非灾变时期金属矿复杂矿井通风系统稳定性及数值模拟研究
【摘要】：
金属矿地下开采的发展必须安全、稳定、高效，这主要取决于构成金属矿地下开采各大系统的正常运行和应用的先进技术。金属矿山生产时期，正常生产作业活动和矿山内外部条件的变化，常常会改变矿井通风系统的部分参数，降低了矿井通风系统的稳定性和安全性。随着我国金属矿地下开采向深部发展，矿井通风系统稳定性问题比以前显得更加突出。基于对国内外矿井通风系统稳定性问题的研究现状综合分析的基础上，结合国家“十五”科技攻关专题项目和各矿山通风系统优化、改造项目的试验和研究，开展了本文的研究工作。本文采用理论研究、现场测定、数值分析相结合的研究方法，取得了如下主要研究成果和结论：
(1)编制了以正常生产时期的矿井通风系统工作不稳定为顶上事件的事故树，研究了事故树的结构特征，得到了影响矿井通风系统稳定性的九类原因，分析了其影响范围和程度。
(2)编写了基于Windows平台的矿井通风系统网络解算程序，并与矿井通风理论计算值、现场实测值进行比较，验证了计算程序的可靠性和适用性。
(3)论述了应用矿井通风系统网络分析软件及其解算结果分析矿井通风系统稳定性的可行性，研究了给定精度、迭代初值、网络复杂程度对矿井通风网络解算迭代次数的影响，分析了网络结构和风机工作特性曲线与实际不符、电网波动等因素对网络解算结果可靠性的影响，并提出了相关控制措施。
(4)通过改变特征分支的风阻值，借助网络解算，探讨了矿井通风系统特征参数的可调节性，得到了分支风阻变化与风机工况点及相关分支风量之间的耦合关系。通过对凡口铅锌矿矿井通风系统网络解算，说明了各分支在矿井通风网络中的作用不一、分支风阻预先输入的可行性，阐述了矿井进、回风分支风阻变化对风机等效风压的综合影响，分析了多风机矿井通风子系统稳定性问题，获得了矿井通风系统网络解算的经验。
(5)探讨了矿井通风系统稳定性与自然风压之间的耦合关系，分析了分支风量对自然风压的敏感度，采用Q与H_N相图分析，说明在自然风压作用下矿内分支风流可能改变方向的几种情况，并对临界状态进行了研究。
(6)建立了中段运输设备在巷道中和提升设备在井筒中运动时所产生的活塞风速计算模型，分析了影响活塞风速的因素，比较了不同类型矿井活塞风对矿井通风系统稳定性的影响程度，确定了计算模型中参数的计算方法，重点研究了巷道长度、运行速度和巷道面积与矿井活塞风速之间的关系。
(7)采用计算流体力学软件FLUENT对矿井运输巷道内活塞风的风流组织进行了三维数值模拟，得出了不同状态下各特征子平面上的速度、静压分布，并对巷道内空气流域进行了分区，分析了典型位置上的速度、静压变化趋势，探讨了活塞风形成的力学原因。
(8)阐述了矿井通风系统是一个开放、远离平衡、本质不稳定的系统，从耗散结构形成的三个必要条件出发分析了矿井通风系统稳定性问题，从耗散行为角度描述了矿井通风系统内物质、能量形成“堆积”导致原定态失稳、新耗散结构形成、完成一次非平衡相变的条件和过程，提出了控制矿井通风系统稳定性的具体方法。
【关键词】：金属矿 矿井通风系统 稳定性 数值模拟
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TD724
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2007.197945
【目录】：
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TD724
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2007.197945
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- 摘要4-6
- ABSTRACT6-12
- 第一章 绪论12-28
- 1.1 概述12-13
- 1.2 矿井通风系统稳定性研究综述13-18
- 1.2.1 国外矿井通风系统可靠性研究13-15
- 1.2.2 国内矿井通风系统可靠性研究15-17
- 1.2.3 矿井通风系统稳定性研究综述17-18
- 1.3 计算机在矿井通风系统稳定性研究中的应用18-22
- 1.3.1 国外矿井通风软件研究综述19
- 1.3.2 国内矿井通风软件研究综述19-22
- 1.4 存在的问题22-24
- 1.5 本文研究内容与方法24-25
- 1.6 本章小结25-28
- 第二章 矿井通风系统稳定性影响因素分析28-42
- 2.1 复杂矿井通风系统的特点28-29
- 2.2 矿井通风系统稳定性事故树分析29-35
- 2.2.1 矿井通风系统不稳定性事故树建造30
- 2.2.2 事故树的应用与分析30-35
- 2.3 影响因素的影响范围及程度分析35-40
- 2.3.1 通风系统固有影响因素35-39
- 2.3.2 井下正常作业及灾变39-40
- 2.4 本章小结40-42
- 第三章 矿井通风系统网络解算软件研发42-50
- 3.1 矿井通风系统网络解算软件自主开发的必要性42-43
- 3.2 矿井通风系统网络解算软件开发过程43-49
- 3.2.1 软件概要设计43-44
- 3.2.2 软件详细设计44-47
- 3.2.3 软件编码实现及调试47-49
- 3.3 本章小结49-50
- 第四章 网络解算结果影响因素及可靠性分析50-60
- 4.1 网络解算收敛性影响因素分析50-54
- 4.1.1 给定精度对算法收敛性的影响50-52
- 4.1.2 初始风量对迭代次数的影响52
- 4.1.3 网络复杂程度对迭代次数的影响52-54
