矿井通风稳定性影响因素浅析

孙广福,张亚文

(七台河精煤矿业集团新建煤矿)

矿井通风稳定性影响因素浅析

孙广福①,张亚文

(七台河精煤矿业集团新建煤矿)

通风系统是一个复杂的、动态的系统,它的稳定受众多因素影响,对保证矿井安全生产和防治灾害发挥着关键的作用。分析了通风系统的特点、风流流动规律以及影响风流流动的因素,研究了巷道中阻力变化对风流稳定性的影响,并以巷道运输设备对风流影响为例进行数值模拟。通过实例分析,对研究矿井通风的影响因素及其稳定性具有重要的现实意义。

矿井;通风系统;风流;数值模拟;稳定性;影响因素;分析

矿井通风系统的任务是,向井下各用风地点提供足够的新鲜空气,稀释并排除瓦斯等各种有害物质,给井下工人创造良好的工作环境;发生事故时,有效地控制风流方向和大小,与其他措施相结合,防止灾害的扩大,进而达到消灭事故的目的。可见通风系统的稳定性对矿井实现安全生产和安全管理影响深远,所以分析和掌握矿井风流影响因素及流动规律,对于控制风流以达到预期的通风效果具有重要的现实意义。

1 矿井通风系统的特点

1)复杂性。矿井通风系统是受诸多因素影响的一个复杂系统。就大型矿井而言,网络分支多者在600条以上,网络节点也可在500个以上,分支数占总分支数的34.6%～98.9%,全矿巷道长50～200 km,通风设施数目可达上百个,用风地点一般也有15～40个。

2)动态性。矿井通风系统结构随着煤矿生产的进行而不断地发生变化,采掘工作面不断推进、接替,采区的准备、投产、结束与接替,矿井开拓延伸等工程的不断进展,使通风系统在网络结构上随时发生变化而且各种参数的变化是随机的。可见通风系统是一个动态的随机的系统。

2 影响矿井通风系统稳定性的因素

矿井通风系统是一个复杂的、随机的、非稳定的动态系统。影响通风系统稳定性因素很多,主要表现为通风动力装置、通风网络结构和自然风压等。

1)通风机动力变化。矿井风网内主要通风机、辅助通风机数量和性能的变化,不仅会引起风机所在巷道的风量变化,而且会使风网内其他分支风量也发生变化,并影响风网内其他风机的工况点。而在其他通风部分改动困难、不经济或改动无法满足需要时,由于局部通风机在通风网络的某个分支上加上了一定的动力,可明显改变网络中风流的分布状况,使矿井通风系统保持稳定。

2)通风网络结构。空气流过的井巷就组成了矿井通风系统的通风网络,而矿井通风网络图是矿井通风网络分析的重要依据,由点的集合和分支的集合所组成。由于通风巷道的年久老化和失修,尤其是个别地段的地压作用,致使风道断面发生严重缩小、变形,因而导致矿井回风系统阻力增大、矿井供风不足、通风能耗增加,而不得不进行大规模的通风系统改造。

3)矿井自然风压。由于进回风侧空气柱的密度不同造成重力差,形成了矿井自然风压。一般情况下,在夏天,自然风压为负,不利于矿井通风;在冬天,自然风压为正,有利于矿井通风。矿井通风系统风流不稳定一般是指井巷中风流质或量发生变化,且其变化幅度超过了允许范围,风流的不稳定现象可分为正常生产时期与灾变时期的不稳定现象。正常生产时期风流的不稳定现象,按其产生原因,又可以分为由于通风动力工作不稳定和由于通风网络引起的不稳定现象。

3 通风风流稳定性判别

当网络中某条风路的风阻值R有增量△Ri时,它对网络中其他风路ej的风量值Qj产生的影响fj满足:

fj的大小就反映了风路ej的风流稳定程度。

令:式中:Qj为网络无风阻变化时,第j条风路的风量值;Qj′为网络有风阻变化时,风阻变化后第j条风路的风量值;fj为在第i条风路的风阻变化时,第j条风路的风流稳定程度系数;n为网络中的分支数。

由公式(2)可以看出,当fj=1时,风路ej的风流稳定程度最好,但只要用风地点的风量不超过允许的范围,相对应的fj也有一个允许区间,只要风量变化时fj落在允许的区间内,ej的风流稳定程度也可以认为比较好,反之就比较差;当fj出现负值时,该风路的风流变为反向,说明该风路稳定程度最差。

4 风阻变化对风流稳定的影响分析

风阻对风流的影响主要是由于阻力引起,而阻力主要受巷道断面、行车和堆积物等影响,但风路的风阻始终满足风阻、风量和风压之间的关系,即:

当风路的风阻Ri发生变化时,其风压Hi与风量Qi也相应地发生变化。对公式(3)微分:

巷道模拟模型示意图见图1。

图1 巷道模拟模型示意图

图1中的1表示运输设备;2为巷道。运输设备1以一定的速度在巷道2中运行,运行方向与通风风流方向相反。根据要分析的对象,具体模拟运输设备周围的速度场和压力场,结果见图2,图3。

式中:

由公式(4)可知:当风阻Ri变化时,其风压Hi、风量Qi均发生变化。

为了分析风阻对风流稳定性的影响,以巷道中行车对风流稳定性影响为例进行数值实验。并假设边界条件:通风气流为不可压缩流体,可忽略由流体黏性力做功所引起的耗散热,流体的紊流黏性具有各向同性,同时假设流动为稳态紊流。

由模拟结果可知:运输设备在巷道中行驶时,对周围的风流造成很大影响,运输设备无形增加了巷道中的阻力,阻力变化导致风流不稳定。图2反映了风流速度场的分布情况,在距离运输设备较近位置,风流分布变得很不规则,且离运输设备越近,风流速度减弱,在运输设备前后形成低速区,这是阻力在巷道中影响风流稳定性的一种体现。图3反映了运输设备运动时,压力场发生了变化,在运输设备前方形成一个正压区,后方形成一个负压区,当运输设备运行速度越大时,前后的压差很明显,导致在负压产生卷吸作用,引起了风流的不稳定性。

5 结 语

矿井通风系统是一个复杂的、随机的、非稳定的动态系统,文中对风流流动规律以及影响风流流动的因素进行研究,并以巷道运输设备对风流影响为例进行数值模拟。通过模拟研究得出,距离运输设备较近位置,风流分布变得很不规则,离运输设备较近时,风流速度减弱,在运输设备前后形成低速区,压力也发生显著变化,甚至出现卷吸区域。这些都是阻力在巷道中影响风流稳定性的一种体现,对研究矿井通风系统的影响因素及其稳定性有重要的现实意义。

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Principle and Application of Hydraulic Fracturing Technique in Seam Water Injection

Jiang Ming-xing

Technology of hydraulic fracturing of coal body is the new-type technology that different from traditional coal body water flooding and soften technology.It has changed the past flooding water and softened technology,characteristic of the long hole,low-voltage,the stationary flow,utilize high-pressure cut had of water,press the characteristic of splitting,destroy coal body to split to press,reduce coal body hardness,the performance that may blast down the roof,improve coal recovery.

Coal body;Hydraulic fracturing;Rate of cutting coal

book=4,ebook=128

TD725

B

1672-0652(2010)04-0038-02

2010-03-17

孙广福 男 1975年出生 1997年毕业于中国矿业大学 工程师 七台河 154600