煤矿地面主通风机工况点风量风机静压准确预测研究.pdf

煤炭工程 第 52 卷第 8期 COAL ENGINEERING Vol. 52，No. 8 doi 10. 11799/ce202008030 煤矿地面主通风机工况点风量风机静压准确预测研究 王海波、 刘彦青2, 3, 郝晋辉、 赵 灿 2, 3, 周 锦 文 、 郑义2, 3 1.山 西 汾 西 矿 业 双 柳 煤 矿 ，山 西 吕 梁033000 ; 2.煤 炭 科 学 技 术 研 究 院 有 限 公 司 安 全 分 院 ，北京100013; 3 .煤 炭 资 源 高 效 开 采 与 洁 净 利 用 国 家 重 点 实 验 室 ，北京100013 摘 要 为提高地面主通风机工况点预测的准确性，以神木煤业石窑店煤矿二号风井更换地面 主通风机之后工况点风量风机静压预测为实际现场工程，采用现场实测、数值模拟和理论公式三种 方法分别计算风硐与风机连接处通风阻力，研究表明采用数值模拟方法能够准确计算风硐与风机连 接处通风阻力。在此基础上建立了非线性形式的风硐与风机连接处风阻计算公式，结合实测的风机 风量风机静压特性曲线和矿井通风阻力特性曲线，建立了考虑风硐与风机连接处通风阻力的主通风 机风机静压风量工况点预测方程。研究表明风硐与风机连接处通风阻力对于地面主通风机工况点 具有不可忽略的影响作用，主通风机风机静压风量工况点预测过程中考虑风硐与风机连接处通风阻 力能够显著提高地面主通风机工况点风量风机静压预测的准确性。 关键词风机工况点；数值模拟；风硐；风阻；风量；风机静压 中图分类号TD411 文献标识码A 文章编号1671-0959202008-0143-07 Accurate prediction of air volume and air pressure at the working point of the ground main fan W A N G Ha i-bo 1, LIU Yan-qing2 3, H A O Jin-hui, Z H A O Can2 3, Z H O U Jing-wen1 , Z H E N G Yi2 3 1. Shuangliu Coal Mine of Fenxi Mining Group, Lvliang 033300, China； 2. Mine Safety Technology Branch, CCTEG Coal Research Institute, Beijing 100013, China； 3. State Key Laboratory of Coal Elfficient Mining and Clean Utilization, Beijing 100013, China Abstract In order to improve the accuracy of the prediction of the working point of the main fan on the ground, based on the prediction of air volume and pressure at the working point after replacing the ground main fan in No. 2 air shaft of Shiyaodian Coal Mine, measurement, numerical simulation and theoretical calculation are used to calculate the lwal ventilation resistance between the wind tunnel and the fan respectively. The research shows that the numerical simulation result is accurate. On this basis, the nonlinear calculation fonnula of the local ventilation resistance between the wind tunnel and the fan is established. Combining the measured wind volume and pressure characteristic curve of the fan an 丨 the mine ventilation based on the resistance characteristic curve, the air pressure prediction equation and the main fan “s air volume operating point are established considering the influence of