矿用对射式风速风向传感器设计

针对目前风速传感器启动风速高、设计方案复杂、无法准确测量巷道整个断面平均风速的问题,基于超声波对射式测风原理,设计了以STM32为核心的矿用对射式风速风向传感器,介绍了传感器总体结构、收发电路设计、滤波算法及软件流程。该传感器改变了以点带面的测风方式,通过大距离(5~12 m)超声测风技术测量巷道中线风速,以该风速代表整个巷道的平均风速,提高了巷道风速测量的准确性和实时性。依据设计方案研发了测试样机,在环形风洞中的测试结果表明,该传感器测量值与风速标准值在0.1~15 m/s内具有较好的一致性,测量误差小于0.1 m/s,能够满足智能化矿井对巷道风速测量精度的要求。

煤矿侧卷式风门的研究及其对巷道风量的影响

以山西A矿侧卷式风门为例,基于不同工况条件下煤矿侧卷式风门对巷道风量的影响,介绍了1种分析方法。该方法将风门规格尺寸、材料特性等参数录入到ANSYS软件(有限元分析软件)中,由该软件自动构建出风门的有限元模型,然后根据煤矿井下作业的实际情况,分别设计出不同的风门风速,以此为基础,分别模拟不同工况条件下巷道内风量的变化情况及阻力变化情况,并对其进行分析,方便准确调节风门。通过验证,该方法具有一定的应用价值。

基于GA-BP神经网络的巷道平均风速单点测试研究

为了快速准确获取巷道平均风速,采用计算流体力学(CFD)方法对实际巷道风流进行数值模拟,并基于速度场结构近似恒定理论,将矩形巷道断面的宽度、高度、壁面粗糙度、监测点位置及监测点风速作为输入参数,提出1种基于GA-BP神经网络的巷道平均风速单点测试模型。研究结果表明:该模型具有良好的预测性能,利用巷道断面内任意点传感器风速值,可以快速准确地预测巷道断面平均风速,且相对误差达到2%以下。采用Levenberg-Marquardt算法训练的GA-BP神经网络模型预测精度较高,其MAPE,RMSE和R^(2)分别为0.68%,0.04和0.99。研究结果可为矿井通风智能监测系统建设提供参考。

矿井瓦斯抽采效果影响因素研究

为进一步提升煤矿生产的安全性,对影响工作面瓦斯抽采效果的因素开展系列研究。对胡家河煤矿的生产情况和抽采系统的现状及能力进行分析;结合理论计算公式对煤矿的瓦斯涌出量进行预测;对所采用的高抽巷瓦斯抽采技术对应的不同参数对瓦斯抽采效果的影响进行对比仿真分析。

巷道障碍物对风速监测位置的影响研究

现有高精度风速传感器在井下的安装位置统一采用正常风流流动状况下的方案,未综合考虑巷道放置障碍物等导致风流异常的情况,达不到智能通风的风速精度要求,难以实现矿井的安全生产。针对上述问题,以小纪汗煤矿11218回风巷为研究对象,对井下巷道中障碍物不同位置与不同尺寸对风速的影响展开研究,结合现场实测巷道基础参数与Fluent软件构建贴合该矿特征的巷道模型,研究了距上游端口10 m处底板放置的障碍物与两帮的距离(简称间距L)及其形状大小、放置方式等因素对巷道风速监测位置的影响。①定量分析结果发现:各模型于断面直角处存在微小部分的合理风速区域,其面积在L=0.5 m时最大,L=1 m时次之,L=0时最小;随着间距L的增加,风速传感器最佳布设位置随x坐标(巷道走向)的增加呈均匀分布−截面直角处微量分布−空心圆角矩形分布的规律,且合理风流向两帮扩散更快;L=0时,顶板位置中垂线的合理风流分布在2.59~2.78 m处;L=0.5 m时,顶板位置中垂线的合理风流分布在2.59~2.80 m处;L=1 m时,顶板位置中垂线的合理风流分布在2.61~2.78 m处。②定性分析结果表明:放置障碍物巷道的平均风速均呈增大−减小−增大−平衡的状态;障碍物竖放或宽度增加对风流影响较大;障碍物体积相同,风速峰值大致相同;风流发展稳定时,L=0.5 m时风速可靠性最高,L=1 m时次之,L=0时可靠性相对最低。③通过风速普适性分析得出:在同模型下,不同风速变化率均处于上升−下降−再上升−平衡的4个阶段;在模型2、间距L=0.5 m条件下,对回风巷风流运移规律影响较小的结论具有风速普适性。

