矿井降温系统优选决策与集中式冷水降温技术工艺研究.pdf

分类号分类号 TD727 密密 级级 公公 开开 U D C 单位代码单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 矿井降温系统优选决策与矿井降温系统优选决策与 集中式冷水降温技术工艺研究集中式冷水降温技术工艺研究 褚褚 召召 祥祥 申请学位级别申请学位级别 硕士学位硕士学位 专业名称专业名称安全技术及工程安全技术及工程 指导教师姓名指导教师姓名 辛辛 嵩嵩 职职 称称 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二○○一一年六月一一年六月 论文题目论文题目 矿井降温系统优选决策与矿井降温系统优选决策与 集中式冷水降温技术工艺研究集中式冷水降温技术工艺研究 作者姓名作者姓名 褚召祥褚召祥 入学时间入学时间 2008 年年 9 月月 专业名称专业名称 安全技术及工程安全技术及工程 研究方向研究方向矿井通风与安全矿井通风与安全 指导教师指导教师 辛辛 嵩嵩 职职 称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期2011 年 5 月 论文答辩日期论文答辩日期2011 年 6 月 3 日 授予学位日期授予学位日期 RESEARCH ON THE DECISION-MAKING THEORY OF MINE COOLING SYSTEM AND THE TECHNOLOGY OF CENTRALIZED CHILLED WATER COOLING SYSTEM A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by CHU Zhaoxiang Supervisor Professor XIN Song College of Natural Resources and Environmental Engineering June 2011 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列的参考文献和世 所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈 交于其它任何学术机关作鉴定。 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列的参考文献和世 所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈 交于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘 要 摘 要 随着矿井开采逐渐向深部发展， 矿井高温热害现象日益严重， 已经发展成为继顶板、 瓦斯、火、水和粉尘之后的矿井第六大灾害，成为制约煤矿安全生产的技术瓶颈。矿井 热害治理已经成为一个亟需解决的问题。 本文首先从矿井深部开采热害形成机理入手，分析了热传导、热对流以及热辐射在 井下的散热过程，提出了矿井热害形成机理的宏观、微观分析，尤其是微观意义的井下 三相[固煤岩、液热水、气风流]热耦合热传导、热对流、热辐射作用。在理论分析 的基础上，运用大型有限元模拟分析软件 Fluent 建立了采掘工作面风流速度与温度场的 数学、物理模型，对工作面的风流速度场、温度场进行了模拟，得到了工作面风流速度 的衰减变化与温度分布、变化规律。针对矿井降温系统及方案拟定与优选这一问题进行 了分析研究，另辟蹊径，从一个较新的角度建立了一套适用于矿井制冷降温系统方案优 选决策的指标体系 （所包含指标不同于传统的吨煤降温成本等） ， 最终形成矿井降温系统 及方案的优选理念、以专家论证为基础，提出了矿井降温系统及方案的多目标优选决策 法、并以兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿为工程实例进行了应用分析。在确定井下集中 式冷水降温系统后，对矿井主要作业地点（采掘工作面、机电硐室）降温技术工艺进行 了分析研究，如井下需冷地点冷负荷的正向与逆向计算方法、采掘工作面冷风输送方式 及优化等。研究内容对深部开采矿井高温热害治理具有一定的借鉴意义。 关键词关键词矿井热害；机理；热湿源；数值模拟；指标；优选决策；集中式冷水降温 系统；技术工艺 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II ABSTRACT As the depth of mining develops gradually, the disaster of heat is becoming increasingly serious. Following the disasters of roof, gas, fire, dust and water, it has been the sixth largest mining disaster and the constraint of technical bottleneck to the mining safety. So, the treatment of mine heat is indeed an urgent issue. Starting with the heat-harm ation mechanism during deeply mining, firstly the heat conduction, convection and radiation heat dissipation process in underground was discussed in this paper. Then the heat-harm ation mechanism was discussed from both macro and micro perspective, especially the three-phase [solid coal and rock, liquid hot water, gas airflow] thermal coupling heat conduction, convection and radiation function on the significance of micro perspective. Based on the theoretical analysis, this paper established the physical and mathematical model of working face airflow velocity field and temperature field with the large-scale finite element analysis software-Fluent. At last, it got the changing laws of airflow velocity attenuation and temperature distribution. On another subject this paper analyzed the mine cooling systems and solutions selection problem which contained founding the index system for uating mine refrigeration cooling system and puting forward a new kind of mine refrigeration cooling system optimization and decision multi–object decision . As a result, all of this made such an idea mine cooling system optimization and decision basing on the experts demonstration. Taking Zhaolou coal mine Heze Energy and Chemical Co. Ltd. , Yanzhou Mining Group for example, the studies were applied to the practice. After determining the underound centralized chilled water cooling system, it was need to research the concrete technique and craft in the main work site such as working face, chamber and so on. The concrete technique and craft like cold load calculation and working face cold air blast transmission mode and optimization are also contained in this paper. All the research contents may have a certain guiding significance to solve hot problems caused by high temperature in deep mining pit. Keywords mine heat harm; mechanism; heat and humidity source; numerical simulation; index; optimization decision; centralized chilled water cooling system; technique and craft 山东科技大学硕士学位论文 目录 I 目 录 目 录 1 绪绪 论论...................................................................................................................................1 1.1 课题研究的背景..........................................................................................................1 1.2 国内外研究现状..........................................................................................................4 1.3 