煤矿通风巷道断面风速测定与变化规律研究

借助普朗特混合长理论和布辛涅斯克理论对巷道风速场分布规律进行理论分析,得出巷道风流湍流形态下的风速场对数分布公式。利用CFD15超声波测风仪对古城煤矿井下巷道风速进行测试,结果表明:在巷道近似的定常风流运动中,瞬时风速大小表现出典型的脉动特征,平均脉动幅度最高可达到平均风速的67%;用对数分布公式能够比较理想地描述巷道断面风速场的变化规律,1306回风巷测风站试验结果与对数函数相关性高达96%。     

基于混合长度理论的巷道风速场规律研究

为研究巷道断面风流风速分布规律,准确测定风速大小,根据普朗特混合长度理论建立的粘性应力 与速度梯度关系与湍流运动基本方程式相结合,运用量纲分析法,分析平均风速与巷道断面任一点风速的关系,并 在实验巷道和井下进行现场实测,得出巷道风流风速分布规律。结果表明,巷道断面任一点风速与平均风速比和 实测点位置存在一种线性关系。针对煤矿井下巷道断面风速分布进行研究可以为准确计算巷道风量及平均风速 提供参考,并为风速传感器布置提出指导意见。     

巷道边壁支护方式下风流场流速分布特征的PIV实验研究

为了分析边壁支护方式对巷道风流场流速分布的影响,采用粒子图像测速仪（PIV）瞬 态流场测试技 术,得到了不同风速、不同间距边壁支护的矩形巷道流场时均风速分布。实验表明,风流经过 支护位置后形成一定 长度的湍流回流区域,2 种布置间距下入口风速变化未对形成的回流区长度及涡心位置产生影 响;间距加大后形 成的涡流再附着点长度与 Re 无关;整个涡流区域风速值较小且流向不稳定,但未对主流风速 流向产生较大影响, 井下实际布置测风点位时可有条件地忽略局部构件产生的湍流涡流区。研究表明,PIV 作为一 种非接触式速度测 量技术,可为研究复杂矿井通风巷道中的风流场湍流特性提供有效的实验解决方案。     

无外部扰动的均直巷道风速和风压测不准机理实验研究

井下风速和风压的波动通常被认为是由外部扰动引起的,但是,即使在实验室条件下对可能的外部扰动给予充分的控制,风速和风压的示值仍始终呈现不规则的波动,即测不准现象。对此,从湍流角度出发对这一现象的产生机理进行了研究。利用激光多普勒测速仪和数字式微压差计测量了中低风速下巷道模型风速和静压的时间序列。结果显示,在无外部扰动的均直光滑巷道内,风速和压力依然存在波动,其大小和方向均发生剧烈变化,总体上呈现出在一平均值附近的随机脉动;当平均风速和平均压力分别为2.57 m/s和17.1 Pa时,风速和压力的最大脉动幅度分别达到了1.19 m/s和4.9 Pa。风速和压力的脉动信号服从正态分布,平均脉动幅度分别与速度和速度平方成正比,但测不准现象与风速大小关系不大仅受湍流强度影响。实验表明,即使在无外部扰动的条件下,井下风速和风压也是测不准的,测不准的本质是井下湍流随机脉动特性所致。而湍流具有规则的统计平均结果,是可以精准测量的。为了获得井下风流的精准参数,风速及风压等测试仪器应基于湍流的统计平均特性来设计研发。     

突扩巷道流场回流区边界PIV实验与数值模拟

为探究突扩巷道断面风速分布规律,准确确定流场回流区边界,利用粒子图像测速仪(PIV)对矩形均直突扩巷道流场进行测试,并对不同突扩比和不同入口风速条件下突扩流场进行数值模拟。研究结果表明:风流经过突扩巷道后流线由平滑直线发生突变,在突扩位置后上下隅角形成回流旋涡区,回流区域负值风速的存在使得回流区内速度分布呈现"Ω"型,随着距离的增加速度分布逐渐趋于稳定并呈"∩"型,断面风速由"Ω"型分布向"∩"型分布的过渡位置即为突扩巷道流场回流区边界位置;在风速0.1~2.5 m/s内,回流区边界位置随着风速的增大有较大变化,而在风速2.5~25.0 m/s内,回流区位置随风速的增大变化较小;当风速一定时,回流区边界位置随着突扩比的增大而距突扩过渡面越远,即回流区越长。     

