通风结构（通用8篇）
通风结构 篇1
新时期国家宏观调控下, 煤炭业开始采取多项安全技术方案, 矿井通风控制则是比较重要的内容之一。基于信息科技的快速发展, 煤矿井通风系统逐渐朝着智能化方向发展, 设计新型通风模式有助于解决传统通风的缺陷, 保持矿井内空气流通的稳定性。
一、工程概述
本次选择的工程案例为“霍尔辛赫矿井”, 霍尔辛赫矿井行政区划隶属于山西省长治市长子县, 井田位于沁水煤田, 设计生产能力为3.0Mt/a。霍尔辛赫井田位于山西省长治市西, 长子县东侧;东至何村、郭村、上霍村一线;南至交里;西至两水村、乔坡底村一线;北至小京村[1]。行政区划属长子县丹朱镇、宋村乡、南漳镇、大堡头镇所辖。由于此项目涉及范围较广, 现场采煤必须配备高性能通风系统以维持井内空气的流通性, 企业开始设计更加多功能的通风方式。
二、通风智能化改造的应用特点
新时期煤炭产业技术有了很大的发展, 以计算机网络为虚拟空间的传输平台越来越普遍, 利用好这一网络平台是矿井系统改造的重要措施。针对早期通风系统存在的种种缺陷, 矿井通风采用了更加高端的技术成果, 以智能控制为主控中心调度通风设施。其应用特点:
1、自动性。
计算机是通风信号对接的主要平台, 用于矿井通风设施及其主控设备信号的传输控制, 为用户提供最可靠的数据指导路径。过去计算机硬件装置的性能有限, 使用了单一式的矿井通风系统, 这种模式不仅承载的数据流量小, 且处理数据的流通效率偏低。智能通风采用多功能计算机, 其在电路连接形式方面被进一步优化, 集成电视解决了单一信号传输的不足, 使大型矿区通风有了可靠的传输平台。
2、安全性。
煤矿井通风系统关系着井内人员、设施的安全, 设计智能通风模式可降低外在因素造成的危害, 加快高效率通风装备的改造应用。作为新一代互联网运行模式, 智能通风在功能设计上达到了创新层次, 无论是通风内控结构或外部功能, 均实现了信息化控制流程的转变, 适用于大规模煤矿生产区调度控制[2]。例如, 远程网络应用于通风改造, 建立了综合安防控制中心, 以免人工操作失误引起的火灾事故。
3、效率性。
智能化设计是在传统采煤网基础上开辟的新模式, 注重煤矿井内通风改造是行业改革的必然趋势。矿井系统信息化建设阶段以计算机为主控体系, 借助虚拟网络平台对煤矿通风执行全面性的调控, 这就要求煤炭企业做好信息系统设计的改良处理。智能技术是在自动控制模式基础上, 将人工智能、人机一体化等用于现场操作, 对矿井内空气流通状况进行调度, 创建了安全可靠的作业平台。
三、智能矿井通风系统结构的设计
基于信息科技指导下, 为煤矿井设计智能化通风系统, 降低了过去手动作业的控制难题, 扩大了井内空气流通的空间范围。本次根据霍尔辛赫矿井实况, 提出智能矿井通风的具体对策。
1、设计原理
通风系统主要是对井内空气流通进行调控, 保持矿井内空气各项浓度指标处于正常状态。从硬件结构开口, 智能通风系统的硬件包括:风机控制、CO传感器、交通状态检测、火灾报警控制和TC控制。通风系统的工作原理如下:中心计算机和TC收集CO检测器、交通状态检测和火灾报警器的数据, 以自动接通、关闭不同位置和不同等级的风机[3]。智能通风系统的中心计算机和TC建立联用模式, 实时收集并分析来自隧道的数据, 当数据达到报警级别时, 本系统根据报警级别接通风机。
2、智能设计方法
煤矿井智能设计以科学技术为支撑, 选用不同模式的通风路径, 对井内空气执行自动化调控模式。由于煤矿井之间在规模、存储量、井深等方面有明显的差异, 所设计的智能通风方式也要根据情况而定。本次智能设计方案以具体情况为准, 按进回风巷在井田位置不同, 通风系统分为中央式、对角式、分区式和混合式。
(1) 中央式。进、回风井均位于井田中央, 适用于大范围井内通风操作应用, 对解决空气流通问题有着优异的效果。智能系统设计中, 要根据进、回风井沿倾斜方向相对位置不同, 选定相配套的通风方案。例如, 霍尔辛赫矿井把中央式通风进一步独立后设计, 又分为中央并列式和中央边界式。
(2) 对角式。进、回风分别位于井田的两翼, 对角式设计可以充分利用井内空间, 使通风设施应用空间最大化。两翼对角式:进风井位于井田中央, 回风井位于井田两翼 (沿倾斜方向的浅部) , 称为两翼对角式, 进、回风分别位于井田的两翼称为单翼对角式。分区对角式:进风井位于井田走向的中央, 在各采区开掘一个不深的小回风井, 无总回风巷。
(3) 分区式。在井田的每一个生产区域开凿进、回风井, 分别构成独立的通风系统。霍尔辛赫矿井智能通风系统中, 配备了专用通风机设备、大功率电机, 对井内空气流通执行自动化控制, 全面提升了矿井通风的质量水平。例如, 本次智能设计采用了FBCDZ-10-NO34型轴流式通风机2台;800k W电动机, 最大排风量18600m3/min;这些设备均由计算机连接且控制, 分区通风操作的效果十分理想。
(4) 混合式。对于巷道贯通、改变盘区通风系统、影响采掘工作面正常生产等大型调改风, 必须停止盘区内的一切作业。每次调改风必须对整个盘区通风系统进行一次全面测定, 测定结果报矿总工程师、通风部及有关单位[4]。根据井内通风测定的结果, 改造出了混合式通风系统, 主要由上述诸种方式混合组成, 经过智能化改造处理以强化通风功能。例如, 中央分列与两翼对角混合式, 中央并列与两翼对角混合式等。
四、井下调改风工作的几个要点
设计智能通风系统之后, 矿井工作人员要注意井下调改风操作, 保证通风设施功能的最优化运行。结合笔者的工作经验, 井下调改风工作的要点:一是井下调改风工作必须有专门的措施。巷道贯通、通风系统调整、初采初放、过地质构造、工作面缩短延长等特殊工作 (环节) 必须制定相应的《通风安全技术措施》, 并且必须有通风部门干部现场跟班协调指挥;二是通风部必须按季度绘制通风系统图, 并按月补充修改, 矿井通风系统图必须标明巷道的风流、风向、风量及通风设施。
结论:注重生产流程中的安全操作与控制规划, 不仅提升了整个矿区采掘的作业效率, 也可有效抑制意外事故对人员及设备的破坏力。设计智能通风系统可解决井内通风的难题, 帮助煤矿井建立最优化通风座椅模式。此外, 为了保持智能通风的持续运行, 通风部每三年进行一次通风阻力测定, 每五年进行一次通风机性能测试, 新安装的主要通风机投运前必须进行性能测试工作。
摘要：近年来国内煤炭资源消耗量不断增加, 原有采煤生产供应已经无法满足市场的需求, 煤炭企业扩大矿井开采规模是必然的趋势。大规模采煤在产量指标方面有了明显改进, 但现场采掘作业面临的问题更加严重, 通风系统功能缺失往往引起了诸多的危险性事故。本次结合霍尔辛赫矿井实况, 分析了智能通风系统的应用特点, 对矿井通风系统的智能化设计方式展开综合研究。
关键词：矿井通风,智能化,特点,设计措施
参考文献
[1]周世军.新时期煤炭产业信息化发展趋势与技术对策[J].河北经济研究, 2011, 13 (12) :43-45.
[2]张燕.智能控制技术应用于煤矿通风系统改造方案设计[J].科技与经济发展, 2010, 18 (6) :23-25.
[3]王雪萍.煤矿区智能通风系统常见类型与设计要点控制[J].煤炭学报, 2009, 22 (10) :5-7.
[4]陈兴兴.计算机控制平台辅助煤矿井CO传感器通风操作研究[J].煤矿开采, 2012, 17 (5) :43-44.
通风结构 篇2
【关键词】通风安全；基础材料；测风；风压
Mine ventilation safety evaluation of the maintenance and operation of the ventilation system
Bian Feng
（Schenck （Tianjin） Industrial Technology Co.， Ltd Tianjin 300385）
【Abstract】Mine is a high-risk industry， in the coal mine production safety evaluation is extremely important. Firstly， a more detailed description of the safety evaluation of mine ventilation， mine ventilation and the factors that cause safety problems were analyzed， and finally how to do Ventilation Safety presented the author's own views.
