ming-xing

Technology of hydraulic fracturing of coal body is the new-type technology that different from traditional coal body water flooding and soften technology.It has changed the past flooding water and softened technology,characteristic of the long hole,low-voltage,the stationary flow,utilize high-pressure cut had of water,press the characteristic of splitting,destroy coal body to split to press,reduce coal body hardness,the performance that may blast down the roof,improve coal recovery.

Coal body;Hydraulic fracturing;Rate of cutting coal

book=4,ebook=128

TD725

B

1672-0652(2010)04-0038-02

2010-03-17

孫廣福 男 1975年出生 1997年畢業于中國礦業大學 工程師 七臺河 154600