课题研究的目的及意义............................................................................................12 1.4 课题研究的主要内容、方法和技术路线................................................................14 1.5 本章小结....................................................................................................................16 2 矿井热害形成机理与热湿源分布矿井热害形成机理与热湿源分布.....................................................................................17 2.1 矿井热害形成机理....................................................................................................17 2.2 矿井热湿源的类型与分布........................................................................................24 2.3 本章小结....................................................................................................................36 3 矿井工作面风流速度场与温度场的模拟分析矿井工作面风流速度场与温度场的模拟分析.................................................................37 3.1 流体动力学模型及控制方程....................................................................................37 3.2 采煤工作面风流速度场与温度场的数值模拟........................................................41 3.3 掘进工作面风流速度场与温度场的数值模拟........................................................47 3.4 本章小结....................................................................................................................59 4 矿井降温系统方案优选决策分析研究矿井降温系统方案优选决策分析研究.............................................................................60 4.1 矿井降温系统类型及优选决策理论分析................................................................60 4.2 矿井降温系统方案决策评价指标及权值................................................................65 4.3 矿井降温系统及方案确定的多目标决策法............................................................70 4.4 多目标决策法在赵楼矿降温系统优选中的应用....................................................74 4.5 本章小结....................................................................................................................80 5 矿井集中式冷水降温技术工艺研究矿井集中式冷水降温技术工艺研究.................................................................................81 5.1 矿井采掘工作面需冷负荷的确定............................................................................81 5.2 矿井回采工作面降温技术工艺研究........................................................................86 5.3 矿井掘进工作面降温技术工艺研究......................................................................101 5.4 矿井大型机电硐室热害现象分析研究..................................................................110 5.5 本章小结..................................................................................................................117 山东科技大学硕士学位论文 目录 II 6 赵楼煤矿降温工程实践赵楼煤矿降温工程实践...................................................................................................118 6.1 矿井集中式冷水降温系统概况..............................................................................118 6.2 矿井降温效果分析..................................................................................................120 6.3 本章小结..................................................................................................................125 7 结论及展望结论及展望.......................................................................................................................126 7.1 主要工作及结论......................................................................................................126 7.2 主要创新点及工作展望..........................................................................................127 致致 谢谢.....................................................................................................................................128 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果.........................................................................................................129 参考文献参考文献.................................................................................................................................130 附附 录录.....................................................................................................................................135 山东科技大学硕士学位论文 目录 III Contents 摘 要摘 要......................................................................................................................................... I 目 录目 录......................................................................................................................................... I 1 绪绪 论论...................................................................................................................................1 1.1 课题研究的背景................................................... 1 1.2 国内外研究现状................................................... 4 1.2.1 国外矿井热害理论研究现状和水平1.2.1 国外矿井热害理论研究现状和水平............................. 4 1.2.2 国内矿井热害理论研究现状和水平1.2.2 国内矿井热害理论研究现状和水平............................. 6 1.2.3 国外矿井降温工程技术研究现状和水平1.2.3 国外矿井降温工程技术研究现状和水平......................... 