某深地开采矿井通风技术研究.pdf

分类号 密 级 U D C 学 号 6720150215 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2018 年 03 月 15 日 某深地开采矿井通风技术研究某深地开采矿井通风技术研究 Research on ventilation technology of a deep mining mine 学 位 类 别__ 全日制专业硕士 作 者 姓 名 梁启超 学 科、专 业 矿业工程 指 导 教 师 王海宁教授 研 究 方 向 矿井通风系统优化 万方数据 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含已获得江西理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 研究生签名 时间 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解江西理工大学关于收集、保存、使用学位论文的规定即学校有权保 存按要求提交的学位论文印刷本和电子版本，学校有权将学位论文的全部或者部分内容 编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和 借阅；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。本人 允许本学位论文被查阅和借阅，同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，并通过网络向社会公众提供信息服务。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名（手写） 导师签名（手写） 签字日期 年 月 日 签字日期 年 月 日 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 近年来随着我国大部分金属矿山都开始进入深地开采， 由于受到深井热害的影响， 井下 通风复杂的程度将进一步提升， 井下风流分配是否合理， 井下温度是否适宜都将严重影响矿 山企业的生产效率以及一线工人的健康与安全。 为此， 研究和设计深井通风系统优化方案以 及降温措施对创造矿山安全生产，营造职工安全稳定的工作环境有着十分重要的现实意义。 由于刚进入深井的金属矿山企业正处于一个由浅入深的过渡时期，热害现象相对已经 超深开挖的煤矿来说还不算太严重， 因此应该按照以完善通风系统为主， 提出降温措施为辅 的原则来对井下矿井通风进行治理，才能在保证企业在获得良好的经济效益的基础上实现 井下获得正常稳定的通风效果。本文就是根据这个原则来设计通风系统的优化方案并提出 降温的措施，主要研究内容和研究成果如下 1在对安徽某铜矿矿井通风系统进行详细地调查和测定的基础上，利用硐室型空气幕 来设计和完善二级风机机站， 设计了三套技术上可行、 经济上合理的优化方案来解决通风系 统中存在的问题并给出了具体施工的建议。 （2）利用 Matable 软件绘制了Q FΔH,n和Q FΔH,R的三维图形，分析了空气 幕引射风量与相关变量之间的相互关系，发现影响引射风量与风机的台数以及巷道两端的 压强存在着对应关系，并且引射风量的变化随风阻变化明显。 3利用ANSYS Discovery Live 软件对硐室型风机外部流场进行模拟研究， 分析了风机 出口三个轴向上的受力， 得到了风流在外流场中的流线图和粒子图， 非常直观地解释了空气 幕风机在井下作业的原理。 4对井下热源进行调查，估算出各热源的放热总量高达 15000KW，各个中段的平均 温度超过30℃，对调查得到的热数据进行了分析与评价并提出了具体的降温措施。 5利用Discovery Live 软件对独头巷道综掘面的模拟，根据模拟结果显示，长压短抽 的通风方法对掘进工作面的除尘降温效果很明显，可以很好地解决深井掘进面通风排热的 问题，为工人创造良好的工作环境。 关键词空气幕；引射风流；通风系统优化；深地开采 万方数据 Abstract II Abstract In recent years, with most of the metal mines in China beginning to enter deep mining, the degree of the underground ventilation complexity will be further improved due to the influence of deep well heat damage. whether the distribution of underground airflow is reasonable and the suitability of downhole temperature will seriously affect the production efficiency of mining enterprises and the front-line worker’s health and safety. Therefore, it is of great practical significance to study and design the optimization scheme of deep well ventilation system and the measures of cooling to create safe and stable working environment for the workers. As just entered the deep well of the mine enterprise is in a depth from the excessive period, the heat damage phenomenon is not too serious relatively compared with the deep excavation mine , it should be in accordance with the improvement of ventilation system, put forward the principle of cooling measures as a supplement to the underground mine ventilation treatment, In order to ensure the enterprise to obtain good economic benefits on the basis of the underground to achieve normal and stable ventilation effect. This article is based on this principle to design ventilation system optimization scheme and put forward the measures of cooling, the main research contents and research results are as follows 1 On the basis of the detailed investigation and determination of a copper mine ventilation system in Anhui, three sets of optimization schemes are developed to solve the problem of ventilation difficulties in the underground by using the Chamber air Curtain to design and perfect the two-level fan station. Three sets of feasible and economically reasonable optimization schemes are designed to solve the problems in the ventilation system, and some suggestions for concrete construction are given. 2 Three-dimensional graphics of qf Δh,n and Qf ΔH,R were plotted using matable software, this paper analyzes the relationship between the air curtain ejection volume and the relative variables, and finds that there is a corresponding relationship among the number of the ejection air and the numbers of the fan and the pressure at both ends of the tunnel, and the ejection air volume is obviously changed with the variation of wind resistance. 3 Using Ansys Discovery Live software to simulate the airflow characteristics of air curtain outflow field, this paper analyzed the upward force of three shafts in the outlet of fan, obtained the streamline diagram and particle diagram of airflow in the outflow field, which intuitively explained the principle of the air curtain fan in the downhole operation. 万方数据 Abstract III 4 According to the investigation of the downhole heat source, the heat source of the total heat were estimated release up to 15000KW, the average temperature in the middle of deep well is more than 30 ℃, and some specific cooling measures proposed based on the downhole thermal data analysis and uation. 