矿井风流热力过程及通风降温模拟研究.pdf

分类号分类号TD727TD727TD727TD727密密级级 公公开开 U D CU D CU D CU D C单位代码单位代码 10421042104210424 4 4 4 学学 位位 论论 文文 矿井风流热力过程及通风降温模拟研究矿井风流热力过程及通风降温模拟研究矿井风流热力过程及通风降温模拟研究矿井风流热力过程及通风降温模拟研究 赵赵 春春 杰杰 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位专业专业名名称称安全技术及工安全技术及工程程 指导教师姓名指导教师姓名鹿鹿 广广 利利职职称称副副教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零零九年五月二零零九年五月 论文题目论文题目论文题目论文题目 矿井风流热力过程及通风降温模拟研究矿井风流热力过程及通风降温模拟研究矿井风流热力过程及通风降温模拟研究矿井风流热力过程及通风降温模拟研究 作者姓名作者姓名作者姓名作者姓名 赵春杰赵春杰入学时间入学时间入学时间入学时间 2006200620062006 年年 9 9 9 9 月月 专业名称专业名称专业名称专业名称 安全技术及工程安全技术及工程 研究方向研究方向研究方向研究方向矿井通风及安全矿井通风及安全 指导教师指导教师指导教师指导教师 鹿广利鹿广利职职职职称称称称 副副教教授授 论文提交日期论文提交日期论文提交日期论文提交日期2009200920092009 年年 5 5 5 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期2009200920092009 年年 6 6 6 6 月月 7 7 7 7 日日 授予学位日期授予学位日期授予学位日期授予学位日期 STUDYSTUDYSTUDYSTUDY OFOFOFOF COALCOALCOALCOAL MINEMINEMINEMINEWINDWINDWINDWINDTHERMODYNAMICTHERMODYNAMICTHERMODYNAMICTHERMODYNAMIC PROCESSPROCESSPROCESSPROCESSANDANDANDANDVENTILATIONVENTILATIONVENTILATIONVENTILATIONTEMPERATURETEMPERATURETEMPERATURETEMPERATURE DROPPINGDROPPINGDROPPINGDROPPING TECHNOLOGYTECHNOLOGYTECHNOLOGYTECHNOLOGY IMITATIONIMITATIONIMITATIONIMITATION A A A ADissertationDissertationDissertationDissertation tedtedtedted inininin fulfillmentfulfillmentfulfillmentfulfillment ofofofof thethethethe requirementsrequirementsrequirementsrequirementsofofofof thethethethe degreedegreedegreedegreeofofofof MASTERMASTERMASTERMASTER OFOFOFOF PHILOSOPHYPHILOSOPHYPHILOSOPHYPHILOSOPHY fromfromfromfrom ShandongShandongShandongShandong UniversityUniversityUniversityUniversity ofofofof ScienceScienceScienceScience andandandand TechnologyTechnologyTechnologyTechnology bybybyby ZhaoZhaoZhaoZhao ChunjieChunjieChunjieChunjie SupervisorSupervisorSupervisorSupervisorAssociateAssociateAssociateAssociateProfessorProfessorProfessorProfessorLuLuLuLuGuangliGuangliGuangliGuangli CollegeCollegeCollegeCollegeofofofof ResourcesResourcesResourcesResourcesandandandand EnvironmentalEnvironmentalEnvironmentalEnvironmental EngineeringEngineeringEngineeringEngineering MayMayMayMay 2009200920092009 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 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。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 AFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclaredeclare thatthatthatthat thisthisthisthis dissertation,dissertation,dissertation,dissertation, tedtedtedted inininin fulfillmentfulfillmentfulfillmentfulfillment ofofofof thethethethe requirementsrequirementsrequirementsrequirements forforforfor thethethethe awardawardawardaward ofofofof MasterMasterMasterMaster ofofofof PhilosophyPhilosophyPhilosophyPhilosophy inininin