矿井火灾对巷道瓦斯积聚影响的研究

通过分析矿井火灾所产生的浮力和节流效应的产生机理和特点,进行了巷道火灾对井下风流状态影响的研究。认为火灾所引起的风流状态的变化对井下直接源瓦斯涌出影响不明显,但对诸如采空区等间接源瓦斯涌出影响明显。对于水平巷道、上行通风巷道和下行通风巷道内发生的火灾,其对风流状态变化的影响各异,所以这对与之相连的角联巷、并联巷和串联巷内瓦斯运移积聚的影响不尽相同。     

脉冲通风时巷道断面风速分布规律的分析

根据振荡流体力学理论，在一般湍流通风时井巷断面风速分布规律的基础上，分析探讨了脉冲通风时巷道断面上的风速分布规律，从理论上进一步证实了脉冲通风会增强风流中湍流强度效应。     

不同因素下煤矿巷道断面风速分布规律研究

巷道通风的智能化控制是实现矿井高效生产的重要保证,为了实现智能通风,其关键技术之一是巷道风速的快速有效获取.基于计算流体力学(CFD)基本原理,通过对巷道在不同条件下的断面位置、入口风速、巷道高宽比、粗糙度进行模拟,定量分析确定了不同条件下的巷道风速分布规律,研究发现:断面位置、入口风速、巷道高宽比、粗糙度对巷道的风速分布等值线轮廓没有影响;巷道风速在未充分发展之前,断面位置距巷道入口越近,平均风速的位置距离巷道顶端越远;风流充分发展后,入口风速不影响巷道平均风速位置;巷道高宽比与平均风速可通过定性函数表示;粗糙度越大,平均风速的位置距离巷道顶端越远.研究成果有助于巷道平均风速定点测量,为井下巷道利用风速传感器实时监测巷道风量提供了有力保障.     

巷道断面风速分布特征井下试验研究

为研究井下巷道断面风速分布规律,根据流体力学圆管湍流理论对井下巷道平行中心线上的风速分布规律进行了理论分析,并对该风速分布是否适用对数分布规律进行了假设,通过古城矿井下线风速的测量试验对该假设进行了验证,并进一步进行了巷道全断面布点风速测量试验与研究。研究结果表明：井下平行巷道中心线上的风速呈对数分布规律,并受壁面粗糙度影响,壁面粗糙度越大,风速分布越偏离对数分布规律,反之,对数分布规律性增强。矩形、半圆拱形、梯形巷道断面均存在闭合风速等值线,其形状与巷道断面轮廓线近似平行,巷道风速三维分布整体空间形状像对数抛物体,其“底座”与巷道形状相关。     

巷道火灾时期流场及瓦斯浓度变化规律数值模拟研究

为了合理控制巷道入口风速,减少火灾的发生并降低灾害造成的损失,利用Fluent数值模拟软件对某煤矿巷道发生火灾时的流场进行数值模拟研究,探讨了不同的入口风速对火灾的速度场、温度场以及对瓦斯涌出分布的影响。结果表明:入口风速越大,对巷道内风流分布的影响越小,火焰区域速度最低,速度的纵向分布呈现出"圆弧层状"降低分布,并且圆弧顶部不同程度向下凹陷;火灾会引起巷道内瓦斯浓度增大,风速低时瓦斯最高浓度可达到瓦斯爆炸下限,造成瓦斯爆炸;风速的变化,会使"烟流滚退"的距离有较大的改变,且风速越大,巷道内排烟效果越显著。通过分析模拟结果发现,合理控制巷道入口风速对防止瓦斯爆炸和灾后巷道内烟气排放有显著作用。     

综掘工作面不同截割方式下的最佳风场调控规则

针对目前综掘工作面局部通风方式下,出风口风流状态不能根据实际通风需求进行动态变化,造成巷道内粉尘与瓦斯聚集严重问题,通过最佳风场调控规则分析,以求有效降低粉尘质量浓度和瓦斯体积分数。采用正交试验及流场模拟实验方法分析不同截割方式下风流参数变化对风速、瓦斯及粉尘场分布影响规律,获取大量样本数据,建立风场调控参数与风速、瓦斯及粉尘质量浓度关联关系的初始化决策信息系统,并对其进行K-means算法离散化合并规约处理,建立离散化决策信息系统。基于粒计算和Matlab软件编写了风场调控规则获取的智能算法和参数化程序。利用风场调控规则获取方法和参数化程序分析并建立了陕西神木柠条塔矿S1212胶运巷道综掘工作面的最佳风场调控规则,并利用自主研制的风流调控装置进行了井下测试验证。结果表明:经使用最佳风场调控规则后,巷道内风速在0.25~4.00 m/s及死角区域瓦斯体积分数低于1%的前提下,出风口距掘进工作面最近距离5 m时,回风侧粉尘质量浓度最高降低43%,司机处粉尘质量浓度最高降低38%;出风口距掘进工作面最远距离10 m时,回风侧粉尘质量浓度最高降低15%,司机处粉尘质量浓度最高降低37%。     

