复杂通风网络的数值解算与应用.ppt

复杂通风网络的数值解算与应用,2009年10月8日,提纲,一、网络解算原理二、网络解算应用三、网络解算软件,网络解算原理,1,1）通风网路风流流动的基本定律,概念：A、树技B、余树弦=独立回路数,风量平衡定律：能量平衡定律：阻力定律：,式中：网络的基本关联矩阵；网络的基本回路矩阵；分支风压向量矩阵的转置矩阵，,模型的改进：以质量流量代替体积流量考虑网络各分支位能差，以回路各分支位能差的计算来考虑网络系统热风压的影响,2）数值计算模型,对于已给定的井巷，L、U、S都为已知数，故可把上式中的、L、U、S归结为一个参数Rf：Rff(,S,U,L)。在正常条件下当某一段井巷中的空气密度一般变化不大时，可将Rf看作是反映井巷几何特征的参数。则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为：此式就是完全紊流(进入阻力平方区)下的摩擦阻力定律。井巷摩擦阻力计算方法新建矿井：查表得Rfhf生产矿井：hfRf,2）摩擦风阻Rf,3）复杂通风网络解算,复杂通风网络是由众多分支组成的包含串、并、角联子网络的结构复杂的风网。由于复杂风网中各分支风量与风阻间存在复杂的非线性关系，因此，其风量分配及调节方案不能用解析法直接求解。通风网路解算软件可用于解决矿井通风设计和矿井通风管理的实际问题：（1）矿井设计时的风量分配、通风总阻力、风机工况点等的计算及风机选型和通风系统优化。（2）生产矿井的风量调节计算、通风状态预测及矿井系统改造等。,网络解算应用,2,工程应用实例说明,潘三矿通风系统优化研究济宁二号矿通风能力核定和预测研究新庄孜矿风机切换或关闭通风模拟研究,潘三矿通风系统优化研究,案例一,主要内容,西风井风机切换矿井风流状态控制研究(2003年）通风系统改造通风状态预测研究(2008年）,西风井风机切换矿井风流状态控制研究,热风压及其对网络风流的影响热风压的概念热风压的形成及其影响因素热风压对网络风流的影响矿井热风压的特点,通风网络图,研究背景：,研究背景(续),研究问题的提出矿井概况西风机更换工程应注意的安全问题地面爆破；井下采区瓦斯积聚矿井热风压的影响因素分析两侧地温不一致；大气压力；空气密度研究目标保证西风井进风；防止采区瓦斯积聚,表1潘三煤矿东西部风井主通风机参数及系统排风情况,+30m,-650m,西风井风机切换前矿井通风现状,潘三矿矿井通风网络图,表2西风机切换前矿井的通风现状,西风机,东风机,多风井系统考虑热风压作用的风流控制理论,东、西风井风机均停止运行,风流控制措施的理论分析,若此时西风井处于进风状态，则,此方案不行,东风机运行，西风井风机停止运行由式（3）则：,保证西风井进风必须满足的条件,保证风机切换时期西风井进风的风流控制技术方案分析,保证西风井进风必要条件：,技术方案,提高东风井能力实测,表进风公共进风井所需最小进风量(m3/s),公共进风段增阻调节,不能满足要求,风机切换工作应安排在地面气温相对较高的春季或条件许可时安排在夏季，自然热风压相对要小，降低系统的调节幅度；在东风机运行条件下，公共段进风井采取增阻调节,提出的问题,风机能力需提高？调节幅度？,自然风压对主通风机运行工况影响分析,不考虑自然风压:工况点:M(Q0,Hs),冬季,正向自然风压HNW:风机工况点:MW(Qw,Hsw),夏季,自然风压减小或负向HNS:风机工况点:MS(QS,HsS),总体规律：冬天，风量增加，总阻力增加，但由于自然风压作用，风机负压降低；夏天，风量减少，总阻力降低，但由于自然风压作用，风机负压增大。,热风压作用下网络风流控制的模拟分析,技术方案模拟结果,西风井风机切换期间西风机停止运行不同调节方案的通风网络计算机模拟结果,热风压作用下网络风流控制技术措施效果,西风井风机切换期间矿井主要通风参数的测定结果,风机切换风流控制主要结论,对于有高差的通风网路系统，自然热风压对网络风流状态有一定的影响多风机网络系统在某一风机停止运行时，必须考虑热风压对网络分支风流的影响针对潘三煤矿矿井通风网络结构和风机状况，由于自然热风压的作用，在西风机切换时期：,东风井风机必须处于运行状态,东风机在-5运行，公共进风段井底增阻调节，调节风门压差为400Pa，实现了西风井进风量2760m3/min，保证了西风机切换期间矿井的安全,本文提出的考虑热风压对网络分支风流状态影响的分析方法、网络风流模拟方法，对复杂网路系统风流状态的分析和控制有现实的指导价值,通风系统改造通风状态预测研究,矿井概况：矿井通风方式为中央对角式，主井、副井、矸石井进风，东西两翼风井回风。