5 Using Discovery Live software to simulate the fully mechanized face in the single head roadway, according to the simulation results, the ventilation of long pressure and short pumping has obvious effect on the dust removal in the heading face, which can effectively solve the problem of the heat of the single head roadway in deep wells. Keywords air curtain, ejection airflow, ventilation system optimization, deep mining 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 摘 要 ......................................................................................................................................... I Abstract ......................................................................................................................................II 目 录 ...................................................................................................................................... IV 第一章 绪论 ............................................................................................................................ 1 1.1 论文研究背景及意义 ................................................................................................. 1 1.1.1 研究背景 .......................................................................................................... 1 1.1.2 课题的提出及研究意义 .................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ......................................................................................................... 2 1.2.1 矿用空气幕的研究现状 .................................................................................. 2 1.2.2 深井热害治理研究现状 .................................................................................. 3 1.2.3 深井降温技术的研究现状 .............................................................................. 3 1.3 研究内容与技术路线 ................................................................................................. 4 1.3.1 主要研究内容 .................................................................................................. 4 1.3.2 技术路线 .......................................................................................................... 5 第二章 原矿井通风系统概况 ................................................................................................ 6 2.1 矿山概况 ..................................................................................................................... 6 2.1.1 矿山地质和矿床特性 ...................................................................................... 6 2.1.2 矿床开拓和采矿方法 ...................................................................................... 6 2.2 矿井通风系统现状 ..................................................................................................... 7 2.2.1 矿井通风系统测定 .......................................................................................... 8 2.2.2 通风系统测定结果 .......................................................................................... 9 2.2.3 通风系统评价 ................................................................................................ 10 2.3 井下热源调查分析与计算 ....................................................................................... 11 2.4 本章小结 ................................................................................................................... 12 第三章 矿井开采通风系统优化 .......................................................................................... 14 3.1 通风系统优化的前期准备 ....................................................................................... 14 3.1.1 原通风系统的设计 ........................................................................................ 14 3.1.2 通风构筑物的完善 ........................................................................................ 15 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 V 3.1.3 减小回风系统通风阻力 ................................................................................ 16 3.2 矿井通风系统优化方案的拟定 ............................................................................... 16 3.2.1 矿井通风网络数据库的创建 ........................................................................ 17 3.2.2 优化技术方案的拟定 .................................................................................... 17 3.2.3 优化技术方案的解算结果 ............................................................................ 19 3.3 优化技术方案的比较和分析 ................................................................................... 20 3.3.1 优化方案的比较 ............................................................................................ 20 3.3.2 矿井通风系统方案分析 ................................................................................ 21 3.4 小结 ........................................................................................................................... 21 第四章 空气幕的研究与应用 ................................................................................................ 22 4.1 空气幕的风流流动理论模型 ................................................................................... 22 4.1.1 多机并联空气幕风流流动理论 .................................................................... 22 4.1.2 多机并联空气幕的应用数值分析 ................................................................ 