【Key words】Ventilation and safety；Basic material；Wind；Wind pressure
安全评价是指运用定量或定性的方法，对建设项目或生产经营单位存在的职业危险因素和有害因素进行识别、分析和评估，以此判断工程和系统发生事故和职业危害的可能性及其严重程度，提出安全对策及建议，制定防范措施和管理决策的过程。我国的煤炭工业在国民经济发展中具有重要的基础地位，为了保证煤矿矿井建设和生产过程的安全，安全评价在煤矿企业中显得极为重要，通过对煤矿生产系统潜在危险进行相关评价，找出事故原因，建立煤矿企业安全生产环境。本文旨在介绍煤矿安全通风评价的基础上，探讨如何确保煤矿的安全通风。
1. 煤矿通风安全评价
1.1 对矿井通风系统的评价。
煤矿通风系统要以保障煤矿井下各用风地点风流稳定为出发点。煤矿的通风系统分为中央并列式、对角式、分区式等。要根据通风系统的特点，识别留设煤柱或岩柱是否满足该矿通风系统的要求；判别各种通风设施如风门、风窗、风桥、密闭是否符合要求，矿井负压是否符合要求；矿井的风机、反风设施是否符合要求。判别煤矿通风系统中存在的角联部位，特别是煤矿多水平生产，多井口进风的角联，分析、保障角联井巷中通风稳定的措施。合理的采（盘）区通风系统是保障采掘各用风地点实现独立通风、通风稳定的条件。如采区进、回风巷必须贯穿整个采（盘）区，高瓦斯、或有煤与瓦斯突出矿井的采区，开采容易自燃的煤层，必须设置专用回风巷。低瓦斯开采煤层群，分层开采采用联合布置的采（盘）区必须设置专用回风巷。回采工作面的通风系统有上行、下行通风之别，由于煤矿瓦斯密度较空气轻，上行通风风流与瓦斯自然流动状态一致，便于带走瓦斯。因此《煤矿安全规程》规定大于12°的煤层必须采用上行通风，如要采用下行通风，工作面的风速必须大于1m/s。煤矿总回风巷的瓦斯及二氧化碳是煤矿通风各使用点通风稳定晴雨表，要通过煤矿一定时期总回风巷瓦斯测定记录，总回风巷瓦斯及二氧化碳浓度稳定或者变化，来判定通风系统中是否存在问题。
1.2 对矿井通风管理评价。
对矿井的通风管理评价，需要建立并且完善通风管理制度、日常管理机制和反风演习制度，这些不仅是进行通风管理评价的保证，而且也是保持煤矿通风稳定的根本措施。对煤矿通风管理进行评价，可以及时发现影响矿井通风安全的因素，了解各个通风地点对通风系统的影响作用，为不断改善通风系统提供可靠的依据。
1.3 对煤矿通风基础材料的评价。
煤矿比较容易出现瓦斯和氧化物质。煤矿通风的基础材料包括对瓦斯、氧化物浓度检测以及煤层自然发火性和爆炸性的检测结果。根据我国有关的法律规定，矿井每年都要对瓦斯、氧化物浓度进行鉴定，具体包括二者的涌出量和绝对涌出量，再经有关部门审核、批准，在煤矿管理机构备案。同时我国法律对自然发火性和爆炸性也做出了相应的规定。
1.4 对煤矿测风的评价。
（1）煤矿测风工作是通风管理的一项日常工作。测风数据一方面必须真实、准确，同时测风地点要全面，能反映出通风的状况。测风地点应包括进、回风井，主要进风巷、回风巷，采（盘）区进、回风巷，采掘用风点进、回风巷；可能漏风区域如：风门、风桥、密闭等；低风速区域：掘进工作面，回采工作面上隔角，角联巷道等。
（2）根据矿井测风数据，计算矿井各用风地点的风流风速。煤矿井下风流状态要求为层流，紊流可将井下有害气体如瓦斯、二氧化碳等有害气体随风流带走，紊流状态要求井巷中的风流风速必须大于《规程》规定的最小风速。同时由于巷道风速低的特点，低风速区域也是瓦斯容易积聚的地方，是管理重点。井巷风流风速过大，容易造成煤尘（粉尘）的飞扬，必须低于《规程》规定的最高风速。根据《规程》163条的规定，通过计算评价各用风地点的风量是否满足需要。漏风是矿井的必然现象，通过测风，要计算矿井外部漏风、内部漏风。内部漏风又分直接进回风间的漏风和漏到采空区的漏风。外部漏风，直接进回风间漏风影响矿井的通风效率，而漏入采区的风量，对于开采有自燃发火性煤层的矿井将是严重的自燃发火隐患。
1.5 评价结论的阐述。
根据上述内容进行评价、计算、判断，对下述问题作出结论：（1）影响矿井通风的矿井灾害因素。（2）井下各用风地点对保障矿井通风系统的影响因素。（3）矿井开拓开采对矿井通风的影响因素。（4）说明矿井低风速区域、高风速区域。（5）对矿井漏风地点、大小、危害性质作出说明。（6）矿井自然风压对矿井通风影响程度。
2. 煤造成煤矿通风安全问题的因素分析
2.1 煤矿系统还不完善。
通风系统不完善指的是通风方法和方式不符合煤矿的实际生产情况。通风系统混乱会直接影响系统风量不足，导致采掘面处于微风甚至是无风的状态下，瓦斯积聚增多，达到爆炸的浓度。
2.2 煤矿通风设施不安全、不可靠。
从已经发生的煤矿事故可以得出，很多煤矿企业的通风设备存在一定的问题，有的甚至还会出现漏风的现象，这样使得矿井环境处于微风的状态下，很容易使瓦斯积聚，甚至会发生爆炸。例如：山西大同发生的瓦斯爆炸事故的主要原因就是由于煤矿的通风设施不可靠，使设施破坏，出现严重的漏风现象，最终导致悲剧的发生。
2.3 煤矿安全管理秩序混乱。
有些煤矿事故是由局部通风不合理造成的，有时安装多个通风设施时运用串联的方式，串联的风机和出风口没有密封的装置，也没有负压风机协助工作，这样并没有把地面上的新鲜空气送到地下，只是产生大量的循环风。所以，矿井产生的大量有害气体没有被排出，在矿井内积聚，严重时会导致人中毒死亡。
2.4 盲巷管理不严格。
煤矿企业对盲巷的管理不按照一定的规章制度进行管理，很容易发生煤矿事故。对于盲巷工作区域没有进行封闭工作，工作人员可能会违章误入，导致死亡。对于需要修复的盲巷，更应该引起重视，及时发现问题，及时处理，防止密闭瓦斯的渗入，留下爆炸的安全隐患。
3. 做好通风安全的措施
3.1 煤矿企业应该把自身的实际情况作为出发点，制定出一套合理的、科学的通风系统方案。
3.2 矿井都是在变化的，根据变化对通风系统加以改进，从而保证矿井的作业安全。对通风系统的改善要坚持以控制通风的稳定性为前提，避免不合理串联通风的出现，从而使煤矿生产得到一定的保障。
3.3 在注重通风管理方面的问题时，还要加强监控管理，不断提高矿井装备的水平，避免出现瓦斯超限工作，甚至发生爆炸。矿井企业要安排专业的瓦斯检测人，对矿井下的瓦斯随时进行检测，及时发现问题并采取有效的措施去处理。每周或者是每个月都要对全体职工的安全技术进行培训工作，提高全体人员的素质和安全意识，不断完善矿井安全制度。
4. 煤矿通风系统的运行与维护
4.1 一般规定。
（1）入井空气温度及采掘工作面、机电硐室温度符合规定；（2）井巷风速及采掘工作面风量配备符合规定；（3）有害气体浓度符合规定；（4）专用回风巷、专用排瓦斯巷、总回风巷及采区进回风巷管理符合规定；（5）矿井、水平、采区、采掘工作面及主要硐室通风符合规定；（6）采掘工作面通风方式符合规定；串联通风符合规定。
4.2 运行管理。
4.2.1 矿井主要通风机的运行管理。
（1）主要通风机安装及漏风率符合规定。（2）主要通风机台数、能力及配套电机符合规定，必须保证连续运转。（3）防爆门至少每6个月检查维修1次。（4）主要通风机至少每月检查1次。（5）主要通风机定期进行性能测定。（6）每季度检查1次反风设施，反风演习符合规定。（7）主要通风机专职司机培训、操作符合规定。
4.2.2 矿井通风设施管理。
（1）进回风井之间及主要进回风巷之间的每个联络巷中，必须砌筑永久性挡风墙；需要使用的联络巷，必须安设2道联锁的正向风门和反向风门。（2）采空区必须及时封闭。必须随着采煤工作面的推进逐个封闭通至采空区的连通巷道。采区开采结束45天内，必须在所有与采区相连通的巷道中设置防火墙，封闭采空区。（3）不应在倾斜的运输巷中设置风门；如果必须设置，应设置自动风门或设专人管理，并有防止矿车或风门碰撞人员以及矿车碰坏风门的措施。
4.2.3 矿井通风系统的调整。
（1）改变全矿井通风系统时，必须编制通风设计及安全措施，由企业技术负责人审批。（2）巷道贯通必须符合108条规定。（3）改变主要通风机转数及叶片安装角度时，必须经矿技术负责人审批。（4）建立定期测风制度，及时根据需要调整工作面风量。
4.3 矿井通风系统的改造与优化。
4.3.1 及时调查掌握通风系统现状。
（1）进行主要通风机装置的性能测定，了解主要通风机的性能。要求测定风机内部和各种间隙，检查叶片、导叶的安装角度以及风硐中风流控制设施的严密程度，查看风硐和扩散器的结构、断面、转弯和扩散器出口风流的速度分布；测定电机的负荷率。（2）预测待采地区的瓦斯涌出量和地温变化。（3）对矿井最大通风阻力路线进行测定，了解其阻力分布和阻力超常区段，为降低阻力提供依据；对主要分支的风阻值以及典型巷道的阻力系数进行测算，为网络解算提供数据。
4.3.2 分析评价通风系统现状。
核算矿井的通风能力：主要通风机装置通风能力核定，井巷通过能力核定，矿井最大阻力路线的阻力分布，矿井生产布局分析评价，是否存在集中生产，矿井抽采系统能力的分析评价，提高抽采效果。
4.3.3 方案拟定。
拟定原则：立足现状，着眼长远，因地制宜，对症下药，投资少，见效快，既要保证安全生产，又要增风节能。
（1）先考虑现系统的维护与优化，再考虑改造，新开掘巷道、开新井和设备更新。（2）注意采取新措施。（3）降低最大阻力路线上的通风阻力，提高主要通风机的综合效率。（4）对多主要通风机系统进行综合考虑，充分发挥各个系统能力。（5）多方案优选。
4.3.4 主要措施。
（1）改变通风网络。适当开掘新巷道，增加并联风路，封闭旧的串联风路。（2）开掘新风井，改变通风系统。（3）调整和改善通风系统。（4）改造通风网络，降低通风阻力。
5. 结束语
对于煤矿企业来说，做好煤矿通风评价是必不可少的工作程序，这样较科学的判别出在煤矿通风工作中存在的问题，这样我们才能对症下药，找到问题的根本，提出相应的解决措施和防范措施。
参考文献
[1] 国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[S].2005.