ShandongShandongShandongShandong UniversityUniversityUniversityUniversity ofofofof ScienceScienceScienceScience andandandand Technology,Technology,Technology,Technology, is is is is whollywhollywhollywholly mymymymy ownownownown workworkworkwork unlessunlessunlessunless referencedreferencedreferencedreferenced ofofofof acknowledge.acknowledge.acknowledge.acknowledge. TheTheTheThe documentdocumentdocumentdocument hashashashas notnotnotnot beenbeenbeenbeen tedtedtedted forforforfor qualificationqualificationqualificationqualification atatatat anyanyanyany otherotherotherother academicacademicacademicacademic institute.institute.institute.institute. SignatureSignatureSignatureSignature DateDateDateDate 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要摘要 论文以热力学的相关理论为基础，对矿井风流进行了研究。分析了矿井风流热力状 态的特征并对其对生产的影响进行了研究；研究了矿井风流在入风井筒、巷道、采煤工 作面和掘进工作面各段的热力变化过程，分析了各段的热源，用傅立叶热传导方程在假 设围岩均质各向同性的条件下，计算井下围岩的热传导，用舍尔巴尼的 Kr模型[11]计算围 岩与风流、井下热水与风流及机械设备与风流之间的对流换热，用显热比法[4]计算井下 热湿交换，在此基础上建立各段的热力模型；论文选取了龙口梁家矿的一条典型完整风 路进行了现场测量，并对测量的数据进行了分析，借此对矿井风流在完整风路中的热力 过程进行了研究。 论文对通风降温进行了理论分析，分析了增大风量在降低温度、维持人体热平衡和 改善人体热环境舒适度方面的作用；应用有限元分析模拟软件 fluent 对通风降温的效果 进行了模拟研究。论文同时分析了通风降温技术的一些局限性，在分析前人相关理论的 基础上，分别从生产水平岩温、采掘工作面温度、经济通风量和通风降温极限开采深度 对通风降温极限进行了相关的探讨。 在上述理论分析及热力模型建立的基础上， 论文应用 Visual Basic 6.0 程序设计语言， 开发了通风降温管理专家系统。目前大多数计算机都装配了 vista 系统，为了适应这一现 状，本系统在开发时自主设计了 Aero 系列仿 vista 控件，使整个界面更加友好、美观。 关键词关键词矿井风流；热力状态；热力过程；通风降温；通风降温管理专家系统 山东科技大学硕士学位论文摘要 ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT In this passage, study coal mine air current base on thermodynamic theory. Analyzing the thermodynamic state characters of coal mine air current and studying its influence to production. The thermodynamic varying process of coal mine air current is studied when it is in mine shaft, laneway, working face and tunneling face. The origin of heat is analyzed. Use the Fourier heat exchange equation to calculate the heat exchange of wall rock under the condition of assuming that the wall rock is homogeneous and having same properties in all directions. Use the Krmodel which is raised by schael barney to calculate the convective heat transfer between wall rock and air current, the hot water and air current and also the convective heat transfer between the mechanical equipment. Use the sensible heat ratio to calculate the heat and moisture transfer. Build the thermodynamic model on the basic of things above. Choose one air way of Liang Jia coal mine of Long Kou to do the field measurement and analyze the measurement data. Study the thermodynamic process of coal mine air current. Analyze the ventilation temperature-dropping technology theoretically. Analyze the function of increasing air flow in dropping temperature, human