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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

王从陆  
【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。


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