矿井采用立井集中运输大巷分区石门的开拓方式。分二个水平、五个采区开采。第一水平标高-650m，第二水平设计标高-855m，五个采区分别是东三、东四、西一、西二、西三采区，其中西三采区为备用采区。,通风系统改造通风状态预测研究,西二采区通风阻力测定情况：,通风系统改造通风状态预测研究,通风系统阻力测定结论：目前东风井风机在叶片角0条件下运行，东风井排风量为12800m3/min，风机房水柱计读值为4450Pa；西风井风机在0条件下运行，西风井排风量为11317m3/min，风机房水柱计读值为5000Pa。实测潘三煤矿矿井总进风量22796m3/min，总回风量24117m3/min。,通风系统改造通风状态预测研究,通风系统阻力测定结论：对抽出式矿井，主通风机的静压是克服矿井通风阻力的动力，如果不考虑自然风压，两者在数值上相同。其数学关系如下：潘三煤矿西风井主通风机房水柱计示值测定断面是环形断面，S2=4.78m2，断面积小，速压大，水柱计示值大，其与矿井通风阻力的真实值相差大，不能真实代表矿井主通风机的静压；布置在风机风硐矩形断面断面，S1=20.25m2，速压小，与矿井通风阻力的差值小，水柱计示值接近于矿井主通风机的静压。,通风系统改造通风状态预测研究,通风系统阻力测定结论：西二通风系统中通风阻力主要集中在用风段的回风系统和西二总回风系统。要降低矿井西翼系统的通风阻力，提高西二系统的供风量，应尽力解决西风井井底的积水问题，提高总回风巷的过风断面，否则将出现通风卡脖子现象。同时，虽然西二采区有采区内部有4条回风上山，但由于矿井开采深，地压大，回风上山变形严重，如东煤层回风下山、通风行人上山（-650m至变电所下口）等地段的局部通风巷道只有3m2左右，造成采区回风段的通风阻力大(15-16测段通风阻力为332.9Pa)；加强西二采区回风上山巷道的维护，也必将提高西二采区的供风量。,通风系统改造通风状态预测研究,通风系统阻力测定结论：潘三煤矿东风井已安装新通风机，通风机的能力将进一步提高，目前东翼系统的供风量充足，新风机投入运行后，东翼系统的通风条件将会得到显著改善。而西翼风井主通风机基本上满负荷运行，由于西翼系统风阻大，在目前西风井主通风机的条件下，提高主通风能力对西翼系统的供风能力的提高十分有限，因此，西翼系统增风降阻的首选应是总回风巷和西二回风上山的降阻工程。,通风系统改造通风状态预测研究,通风系统改造通风状态预测研究,矿井主通风机运行性能评价,西风井风机目前在+0运行，将目前实测的工况点M置入实测性能曲线(2003年鉴定)中发现，西风井风机经5年多的运行，主通风机的性能有一定的降低，对比风机性能曲线和工况点可知，主通风机的性能曲线下降约3。,矿井主通风机运行性能评价,西风井主要通风机目前的运行工况点基本在风机性能曲线的高负压段，主通风机的运行效率不高。对西风井通风系统，通过提高目前现运行风机的能力来提高西风井系统的供风量将十分有限，西风井系统通风能力的提高应该是重点放在井下降阻，或更换大能力主通风机。,通风系统改造通风状态预测研究,东西风机相互影响问题研究在潘三矿2008年6月矿井通风系统的2个风机系统中，由于公共进风段的风阻较小，当东、西风井风机能力提高或东风井风机能力降低时，对另一系统基本上无影响。,通风系统改造通风状态预测研究,西翼通风系统进回风能力分析,潘三煤矿进风井有3个，进风井断面较大，最大允许风量49752m3/min，而目前矿井的总进风只有22796m3/min，进风井的通风阻力127.5Pa，通风阻力较小，矿井进风具有较大的潜在通风能力。,通风系统改造通风状态预测研究,西翼井底至西一进风巷有三条，允许最大进风量11641m3/min，而目前井底至西一进风10740m3/min，基本达到了极限允许风量；由于通风路线相对较短，井底至西一的通风阻力364Pa，通风阻力基本合理，若再增加西部采区的供风量，井底至西一的进风巷风速将超限。