巷道断面风流分布规律试验研究

为研究巷道风流分布规律,并依此为井巷风量精确测定提供指导,利用自行改造设计的试验系统对圆形巷道断面风流分布规律进行研究,结果显示同一巷道断面风速变化趋势与风速无关,风速沿巷道中心线至巷道壁呈现逐渐减小的趋势,且巷道风流在靠近边壁约20%距离处存在风速骤降区,实际风速测定时应考虑此区域对风量测定的影响,同时利用曲线拟合的方式对巷道风流分布进行进一步分析,该拟合具有较高可信度,可依此计算巷道断面任一点的风速值。     

巷道火灾火焰局部阻力模型构建及参数识别

针对巷道火灾绕火源火焰的局部阻力计算及阻力系数的确定问题,建立按火焰断面积来计算的模型,其中的火焰局部阻力系数是火焰截断面积的函数,指出火焰面积是在特定巷道火灾条件下火源燃烧强度与风流速度相互作用的结果,确定阻力系数值必须考虑到巷道风流对火焰的压制作用。分析火焰局部阻力与风流速度、火源燃烧强度的关系,即随着火源燃烧强度的增大,火焰面积和局部阻力增大,风速降低,出现所谓的节流现象。当风速等于富氧燃烧临界风速时,火源燃烧充分,火焰面积和火焰局部阻力最大;当风速小于该临界风速时,火源燃烧减弱,火焰面积和局部阻力变小;当风速过大时,风流压缩火焰,火焰截断面积和火焰局部阻力减小,火焰局部阻力在风速中低时为最大。上述变化规律与点火源和线火源两组经典的实验结果相吻合;依据实验数据拟合确定出模型的参数,依火源强度不同,最大火焰面积系数取值一般在0.285~0.410。     

胶带输送巷道粉尘分布及其影响因素的实验研究

根据相似原理,结合气固两相流的运动方程,导出了模拟胶带输送巷道粉尘运动的相似准则数,以西石门铁矿11/96胶带斜井为原型,建立了胶带输送巷道相似模型,并对粉尘分布进行了实验研究。研究结果表明：巷道模型内粉尘浓度沿程先逐步上升至一个最大值,后逐步缓慢降低。巷道风流方向、巷道平均风速、胶带运行速度、矿石含水率、放料速度及放料高度等是影响胶带输送巷道粉尘浓度分布的6个主要因素。巷道平均风速越大,带式输送机顺风运行且运行速度越小,粉尘浓度越低;矿石含水率越高,粉尘浓度越低,且矿石含水率达到3.09%后,粉尘浓度基本不再降低;放料速度越快,放料高度越高,粉尘浓度越大。     

通风换气对煤矿井下电缆巷火灾影响分析

为研究不同通风换气次数对煤矿井下电缆巷火灾的影响,基于FDS火灾模拟软件建立了某电缆巷全尺寸模型进行火灾模拟.模拟共设置四种通风换气次数工况,通过数值方法求解热驱动的低流速N-S方程得到了各工况下的电缆巷火灾烟气分布云图、空气浓度分布云图及火源点顶棚温度变化,确定了逆风侧最远通风距离与通风换气次数的关系式,并计算得到火...     