thermal balance maintenance and improving human thermal environment comfort. Use the fluent software to simulate and study the effect of ventilation temperature-dropping technology. At the same time, limitations of ventilation temperature-dropping technology are also analyzed. On the basic of analyzing the previous relative theory, the limit of ventilation temperature-dropping technology is discussed in aspects of production level rock temperature, tunneling working face temperature, economic ventilation and limitminingdepth. Basic on the theory analyzing and thermal model building above, the ventilation temperature-dropping management experts system is developed with the language of Visual Basic 6.0. At present, the vista system is used by most computers. So the aero series controls are developed to make the program beautiful. KeywordsKeywordsKeywordsKeywordscoal mine air current；thermal state；thermal process；ventilationtemperature dropping；Ventilation temperature-droppingmanagement experts system 山东科技大学硕士学位论文目录 目目录录 1 1 1 1绪绪绪绪论论论论1 1 1 1 1.1 课题的研究背景1 1.2 国内外研究现状2 1.3 课题研究的主要目的和意义4 1.4 课题研究的主要内容5 2 2 2 2矿井风流热力状态特征矿井风流热力状态特征矿井风流热力状态特征矿井风流热力状态特征7 7 7 7 2.1 热力状态和热力过程7 2.2 矿井风流热力状态参数7 2.3 矿井风流热力状态特征12 2.4 矿井风流热力状态对生产的影响14 2.5 本章小结19 3 3 3 3 矿井风流热力过程研究矿井风流热力过程研究矿井风流热力过程研究矿井风流热力过程研究20202020 3.1 入风井筒风流热力过程研究20 3.2 巷道热力过程研究22 3.3 采煤工作面风流热力过程研究31 3.4 掘进工作面风流热力过程研究35 3.5 全风路风流热力过程研究38 3.6 本章小结44 4 4 4 4 通风降温的理论分析通风降温的理论分析通风降温的理论分析通风降温的理论分析46464646 4.1 通风降温技术的作用46 4.2 通风降温效果模拟49 4.3 通风降温极限的探讨52 4.4 本章小结54 5 5 5 5 通风降温管理专家系统的开发通风降温管理专家系统的开发通风降温管理专家系统的开发通风降温管理专家系统的开发5 5 5 55 5 5 5 山东科技大学硕士学位论文目录 5.1 软件简介55 5.2 软件使用说明56 5.3 本章小结73 6 6 6 6 结论与展望结论与展望结论与展望结论与展望7 7 7 74 4 4 4 致致致致谢谢谢谢7 7 7 76 6 6 6 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果7 7 7 77 7 7 7 主要参考文献主要参考文献主要参考文献主要参考文献7 7 7 78 8 8 8 山东科技大学硕士学位论文目录 ContentsContentsContentsContents 1 1 1 1I I I Introductionntroductionntroductionntroduction1 1 1 1 1.1Raising of Project1 1.2History and Present Situation of the Study aboutWater Inrush Mechanism2 1.3Studying Goal of the Project4 1.4Research contents 5 2 2 2 2TheTheTheThe thermodynamicsthermodynamicsthermodynamicsthermodynamics modemodemodemode characteristiccharacteristiccharacteristiccharacteristic ofofofof coalcoalcoalcoal minemineminemine airairairair flowflowflowflow 7 7 7 7 2.1Thermodynamics mode and thermodynamics process7 2.2Thermodynamics mode parameter of coal mine air flow7 2.3The thermodynamics mode characteristic of coal mine air flow12 2.4The influence of air flow thermodynamics mode to production14 2.5Brief summary19 3 3 3 3ResearchResearchResearchResearch ofofofof thermodynamicsthermodynamicsthermodynamicsthermodynamics