Characteristic studies of heat sources and performance analysis of free-cooling assisted air conditioning and ventilation systems for working faces of mineral mines

High temperature heat hazard at mineral mine becomes more and more serious as the increase of mining depth.Heat sources at working faces of mineral mines are complex and are of different characteristics,presenting new challenges for air conditioning systems.In this paper,heat sources at four types of working faces are summarized and their characteristics are investigated.Based on this,simplified equations,which are linear with length of working faces,are proposed to calculate heat dissipation rates.So that the main heat sources of different working faces can be found,and cooling load of air conditioning systems can be calculated.Then,considering main heat sources of coal mines,a typical working face is designed to investigate performances of different ventilation systems and air conditioning systems.Simulation results show that segmented ventilation systems(SC)and heat shield assisted centralized ventilation systems(CCHS)can realize much better temperature distributions at working faces.However,cooling load can be greatly reduced for CCHS,when untreated air is supplied to the coal seam side.Based on this,free cooling assisted air conditioning systems are designed,and annual average energy efficiency ratio(EERann)of the systems are investigated and compared between direct evaporate cooling and indirect evaporate cooling(IEC).For SC,as compared with scenarios without free-cooling,IEC can increase EERann by 15%-23%and 22%-32%under Benxi and Datong ambient conditions,respectively.Besides,to ensure high EERann,CCHS is preferred and it is essential to increase thermal insulation of air ducts.

综掘工作面风幕阻尘效果影响因素研究

目前综掘工作面粉尘污染的研究多集中于单一因素对综掘工作面风幕阻尘效果的影响,而未充分考虑各因素间的交互作用,使得压风分流技术的工程应用效果欠佳。为明确附壁风筒径向出风距离、径向出风比及轴向出风距离对风幕阻尘效果的影响,以潘三矿810西翼机巷综掘工作面为研究对象,运用Fluent软件对径向出风距离为10~25 m、径向出风比为0.6~0.9及轴向出风距离为6~12 m条件下的风流分布和粉尘扩散情况进行数值模拟。结果表明:(1)随着径向出风距离增大,径向涡流风幕在巷道内的转变更充分,综掘机司机前端的风流分布越均匀,更有利于形成风速方向均指向工作面的轴向阻尘风幕。当径向出风距离为10 m时,距工作面7 m断面内涡流特性明显,风速方向紊乱;当径向出风距离为25 m时,距工作面7 m断面内,风流分布趋于均匀,风速方向均指向工作面,形成了能够覆盖全断面的轴向阻尘风幕。(2)随着径向出风比增大,整流风筒轴向风流风量减小,轴向风流风速和射流强度降低,轴向风流对综掘工作面前端气流的扰动减弱;径向出风比越大,越有利于形成风流方向指向工作面且能覆盖全断面的轴向阻尘流场,即轴向阻尘风幕。(3)径向涡流风幕的阻尘能力随径向出风比的增大先增强后减弱,轴向阻尘风幕的阻尘能力随径向出风比的增大而不断增强。(4)在采取压风分流风幕阻尘技术后,当压风总量为300 m^(3)/min,吸风量为400 m^(3)/min,附壁风筒径向出风距离为20 m,径向出风比为0.9,整流风筒轴向出风距离为8~10 m时,能很好地将粉尘聚集在吸尘口附近,达到高效控尘除尘的目的。在810西翼机巷综掘工作面进行现场测试,测点风速和粉尘质量浓度实测值与模拟值基本一致,高浓度粉尘被有效阻控于工作面前端,隔尘效果较为明显,验证了数值模拟的有效性。

基于采空区热源的工作面风温变化规律及控制

针对采空区高温热源漏风携热及机电设备影响工作面温度的问题,以济宁二号矿3302工作面为例,采用数值分析方法,建立了工作面物理模型,研究了基于采空区热源下工作面风流温度的变化情况,分析了不同热源位置、供风量对工作面温度场的影响规律,依据附面层理论及模拟云图,确定了最佳挡风帘尺寸。通过现场实测,布置20 m+10 m风帘的阻隔效果最佳,布置后工作面风温降低2.3℃,能够有效防治采空区内高温热源携热漏风。

综放工作面漏风原因分析及治理措施

煤矿矿井漏风一方面可以降低矿井有效风量率,增加无益的电能消耗,另一方面引起采煤工作面采空区遗煤自燃,给矿井安全生产带来隐患。通过采取地面与井下相结合的方法防止综放工作面风量进入采空区,减少漏风通道存在,降低工作面两端头压差、减小工作面配风量,并及时回填地表塌陷区域裂隙,从而减少工作面漏风,保证工作面安全顺利回采。