the local resistance between the air chamber and the fan. The research shows that the local ventilation resistance between the wind tunnel and the fan has an important effect on working point of the main fan on the ground. Taking the influence of that local resistance into consideration can improve the air volume and air pressure prediction accuracy of the main fan working point. Keywords fan operating point; numerical simulation； wind tunnel； local wind resistance； air volume； static air pressure of fan 矿井地面主通风机工况点风量风机静压是由矿 井通风系统风阻分布与地面主通风机特性共同决定 收 稿 日 期 2020-04- 14 基 金 项 目 中 国 煤 炭 科 工 集 团 科 技 创 新 基 金 （2018-TD-ZD002 作 者 简 介 王 海 波 （ 1980） ，男 ，山 西 介 休 人 ，硕 士 ，高 级 工 程 师 ，主 要 从 事 矿 井 瓦 斯 一 通 三 防 相 关 工 作 ，E-mail 157916478 qq. com。 通 讯 作 者 刘 彦 青（ 1989 ） ，男 ，山西忻州人，助 理 研 究 员 ，硕 士 ，研 究 方 向 为 矿 井 通 风 理 论 与 瓦 斯 治 理 技 术 ，E-mail lyqing0906 163. com。 引 用 格 式 王 海 波 ，刘 彦 青 ，郝 晋 辉 ，等.煤 矿 地 面 主 通 风 机 工 况 点 风 量 风 机 静 压 准 确 预 测 研 究[ J ] .煤 炭 工 程 ，2020, 528 143-149. 143 研究探讨煤炭工程2020年 第 8 期 的，预测地面主通风机工况点风量风机静压对于保 障矿井安全高效开采具有重要作用意义[1’ 2]，李晓 绅[3]、王洪粱[4采用图形解析法预测分析了地面主 通风机工况点风量风机静压，在前人研究的基础上， 为了进一步提高地面主通风机工况点风量风机静压 准确性，对由进风井至地面主通风机扩散塔之间的 空气流动全过程进行了分析，针对目前地面主通风 机工况点风量风机静压预测方法中未考虑风硐与风 机连接处通风阻力这一问题，对主通风机风机静压 风量工况点预测方程进行了修正改善，笔者以神木 煤业石窑店煤矿二号风井为研究对象，采用理论分 析 、现场实测、数值模拟相结合的研究方法对该风 井更换地面主通风机之后工况点风量风机静压进行 预测研究。 1工程概况 神木煤业石窑店煤矿一号风井与二号风井共同 承担全矿井通风任务，由于一号风井承担的一采区 即将回采完毕，该矿计划将一号风井关闭，全矿井 通风任务均由二号风井承担。随着矿井生产能力提 升，二号风井主通风机供风能力难以保障矿井日益 增长的需风量要求，因此需要对二号风井主通风机 进行更换，为了保障矿井通风系统安全，需要对更 换风机之后的二号风井主通风机工况点风量风机静 压进行准确预测，二号回风井风硐主通风机布置如 图 1 所示。 图1石 窑 店 煤 矿 二 号 回 风 井-风硐-主通 风 机 布 置 示 意 图 2风机静压风量工况点预测数学模型修正 现阶段矿井地面主通风机风量风机静压工况点 预测过程具体步骤如下①实测矿井地面主通风机 风量-静压特性曲线7];②实测矿井通风阻力，求 得矿井通风阻力特性曲线[81]; ③以风量为横坐标, 以风机静压为纵坐标，将上述实测的矿井通风阻力 特性曲线与地面主风机风量-静压特性曲线置于同一 坐标系下，两条曲线交点处风量、风机静压即为工 况点参数。其中步骤②中实测矿井通风阻力存在问 144 题，现阶段矿井通风阻力测试方法（MT/T 440 2008中规定矿井通风阻力是从进风井人口至回风井 风硐测压断面之间通风阻力，而工况点预测过程中 需要测试矿井通风阻力是从进风井入口至主通风机 风筒测压断面之间通风阻力，如果直接采用根据现 阶段矿井通风阻力测试方法测得矿井通风阻力与主 通风机风量-静压特性曲线进行工况点预测必然会产 生误差。 主通风机风机静压风量工况点预测方法测点布 置如图2 所示，进风井入口至主通风机风筒测压断 面之间通风阻力为进风井人口至回风井风硐测压断 面之间通风阻力和风硐与风机连接处通风阻力之和， 进风井入口至主通风机风筒测压断面之间通风阻力 等于风机静压与矿井自然风机静压之和，见式（ 1。 