- 4.2 矿井通风系统网络解算结果可靠性影响分析54-57
- 4.2.1 网络解算结果误差分析54-55
- 4.2.2 风机工作特性曲线与实际不符对模拟结果可靠性影响55
- 4.2.3 网络结构与实际不符对模拟结果可靠性影响55-56
- 4.2.4 电网波动对模拟结果可靠性影响56-57
- 4.3 网络解算结果可靠性判定与验证57-59
- 4.3.1 测定仪器及精度58
- 4.3.2 主要测定内容58
- 4.3.3 部分测定结果及结果分析58-59
- 4.4 本章小结59-60
- 第五章 矿井通风系统网络参数可调节性研究60-86
- 5.1 凡口铅锌矿矿井通风系统简介60-62
- 5.2 特征分支选择62-63
- 5.2.1 特征分支选择原则62
- 5.2.2 特征分支确定62-63
- 5.3 分支风阻变化对通风系统影响63-71
- 5.3.1 主进风井分支风阻变化对矿井通风系统的影响63-65
- 5.3.2 主回风井分支风阻变化对系统的影响65-67
- 5.3.3 中段进风段分支风阻变化对系统的影响67-69
- 5.3.4 工作面分支风阻变化对系统的影响69-71
- 5.4 特征分支风阻变化对风机等效风压的影响分析71-73
- 5.5 多风机通风系统稳定性影响分析73-84
- 5.5.1 多风机通风系统73-75
- 5.5.2 风机数量对通风子系统稳定性影响75-77
- 5.5.3 矿井风流入口数对通风子系统稳定性影响77-84
- 5.5.4 其它因素对矿井通风子系统稳定性影响84
- 5.6 本章小结84-86
- 第六章 自然风压对矿井通风系统稳定性影响分析86-98
- 6.1 矿井自然风压影响因素及计算方法86-88
- 6.1.1 自然风压影响因素和变化规律分析86-87
- 6.1.2 自然风压计算方法87-88
- 6.2 矿井自然风压测定88-90
- 6.2.1 直接测定法88-89
- 6.2.2 间接测定法89-90
- 6.2.3 凡口铅锌矿自然风压测定结果90
- 6.3 分支风量对自然风压敏感性分析90-93
- 6.3.1 只有自然风压作用下单回路情形91-92
- 6.3.2 机械通风和自然风压联合作用下单回路情形92-93
- 6.4 自然风压对风流状态影响分析93-95
- 6.5 自然风压变化对矿井通风系统稳定性影响分析95-96
- 6.6 本章小结96-98
- 第七章 矿井活塞风模型及对通风系统稳定性影响分析98-115
- 7.1 矿井活塞风98
- 7.2 中段运输设备活塞风计算模型98-106
- 7.2.1 基本假设99-100
- 7.2.2 中段运输设备活塞风模型100-103
- 7.2.3 模型参数确定103-104
- 7.2.4 活塞风影响因素分析104-106
- 7.3 提升系统活塞风计算模型106-111
- 7.4 矿井活塞风对通风系统稳定性影响实例分析111-113
- 7.4.1 矿山基本情况111-112
- 7.4.2 矿井活塞风对通风系统稳定性影响分析和控制112-113
- 7.5 本章小结113-115
- 第八章 运输巷道内活塞风风流组织模拟115-135
- 8.1 主控方程115-116
- 8.2 模型几何及网格划分116-117
- 8.3 边界条件及计算方法117
- 8.4 模拟结果及分析117-133
- 8.4.1 平面速度场分布118-124
- 8.4.2 平面压力场分布124-128
- 8.4.3 典型子平面速度、静压分布128-133
- 8.5 本章小结133-135
- 第九章 矿井通风系统稳定性与耗散结构135-146
- 9.1 耗散结构理论135-136
- 9.2 矿井通风系统耗散条件与稳定性136-140
- 9.2.1 构建开放的矿井通风网络136-137
- 9.2.2 控制系统参量间的非线性作用137-138
- 9.2.3 利用涨落优化和完善矿井通风系统138-140
- 9.3 矿井通风系统耗散行为与稳定性140-142
- 9.4 矿井通风系统稳定性耗散控制142-144
- 9.5 本章小结144-146
- 第十章 结论与建议146-150
- 10.1 本文完成的研究工作及主要结论146-148
- 10.2 本文的主要创新之处148
- 10.3 今后努力方向148-150
- 参考文献150-158
- 附录158-169
- 附录1 主斜坡道地表～+50m分支风阻变化时数值模拟结果158-159
- 附录2 老南风井+50m～地表分支风阻变化时数值模拟结果159-160
- 附录3 老副井地表～0m分支风阻变化时数值模拟结果160-161
- 附录4 东风井-40m入口～地表分支风阻变化时数值模拟结果161-162
- 附录5 新副井地表～-80m分支风阻变化时数值模拟结果162-163
- 附录6 -80m废石井口～地表分支风阻变化时数值模拟结果163-164
- 附录7 新南风井-120m～地表分支风阻变化时数值模拟结果164-165
- 附录8 主井地表～160m分支风阻变化时数值模拟结果165-166
- 附录9 中段进风分支风阻变化时数值模拟结果166-167
- 附录10 通向工作面的分支风阻变化时数值模拟结果167-168
- 附录11 用于深部通风的风机4所在的分支时数值模拟结果168-169
- 致谢169-170
- 攻读学位期间公开发表的论文170-171
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