综掘工作面风水联动除尘系统设计与应用

为改善掘进巷道除尘设备的除尘功率和井下煤矿作业工作环境,设计了风水联动除尘系统。基于掘进工作面现场实际情况,使风水联动除尘系统适用于工作面,并对风水联动除尘系统和该系统中的风水联动除尘器、脱水节和吸尘罩这些关键部件和安装进行设计研究与应用。在实际操作中,当风速超过300 m^(3)/min时,净化空气的能力会达到极佳的水平,其中,全尘净化能力可以达到38.7%~55.4%,呼吸性粉尘净化能力可以达到31.2%~42.9%,从而达到高效的净化除尘效果。

Y型通风工作面流场及瓦斯场分布特征的分区量化

为掌握Y型通风工作面的流场和瓦斯涌出规律特征,依据黎曼积分原理,建立了风流、瓦斯的几何模型和平衡方程。以霍尔辛赫Y型通风工作面为研究对象,提出了流场的分区定量测定方法,研究了Y型通风工作面的风流分配及漏风量的空间特征,进而得到了采面瓦斯涌出量的构成及分布。研究表明:①采面的漏风率平均值为8.31%;采面风流场分为2个区段,工作面前0~100 m为漏风严重区段,需要采取措施减少漏风量;在工作面100~220 m出现反风现象,漏风小且稳定。②工作面的瓦斯涌出来源主要是煤壁及落煤,约占总瓦斯的93.5%,需加强煤层瓦斯预抽,以减少生产时的落煤及煤壁瓦斯涌出。③支架后瓦斯浓度大于采面瓦斯浓度,两者差值为0.044%~0.148%,越靠近回风侧,差距越大,需重点关注回风留巷中的瓦斯浓度,防止瓦斯超限事故发生。

采掘交替工作面通风系统的优化及模拟网络解算

为解决随着工作面深入和采掘工作面数量增加所导致的通风量与需风量不相符的问题,在对煤矿通风阻力测定的基础上分析当前通风系统所面临的的实际问题,并结合现场条件提出了8套优化方案;而后基于通风系统优化网络解算模块对不同优化方案的效果进行模拟分析,得出了在通风容易和困难时期对应的改造方案。

高瓦斯大风量煤巷掘进工作面控除尘参数优化应用研究

为解决高瓦斯大风量煤巷掘进工作面粉尘治理难度大的问题,结合漳村矿某掘进工作面现场通风条件,通过CFD数值模拟,研究该工作面粉尘分布特征及不同控除尘参数下的粉尘分布规律。结果表明,巷道粉尘分布受送风因素影响,前部聚集在供风筒对侧,中部聚集在掘进机左侧,后部粉尘分布呈现左高右低、上高下低;当抽尘风筒布置在距离迎头3 m,两个供风筒出风口分别距离迎头4 m、5 m,抽风降尘效果达到最优。现场实测,应用最佳控除尘参数后全尘除尘效率达到了93%以上,呼吸性粉尘除尘效率达到了90%以上,有效解决了大风量掘进工作面粉尘治理难题。

工作面与采空区漏风交换风量测算方法

针对工作面向采空区漏风问题,提出一种漏风量的测算新方法。分析采空区漏风的风量平衡原理,通过现场实测工作面风速分布,可得到漏风分布类型曲线(由于工作面断面积难于测准,直接计算漏风量误差大),为此,引入实测风速回归曲线的投射面积,作出S-v(x)图,在如采空区瓦斯涌出量、注氮流量和漏风量等外来风量已知的情况下,将外来风量与由外来风量导致的漏回风侧风速投射面积增量之比,得到单位风速投射面积上的漏风量权重Δ,根据漏风量权重Δ计算得到工作面与采空区之间的漏风交换风量。结合九道岭矿E1S6工作面的风速实测,计算得到,注氮量为25 m^3/min时漏风量面积权重为0.087 33 m,由此得到工作面漏出风量为65.5 m^3/min、漏回风量为90.6 m^3/min,该值约占工作面总通风量650 m^3/min的10%～15%,结果符合一般经验值范围。