processprocessprocessprocess ofofofof coalcoalcoalcoal minemineminemine airairairairflowflowflowflow20202020 3.1Research of thermodynamic process ofpitshaftair flow20 3.2Research of thermodynamic process of laneway air flow22 3.3Research of thermodynamic process of working face air flow 31 3.4Research of thermodynamic process of tunneling face air flow35 3.5Research of thermodynamic process of the whole wind path38 3.6Brief summary 44 4 4 4 4TheoryTheoryTheoryTheoryanalysisanalysisanalysisanalysis ofofofof ventilationventilationventilationventilation temperature-droppingtemperature-droppingtemperature-droppingtemperature-dropping technologytechnologytechnologytechnology46464646 4.1Function of ventilation temperature-dropping technology46 4.2Effect imitation of ventilation temperature-dropping technology49 4.3Investigation of ultimate value of ventilation temperature-droppingtechnology52 4.4Brief summary54 5 5 5 5DevelopingDevelopingDevelopingDeveloping ofofofof ventilationventilationventilationventilation droppingdroppingdroppingdropping temperaturetemperaturetemperaturetemperaturemanagementmanagementmanagementmanagement expertexpertexpertexpert systemsystemsystemsystem5 5 5 55 5 5 5 5.1Introduction of software55 5.2Direction for use 56 山东科技大学硕士学位论文目录 5.3Brief summary73 6 6 6 6MainMainMainMain ResearchResearchResearchResearch ResultResultResultResult andandandand ConclusionConclusionConclusionConclusion 7 7 7 74 4 4 4 ThanksThanksThanksThanks7 7 7 76 6 6 6 MainMainMainMain WorkWorkWorkWorkAchievementAchievementAchievementAchievement ofofofof thethethetheAuthorAuthorAuthorAuthor duringduringduringduring WorkingWorkingWorkingWorking onononon MasterMasterMasterMaster PaperPaperPaperPaper7 7 7 77 7 7 7 MainMainMainMain ReferenceReferenceReferenceReference DocumentsDocumentsDocumentsDocuments7 7 7 78 8 8 8 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 1 1 1 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 课题的研究背景课题的研究背景课题的研究背景课题的研究背景 我国目前大中型煤矿平均采深 456m，采深大于 600 米的矿井产量占 28.5。小煤矿 平均采深 196m，采深超过 300m 的矿井产量占 14.5。随着浅部矿产的开竭，矿井开采 将向深部发展（我国煤矿以每年约 10 米的速度下降） 。而预计我国煤炭总储量的 53以 上埋深大于 1000 米， 这就意味着我国的煤矿开采深度会进一步增加。 随着开采深度的增 加，由于地热、压缩热、机械热、氧化热等的影响，越来越多的矿井将不可避免地出现 高温热害问题。 据不完全统计， 目前我国国有重点煤矿中 70 多处矿井采掘工作面温度超 过 26℃，其中 30 多处矿井采掘工作面超过 30℃，最高达 37℃[2]。矿井热害已经成为国 内外矿井所普遍面临的一个问题。矿井热害不仅影响井下作业人员的工作效率，影响矿 山的经济效益而且严重地影响井下作业人员的身体健康和生命安全，本课题就是基于我 国矿井高温问题的现状而提出的。 在矿山热害治理中，遇到的第一个问题是如何确定什么样的气候条件是对人体有害 的[3]。近百年来全世界的有关学者提出了 90 多种标准，均没有取得令人满意的结果。这 就需要我们研究矿井气候条件及其影响因素。其中气候的主要因素温度、湿度和风速， 在矿井条件下均与风量有密切的联系，因此我们要研究风量与矿井气候条件之间的关系 规律。 在矿山热害治理中，遇到的第二个问题是要预先计算出采掘工作地点将出现怎样的 气候条件。这就需要我们进行风温预测[3]，也就是井下气流与围岩以及各种人为、天然 热湿源之间的热交换计算问题。这也是一个极其复杂的至今未能妥善解决的问题，因为 使井下风流状态参数发生变化的因素很多，如入风的状态参数、风流的自然压缩、围岩 的传热散湿和局部热源、矿井水的散热散湿等等，而这些因素本身又是多变的。 