风速对浅埋近距离煤层上覆采空区氧化带分布的影响研究

以苏家沟煤矿浅埋近距离煤层采空区的特点为例,建立贯通型裂缝连通地表和上覆采空区的三维模型。基于ANSYS FLUENT模拟软件对采空区不同风速条件下的氧气浓度分布进行研究,结果表明:随着进风巷风速的增加,采空区距工作面0~20 m内的氧气浓度呈现持续增加的规律,采空区深部的氧气浓度则呈现先增大后减小的趋势;当风速为3 m/s时,氧化带分布范围最广,上覆采空区的氧化带主要集中在工作面附近及回风侧裂隙所在位置。研究结果为同类型煤矿采空区自燃防护措施的合理分布提供参考。

基于压电微悬臂梁的煤矿巷道风速检测仿真研究

为了验证压电微悬臂梁检测煤矿巷道风速的可行性,提出利用仿真软件建立流固耦合及压电效应多物理场仿真模型进行模拟分析的方法。该方法通过固定风速检测通道和压电微悬臂梁尺寸及其相对位置,由小到大改变检测通道入口风速大小,风使压电微悬臂梁受力,产生电势变化,通过检测该电势实现对风速的模拟检测。仿真结果表明,风速增大,压电微悬臂梁同一电势监测点的电势也增大,二者线性相关,线性相关系数约为0.9994。

基于FDS的矿井胶带运输巷火灾数值模拟研究

为了研究矿井火灾蔓延规律的变化,以柳湾煤矿61122工作面为研究对象,借助FDS软件构建矿井运输巷火灾模型进行数值模拟研究。结果表明:当风速增加时,火灾烟气的逆流现象逐渐降低,火源附近的温度逐渐递减。

双声道矿用巷道风速仪的设计分析

煤矿事故不仅会影响正常生产,还会造成巨大的生命财产损失和恶劣的社会影响,因此有效减少煤矿事故是有关工作者人员必须肩负的责任。基于此,设计一款双声道矿用巷道风速仪,用于监测宽度较大巷道内的风流速度,以期有效解决煤矿中低风速巷道风速的测量问题。通过对风速进行监测,并结合其他预警措施,达到减少矿井灾害的目的。

矿井巷道风流平均风速分布规律的试验与模拟研究

为探究巷道断面平均风速分布规律,准确测定风速大小,利用激光多普勒测速仪(LDA)进行测试试验,并通过Fluent数值模拟方法研究矩形、半圆拱和梯形巷道断面的风速分布特征。试验表明,风流质点速度呈湍流随机脉动特性,但服从正态分布。就瞬时风速而言,巷道断面平均风速分布环状曲线为不规则波浪形式;Fluent模拟表明,巷道风流充分发展的断面上的平均风速分布与通风风速大小无关,仅与巷道断面形状有关。基于统计平均的试验结果与Fluent数值模拟结果吻合较好,进一步说明,可以在巷道断面平均风速分布点位布置测点,考虑风流脉动影响,将该测点风流各态遍历周期内的速度统计均值作为巷道断面平均风速,无需系数校正。

突扩巷道流场风流分布特征的PIV实验研究

针对传统接触式瞬时速度测量方法的局限性,采用非接触测量技术粒子图像测速仪(PIV)获得了突扩巷道流场纵向截面风流分布特征。实验表明:瞬态风流分布"瞬息万变",而时均流场中,突扩前平直巷道时均速度流线基本呈平滑直线,突扩后上下隅角有大涡存在,但呈现不对称分布,并且涡流区内风流方向极不稳定,且风速值相对于主流风速很低,约在-0.6~0.6 m/s之间波动,表明在煤矿井下测风时可以有条件地忽略涡流区;受突扩大涡湍流脉动影响,风流在距离突扩界面150 mm处开始呈现上扬趋势,突扩断面纵对称轴上风速分布峰值拐点发生了震荡性偏移;当下隅角回流区结束后,风速分布峰值拐点渐渐下移并逐渐呈现对称趋势,回流区内断面风速整体呈现出"Ω"型分布形式。为井下更为复杂的风流湍流流动研究提供了实验理论基础。