基于风流及粉尘分布规律的机掘工作面风筒布置

为优化机掘工作面局部通风布置,改善工作面通风及排尘状况,基于气固两相流理论,利用数值模拟的方法分析了机掘工作面压入式、抽出式及长压短抽式3种通风方式下,随着风筒口至工作面距离的变化,工作面风流运动规律及粉尘的分布规律,并确定长压短抽通风方式风筒口合理位置为:压入式风筒口距工作面距离Ly在3.5槡S^5槡S或6槡S^6.5槡S,抽出式风筒口距工作面距离Lc<1.5槡S。确定压入式通风风筒出口至工作面最佳距离约为3槡S,抽出式风筒吸风口至工作面最佳距离约为槡S;确定长压短抽式通风风筒口最佳位置为Ly在6槡S^6.5槡S,Lc≈槡S。模拟结果与前人文献试验结论基本一致,模拟结果可靠。

综放采空区遗煤自燃的三维数值模拟研究

为了模拟研究综放采空区遗煤自燃过程,建立综放采空区遗煤自燃的三维数值模型,并给出相关参数的确定方法。以五龙矿3123综放面为例,进行综放采空区遗煤自燃过程的三维数值模拟研究。结果表明:综放采空区模拟得到的速度场、浓度场、"三带"划分及遗煤升温过程,与现场情况基本相符。综放采空区氧化带形态近似为一倒"7"字形,综放采空区高温区域可以有多处,并且高温点位于底板以上约0.8 m处。通过模拟分析,还得到综放采空区氧化带高度及遗煤升温时间与工作面供风量近似满足指数函数关系。当供风量较小时,氧化带宽度与供风量成正比;当供风量较大时,氧化带宽度不再随供风量发生变化。

应用能位测定法和SF_6示踪技术检测孤岛工作面小煤柱漏风状态

为防止和抑制小煤柱以及采空区煤炭自燃,应用能位测定法和SF6示踪技术研究了谢桥煤矿11煤1222(1)孤岛工作面小煤柱及相邻采空区的漏风状态。通过能位测定研究了谢桥煤矿11煤1222(1)工作面存在的可能漏风路径,在此基础上,利用SF6示踪技术确定了工作面采空区的漏风状况。测定结果表明:1222(1)回风巷段7 m宽小煤柱整体状态较好,漏风情况不明显,漏风主要由1222(1)工作面采空区流向1212(1)工作面采空区。该研究结果可为防止和抑制小煤柱及采空区煤炭自燃提供参考。

机掘工作面旋转射流通风理论探讨

湖南省自然科学基金项目 (基金号 :0 1JJY30 19)。【摘 要】 根据旋转射流理论 ,结合机掘工作面作业特点 ,提出在机掘工作面应用旋转射流通风方法 ,以控制工作面粉尘的扩散 ,阻止掘进机作业时所产生的粉尘进入掘进机司机工作区 ;同时还能防止工作面瓦斯局部积聚 ;通过对旋转射流通风风流结构特点及通风作用机理进行了分析 ,为掘进工作面通风新方法、新技术的研究提供了新的理论及参考依据。

姚桥煤矿通风阻力测定及分析

针对姚桥煤矿通风系统现状,选定12条主要测定线路,采用精密气压计逐点测定法,对其通风系统阻力进行测定,全面掌握了矿井通风系统的阻力分布情况.分析结果表明:姚桥煤矿通风系统阻力分布基本合理,风量能够满足矿井实际生产的需求,矿井通风阻力主要集中在回风段.该阻力测定分析方法对其他矿井阻力测定有着重要要借鉴和指导意义.

机掘工作面旋转射流屏蔽通风最佳送风角度的确定

为了确定最佳的送风角度,采用数值模拟和模型试验,对不同送风角度下机掘工作面旋转射流屏蔽通风流场和粉尘质量浓度分布进行研究。研究结果表明:在其他设计参数确定的情况下,工作面风流流场和粉尘质量浓度分布与送风角度密切相关;当送风角度θ为75°时,旋转射流屏蔽通风流场能在工作面形成完整的屏蔽风幕,且组合风口前方吸气速度和负压沿轴向衰减较其他送风角度吸气速度和负压沿轴向衰减缓慢,组合风口控尘效果最佳,组合风口后方粉尘质量浓度降至24 mg/m3,旋转风幕隔尘效率高达85.9%。

综采工作面双重空气幕隔尘技术数值模拟研究

为提高空气幕隔尘性能,改善采煤机司机主要活动区域作业环境,提出双重空气幕阻止截割粉尘扩散至采煤机司机主要活动区域。利用ICEM进行了建立综采工作面三维几何模型,采用气-固两相流理论建立数学模型,并利用FLUENT软件对空气幕隔尘性能进行了数值模拟研究。模拟结果表明:涡流致使截割粉尘污染人行道;单条空气幕射流发生扭曲,致使截割粉尘透过速度低位区扩散至人行道上方区域;双重空气幕能够削弱外侧空气幕对粉尘的卷吸作用,同时内侧空气幕能够加强涡流并将粉尘限定于涡流区内,说明双重空气幕能够降低粉尘对司机主要活动区域的污染。