h3.2Q h1_lQ ht.2Q R3.,Q2 Rt-2Q2 PvQ P, 1 式中，为回风井风量，m-Vs; /i3 _2为风量 条件下进风井入口至主通风机风筒测压断面之间 通风阻力，Pa; 为风量条件下进风井入口 至回风井风硐测压断面之间通风阻力，Pa; h J C* 为风量条件下风硐与风机连接处通风阻力，Pa; Pz为矿井自然风压，Pa, 通过现场实测得到；Pf . 为风机静压-风量特性曲线，Pa; K3_， 为进风井 入口至回风井风硐测压断面之间风阻，即矿井总风 阻，NsVm8; 风井风硐与风机风筒连接处风阻， NsVm8。 式（ 1中，为 以 为自变量的函数，将 Pz、/,_2带人式（ 1，求解式（ 1得到工况点 风量，将工况点风量带人PFG计算得到工况点风 机静压。 断面3 . 风桐諍压/ 风筒静压/ 图2主通风机风机静压风量工况点 预测方法测点布置示意图 3风机静压风量工况点预测数学模型关键参 数确定 3 . 1 主通风机风量-静压特性曲线测定 地面主通风机风量风机静压短路测试法布置如 2020年 第 8 期煤炭工程研究探讨 图 3 所示，主通风机风量-静压特性曲线测试过程 中，风机静压测试位置布置于风机叶片之前的风机 风筒上，即图3 中断面2 位置，风机静压的本质物 理意义是从风硐天窗至主通风机风筒测压位置之间 通风阻力，风机静压等于断面2 位置处相对静压绝 对值减去动压，按式（ 2计算。通过调节风硐天窗 通风面积实测不同风量条件下风机静压值，采用动 压法测试风机风量[“]，拟合得到以风量为自变量、 以风机静压为因变量的三次多项式函数，见式（ 3， 不同风机运行参数条件下风机风量-静压特性曲线拟 合系数及拟合度汇总数据表见表1。 PyQ h U Q ht.2Q Ps_2Q P 2Q 2 PrQ aQ3 bQ2 cQ d 3 式中，Ps_2为风量条件下主通风机风筒断 面 2 位置静压实测值，Pa; Pv_2为主通风机风筒 断面2 位置动压实测值，Pa; h j p为 风 量 条 件 下风硐天窗人口至主通风机风筒测压断面之间通风 阻力，Pa; 为风量条件下风硐天窗人口至 回风井风硐测压断面之间通风阻力，Pa; a、6、C、 分别为风机静压-风量特性曲线拟合系数。 H硐静压/ 风筒静压/ 测试法布置示意图 表1不 同 风 机 运 行 参 数 条 件 下 风 机 风 量 - 静 压 特 性 曲 线 拟 合系数值及拟合度 风机风量-风机静压 叶片角度-6、运行％率50Hz叶片角度0、运行频率50Hz叶片角度6、运行频率50Hz 特性曲线系数名称 取值拟合度取值拟合度取值拟合度 a值-0. 00456-0. 000370. 00376 6值 .值 1.55115 -180. 19039 0. 98316 0. 03386 -2.91091 0. 95096 -2. 12511 378.47741 0. 98535 值8338.571262079. 6359-20018.41339 3 . 2 矿井总风阻测算 式4中矿井自然风机静压值可通过实测得到， 进风井入口至回风井风硐测压断面之间通风阻力 以摩擦阻力为主，风 阻 可 近 似 为 恒 定 值 。 根据矿井通风阻力定律，利用式（ 4可直接实测计 算得到矿井总风阻，矿井通风总风阻相关参数实测 值汇总表见表2。 D h Q P U Q -P.-Q P, Rw 二 2 ----------------------⑷ Q Q 式中， I； 为米空区某一位置y方向风速，m/ s; w;为某一位置z方向风速，m/s; 为某一位置风 速矢量，m/S; p为空气动力粘度，取 值 为 17.9X HT6P a*s; P为气体压力，Pa; Su为x方向的动量源 项， kg m/m3 s ; 为y方向的动量源项， kg m/ m3 s ; Sw 为 z 方向 的动量源项， kg m/ m3 s; 71为气体温度，K; A为空气传热系数，取值为 0.023W/m.K; Cp为空气比热容，取值为717J/ kg K ; ST 为粘性耗散项，J/m3 s。 风硐与风筒连接处区域风流为紊流状态，描述 风硐内风流场需要在N-S方程组上补充湍流模型方 程组，由于风硐与风筒尺寸差异较大，风流会发生 剧变，REGk-s模型可以很好地处理高应变率及流 线弯曲程度大的流动，因此湍流模型选择REGk-e 模型，式9与式（ 10为REGk-s模型的控制方程。 dtdx, d dx- ap dipfSu dtdx-dx- ds dx; dk dx； c \ pCJc2/s； C Gk PfS 9 E2 10 0. 0845 ； 件 下 风 硐 与 风 机 连 接 处 通 风 阻 力 实 测 值 ，Pa; /V.,.⑴为风量2 〇 . 306 - 3. 30 6 0. 306 3. 30 ； -2-c 〇 〇 〇 36 7 Q Q2 式中，MJ P为风量条件下风硐与风机连 接处通风阻力实测结果拟合函数计算值，Pa; 为为风量P条件下风硐与风机连接处风阻实测 结果拟合函数计算值，NsVm8。 