[2] 国家安全生产监督管理局.安全评价.北京：煤炭工业出版社，2005.
[3] 崔刚，陈开岩.矿井通风系统安全可靠性综合评价方法探讨[J].煤炭科学技术，1999.
[4] 刘立平，林登发，何朝远.矿井瓦斯爆炸危险性定量分析[J].重庆大学学报，2001.
矿井通风网络结构可靠性的研究 篇3
矿井通风系统是由纵横交错的井巷构成一个复杂的系统。用图论的方法对通风系统进行抽象描述, 把通风系统变成一个由线、点及其属性组成的系统, 称为通风网络。通风网络的基本形式分为:串联风路, 并联风网, 角联风网, 矿井复杂风网都由此三种基本形式组成。
2 通风网络的基本形式及特性
矿井空气在井巷中流动时, 风流分岔、汇合线路的结构形式, 称为通风网路。用直观的几何图形来表示通风网路就得到通风网路图。通风网路可以分为复杂通风网路和简单通风网路两种。简单通风网路是仅由串联和并联组成的网路。含有角联分支, 通常是包含多条角联分支的网路, 称为复杂通风网路。通风网路中各风路的风量是按各自风阻的大小自然分配的。串联、并联和角联是三种通风网路中各分支的基本联接形式, 不同的联接形式具有不同的通风特点和安全性能。
2.1 串联通风及其特性
两条或两条以上风路彼此首尾相连在一起, 中间没有风流分合点时的通风, 称为串联通风。串联通风也称为“一条龙”通风, 其特性如下 (图1) :风量相等Q1=Q2=Q3=Q4=Q5;风阻相加R=R1+R2+R3+R4+R5;阻力相加h=h1+h2+h3+h4+h5。
2.2 并联通风及其特性
两条或两条以上的分支在某一节点分开后, 又在另一节点汇合, 其间无交叉分支时的通风, 称为并联通风。并联网路的特性如下 (图2) :风量相加Q=Q1+Q2+Q3+Q4;阻力相等h=h1=h2=h3=h4;风阻小于任意分支之风阻:
上述关系式表明:当并联网路的总风量一定时, 并联网路的某分支所分配得到的风量取决于并联网路总风阻与该分支风阻之比。风阻大的分支自然流入的风量小, 风阻小的分支自然流入的风量大。
2.3 角联通风及其特性
在两条并联巷道中间有一条联络巷道, 使一侧巷道与另一侧巷道彼此相联所构成的网路。起联结作用的巷道称对角巷道, 其余为边缘巷道。对角巷道风流方向不稳定, 它受边缘巷道风阻影响, 应注意避免可能出现的无风和反风现象。角联网路的特性如下 (图3) :角联分支ab的风流方向不稳定, 当ab分支无风流流动时R1/R2=R3/R4;当ab分支风流为b向a时, R1/R2>R3/R4;当ab分支风流为a向b时, R1/R2
3 矿井通风网络稳定性分析
3.1 矿井通风系统的稳定性分析
影响矿井安全生产的诸多因素决定了矿井通风系统。根据相关因素把矿井通风系统划分为不同类型。根据瓦斯、煤层自燃和高温等影响矿井生产安全的主要因素对矿井通风系统的要求, 为了便于管理、设计和检查, 把矿井通风系统分为一般型、降温型、防火型、排放瓦斯型、防火及降温型、排放瓦斯及降温型、排放瓦斯及防火型、排放瓦斯与防火及降温型几种, 依次为1~8这八个等级。矿井通风方式有串联通风和并连通风两种。
矿井通风方法以风流获得的动力来源不同, 可分为自然通风和机械通风两种。1) 自然通风:利用自然气压产生的通风动力, 致使空气在井下巷道流动的通风方法叫做自然通风。自然风压一般都比较小, 且不稳定, 所以《煤矿安全规程》规定:每一矿井都必须采用机械通风;2) 机械通风:利用扇风机运转产生的通风动力, 致使空气在井下巷道流动的通风方法叫做机械通风。采用机械通风的矿井, 自然风压也是始终存在的, 并在各个时期内影响着矿井的通风工作, 在通风管理工作中应给予充分重视, 特别是高瓦斯矿井尤应注意。
3.2 影响风流稳定性的因素
仅由串、并联组成的风网, 其稳定性强;角联风网, 其对角分支的风流易出现不稳定;在角联风网中, 边缘分支的风阻变化可能引起角联分支风流改变;在实际生产矿井, 大多数采掘工作面都是在角联分支中。应采取安装调风设施的措施, 保证风流的稳定性。
矿井风网内主要通风机、辅助通风机数量和性能的变化, 不仅会使风网内其他分支风量也发生变化, 而且会引起风机所在巷道的风量变化, 并影响风网内其他风机的工况点。具体如下:1) 单主要通风机风网, 当主要通风机性能发生变化时, 风网内各分支风量按主要通风机风量变化的趋势和比率而变化;2) 多主要通风机风网内, 即使分支风阻和风网结构不变, 当某主要通风机性能发生变化时, 由于各主要通风机风量配置和风网总风量发生了变化, 因此, 各主要通风机的风网总风阻与工作风阻也有所变化。
4 结论
矿井通风系统是否稳定与煤矿企业的经济效益有着密切的联系, 同样, 稳定的通风系统也决定着矿井的抗灾能力的高低。影响矿井的通风系统稳定性的因素有很多, 如上文所述, 通风系统的安装、通风方法的选择, 有无瓦斯巡检系统, 都会对通风系统的稳定性产生重大的影响。
现代煤矿矿井的通风系统应当具备通风系统简单有效, 阻力分布合理的特点, 不论是在矿井的设计阶段还是投入生产的阶段, 都必须尽可能的保证通风系统的稳定性, 从而达到煤矿矿井安全生产的最终目的。
摘要：矿井通风系统是实现矿井有效通风的前提条件, 矿井通风系统可靠性的分析研究对确保矿井安全生产, 实现煤炭工业可持续发展尤为重要。本文确定了影响其可靠性的自然因素及通风安全管理因素, 在此基础上, 建立了符合实际的可靠性评价指标体系。
关键词：矿井通风系统,可靠性,网络
参考文献
[1]辛兵.矿井通风系统改造[J].同煤科技, 2010 (3) .