23 4.1.3 巷道型风机机站的布置形式 ........................................................................ 25 4..2 空气幕外流场的数值模拟 ...................................................................................... 26 4.2.1 软件介绍 ........................................................................................................ 26 4.2.2 与传统 CFD 软件的比较 .............................................................................. 26 4.2.3 空气幕外流场风流特性模拟 ........................................................................ 27 4.2.3 高温条件下空气幕外流场风流特性 ............................................................ 30 4.3 机械化盘区空气幕调节方法应用研究 ................................................................... 31 4.3.1 现场应用 ........................................................................................................ 31 4.3.2 实验结果与分析 ............................................................................................ 32 4.4 本章小结 ................................................................................................................... 33 第五章 降温技术分析 .......................................................................................................... 35 5.1 矿井风流环境调查测定 ........................................................................................... 35 5.2 测定结果分析与评价 ............................................................................................... 36 5.2.1 测定结果分析 ................................................................................................ 36 5.2.2 矿井风流环境评价 ........................................................................................ 38 5.3 降温方案的研究 ....................................................................................................... 38 5.3.1 掘进工作面的通风降温模拟研究 ................................................................ 38 5.3.2 降温措施的拟定 ............................................................................................ 43 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 VI 5.4 本章小结 ................................................................................................................... 43 第六章 结论与展望 ................................................................................................................ 45 6.1 结论 ........................................................................................................................... 45 6.2 创新点 ....................................................................................................................... 45 6.3 展望 ........................................................................................................................... 45 参考文献 .................................................................................................................................. 47 攻读学位期间的研究成果 ...................................................................................................... 50 已发表的论文 .................................................................................................................. 50 致 谢 ........................................................................................................................................ 51 万方数据 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 论文论文研究背景及意义研究背景及意义 1.1.1 研究背景研究背景 随着我国矿床储量的日益消耗，越来越多的浅部金属矿山进入了深部开采的范畴， 有数据显示，我国三分之一的矿山即将进入深部开采[1]。为了贯彻落实国家中长期科 学和技术发展规划纲要（2006-2020 年） 提出的资源勘探增储要求和找矿突破战略行 动纲要（2011-2020 年） （国办发〔2011〕57 号）等相关部署，围绕着深部资源评价、 技术与建模，大深度立体探测技术装备与深部找矿示范，深部矿产资源开采理论与技术 等基础性研究等方向，我国在 2018 年共启动了 31 个专项项目研究[2]。深部矿床开采面 临的三大难点，即高地应力、高温以及高孔隙水压力，其中解决高温难题就是建立在良 好的矿井通风基础上进行的。据了解，我国是世界上第一产煤大国，也是高温热害矿井 最多的国家[3]。 据不完全统计，我国目前许多矿山的开采深度都达到 800 米甚至更深，井下工作面 风流温度都超过 30℃，根据国家矿床储量的预测，70多的矿床埋藏在超过 1000 米的 深度[4]。部分金属矿山井深也达到千米，井下有益矿物开采量的持续增长将导致矿井深 度的增加和采矿作业条件的恶化。例如，在 8001000m 或更大深度处开采矿床，会由于 巷道围岩温度和风流温度的升高而发生困难，在通常的高温下，深部矿井风流温度的升 高会使工作环境更加恶化，矿工的劳动生产率降低同时对井下作业人员的生命安全构成 威胁。因此，为深部矿井建立一个完整的通风系统从而进一步对矿井降温是深地开采需 要解决重要问题。 1.1.2 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 在深地开采过程中，矿井热环境必然会时刻影响和制约着采矿活动[5]，比如采矿工 艺、生产系统的布置、矿井火灾的预测与控制等都受到井下热环境的影响[6]。当井深达 到千米，温度超过 50℃，煤矿容易发生瓦斯爆炸，一些含硫的金属矿山容易发生硫化矿 石自燃的灾害，如我国的松树山铜矿、武山铜矿、新桥硫铁矿等都曾发生过不同程度的 硫化矿自燃的事件，给企业造成了巨大的损失。同时井下作业人员受高温环境的影响也 是极大的，很多高温矿山井下都出现过工人中暑、中毒的情况，高温高湿的作业环境对 井下作业人员身体素质具有很高的要求，因此，对金属矿山深部开采降温通风系统的研 究具有重要的意义，良好的矿井通风系统是深部资源安全开采的保障，是解决热害问题 万方数据 第一章 绪论 2 的唯一途径，其先进的降温技术将成为未来通风系统的关键技术。 另外，深部资源的开采成本随井深逐渐增大，开采难度也会相应地增加，为了降低 开采成本，开采的各项技术都需要不断地进行优化[7]。开展深部降温通风系统的研究， 有利于生产成本降低，研发新的降温技术，积累经验，将其运用到矿山指导实践，对同 类深井矿山的降温通风问题提供宝贵的建议。 1.2 国内外国内外研究现状研究现状 1.2.1 矿用空气幕的矿用空气幕的研究现状研究现状 多级机站通风系统的工作原理是利用各级机站风机的通风压力来克服该机站所在 区段的通风阻力，将地表的新鲜风流送到井下各需风作业点，以达到通风的目的[8]。金 属矿山开采深度的增加，要解决通风路线长，通风阻力大，需风量不足的问题，需要对 通风系统进行多级机站优化设计与改造。早期的风机机站设置在运输巷道中，会影响行 人和运输，造成设备破坏严重，管理不方便等问题，因此矿用空气幕理论在这种背景下 应运而生。 空气幕最早是由前苏联学者谢别列夫[9]等人于二十世纪五十年代应用到井下巷道中 去的，空气幕两端产生压差的原因是由法国的 Grassmuck.G[10]于 1969 年通过气垫船升 力方程式推导得到的，空气幕有效压力计算公式是波兰的 piotr kijkowski[11]等人在 1979 年根据动量守恒定律，并做了相关的对比试验得出的。到了 2000 年，Guyonnaud[12]等人 通过对空气幕装置的动力和几何描述实验中得出巷道两边压差、空气幕风机出口的宽度、 射流出口紊动强度等