,通风系统改造通风状态预测研究,东风井断面33.2m2，最大允许回风量15936m3/min，而目前回风12800m3/min，尚有一定的增风余地；西风井风道最小断面26.3m2，最大允许回风量12624m3/min，而目前回风11317m3/min，基本接近最大允许回风量；若再增加西风井的回风量，西风井的通风阻力将显著增大。,通风系统改造通风状态预测研究,西一至西二最大允许回风量8064m3/min，而目前回风5477m3/min，尚有一定的增风余地；西二至回风井最大允许回风量12643m3/min，而目前回风10972m3/min，基本接近最大允许回风量；若再增加西二采区的回风量，西一至西二的通风阻力将大大增大。目前西二总回部分巷道出现巷道失修和积水堵塞，造成西二总回的通风阻力所占的比例较大，影响西风井风机供风能力的提高。,通风系统改造通风状态预测研究,综上所述，潘三煤矿进风井具有较大的潜在通风能力，影响西部系统供风量的关键因素是：(1)井底至西一的进风量受进风巷数量和断面大小的制约；(2)西风井风道最小断面26.3m2，最大允许回风量12624m3/min，而目前回风11317m3/min，基本接近最大允许回风量；若再增加西风井的回风量，西风井的通风阻力将显著增大；(3)西二至回风井最大允许回风量12643m3/min，而目前回风11317m3/min，基本接近最大允许回风量；若再增加西二采区的回风量，西一至西二的通风阻力将大大增大；目前西二总回部分巷道出现巷道失修和积水堵塞，造成西二总回的通风阻力所占的比例较大，影响西风井风机供风能力的提高；(4)西风井目前风机运行叶片角0，在目前西风井配备电机的条件下，西风机的最大允许运行角度+6，由于西部系统回风阻力大，提高风机运行叶片角对西部采区供风量的提高有限。因此，若在不增加巷道的前提条件下，西部系统矿井供风量的提高的关键是降低回风段的通风阻力。,通风系统改造通风状态预测研究,西翼通风系统改造优化分析,通风系统改造通风状态预测研究,西部通风系统增风改造方案效果预测,自然风压对主通风机运行工况影响分析,当系统存在正向帮助风机工作的自然风压时，主通风机实际运行工况点的风压降低，风量增大。由于潘三煤矿属深井，全年自然风压均为正向，因此，在计算机通风网络解算时，实际矿井通风系统的运行效果将比不考虑自然风压的模拟结果要好。因此，不考虑自然风压的通风模拟结果可作为通风系统改造优化的依据。,通风系统改造预测结论,对西风井通风系统，通过提高目前现运行风机的能力来提高西风井系统的供风量将十分有限，西风井系统通风能力的提高应该是重点放在井下降阻，或更换大能力主通风机。矿井通风系统为2个风机的对角式通风系统，由于公共进风段的风阻较小，当东、西风井风机各自的能力提高或降低时，对另一系统基本上无影响。,通风系统改造预测结论,潘三煤矿进风井具有较大的潜在通风能力，影响西部系统供风量的关键因素是：(1)井底至西一的进风量受进风巷数量和断面大小的制约；(2)西风井风道最小断面26.3m2，最大允许回风量12624m3/min，而目前回风11317m3/min，基本接近最大允许回风量；若再增加西风井的回风量，西风井的通风阻力将显著增大；(3)西二至回风井最大允许回风量12643m3/min，而目前回风11317m3/min，基本接近最大允许回风量；若再增加西二采区的回风量，西一至西二的通风阻力将大大增大；目前西二总回部分巷道出现巷道失修和积水堵塞，造成西二总回的通风阻力所占的比例较大，影响西风井风机供风能力的提高；(4)西风井目前风机运行叶片角0，在目前西风井配备电机的条件下，西风机的最大允许运行角度+6，由于西部系统回风阻力大，提高风机运行叶片角对西部采区供风量的提高有限。因此，若在不增加巷道的前提条件下，西部系统矿井供风量的提高的关键是降低回风段的通风阻力。,通风系统改造预测结论,西部通风系统增风改造方案模拟预测结果表明，方案一西风井井底泄水降阻后，西风井的风量将增加360m3/min，风机静压下降364Pa；在此基础上，方案三西二总回风道和西二采区内部回风上山降阻，西风井的风量将增加738m3/min，风机静压下降766Pa，西风井的回风量增加到12400m3/min，西风井风机静压3683Pa。