[2]景国勋, 姚嵘, 张甫仁.矿井通风系统合理性的灰色综合评判[J].中国安全科学学报, 2001 (8) .
[3]薛河.矿井局部通风系统可靠性定额的确定[J].煤炭工程师, 1996 (5) .
通风结构 篇4
关键词：通风；可视化仿真；通风系统；优化
中图分类号：TD724 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）24-0061-02
1 问题的提出
平煤股份一矿位于平顶山煤田中部，市中心以北3 km，主采丁组和戊组煤层。目前矿井通风系统是由三个水平、六个进风井、三个回风井、400多条分支、三组主要通风机和众多通风构筑物构成的非常复杂的通风系统。由于巷道关联关系复杂，通风路线长，通风网络复杂导致矿井抗灾能力不高，因此我们有必要开发一矿通风可视化仿真系统，利用该系统对通风系统现状进行网络解算和仿真分析，分析通风系统存在的问题和不足，为下一步通风系统优化与改造提供依据，以保证矿井通风系统处于良好的运行状态，达到通风系统合理、抗灾、高效和节能的通风效果，为矿井高产高效创造出有力的先决条件。
2 主要研究内容与技术路线
2.1 研究内容
①基于插件机制改进的通风可视化仿真系统的开放式框架研究及仿真系统插件机制研究。
②适合通风仿真系统可视化开发需要的基础GIS组件研究与开发。
③通风网络拓扑关系自动建立与维护，通风网络通路的新算法研究。
④基于复合分支的通风网络简化和参数等效变换的通风网络解算改进研究。
⑤利用通风三维可视化仿真技术分析矿井通风系统存在的不足与问题，研究制定出通风系统的优化方案。
2.2 技术路线
基于微软最新的开发平台VS2012、GDI+、计算机图形学，借鉴软件工程的思想和GIS理论、安全专业的研究成果，对矿井通风仿真可视化的问题进行理论研究和整体框架设计，综合运用相关基础理论，进行通风仿真系统的可视化研究，完成课题中各项研究内容。
采用理论分析与实证研究相结合的方法。除了对构建矿井通风仿真的可视化理论研究与分析和基于GIS、NET实现矿井通风可视化仿真系统外，还将采用具体实例对矿井通风可视化仿真系统的运行效果进行验证。
3 通风仿真可视化系统主要功能的实现
3.1 通风网络拓扑关系自动创建研究与实现
拓扑关系是矿井进行通风网络解算、风量调节和优化的基础，拓扑关系的自动建立则简化了矿井通风网络的解算，减少了工作量，提高了工作效率和准确性。我们对通风网络拓扑理论和应用进行了分析与研究，提出了假拓扑通风网络和真拓扑通风网络的概念，并给出了假拓扑通风网络、真拓扑通风网络的自动生成思路，指出基于真拓扑通风网络可以自动生成通风网络图，并利用拓扑理论解释了风网解算后出现反向分支的原因，对通风网络拓扑的认识又深入了一步。
3.2 通路算法研究与实现
通路在通风网络中有着广泛的用途，通路矩阵法只适合无单向回路的通风网络，并且当网络较大时，矩阵法占用内存较大，计算效率低，于是我们提出一种确定通风网络任意两节点间所有通路的“通路树深度优先生长”法（PTDFG）。当通风网络较小和较大时都能保证较高的效率，该法既适用于有单向回路时的通风网络，也适用于无单向回路的情况，而且运算效率要比矩阵算法高。该方法适合单源单汇型网络，通过加虚分支和虚节点也适用于多源多汇型网络通路确定的解决方案。
3.3 基于参数等效变换的通风网络解算改进研究
通风网络解算是矿井通风可视化仿真系统的基础，根据子网中的分支关系，将能够进行参数等效变换的子网划分为两种类型，即并联和串联。网络简化具有层次性，比如分支1与分支2串联后又与分支3并联；一个较复杂的子网被简化成一条复合分支后又与其他的分支形成串联或并联关系。这样逐层进行简化，直到不能再简化为止，简化过程具有递归的思想，故完全可以用递归函数来实现。简化的原则是简化后的网络结构必须体现出原通风系统的结构特点——不失真。
3.4 固定宽度双线图及立体图的快速自动生成研究与实现
用双线表示矿井通风系统的巷道虽然易于区分巷道间的层位关系，但是随着图形的缩放，双线间的距离变大变小，图形缩放到一定程度时，会无法看清巷道双线之间的连接关系，而且手工绘制双线图工量大。我们在深入研究通风网络巷道连接关系的基础上，提出并实现用固定宽度单线表示巷道，自动架桥法和“双线”法正确区分单线井巷空间层位关系的新方法。“双线”法无需计算双线坐标来快速实现通风系统双线图自动绘制。自动生成的双线图可以正确反映巷道间的层位关系，并且可以在双线图基础上自动生成通风系统立体图。
3.5 通风网络图的自动生成研究与实现
网络图的整体方向指的是大部分分支的方向，通风网络图中分支形状可分为两种，一是直线，二是圆弧。若为直线时，可由始末节点确定分支的位置；若为圆弧时，还应根据曲率角度（即圆弧的弦的中点与始节点所组成的线段与弦之间的夹角）来确定圆弧上的另一点坐标。同时还可根据用户的需要使生成图的交叉点少。分支用样条曲线表示，调整和优化起来自由度更大。采用和上面类似的思路，能量高的节点在能量低的节点下面，节点与节点间竖直和水平方向都保持一定的距离，样条曲线上的点可以任意位移，总的目标是分支与分支间交点较少。
4 通风系统存在的问题分析与优化方案研究
4.1 存在的问题
①矿井部分巷道风量大，断面小，风速偏高，如北一回风井底通道，北二回风井底通道、二水平戊一回风下山和三水平丁戊二回风上山等。
②北二主要通风机担负供风区域多，负压和风量已经达到最大能力，无法再通过改变风机扇叶角度满足风量需求，对采掘接替部署造成不利影响。
③三水平丁戊二总回、三水平丁二东翼专回、三水平丁二皮带下山和三水平丁二回风下山均存在部分地段巷道变形，尽管现在已经按计划进行巷道维修，但是通风阻力仍然较大，造成北二主要通风机长期在高阻力区域运行存在一定风险。
4.2 优化方案
①对全矿通风系统进行详细调查，封闭不需要的巷道或硐室，降低风门或密闭的漏风，对产生局部阻力的地点进行優化处理，对部分阻力大的巷道适当扩大断面。
②根据采掘接替及风量需求情况选择适当时间将现有戊七系统通风任务由北一主要通风机担负，停运戊七主要通风机。
③施工二水平戊一补总回和三水平戊二补总回通风系统工程，解决部分回风巷道风量集中，通风阻力过高问题。
④北三风井尽快投入使用，以减轻北二风井风机负担，使通风系统趋于稳定，同时也为降低采掘面温度提供帮助。
5 结 语
该系统可以对矿井通风系统进行可视化动态仿真，能够实现通风系统单线图、双线图、立体图、网络图、三维图和风机特性曲线图等图件的自动绘制，可以应用仿真系统辅助矿井通风系统优化调节改造，提高通风系统的抗灾能力，并且可以将仿真系统应用于通风安全的日常管理工作中，供职工培训和外来人员参观。该系统的应用，提高了煤矿安全的信息化水平，同时提高了工作效率和数据的准确性，有利于提高煤矿企业的社会形象，取得了良好的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1] 刘惠临.矿井通风仿真系统可视化建模方法研究[J].电脑知识与技术， 2011，（36）.
[2] 朱华新，魏连江，张飞，等.矿井通风可视化仿真系统的改进研究[J].采矿与安全工程学报，2009，（3）.