6 1.2.4 国内矿井降温工程技术研究现状和水平1.2.4 国内矿井降温工程技术研究现状和水平......................... 7 1.2.5 本课题紧密相关研究现状1.2.5 本课题紧密相关研究现状.................................... 11 1.3 课题研究的目的及意义............................................ 12 1.3.1 课题研究目的1.3.1 课题研究目的.............................................. 13 1.3.2 课题研究理论意义1.3.2 课题研究理论意义.......................................... 14 1.3.3 课题研究实际应用价值1.3.3 课题研究实际应用价值...................................... 14 1.4 课题研究的主要内容、方法和技术路线.............................. 14 1.4.1 课题研究主要内容1.4.1 课题研究主要内容.......................................... 14 1.4.2 课题研究方法1.4.2 课题研究方法.............................................. 15 1.4.3 课题研究技术路线1.4.3 课题研究技术路线.......................................... 15 1.5 本章小结........................................................ 16 2 矿井热害形成机理与热湿源分布矿井热害形成机理与热湿源分布.....................................................................................17 2.1 矿井热害形成机理................................................ 17 2.1.1 井下热量散发2.1.1 井下热量散发.............................................. 17 2.1.2 矿井热害形成机理2.1.2 矿井热害形成机理.......................................... 17 2.1.3 矿井热害形成机理的宏观、微观分析2.1.3 矿井热害形成机理的宏观、微观分析.......................... 22 2.2 矿井热湿源的类型与分布.......................................... 24 2.2.1 采煤工作面热湿源种类及计算方法2.2.1 采煤工作面热湿源种类及计算方法............................ 24 2.2.2 采煤工作面热湿源测定方法及原理2.2.2 采煤工作面热湿源测定方法及原理............................ 28 2.2.3 采煤工作面热湿源分布分析2.2.3 采煤工作面热湿源分布分析.................................. 31 2.3 本章小结........................................................ 36 3 矿井工作面风流速度场与温度场的模拟分析矿井工作面风流速度场与温度场的模拟分析.................................................................37 3.1 流体动力学模型及控制方程........................................ 37 3.1.1 流体动力学模型3.1.1 流体动力学模型............................................ 37 3.1.2 湍流流动模型3.1.2 湍流流动模型.............................................. 39 3.1.3 模型的假设3.1.3 模型的假设................................................ 40 3.1.4 方程的离散化与数值求解3.1.4 方程的离散化与数值求解.................................... 40 3.2 采煤工作面风流速度场与温度场的数值模拟.......................... 41 3.2.1 模型的建立3.2.1 模型的建立................................................ 41 3.2.2 边界条件及计算参数的设置3.2.2 边界条件及计算参数的设置.................................. 42 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 3.2.3 模拟结果分析3.2.3 模拟结果分析.............................................. 43 3.3 掘进工作面风流速度场与温度场的数值模拟.......................... 47 3.3.1 模型的建立3.3.1 模型的建立................................................ 47 3.3.2 边界条件及计算参数的设置3.3.2 边界条件及计算参数的设置.................................. 49 3.3.3 模拟结果分析3.3.3 模拟结果分析.............................................. 49 3.4 本章小结........................................................ 59 4 矿井降温系统方案优选决策分析研究矿井降温系统方案优选决策分析研究.............................................................................60 4.1 矿井降温系统类型及优选决策理论分析.............................. 60 4.1.1 矿井降温系统类型4.1.1 矿井降温系统类型.......................................... 60 4.1.2 矿井降温系统设计4.1.2 矿井降温系统设计.......................................... 63 4.1.3 优选决策理论分析4.1.3 优选决策理论分析.......................................... 64 4.2 矿井降温系统方案决策评价指标及权值.............................. 65 4.2.1 指标体系的确定4.2.1 指标体系的确定............................................ 65 4.2.2 指标权值的确定4.2.2 指标权值的确定............................................ 68 4.3 矿井降温系统及方案确定的多目标决策法............................ 70 4.3.1 评价值数据处理方法4.3.1 评价值数据处理方法........................................ 71 4.3.2 矿井降温系统及方案确定的多目标决策法4.3.2 矿井降温系统及方案确定的多目标决策法...................... 72 4.4 多目标决策法在赵楼矿降温系统优选中的应用........................ 74 4.4.1 赵楼煤矿概况4.4.1 赵楼煤矿概况.............................................. 74 4.4.2 矿井制冷降温系统方案拟定4.4.2 矿井制冷降温系统方案拟定.................................. 75 4.4.3 矿井制冷降温系统方案的优选决策4.4.3 矿井制冷降温系统方案的优选决策............................ 76 4.4.4 矿井降温效果与应用结果分析4.4.4 矿井降温效果与应用结果分析................................ 79 4.5 本章小结........................................................ 80 5 矿井集中式冷水降温技术工艺研究矿井集中式冷水降温技术工艺研究.................................................................................81 5.1 矿井采掘工作面需冷负荷的确定.................................... 81 5.1.1 正向计算法5.1.1 正向计算法................................................ 81 5.1.2 逆向计算法5.1.2 逆向计算法................................................ 82 5.2 矿井回采工作面降温技术工艺研究.................................. 86 5.2.1 集中与分段冷却方式分析5.2.1 集中与分段冷却方式分析.................................... 86 5.2.2 工作面内分段冷却方式5.2.2 工作面内分段冷却方式...................................... 86 5.2.3 进风顺槽内分段冷却方式5.2.3 进风顺槽内分段冷却方式.................................... 91 5.2.4 回采工作面冷风输送组合方式分析5.2.4 回采工作面冷风输送组合方式分析............................ 96 5.3 矿井掘进工作面降温技术工艺研究................................. 101 5.3.1 掘进巷道热环境分析5.3.1 掘进巷道热环境分析....................................... 101 5.3.2 掘进工作面空冷器布置方式5.3.2 掘进工作面空冷器布置方式................................. 102 5.3.