表 3风硐与风机连接处局部通风阻力现场实测结果表 3风硐与风机连接处局部通风阻力现场实测结果 序号 实测风量/ m 3 min 1 实测通风 阻力/Pa 112500235 210350155 38700120 4640085 5475045 6315020 dp, dp,u dp；v dpsw ------ ----- ------ 0 dt dx dy dz dp{u dP ------ divpfuU div /Jigradu----- Su dt dx dpfv dP ----- divp{vU div /Jigradv----- Sv dt dy dpw dP ------ divpwU div /jigradw----- 5W dt dz dpT k divpTU div -gradT ST o o o o o 5 0 5 0 5 2 2 11 2020年 第 8 期煤炭工程研究探讨 基于风流静压场、风速场数值模拟结果，按式 11计算回风井风硐与风机风筒连接处通风阻力， 采用数值分析方法对通风阻力模拟结果与风量之间 关系进行定量拟合，拟合函数为二次抛物线形函数， 如图7 所示，拟合函数见式（ 12，拟合度达到0.99 以上，在此基础上得到风阻函数见式（ 13。 250「 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 风量/nr-miir1 图7回风并风硐与风机连接处 通风阻力数值模拟结果拟合曲线 h,-2-sQ Pin-S Q Pi,-aQ- ⑴ 式中，弋h为风量p条件下入口大断面平均 静压，模拟结果值，Pa; Pi n _d为 风 量 条 件 下 人口大断面平均动压，模拟结果值，Pa; 为风量条件下出口大断面平均静压，模拟结果值, Pa; /V J*为风量,为风量条件下风硐与风机连 接处通风阻力理论公式计算值，Pa; 为为 风量条件下风硐与风机连接处风阻理论公式计算 值，NsVm8; p为风流密度，kg/m3; i; 2 为风机风筒 断面2 位置风速，m/S; \ 为 风 机 风 筒 断 面 2 断面 积，m2; S,为风硐断面2 断面积，m2。 3. 3 . 4 对比分析 采用上述三种方法分别对神木煤业石窑店煤矿 二号风井回风井风硐与风机连接处通风阻力及风阻 进行了测算，其中现场实测方法测试结果准确性最 高。现场实测方法存在测试过程中需要频繁调节风 1 . 39； Cu 1.42； C2 e ClB r 1 - 7/t0 1 I3V k 2 dui duj dx, dx. V〇 2, ■,0.5 - ； , 4.377; /3 0.012;其中CK 为由剪切力改变引起的湍动能变化率，kg/S3 m; 为湍流能量耗散率，m2/s3; /a、 /A,为层流、紊流 下的气流粘性系数，Pa S; pf为密度，kg/m3; u, . 、 为气流在x、 y方向的分速度，m/s。 式（ 8、式（ 9、式（ 10联立即为风硐与风机之 间风流场数值计算模型的方程组，加上边界条件， 就构成了风硐与风机之间风流场数值计算模型。 3 边界条件。风硐与风机之间风流场CFD计 算模型的边界条件设定如下风硐壁面、风硐顶板、 风硐底板、风筒壁均为Wall墙壁） ，风硐风流人口 为Velocity-in速度人口） ，风筒风流出口为Out flow自 由出口） 。 4 模拟结果。以现场实测风量值为模拟条件， 模拟解算风硐测压断面与风机风筒测压断面之间风 机静压场和风速场，模拟结果如图6 所示。 a风速场 （b动压场 （ 〇靜压场 图6回 风 井 风 硐 测 压 断 面 与 风 机 风 筒 测 压 断 面 之 间 风 速 场 、压力场数值模拟云图 o o o o 0 5 0 5 2 1 丨 f S5 147 研究探讨煤炭工程 2020年 第 8 期 实测结果数值模拟结果对比 实测结果4理论公式i t算结果对比 量可能影响矿井正常生产的缺点。数值模拟方法和 理论公式计算方法具有成本低、不存在现场测试安 全隐患等优点，但其通风阻力测算结果准确性有待 验证。为了获得安全、高效的回风井风硐与风机连 接处通风阻力测算方法，需要对数值模拟方法和理 论公式计算方法测算结果准确性进行验证，式（ 16、 式（ 17分别为通风阻力理论公式计算结果与实测结 果相对误差计算公式、通风阻力数值模拟结果与实 测结果相对误差计算公式，回风井风硐至风机风筒 之间通风阻力数值模拟与理论计算结果误差对比情 况 、回风井风硐与风机连接处通风阻力数值模拟与 理论公式计算结果误差对比情况如图8 所示。 阻力测算方法。 ds hc - hs x 10016 hc _ lc - *1. 1 x 10017 式中，炙为通风阻力理论公式计算结果与实测 结果相对误差,为通风阻力数值模拟结果与实 测结果相对误差， ％。 