通风结构 篇5
本研究以电动泵电机风路的仿真网络为通风系统分析的基础,给定流道的阻力参数和相关数据,计算了电机内通风系统的阻力特性,获得了电机的内部风量值及风量分配,针对计算结果分析电机风量不足的原因,并从结构上加以改进。为了能够更准确地掌握电机的温度分布情况,建立定子温升计算模型,以电机通风沟风速为基础,选择合理的边界条件,对电机定子的温度进行研究,使电机能够稳定运行在允许的温升范围内。
1 通风系统计算
1.1 通风系统计算方法
电机通风系统的网络计算以流体力学、网络理论为基础,将电机通风系统的流动损失所形成流体流动网络减化为一线性网络。网络分析中,对不可压缩流体,根据质量流量连续性和节点压力平衡原理,在各个节点建立求解方程组。在通风网络和每个节点上有若干个元件的网络支路,可给出每个节点的质量流量的和,通过简化形成线性方程矩阵,进行迭代求解,从而得到计算网络中的支路流量、压力等,掌握电机内各部分风量分配情况。
1.2 通风系统结构
电机采用双路径向通风结构,冷却空气一部分由转子旋转产生的风扇作用进入转子支架入口,流经转子风沟、气隙、定子径向风沟,另一部分由转子两端的风扇加压后流经定子线圈端部,冷却端部后进入机座环板通风孔,两部分气体汇集到定子铁心背部,携带发电机损耗热进入冷却器,与冷却水热交换散去热量后,重新由机座进风口进入电机内部进行循环,构成密闭的通风系统。
1.3 通风系统计算结果
根据机组的结构,确定了计算网络,其中包括转子阻力及压力元件,定子、冷却器等的阻力元件,风扇的压力元件,给定沿程摩擦阻力参数、局部阻力参数及对应的结构尺寸,进行计算分析,计算网络。
1.4 通风系统问题分析
网络计算结果显示整个通风系统总风量为7.21 m3/s,系统没有产生足够的压头,风速不高,风扇没有产生足够的压头使冷风吹过定子端部,风扇和转子边段风沟产生了倒风现象。根据电机损耗确定电机所需风量约为10.2 m3/s,电动泵电机的通风系统所能提供的冷却风量不足以带走电机产生的损耗热,通风系统必须进行改进才能保证电机的安全可靠运行。
1.5 通风系统结构的改进
针对电动泵电机结构的缺点,将原通风系统做如下改动:
A.转子支架入风口向内径方向移动,以此来增大转子支架的风扇作用,进风面积保持不变。
B.为了有效利用转子两端的转子通风沟,需要在转子支架上下两端安装挡风板,并在转子支架上下圆盘外径侧开设通风孔,保证进入转子支架的冷风能够进入转子端部通风沟,通风孔总过风面积为0.11 m2。
C.取消风扇,改成端部回风结构,即冷风先冷却定子端部,再进入转子支架。
改进后风量为10.78 m3/s,较通风系统所需风量留有裕量,且全部为有效风量,经过定子线圈端部的风为冷风,有利于定子线圈端部的冷却。
2 温度计算
根据改进后的结构及通风计算结果确定了温度计算的边界条件,温度计算考虑了定子轴向、径向和气体的热量传递。
Rj:定子轭热阻Rt:定子齿热阻Rtj:齿与轭间的热阻
Rs1:槽部绝缘热阻Rs2:端部绝缘热阻
Re:端部散热热阻Rv:槽部通风沟热阻
冷风温度按40℃考虑,定子绕组平均温升74.1 K,定子铁心齿部平均温升55.7 K,定子铁心轭部平均温升49.7 K。各部分温升可以满足电机安全可靠运行的要求。
3 结论
通风结构 篇6
国内学者陆守香等人运用CFAST软件采用子空间区域划分工程分析方法对船舶机舱复杂空间烟气运动工程进行了研究;邹高万等人采用大涡模拟方法对船舶机舱火灾热流场特性和规律进行了模拟及实验研究;苏石川等人在对船舶机舱火灾发展过程及回燃、轰燃及火旋风等特殊火行为进行了数值模拟,张小良等人运用火灾区域模拟思想对船舶机舱火灾烟气蔓延在通风口开启与关闭两种情况下进行了模拟对比研究。前人的研究成果中基本上未考虑通风管路对火灾场的影响,同时将机舱结构简化为单一的大空间,即为单层船舱几何结构(如图1(a)所示)。典型船舶机舱结构(如图1(b)所示)分为三层,平台A、平台B由钢板构成,层与层之间通过斜梯相连接,且柴油主机、柴油发电机组等大型动力设备与平台之间的布置将机舱整体划分为多个子区域,因此将这种同一空间被划分为多层、多个子空间的结构定义为多层机舱几何结构。Jeffrey C Owrutsky利用长波摄像装置虽对真实船舶舱室(多层机舱几何结构)火灾进行了监控,并未对空间内的热流场特性进行分析。
笔者分别以多层几何结构船舶机舱、无通风管路多层几何结构船舶机舱及单层几何结构船舶机舱为研究对象,运用过滤后的平衡方程组来描述三维火灾场,结合混合燃烧分数模型及辐射换热有限容积模型,采用Smagorinsky亚格子模型的大涡模拟方法对其流速场、氧气浓度分布、火焰传播速度及净热通量进行比较研究。
1 大涡模拟基本控制方程
笔者采用大涡模拟技术,结合混合分数燃烧模型及非散射灰体的辐射输运方程构成模拟数学方程,对大涡模拟及Smagorinsky亚格子模型采用二阶有限差分进行空间离散,运用显示二阶预估校中法对流动变量进行离散,采用显式二阶Runge-Kutta法对时间进行离散。
2 模拟参数设置
2.1 船舶机舱几何结构参数
以某散货船机舱为研究对象,分别对多层几何结构、无通风管路的多层几何结构及单层几何结构进行计算,其几何结构如图2所示。
该船机舱长21.6 m.,宽32 m,高22.8 m,多层几何结构船舶机舱的整个空间被平台B、平台A分成区域1、区域2、区域3三个部分。区域1中部设有1台柴油机,区域2前部设有3台主柴油机发电机组,在B甲板的上部分别安装4台风机,并通过通风管道对舱内进行配风,其中通风管道开口面积为1 m×1 m、0.5 m×0.5 m不等,并分别在A、B平台右侧壁面上开有2个、1个舱门。舱内主要设备参数及边界设置如表1所示。无通风管路多层几何结构中通风仅通过风机口进行通风,单层几何结构中平台和通风管路被忽略,这两类结构中的几何参数及设备布置与多层几何结构船舶机舱类似。
2.2 火 源
机舱发生火灾的主要原因是燃料从燃油系统泄漏出来,并在某层甲板上形成一定面积的油池,以某型号柴油为燃料,选择油池火作为火源点,并假设在底层甲板主机附近设有3.13 m×4 m×0.02 m的立方体油池。
典型油池火的一般发展过程分为燃料燃烧达到最大热释放速率、燃料消耗到不能支持最大热释放速率燃烧及燃料耗尽三个阶段。燃料燃烧达到最大热释放速率阶段按超快速型增长,其最大热释放速率通过文献确定为34 680.4 kW。
2.3 网格划分及边界条件
为减少网格单元数,针对船舶机舱结构,将机舱分为两大部分进行划分,设上甲板以下为网格1,上甲板以上为网格2,采用矩形网格,整个区域划分为108×160×84(网格1)+35×36×30(网格2),单元边长为0.1 m,共计1 489 320个网格单元。
以机舱真实对象作为边界条件,计算初始环境温度设为30 ℃,主机及柴油发电机组的表面温度设为45 ℃,舱门处采用压强自由边界,舱室壁面及舱内设备均具有传热性,其密度为7 570 kg/m3,比热容为470 J/(kg·K),导热系数随温度变化而发生变化。计算过程中,设置160 s为舱室封闭时间,1 000 s为舱室开启时间。
3 计算结果及分析
(1)速度场表示了舱内各个离散点上速度矢量场,它形象的说明了某一时刻各个离散点上质点运动方向,对氧气的输运及烟气运动等起着重要的影响作用。图3为三种结构中t=400 s时舱内y=5.0截面内速度场分布。
从图3中可看出三种结构在同等火源、同等总通风量情况下气流分布具有一定的差异。其中多层几何结构与无通风管路多层几何结构内的流场分布具有极大的相似性,两种结构内气流受热浮力的影响,同时在平台A、B及舱壁的反射及气流之间的相互作用下,在各个区域内上部形成较大涡旋,可加速燃烧区内未燃气微团与已燃气微团的化学反应,增加火焰燃烧的强度。同时平台A、B可诱发顶棚射流,促使气流流入燃烧区域,增加了氧气的输运能力。多层几何结构中间区域内受热浮力的影响,气流整体呈上升趋势,而无通风管路多层几何结构中,燃烧所需的空气较大部分直接由舱室顶部风机口补给,因此在火羽流及燃烧作用下,中心区域气流呈现部分下降趋势。然而单层几何结构中的气流分布情况较前两者相比有较大差异,受热浮力的影响,气流在整个舱室区域内上升,且在密度梯度的作用下,舱内两侧气流流入火焰区,但区域1、区域2、区域3内的气流运动强度较多层几何结构及无通风管理的多层几何结构中明显减弱,这在一定程度上对燃烧强度有一定的影响。