热害治理所要解决的第三个问题是如何经济、有效、持续地将井下工作地点的恶劣 气候条件改善到合乎要求的水平[8]。我们所采用的降温方法可分为通风降温和人工制冷 降温两大类。其中人工制冷降温的降温效果好，但是由于其有技术复杂、项目设计和运 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 行成本高等缺点，因此人工制冷降温大多是在通风降温无法达到预期的降温效果的时候 的选择。这就需要我们进行矿山通风降温极限开采深度的研究。以判断用何种方式来进 行降温。我们还需要进行比较准确地风温预测以判断增加风量后所能达到的降温效果。 煤矿安全规程 （2005 年 1 月 1 日开始执行）中第一百零二条明确规定新建、改扩建 矿井设计时，必须进行矿井风温预测计算。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状国内外研究现状国内外研究现状 1.2.11.2.11.2.11.2.1 国外研究现状、发展动态国外研究现状、发展动态国外研究现状、发展动态国外研究现状、发展动态 据文献记载，国外研究矿井高温问题最早是 1740 年在法国 Belfort 附近的矿山进行 地温测定，1915年巴西金矿首次把空调器应用于井下， 1924年西德在Radlod煤矿井下958 米深处建立了集中制冷站，南非也在 20 世纪 20 年代开展了矿井降温工作[1]。同时期， 风温预测计算理论也相应发展，1923 年西德 Heise Drekopt 在假定巷道壁面温度为稳定 周期变化条件下，解析了围岩内部温度的周期变化，提出了调热圈等概念，尽管其基本 假定是不合理的， 但这是研究矿内热环境问题的最初理论。 19391941年间， 南非Biccard Jappe 连续发表了题为“深井风温预测”四篇论文，提出了风温计算的基本想法，这是近代 风温预测计算的雏型[5]。1951 年英国VanHeerden 和日本平松，1952 年西德 Konig 和日 本天野，他们结合平巷围岩与风流热交换，在理想化条件下提出围岩调热圈温度场的理 论解， 这个理论解与传热学领域中 1939 年英国 Carslaw 等人用拉普拉斯变换得出的理论 解是一致的。1953 年苏联提出较精确的不稳定换热系数和调热圈温度场的计算方法， 1955 年平松又提出围岩与风流组成体系的传热方程式随时间变化的风流温度的近似计 算法[10]。 60年代， 逐步应用计算机技术进行风温预测计算。 如1961年苏联BoponaeBf与1966 年西德 Nottrot 等发表了用数值计算法描述调热圈温度场[3]。矿内热环境测试技术也进入 实用阶段，如 1964 年西德 Mucke 用圆板状试块测定稳态导热的岩石导热系数，1967 年 Sherrat 在现场中对一段巷道强制加热，实测围岩中的温度分布，从实测值与理论计算值 对比中求出热常数。同年南非 Starfield 等较充分论述了潮湿、有质交换条件下的热交换 规律[12]。 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 70 年代，是矿内热环境工程学形成完整学科体系的时代，些系统专著逐渐问世。 如 1974年平松的通风学 、l977 年的矿井热环境调节指南 。问题的研究也深入到解 决最核心的采掘工作面、井筒等问题，如 1971 年后，西德的 J．Voss 等相继提出一整套 采掘工作面风温的计算方法[13]；1975 年美国的 J．Mcguaid 系统地提出控制矿内热环境 的各种技术对策；1977 年保加利亚的 Shcherban 等对掘进工作面的风温计算作了较详尽 的论述。 80 年代，许多国家如美、苏、西德、南非、日，以及捷、匈、波、保等国，都争取 进行该学科的研究工作。如 1984 年 6 月在苏联 Harrosa 举行的第二届国际通风会议所发 表的 61 篇论文中，该学科占 25％，比上届猛增近三倍[7]。学科的研究也朝着更适合于实 际条件的应用化发展，在矿井降温技术的各个方面都提高到一个新的水平。西德从 l9701980 年，制冷能力剧增 15 倍；日本从 1975l 985 年制冷机总制冷能力达到 4528MW。制冷系统亦向大型化发展，目前井下空调单个系统的最大制冷量，南非为 50MW、苏联 35MW、西德 l5MW；井下制冷机的最大单机容量已达 2MW。1985 年 11 月，南非金矿把冰送进井下，利用冰的溶解热（80kcal／kg）吸热以冷却空冷器冷却水， 冰用量仅为同一所需冷却量用水量的 l／5，此制冷系统能力达 628MW。在风温预测上， 1980 年日本天野用差分法求得不同巷道形状、岩性条件下的调热圈温度场，并提出了考 虑入风温度变化、有水影响条件下的风温计算方法；1983 年南非 Starfleld 等又提出更为 精确的不稳定传热系数的计算公式； 1985 年日本天野等提出迄今较为完整的矿内热环境 工程设计的程序数模[9]。 1.2.21.2.21.2.21.2.2 国内研究现状、发展动态国内研究现状、发展动态国内研究现状、发展动态国内研究现状、发展动态 我国 50 年代初开始了对矿内降温的初步研究工作， 开展了地温考察和气象参数的观 测，60 年代初开始采用小型制冷设备进行矿井降温。我国一些起步较早的矿山安全技术 工作者，在认真学习国外经验的同时，结合我国实际情况，逐步探索矿内热环境的理论 和技术，取得了可喜的进展[18]。煤炭部在 19751978 年间，分别召开过五次地温和降 温工作技术座谈会，1976 年以来煤炭部在中国科学院地质研究所、冶金部马鞍山钢铁设 计院、煤炭科学研究院抚顺研究所等单位协助下，对淮南九龙岗矿、丰城建新矿、北票 合吉矿、平顶山八矿、辽源太信矿、枣庄陶庄矿等许多矿井，有计划地进行了系统的观 测，用数理统计方法，提出了风温预测的数学模型，后经多年的实际观测资料的分析研 山东科技大学硕士学位论文绪论 4 究，使计算精度达到了较高的水平。通过对平顶山八矿、徐州三河尖矿、长广公司七矿 的矿内热状况预测验证，其计算误差低于 5[18]。 抚顺分院根据几十年的矿井降温的科研实践经验，认为在人工制冷降温和通风降温 之间应存在一个最佳界限，并为此进行了长期的观测分析，1985 年提出了关于