4矿井地面主通风机工况点预测结果分析 式（ 18为未考虑风硐与风机连接处通风阻力的风 机工况点风量求解方程，将矿井自然风压、风机风量 -风机静压特性曲线、矿并总风阻带人式（ 18求解工 况点风量，计算结果见表4。式（ 19为采用数值模拟 求解风硐与风机连接处通风阻力情况下的风机工况点 风量求解方程，将矿井自然风压、地面主通风机风量 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 风驗/m、 . min1 图 8风硐 与 风 机 连 接 处 通 风 阻 力 数 值 模 拟 与 理论公式 计 算 结 果 误 差 对 比 由图8 可得，理论公式计算结果与现场测试结 果之间相对误差最高达到8 0 , 而数值模拟结果与 现场实测结果之间相对误差基本在3 0 以内，且风 量越大，相对误差越小，在满足工程精度的前提下， 采用数值模拟方法是最佳的风硐与风机连接处通风 -风机静压特性曲线、矿井总风阻、风硐与风机连接 处风阻带人式（ 19求解工况点风量，i十算结果见表4。 式20为采用现场实测求解风硐与风机连接处通风阻 力情况下的风机工况点风量求解方程，将矿井自然风 压、地面主通风机风量-风机静压特性曲线、矿井总 风阻、风硐与风机连接处风阻带人式（ 20求解工况点 风量，计算结果见表4。根据地面主通风机风量计算 结果，利用式3计算工况点风机静压，计算结果见 表 4。地面主通风机风量测试方面，动压法比静压差 法测试准确性更高[5]，采用动压法实测风机投人运行 之后风量，实测结果见表4。 表4地 面 主 通 风 机 工 况 点 风 机 静 压 、风 量 预 测结果及误差对比情况 风机运行参数 工况点参数名称 风硐与风机连接处通风阻力 实际运行 数值模拟现场实测叶片角度/运行频率/H z未考虑 风量/ m3 s_l 134.30130.75130. 30123.60 -650 风机静压/P a1071110411071154 风机静压相对误差/ 7. 194. 323.99 风量相对误差/ 8. 66 5.785.42 风量/ m3 s_1 145.05141.70141.50133.60 050 风机静压/P a1241 129412971413 风机静压相对误差/ 12. 188. 39 8. 17 风量相对误差/ 8. 57 6. 065.91 风量/ m3 s-丨 ）161. 1 157.0156.4148. 60 650 风机静压/P a152215721578 1635 风机静压相对误差/ 6.923. 87 3.48 风量相对误差/ 8.415.655. 25 未考虑风硐与风机连接处通风阻力的预测方程 十算结果与实际工况点之间风量和风机静压之间最 相对误差达到8. 6 6 、12. 1 8 , 考虑风硐与风机 连接处局部通风阻力的预测方程计算结果与实际工 况点之间风量和风机静压最大相对误差分别为 _ 去 考 虎 风 硐 与 风 机i车 梓 朴 诵 风 阳 ooooooo 9 8 7 6 5 4 3 148 2020年 第 8 期煤炭工程研究探讨 力的预测方程计算结果与实际工况点之间风量和风 机静压之间相对误差明显大于考虑风硐与风机连接 处通风阻力的预测方程计算结果与实际工况点之间 风量和风机静压相对误差，研究表明风硐与风机之 间局部通风阻力对于地面主通风机工况点具有不可 忽略的影响作用，考虑风硐与风机连接处通风阻力 的主通风机风机静压风量工况点预测方法能够显著 提高风机工况点风量、风机静压预测的准确性。 aQ3 bQ2 cQR,_lQ2 - Pz 18 bQ2 cm R l2cQf - Pz 19 aQ1 bQ2 cQ R}.tQ2 R .2.mQQ2 - P7 . 20 5结 论结 论 1 揭示分析得到目前工况点预测方法中存在未 考虑风硐与风机之间局部阻力的问题，以神木煤业 石窑店煤矿二号风井更换地面主通风机之后工况点 风量风机静压预测为研究，采用现场实测、数值模 拟和理论公式三种方法分別计算风硐与风机连接处 通风阻力，研究表明采用数值模拟方法能够准确计 算风硐与风机之间通风阻力，在此基础上建立了非 线性形式的风硐与风机连接处风阻计算公式。 2 结合实测的风机风量风机静压特性曲线、矿 井通风阻力特性曲线，建立了考虑风硐与风机之间 局部阻力影响的主通风机风机静压风量工况点预测 方程，研究表明风硐与风机连接处通风阻力对于地 面主通风机工况点具有不可忽略的影响作用，考虑 风砸与风机连接处通风阻力影响的主通风机风机静 压风量工况点预测方法能够显著提高风机工况点风 量 、风机静压预测的准确性。 参考文献参考文献 [1] 许 芹 ，杨胜强，刘辉.主要通风机运行工况点合理性评 价[J].煤矿安全，2017, 488 182-185. 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