(2)以t=400 s时y=5.0截面为例,三种结构舱内氧气含量模拟结果表明,由于火源处于甲板底层,火焰自底部向顶部发展,使舱内上部和下部氧气浓度形成一定梯度。同时由于热烟气聚集于舱室顶部,随着烟气浓度增加,对氧气具有一定的排挤作用,促使氧气流入低浓度区域,因此造成舱内富氧区和贫氧区层次分布明显。但多层几何结构中由于平台的作用,氧气浓度在各个子区域内均自上而下降低,以氧含量值0.17为参考,则可发现三个区域中氧气体积分数存在同时存在自上而下降低趋势。而无通风管路的多层几何结构和单层几何结构中,虽贫富氧区存在明显的界限,但较多层几何结构其浓度值下降幅度偏低,较短的空间尺度内,氧气体积分数梯度值较小,易促使火势的发展。
(3)净热通量模拟结果显示,两类多层几何结构的热净通量的最高值低于单层几何结构。平台结构构成了壁面结构,因此在净热通量计算过程中,多层结构中壁面的作用起到了很大的作用,相反单层几何结构中壁面温度对结果的影响较小,造成了单层几何结构净热通量大于多层几何结构及无通风管路多层几何结构中的净热通量的最大值。
无通风管路多层几何结构中上甲板的高净热通量区域大于多层几何结构。无通风管路多层结构中由风机直接进行通风,在火羽流的作用下,火焰寻找富氧区,因此部分火焰会蔓延至舱室顶部,造成了顶部温度高于多层几何结构。
火焰前锋温度在未燃区域上的蔓延速率为火焰传播速度,从理论上讲,无论采用什么温度值作为前锋定义温度,得到的火焰传播速率应该是相等的。前锋温度为300 ℃时,三种结构中火焰传播速率模拟结果显示,在高度8 m之前(即平台A以下),三种结构中火焰传播速率曲线值几乎重合,而高度大于8 m(即平台A以上)时,三种结构中火焰传播速率曲线产生较大的差异。由于各个子区域中涡旋及密度梯度等作用,使得A平台以上的中间区域内的上升气流的强度低于单层几何结构,这也就促使了单层几何结构中火焰传播速率高于多层几何结构及无通风管路多层几何结构中的火焰传播速率。但受无通风管路多层几何结构中风机处富氧区的影响,在火羽流的作用下,其火焰传播速率略高于多层几何结构中的火焰传播速率。
4 结 论
针对典型船舶机舱结构特点提出了将同一空间划分为多层、多个子空间的结构,称之为多层几何结构,反之为单层几何结构。运用大涡模拟方法分别对多层几何结构、无通风管路的多层几何结构及单层几何结构中的火灾特性进行了并行计算研究,分析了通风和舱室结构对机舱火灾特性的影响。
(1)两类多层几何结构中的气流分布在各个子区域均产生较强的涡旋,其平台均诱发了顶棚射流的形成。多层几何结构中间区域气流呈现上升趋势,而无通风管路的多层几何结构的中间部分呈现部分下降趋势。单层几何结构中气流整体呈现上升趋势。
(2)三种结构在火灾发展过程中富氧区与贫氧区分布均较明显,但多层几何结构三个子区域中氧气浓度同时自上而下降低,而无通风管路的多层几何结构和单层几何结构中,较短的空间尺度内,氧气浓度梯度值较小。
(3)两类多层几何结构的净热通量的最高值低于单层几何结构,无通风管路多层几何结构中上甲板的高净热通量区域大于多层几何结构中的情况。
(4)舱内高度小于8 m,三种结构中火焰传播速率近似相等,舱内高度大于8 m,受气流分布的影响,三种结构中火焰传播速率有较大的差异。
参考文献
[1]陈国庆,陆守香.船舶机舱复杂空间烟气运动工程分析方法研究[J].消防科学与技术,2004,23(5):417-420.
[2]邹高万.船舶机舱火灾热流场特性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2005.
[3]苏石川,王亮,聂宇宏,等.某船舶机舱火灾发展过程的数值模拟与策略分析[J].消防科学与技术,2009,28(1):15-19.
[4]苏石川,王亮,聂宇宏,等.某船舶机舱火灾数值模拟中的火旋风及其危害性分析[J].中国造船,2009,50(3):113-119.
[5]Jeffrey C Owrutsky,Daniel A Steinhurst,Christian P Minor,etal.Long wavelength video detection of fire in ship compartments[J].Fire Safety Journal,2006,41:315-320.
通风结构 篇7
矿用通风机扩散器的主要作用有两点:一是通过降低出口动压以提高通风机静压,从而回收通风机出口的动能,进而提高通风机的静压效率;二是,由于通风机排气噪声的声功率与通风机出口气流速度的8次方成正比,因此在通风机出口设置扩散器可以明显降低排气噪声[1]。扩散器作为通风机主要零部件,对通风机的气动性能有着重要的影响,为分析其影响,相关学者进行了大量的研究[2,3,4,5]。这些研究工作主要集中在单级通风机扩散器结构参数优化设计方面,且优化目标仅为通风机的效率,而对于矿用对旋式轴流通风机扩散器结构设计参数的多目标优化设计的研究鲜见报道。
在进行矿用对旋式轴流通风机气动性能优化设计时,应同时考虑通风机全压及效率这两个不同的目标。因此,该优化属于一个多目标优化问题。在多目标优化过程中,各个目标之间既联系又相互冲突,即过度追求高的通风机全压可能会导致通风机效率的降低,反之亦然。要使多个目标同时达到最优值几乎是不可能的,因此必须对各个目标的组织和协调进行深入的研究。
本文以矿用对旋式轴流通风机扩散器为研究对象,应用计算流体力学(CFD)软件Fluent对其进行三维流场模拟。采用实验设计方法,研究矿用对旋式轴流通风机扩散器结构设计参数与通风机全压及效率之间的关系,并以通风机全压及效率为优化目标,对通风机扩散器结构设计参数进行多目标优化设计。
1 通风机扩散器结构参数与数值模拟方法
1.1计算模型
为研究扩散器结构对通风机气动性能的影响,同时也便于分析比较,本文以某煤矿矿用对旋式轴流通风机主扇为研究对象,该通风机的设计参数如表1所示。改进前的扩散器结构设计参数如下:扩散器芯筒尾部半径R1=194mm,扩散器出口截面直径d2=2374mm,扩散器入口芯筒截面直径d3=1140mm(与通风机轮毂直径相同),扩散器入口截面直径d4=1900mm(与通风机叶轮直径相同),扩散器长度L1=3800mm。扩散器结构如图1所示。
运用Solidworks建立矿用对旋式轴流通风机叶轮的三维模型(图2),在第一级叶轮前端加上集流器和流线罩,在第二级叶轮后端加上扩散器以形成一个完整的通风机三维几何模型(图3)。将通风机三维几何模型导入到CFD前处理软件Gambit中,应用非结构四面体网格TGrid对通风机三维几何模型进行网格化。由于该通风机的体积较大,为提高计算效率,在设置体网格尺寸时可将通风机中的集流器、流线罩和扩散器的体网格尺寸设置稍微大一些,但其体网格尺寸不应与第一级叶轮及第二级叶轮体网格尺寸相差过大。本实验中,集流器、流线罩和扩散器的体网格尺寸设置为40,第一级叶轮的体网格尺寸设置为32,第二级叶轮的体网格尺寸设置为31。整个通风机的网格数为1 221 042。
1.2边界条件
应用计算流体力学软件Fluent对该通风机进行三维流场模拟,采用三维定常Navier-Stokes方程和标准k-ε模型进行求解[6,7]。该三维流场模型边界条件设置为:流体为常温下的空气,将通风机入口设置为质量流量入口,在集流器、流线罩所组成的流体区域与第一级叶轮的流道区域之间、第一级叶轮的流道区域与第二级叶轮的流道区域之间、第二级叶轮的流道区域与扩散器所形成的流体区域之间分别设置混合面。通风机前后两级叶片及轮毂均设为静墙,且设定通过第一级叶轮转子间的流体与通过第二级叶轮转子间的流体旋转方向相反,将通风机外壳设为与对应轴旋转方向相同的墙,三维流场模拟的迭代次数为2500,通风机计算网格及边界条件如图4所示。
1.集流器、流线罩区域 2.叶轮区域 3.扩散器区域
2 实验设计与结果分析
2.1实验设计
为研究矿用对旋式轴流通风机扩散器对通风机全压及效率的影响,考虑到扩散器入口截面直径、入口芯筒截面直径应分别与通风机叶轮直径、轮毂直径相互匹配。因此,本文选取扩散器的3个设计参数(扩散器芯筒尾部半径R1、扩散器出口截面半径R2、扩散器长度L1)为设计变量,应用实验设计方法来揭示扩散器的3个设计参数与通风机全压及效率之间的关系,从而为扩散器的优化设计提供参考。综合考虑实验设计的各种方法,本文采用中心组合设计来安排实验方案。在实验设计之前,通过单设计变量因子实验确定出各设计变量的变化范围,单设计变量因子实验结果表明:扩散器的3个设计参数R1、R2、L1对通风机全压和效率均有影响。由单设计变量因子实验确定出实验中各设计变量的变化范围(为了便于分析将R1、R2、L1分别由X1、X2、X3代替)各因素的水平与编码见表2,实验方案见表3。
2.2实验结果分析
应用FLUENT软件分别对20组实验方案进行三维流场数值模拟,分别得到与其对应的通风机全压和效率,如表4所示。