,通风系统改造预测结论,在西部通风系统降阻的同时，提高西风井主通风机的能力，即西风井主通风机叶片角由目前的0调整到3，方案六的结果是，西风井风机工况：Q=222.67m3/s，Hs=4312Pa，西二采区总进风量由现状的6725m3/min提高到7883m3/min，增加约1158m3/min，对缓解西二采区用风紧张有明显的效果。,济二矿通风能力核定与预测研究,案例二,矿井概况,矿井通风方式为中央并列式，主井、副井进风，中央风井回风，中央风井地面风机房安装GAF31.6-15.8-1轴流式风机两台，其中一台运转，一台备用。,表1济宁二号井主通风机性能参数及系统排风情况（2004）,表2济宁二号井主通风机配备电机性能（2004）,面临的问题,2004年：在维持矿井的总风量现状下，九、十一采区风量只有2981m3/min，要实现九、十一采安全回采的需风量应大于6000m3/min，矿井风量分配不能满足实际需风要求；并且矿井主通风机的电机已接近满负荷运行。2008年：十三、十五采区原设计由边界南副井和南风井担负，现南井不施工，如何保障边界采区十三、十五采区的长距离通风安全？,研究思路,进行矿井通风系统阻力测定和风机性能鉴定，找出目前矿井通风系统制约今后矿井按需通风的关键影响；根据不同时期的通风要求，适时合理优化调节矿井的通风系统；分析在目前主通风机能力的前提条件下，通过矿井通风系统改造能否解决九采区生产时的通风要求，研究提高现有主通风机能力的具体方法。,通风现状考察与分析,2004年南翼通风阻力测定结果：,通风基础网络图,风机曲线,通风现状考察与分析,通风系统阻力测定结果：矿井连接进回风系统的通风设施较多，内部漏风地点较多，总的漏风量较大，矿井的内部有效风量率不高。总进风量大，通风阻力较大，原因是主井井底设置了控制风门，主要由副井进风。建议适当增加主井进风量，可显著降低进风井的通风阻力。34段为南翼进风大巷，阻力高达262Pa。建议增加进风并联支路来降低阻力，增加九、十一采区的进风量。,通风现状考察与分析,通风系统阻力测定结果：矿井北翼在北部回风大巷靠近井筒位置设置了调节风门，使得南翼-525m总回石门段阻力大。改变北翼回风控制风门的调节位置，让北部大部分回风由北翼回风大巷直接回入回风井，降低-525m总回石门的回风量，可降低-525m总回石门的通风阻力；同时，由于-525m总回石门巷道积水和淤泥较多，减少了巷道的通风净断面，应及时清理。,通风现状考察与分析,矿井主通风机运行状况：目前矿井主通风机在+5条件下的运行工况比风机出厂曲线约下降2.5。,矿井现状通风系统改造方案,措施A：拆除主井井底控制风门，主井作为副井的并联进风分支。为保持风流的合适风速，控制主井的进风量在5000m3/min。措施B：一采管子道及其联络巷与南翼皮带回风巷联通，作为南翼总回皮带巷一段的并联回风巷，降低南翼总回的通风阻力，提高南翼边远九采区的风量。措施C：北翼总回风巷的调节风门改设在北翼皮带回风巷，让北翼的回风大部分由北回风巷直接回入回风井，降低-525m总回石门的通风阻力。,矿井现状通风系统改造方案,济宁二号煤矿现状通风系统改造模拟方案内容,济宁二号煤矿现状通风系统改造不同方案的模拟结果汇总,方案实施效果,矿井现状不同通风系统改造方案实施后主要巷道的风量测定结果,方案实施效果,矿井现状不同通风系统改造方案实施后矿井产通风机参数及矿井通风总阻力,方案实施效果,在维持矿井总进风量基本不变的情况下，矿井主通风机静压由调整前的2155Pa降为1791Pa，下降了16.9，九采区总进风由原来的2981m3/min增加至4312m3/min，实现了降低矿井通风总阻力和增加二水平南翼九、十一采区准备时供风要求的目的。2004年10月8日矿井主通风机静压实际下降了26.9%。,主通风机性能通风能力核定,通过上述措施后，九、十一采区的总进风由原来的2981m3/min增加至4312m3/min。为了满足实际需要(6000m3/min)，应从提高主通风机性能考虑。通风网络模拟结果表明，主通风机在+10条件下运行时，九、十一采区风量可满足需要。