掘进机外气动涡旋雾幕控尘装置的研制与实验

为有效控制由掘进机截割头旋转破碎引发的粉尘污染,基于高压喷雾在涡旋气体射流场中的运动规律及二次雾化破碎特性,研制了一种可以阻隔工作区域高质量浓度粉尘迁移扩散的新型掘进机外气动涡旋雾幕控尘装置。绘制了包含掘进系统的气动涡旋雾幕控尘装置的比例模型,并通过利用CFD数值模拟软件获得该型设备外部风流场迁移规律和液滴粒子运动规律,以模拟结果为理论基础建立实验平台,并对设备的雾化性能及控尘性能进行了实验测定。模拟结果表明:在环状风筒前端形成了完整旋转风幕,外环高压喷雾受内环高速旋转风流冲击,加剧了液滴的破碎、迁移扩散与捕尘性能。雾化性能实验结果表明:该型设备雾化性能主要由气体射流与高压喷雾的相间速度差决定,喷雾夹角为45°～75°,相间速度差较大,气相射流风速对雾化性能影响占主导地位;喷雾夹角大于75°时,相间干涉减小,喷雾压力占主导地位;随着沿流向方向的距离增大,风速快速衰减,液滴运动趋于稳定。控尘性能实验研究结果表明:当喷雾压力、喷雾夹角不变的情况下,单独提高引射射流风速时,涡旋雾幕前方粉尘捕集较差,全尘和呼尘平均捕集率分别为21.21%和26.24%;而雾幕后方,不同风速下的全尘捕集率分别为84.98%,87.88%和90.70%,呼吸性粉尘捕集率为83.89%,87.87%和88.71%,照比传统高压喷雾表现出更好的控尘性能。     

综掘面尘源动态变化下粉尘场优化的风流调控研究

针对综掘面风流状态不能实时动态变化及粉尘源位置不断移动导致巷道粉尘聚集严重等问题,设计了风流调控下粉尘场模拟的正交试验方案,采用FLUENT软件模拟分析了尘源动态变化下风流调控参数对粉尘浓度分布影响规律,并运用极差分析法分析了风筒出风口口径、水平偏转角度、垂直偏转角度三个影响因素的显著性,确定了粉尘场优化分布的风流调控方案。对柠条塔矿S1212胶运巷道出风口距迎头5m和10m时的风流调控进行实际测试得出：回风侧行人呼吸带高度平均粉尘浓度分别降低33.4%和34.3%,掘进司机处粉尘浓度分别降低45.3%和40.4%,结果表明,根据实际需求建立出风口风流调控方案,对出风口风流状态进行调控可以优化粉尘场分布,降低粉尘浓度,改善通风环境。     

矿井火灾应急救援系统的数值模拟及应用研究

为了应对矿井主进风巷道火灾造成的灾难,研究进风巷胶带及电器电缆火灾发生后烟流在通风系统中的扩散运动,建立矿井火灾应急救援系统,通过预设多组可远程监控的风门,在两主进风巷联络巷之间设立常开风门,进回风巷联络巷之间设立闭锁风门;灾变时通过远程控制常开风门关闭,闭锁风门打开,阻止烟流进入采区人员集中的地点而将其导入回风巷.建立数学物理模型,利用火灾动态模拟软件FDS进行数值模拟,对比启动应急救援系统前后的火灾烟流运动路径变化;模拟点火源与线火源条件下,火灾蔓延、烟流运动及温度分布规律,以指导地面对井下烟流的监测与控制,证明应急救援系统的实用性和可行性。     

卸矿站粉尘浓度影响因素的数值模拟研究

为了掌握卸矿站卸矿时卸矿量、巷道风速、矿石粒径和壁面条件对巷道内粉尘浓度的影响,以国内某矿山2号卸矿站为研究对象,运用ANSYS软件对该卸矿站建模、模拟,研究巷道粉尘浓度与卸矿量、巷道风速、矿石粒径和壁面条件之间的关系。研究表明,数值模拟结果与实测结果基本吻合;下风向巷道粉尘浓度大小与卸矿量成正比例关系,与风速、矿石粒径成反比例关系;满足生产条件的情况下,卸矿量5 000 kg/s、巷道风速1.5 m/s时,尽可能增大矿石粒径、定期清扫巷道壁面,可有效降低巷道粉尘浓度。     

综掘面风场液压式智能调控装置研究

针对目前综掘面风筒出风口无法实时调控造成通风效率低、风场分布不合理,粉尘、瓦斯聚集等安全风险剧增问题,研制出能实现四轴调控的液压式风场智能调控装置。根据调研及风场分布特性的分析,确立了装置调控功能参数和装置整体方案,并进行详细设计。通过ANSYS和AMESim软件对调控装置进行仿真分析,验证方案及设计的可行性。通过调控装置井下实测,结果表明:行人呼吸带和司机位置在5 m和10 m两种工况下调控后风速达到规范要求,粉尘的降尘率最高分别达到45.3%和40.4%,装置设计合理,调控效果比较明显。