图5所示为在设计流量下矿用对旋式轴流通风机扩散器3个设计参数对通风机全压的影响。由图5可知:随着扩散器芯筒尾部半径R1的增大,通风机的全压会先减小而后增大;通风机全压随着扩散器出口截面半径R2的增加而减小,随扩散器长度L1的增加而增大;扩散器3个设计参数对通风机全压的影响由大到小分别为L1、R2、R1,即扩散器长度L1对通风机全压影响最为显著。
图6所示为在设计流量下矿用对旋式轴流通风机扩散器3个设计参数对通风机效率的影响。由图6可知:通风机效率随R1、L1的增加而增大,随R2的增加而减小,且L1对通风机效率的影响最为显著。这主要是由于扩散器长度L1的增加可以有效地降低通风机出口动压,提高通风机静压,通过回收通风机出口的动能,提高通风机的效率。
通风机扩散器结构设计参数x2和x3对通风机全压及效率的影响的响应面曲面及等高线如图7、图8所示。
对各因素进行多元回归拟合,得到以通风机全压f1(x1,x2,x3)及效率f2(x1,x2,x3)为目标函数的回归模型:
f1(x1,x2,x3)=3874.98+6.87x1-14.43x2+
14.90x3+0.59x1x2-4.13x1x3+7.00x2x3+8.54x21-
1.89x22+6.28x23-0.50x1x2x3+19.53x21x2-
13.99x21x3-9.51x1x22
f2(x1,x2,x3)=81.13+0.10x1-0.34x2+0.37x3+
0.022x1x2-0.038x1x3-0.013x2x3+0.047x21-
0.077x22+0.098x23+0.07x1x2x3+0.24x21x2-
0.28x21x3-0.13x1x22
3 扩散器结构参数多目标优化与分析
3.1多目标优化设计
根据回归模型,以通风机全压和效率为优化目标,以扩散器3个结构设计参数为变量,以各变量的取值范围为约束条件,可建立如下目标函数及其约束条件:
max f1(x1,x2,x3),f2(x1,x2,x3)
s.t. -1≤x1≤1,-1≤x2≤1,-1≤x3≤1
因为通风机全压及效率是两个不同的目标,因此该优化属于一个多目标优化问题。由于通风机全压与效率两者之间既相互联系又相互冲突,要使两者同时达到最优值几乎是不可能的,因此必须协调两者之间的关系。本文应用多目标粒子群优化算法对通风机全压及效率进行多目标优化,找到能使两者尽可能达到比较大的非劣解,即Pareto最优解。
3.2粒子群优化算法
粒子群算法将代表优化问题一个潜在解的个体看作是n维搜索空间中一个没有重量和体积的粒子,该粒子在搜索空间中以一定的速度飞行,这个速度根据它本身飞行经验以及同伴的飞行经验进行动态调整。假设在n维目标搜索空间中有m个粒子组成一个粒子群,其中第i(i=1,2,…,m)个粒子具有如下特征:粒子i的当前位置xi=(xi1,xi2,…,xin),粒子i的当前速度vi=(vi1,vi2,…,vin),粒子i迄今为止经历过的最好位置pp=(pi1,pi2,…,pin),全局最优位置pg=(pg1,pg2,…,pgn)。粒子的速度和位置按下列进化方程更新:
vi,j(t+1)=wvi,j(t)+c1r1(pp(t)-
xi,j(t))+c2r2(pg(t)-xi,j(t)) (1)
xi,j(t+1)=xi,j(t)+vi,j(t+1) (2)
式中,j为搜索空间的维数,j=1,2,…,n;t为当前进化代数;r1、r2为两个相互独立的随机函数,r1～U(0,1),r2～U(0,1);c1、c2为加速度常数;w为惯性权重。
粒子群算法的流程如下:
(1)初始化m个粒子,随机设定粒子的位置和速度。
(2)计算每个粒子的适应度。
(3)对每个粒子,将其适应值与其经历过的最好位置pp的适应值进行比较,若较好,则将该粒子作为当前的最好位置。
(4)对每个粒子,将其适应值与全局所经历过的最好位置pg的适应值进行比较,若较好,则将该粒子作为当前的全局最好位置。
(5)根据式(1)、式(2)对粒子的速度和位置进行更新。
(6)判断是否满足终止条件(如足够好的适应值或最大代数),如果不满足则返回步骤(2)。
3.3优化过程与结果分析
应用粒子群优化算法对实验结果进行多目标优化,在粒子群优化算法中设初始化随机产生25个粒子,加速度常数c1、c2均为2,惯性权重w为1,经过260次迭代后优化进程收敛。通风机全压及效率的寻优过程如图9所示。
图10为对应于Pareto解集的通风机全压与效率的关系图。由图10可知:要使通风机的全压更高,那么通风机效率就会相应地降低,反之亦然。同时进一步看到,Pareto解集中各点所对应的全压和效率的变化范围都非常小,使得各点都可以作为以通风机全压及效率为目标的优化解。
为了尽可能地节省制造扩散器所用的钢材,先计算出Pareto解集中各优化解所对应的扩散器的表面积,最后以最小的扩散器表面积为最终的优化解,得出最终优化解为x1=-0.1692,x2=-1,x3=1。此时,通风机全压为3902.16Pa,效率为81.89%,转化为扩散器的实际设计参数,即R1=188.98mm,R2=1127.5mm,L1=4082.5mm。应用计算流体力学软件FLUENT对优化后的通风机进行三维流场模拟,并将模拟结果与原始通风机全压及效率进行对比,优化后的通风机全压比原始通风机全压提高了27.1Pa,通风机效率比原始通风机效率提高了0.76%。优化结果表明:优化后的扩散器芯筒尾部半径R1的设计尺寸稍微变小,扩散器出口截面半径R2的设计尺寸减小了59.5mm,扩散器长度L1的设计尺寸增加了282.5mm。
图11为优化前后的矿用对旋式轴流通风机扩散器出口处全压沿叶高的分布。由图11可见,通风机出口处全压的最大压力点主要集中在扩散器出口中部附近,优化后的扩散器的最大压力值有所增大,这主要是由R2减小所致。
4 结语
通过三维流场模拟技术,利用实验设计方法揭示了矿用对旋式轴流通风机扩散器的结构设计参数与通风机全压及效率之间的关系。以通风机全压及效率为优化目标,以扩散器3个设计参数为设计变量,应用粒子群优化算法对设计变量进行多目标优化。结果表明,优化后通风机全压比原始通风机全压提高了27.1Pa,通风机效率比原始通风机效率提高了0.76%。
参考文献
[1]商景泰.通风机实用技术手册[M].北京:机械工业出版社,2005.
[2]王海桥,李威松.矿井主扇扩散器通风流场数值模拟研究及其应用[J].湘潭矿业学院学报,2002,17(4):9-11.Wang Haiqiao,Li Weisong.Numerical SimulationStudy and Application on Diffuserventilation FlowField of Mine Main Fan[J].Journal of XiangtanMining Institute,2002,17(4):9-11.
[3]陈世强,成剑林,冯进,等.主要通风机扩散器出口速度分布的数值模拟与实验研究[J].中国安全科学学报,2008,18(8):32-36.Chen Shiqiang,Chen Jianlin,Feng Jin,et al.Numer-ical Simulation and Experimental Research on theVelocity Distribution in Outlet of Main Fan Diffus-ers[J].China Safety Science Journal,2008,18(8):32-36.
[4]陈世强,王海桥,李轶群,等.矿井主要通风机扩散器结构优化及实验[J].煤炭学报,2009,34(12):1681-1686.Chen Shiqiang,Wang Haiqiao,Li Yi,et al.StructureOptimization and Experiment on Diffuser of MainMine Fan[J].Journal of China Coal Society,2009,34(12):1681-1686.
[5]Chen Shiqiang,Wang Haiqiao,Cheng Jianlin,et al.Numerical Simulation Investigations of Energy-saving Diffuser of Main Fan[J].Journal of CoalScience and Engineering(China),2010,16(4):424-428.
[6]韩占忠,王敬,兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2004.