综采工作面空气幕隔尘研究及应用

根据流体力学中空气射流理论，分析研究了采用空气幕隔离综采工作面司机处呼吸性粉尘的原理及其方法该空气幕在采煤机司机处与煤壁间形成了一道“无形透明的屏障”，阻隔采煤机截煤过程中粉尘向司机处扩散，应用于现场效果明显，平均隔离呼吸性粉尘效率达８２．３４％，有较大的实用价值和广泛的应用前景图２，表２。

综采工作面旋转风幕隔尘理论及试验研究

为了进一步提高综采工作面空气幕隔尘效率,提出采用新型旋转风幕进行隔尘。根据冲击射流相关理论,推导出了垂帘合理安装位置及垂吊高度。利用旋风分离理论,导出了旋转风幕所能控制的最大粉尘粒径和隔尘效率表达式。借助模型试验,对旋转风幕隔尘下的综采工作面粉尘质量浓度分布及旋转风幕的隔尘效率进行了分析。结果表明:采用旋转风幕隔尘时,空气幕气流在煤壁侧形成一旋转风幕,采煤机滚筒割煤所产生的粉尘在该旋转风幕的卷吸作用下,被控制在煤壁侧,并被工作面风流带走;由于垂帘的阻隔作用,空气幕气流冲击顶板后只能往煤壁方向运动,阻止了空气幕将卷吸进来的粉尘带到采煤司机的工作区,提高了空气幕的隔尘效率;旋转风幕隔尘时,司机侧的粉尘质量浓度较普通空气幕隔尘时进一步降低,其粉尘质量浓度由78 mg/m^3降低至69 mg/m^3,粉尘隔尘效率由81.8%提高至84.2%,提升了2.4%;旋转风幕对呼吸性粉尘的隔尘优势更为明显,司机侧呼吸性粉尘质量浓度由14 mg/m^3降至8 mg/m^3,呼吸性粉尘隔尘效率高达92.6%,较普通空气幕提高了6.5%;旋转风幕对不同粒径粉尘的隔尘效率有差异,随粉尘粒径增加,旋转风幕的隔尘效率不断下降。

并列双U型通风方式采空区瓦斯贮藏与运移规律研究

为了揭示并列双U型通风工作面采空区瓦斯涌出规律并提出有效的瓦斯治理措施,以阳煤集团新景煤矿92116工作面为研究对象,综合考虑了工作面推进速度、进风巷风量、采空区遗煤厚度、回采区域煤可解吸瓦斯量、回采工作面煤壁瓦斯初始涌出速率等实测参数,建立了基于移动坐标系下的采空区瓦斯涌出数学物理模型,数值模拟结果与实测结果之间误差小于15%。结果表明:采空区首个横川巷道瓦斯浓度、回风巷瓦斯浓度、上隅角瓦斯浓度随工作面推进速度增大以朗格缪尔函数形式增长,随进风巷风量增大以指数函数形式减小。针对存在的采空区首个横川瓦斯超限难题,定量分析了采空区第二个横川埋管抽采瓦斯措施的治理效果。

工作面长度与采空区遗煤自燃的关联性分析

为了研究工作面长度与采空区遗煤自燃规律的内在联系,利用理论分析方法对工作面长度与其推进速度及遗煤自然发火期的关系进行了分析,得到了保证遗煤不自燃的最长工作面的确定方法。以九道岭矿和华兴矿某工作面为例,利用数值模拟和相似模拟方法对工作面长度与采空区漏风量及"三带"划分之间的关系进行了研究,得到了工作面长度与采空区漏风量及"三带"宽度的关系表达式。结果表明:工作面长度的确定受多种因素的影响,为了保证遗煤不自燃,工作面长度存在一个上限值,此值可以通过工作面长度与工作推进速度及遗煤自然发火期的关系进行确定;当工作面供风量不随工作面长度变化时,工作面长度与采空区漏风量之间近似满足对数函数关系;当工作面供风量随工作面长度变化时,工作面长度与采空区漏风量之间近似满足"∪"型二次抛物线函数关系,工作面长度与采空区氧化带宽度之间近似满足"∩"型二次抛物线函数关系。