此时工况为：,主通风机性能通风能力核定,通过与上海鼓风机厂技术人员的核实，通过提高中央风机配套电机的能力(1600kW)，中央风机(GAF26.6-15.84-1)可以在+10条件下稳定运行2005年更换大能力电机(1600kW)，更换后主通风机在叶片角+10条件下安全运行，提高了主通风机的供风能力。通过井下关键地段降阻(措施A、B、C)和提高主通风机的能力，2005年8月九、十一采区的风量达7200m3/min，解决了九、十一采区的开采需风量大于6000m3/min问题。2008年，南翼九采、十一采并联进风下山贯通后,实测九采、十一采的供风量达8700m3/min。,长距离通风保障问题,济二矿九、十一采区通风能力问题解决后，南边界十三、十五采区又面临新的问题。十三、十五采区原设计由边界南副井和南风井担负，现南井已不施工，如何保障边界采区十三、十五采区的长距离通风安全？采取上述类似的研究思路，经过通风网络模拟，研究辅扇增加与否的通风效果可行性。,长距离通风保障研究,济宁二号煤矿通风系统基础网络测点布置分布图,长距离通风保障研究,长距离通风保障研究,济宁二号煤矿通风系统十三、十五采区模拟网络图(未增加辅扇时),长距离通风保障研究,济宁二号煤矿通风系统十三、十五采区模拟网络图(增加辅扇时),长距离通风保障研究,新庄孜矿风机切换或关闭通风模拟研究,案例三,矿井概况,新庄孜煤矿坐落在淮南市南部八公山区，新庄孜煤矿自1947年5月建矿以来，多次改扩建，已成为核定生产能力为300万吨的大型矿井(2006年通风能力核定为330.36万吨)。新庄孜煤矿是多井筒、多水平、多煤层开采的大型矿井，六个进风井，即三号主斜井、新八号井、八号井、三号交通井、三号副井和新五号井，三个回风井，即大二号回风井、毕五号风井和钱湖风井。,矿井概况,新庄孜矿目前是“三进三回”的通风格局，“三进”指的是：新八号井工广进风系统、毕井工广进风系统、毕五号进风系统；“三回”指的是：大二号回风系统，钱湖回风系统，毕五号回风系统。各系统的风机运行工况如下：大二号系统安装两台同等能力的GAF25-16-1型轴流式风机，配套电机型号为Y560-6，额定功率1250KW，回风量8800m3/min，负压3645Pa（372mmH2O）；主要服务矿井一、三采区、四水平部分硐室及二采区部分用风。毕五号风井安装两台同等能力的GAF-28-15.8型轴流风机，配套电机型号为：YR2000-6/1430，额定功率2000KW，回风量为12156m3/min，负压4000Pa（410mmH2O）；主要服务矿井六、八采区。钱湖系统安装的是两台同等能力的2K60-28轴流风机，配套电机型号T800-10/1180，额定功率800KW，回风量为6250m3/min，负压2600Pa（270mmH2O）；主要服务矿井二、四采区以及五水平部分开拓巷道用风。,研究背景,钱湖系统主通风机为2K60-28轴流风机，风机使用时间超过20年，风机腐蚀严重，风机叶片由于锈蚀而不能调节，风机的供风能力已不能提高。同时，由于风机性能显著下降，近期曾多次出现风机喘振现象，必须采取有效的方法，确保矿井的通风系统稳定和矿井安全生产。根据淮南矿业集团的高定位技改计划安排，在井田中央的新淮工广系统新建一副井(进风井)和风井(回风井)。至2007年9月，新淮工广系统的副井(进风井)和风井(回风井)现已基本具备投入运行条件。新淮工广风井安装丹麦豪顿公司生产的ANN-3800/2000N型轴流式风机。52采区是目前新庄孜煤矿的主力采区，采区的回风主要由钱湖通风系统担负。按高定位技改计划，新淮工广系统投入运行后，需进行矿井通风系统调整，52采区的进风主要由新淮工广副井承担，回风主要由新淮回风系统担负，报废原有的钱湖通风系统。,钱湖通风系统阻力测定结果,新庄孜矿为混合式通风方法，矿井采用多水平多采区煤层群开采，矿井通风系统较复杂。新庄孜矿钱湖通风系统相对简单，实测钱湖系统总阻力2460Pa，进风段通风阻力1071Pa，其主要原因是主要进风巷道（八号井、暗立井和54主进风石门等）为矿井总进风巷，井巷过风量大，同时进风路线长，所以进风段通风阻力大；而钱湖回井的总回风量只有6000m3/min，钱湖系统的用风量不大，因此表现出用风段和回风段阻力不大。这也是多风井混合通风共用进风系统矿