通风结构 篇8
关键词：煤矿,通风机站,通风设施,改造
达州市达县杨家沟煤矿扩建工程将+661m回风平硐断面扩大到巷道宽度2.8米, 高度2.8m, 半圆拱形, 净断面7.0m2。根据扩建工程初步设计要求, 鉴于目前回风平硐主扇风机还未安装、风硐长度不够、无安全出口和通风设施不完善等问题, 经矿部研究决定, 将总回风井通风设施进行改造, 按规范要求设计布置风硐、安全出口和安装主要通风机及通风设施。为使工程能按质按量、安全完成任务, 特编制回风平硐井口通风设施改造施工方案。
1新改造通风设施设计方案
根据《煤矿通风机站设计规范》和“井口通风设施设计一般规定”, 作如下方案设计。
1.1主要通风机选择
根据扩建工程初步设计要求, 结合现场实际, 选用FBCDZ-№14型隔爆对旋轴流式通风机二台, 一台运行, 一台备用。配置YBF225M-6型矿用防爆型电机 (N=2×30k W, U=380V, n=980r/min) 。主要通风机性能参数:风机叶轮直径Φ1.4m, 风量888-2340m3/min, 静压2020-500 pa, 外形尺寸长9.27m、宽1.41m、高2.05m。该风机具备消音装置、扩散塔和轴承温度监测。
通风机站值班室应密闭隔音, 距主要通风机房和回风井口20m以上。
1.2风硐设计
1.2.1根据地表情况, 风硐布置在回风平硐北侧, 断面为圆弧拱形, 断面2.5×2.5m, 总长度32.8m。其中风硐入口与回风平硐交叉处夹角31°, 水平直线段长24m;风硐分岔点到通风机吸风口8.8m, 该段与回风平硐夹角40° (柔和转向9°) 。风硐分岔点的内夹角为48.5°, 风硐分叉后设置反风切换垂直闸门、检查窗。风硐应有向风井方向下坡, 坡度5‰。
1.2.2在风硐中两分岔巷口位置分别距风机吸风口5m处装设栅栏, 在风硐入口2m处装设栅栏。风硐全长均采用混凝土铺底, 砌碹或锚喷支护。风道内设置的任何物件均应防火、防锈并可靠固定。
1.3反风设施
在风硐中两分岔巷内分别距风机吸风口前2.8米处安设反风切换垂直闸门。垂直闸门门板和门框均采用钢材焊接而成。
1.4安全出口
安全出口为平巷, 布置在回风平硐南侧, 底板标高与回风平硐一样, 与风硐分别布置在回风平硐的两侧。与回风平硐垂直连接段长4.0m, 然后转向与回风平硐同向长6m, 并与回风平硐间距2.4m。
安全出口有6米直线段, 在转角和出口处各安装有1组双向风门。
1.5防爆门
防爆门应与回风平硐在同一轴线上, 正对着风井风流方向安置;防爆门全断面应与回风平硐断面一致, 防爆门断面为矩形, 采用双扇门结构, 设置反风用的锁紧装置。风井与防爆门到风硐入口点距离比该点到主要通风机吸风口距离短12.8m。防爆门和回风平硐出口正对面空旷, 无任何其他建筑物。防爆门抗压强度大于最大负压3500Pa。
2通风设施规格质量和施工方法
2.1风硐
2.1.1风硐前段即与回风平硐连接直线段24m全在砂岩中, 采用炮掘机装工艺, 局部通风机+阻燃风筒通风。断面为1/3圆弧拱形, 净宽2.5m, 墙高1.5m, 拱高0.8m, 断面积5.25m2。巷道前19m是坚硬的砂岩, 采用锚喷支护, 后5m接近地表, 采用料石发碹支护, 发碹时要满灰满碹交错缝, 不得有孔隙, 防止漏风。
2.1.2风硐后段即分岔风道段长8.8m在地面, 断面为矩形, 净宽×高均为:2.3×2.5=5.75m2, 巷道采用实心火砖砌筑, 墙厚为0.3m, 砌筑时要放满砂浆, 不得有孔隙, 墙面要砂浆抹面, 防止漏风。顶为钢筋混凝土预制板进行现浇处理, 防止漏风。
2.2回风平硐地面段和安全出口
2.2.1回风平硐地面段在地表外长8m为井口门面, 断面为矩形, 净宽×高为:2.6×2.6=6.76m2, 采用实心火砖砌筑, 墙厚为0.3m, 砌筑时要放满砂浆, 不得有孔隙, 墙面要砂浆抹面, 防止漏风。顶为钢筋混凝土预制板进行现浇处理, 防止漏风。
2.2.2安全出口全长10m均位于地面, 断面为矩形, 净宽×高为:1.5×2.2=3.3m2, 巷道采用实心火砖砌筑, 墙厚为0.3m, (下转第100页) 砌筑时要放满砂浆, 不得有孔隙, 墙面要砂浆抹面, 防止漏风。顶为钢筋混凝土预制板进行现浇处理, 防止漏风。
2.3垂直闸门
反风切换的垂直闸门的门框、门板均为矩形。门框用12槽钢焊接三条门框边, 上边框用两条角钢在槽钢边焊接固定两边门框并留有槽口, 以便门板插入;门框要比风硐分岔巷安装处断面稍宽, 以便门板能上下移动自如, 在砌筑分岔巷时就安装固定门框, 门框安装时要保证垂直向下, 不得前后左右歪斜, 达到门板移动自如的效果。门板宽度比门框稍小, 门板高度比门框稍大, 用厚3mm钢板, 版面和四周焊接加筋板, 防止门板凹凸不平难以插入门框, 保证门板能自由上下移动。门板与门框间采用橡胶条进行密封, 用铁压条和螺栓将橡胶条固定在门框上, 门板两面沿外边边缘一周均装有密封橡胶条, 用氯丁橡胶黏接, 当合上垂直闸门时, 矿井负压使门框上橡胶条紧贴在门板上, 从而形成密封, 达到防止漏风的效果。两扇垂直闸门分别由1台小型卷扬机牵引, 确保上下移动自如。
2.4防爆门和风门
为确保防爆门和风门规格质量, 经过矿部研究决定, 定购崃富牌矿用防爆门和风门成品, 具有良好的防火、密封和抗冲击性能。供应方技术人员指导安装, 确保不漏风。
2.4.1防爆门断面与回风平硐断面一致, 断面形状为矩形, 采用双扇门结构, 总宽2.6m, 总高2.6m。安装在回风平硐中距井口4m处。
2.4.2风门断面比安全出口断面小, 断面形状为矩形, 采用单门结构, 门洞宽1.0m、高2.0m。2组风门设置闭锁装置。
2.5主要通风机安装施工
在改造风硐前, 先拆除原来的主要通风机 (型号FBCZ.NO10, 风机叶轮直径Φ1.0m, 电机功率15k W, 风量1040-525m3/min, 静压450-800 pa, 外形尺寸长2.25m、宽1.3m、高1.45m) , 暂时将其安装到已经改造的回风平硐中且在风硐入口以里15m处, 以保证井下通风。直到该工程结束, 新风机试机投入使用后才能拆除。
风机房设计长10m×宽8m, 墙高1.8m, 铺设2趟轨道 (轨距1.1m, 轨道中心距3.5m) , 风机安装在轨道之上, 采用锁紧装置固定风机, 以保证2台通风机间距和通风机与机房墙壁间距, 满足维修方便和安全要求;机房在通风机电机部分设置顶棚, 通风机出风口不设顶棚。
3安全技术措施
3.1回风平硐安全设施改造施工作业中, 井口附近20m范围内严禁烟火, 严禁有电焊、吸烟之类明火。
3.2回风平硐安全设施改造施工作业过程中不得进行其他井下采掘施工, 只允许进行整改维修工作。
3.3回风平硐地面段、风硐、风道和安全出口建设施工时, 要有安全员、瓦斯检查员跟班在场检查瓦斯情况。主扇风机一旦停风, 应立即停止井下一切工作, 撤退人员到地面。
3.4加强瓦斯检查工作, 在施工中需要停止主扇风机或其他原因引起主扇风机停风时, 瓦斯检查员要在现场检查回风平硐内20m、风硐内和地面20m范围内风流和空气中瓦斯浓度, 只有瓦斯浓度在0.5%以下, 方能允许施工;当瓦斯浓度在0.5%以上时必须停止一切工作, 撤退人员, 但瓦斯员和井口检身员不得离开工作岗位, 应在井口值班警戒严禁20m内不得有人靠近或有明火产生。待有电恢复通风排放瓦斯时要更加履行负责这项工作, 直到正常安全为止。
3.5加强巷道开挖表土时滑坡、片帮等安全管理, 巷道掘进时加强敲帮为顶, 及时打好锚杆或临时支柱等支护, 防止边帮滑坡、塌方事故的发生。