煤矿井下不同粗糙度巷道内风速分布的风洞模拟

针对井下巷道壁面附近的低风速区域进行了实验室模拟风洞试验研究,通过实验室风洞模拟试验得出了在不同壁面粗糙度及不同风速作用下巷道壁附近的低风速区域分布。结果表明,壁面附近低风速区域的厚度随着巷道壁粗糙度的增大而增大,并且巷道风速越低其低风速区域厚度越大。为了有效防止因低风速区域过大而引起的有毒有害物质积聚,可采用增加风速或者修筑更加光滑的巷道壁面等措施。

突扩巷道模型风流态的LDA与PIV联合测试

针对传统的接触式瞬时速度测量方法的局限性,采用非接触测量技术激光多普勒测速仪(LDA)及粒子成像测速仪(PIV)对平直巷道及断面突扩后风流状态进行试验测试。在巷道试验模型条件下,PIV技术可以瞬时获得巷道突扩流场信息,平直巷道速度流线基本呈平滑直线,突扩隅角有大涡存在,并且涡流区测风方向极不稳定,而且风速很低,风速平均值在0.1~0.2 m/s波动,表明在煤矿井下测风时可以有条件地忽略涡流区。LDA技术测试得到巷道断面各点统计平均流速,由于受突扩涡流及二次流的影响,平直巷道断面风速从壁面以跃迁方式"突变"达到均值,断面风速分布呈近似均等的动态波浪线分布而非准抛物线型分布。结果表明,LDA与PIV测量技术联合应用可以测试以湍流为特征的巷道流场风流变化情况。

矿井通风风量测量及误差补偿的仿真研究

为解决风速法测风量时因搭建支架使巷道内风流发生变化,造成较大测量误差,影响对矿井通风安全评价的准确性问题,以拱形巷道为例,首先用改进的切贝切夫横向型线方法确定测风点及传感器安装位置;然后,建立巷道仿真模型,通过仿真分析支架对风流分布的影响,得到测风断面处风速分布云图、测试线上的速度散点图及测风点风速值,并采用曲线拟合法由仿真数据得到风速误差补偿方程,以此修正风量测量值;最后,通过试验验证仿真分析结果和误差补偿方程。研究表明：搭建支架使各测点风速值增大,风量相对误差达到6.5%~6.8%,通过误差补偿后下降至0.5%~0.6%。

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%。

掘进巷道通风降温试验及数值模拟研究

通过对夏甸金矿-652 m水平掘进巷道进行通风降温试验,运用Comsol对试验巷道进行模拟,研究通风过程中掘进巷道内速度与温度的变化规律。研究结果表明,局部通风在30 min内即可达到较好的降温效果。通风前巷内气温超过28℃且分布紊乱,通风后巷内气温降至28℃以下,巷内流场和温度场也变稳定了;Comsol模拟局部通风时,掘进巷内距掌子面越近,温度越低,风速越高,降温效果越明显;受岩壁热交换及摩擦阻力的影响,同一巷道断面温度呈四周高中间低分布,风速呈四周低中间高分布。对比模拟与实测验证了Comsol模拟结果的准确性,为通风降温现场实际应用提供依据。

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。

基于FDS的矿井巷道火灾烟气致灾的数值模拟

巷道火灾时期,烟气流动受各种因素影响复杂多变,为研究火灾期间烟气扩散规律及致灾特性,基于FDS对"L"型巷道进行数值模拟,同时参考《煤矿安全规程》规定风速,重点模拟1.92 MW和2.7 MW火源功率下,0.25~2.1 m/s风速内巷道火灾烟气蔓延和温度分布变化情况。结果表明:火源功率和风速对烟气扩散影响较大,下风侧排烟速度与火源热释放速率值和风速正相关。由于存在临界风速,热释放速率与上风侧烟流滚退存在差异性关系。风速过低时,上风侧烟气扩散速度取决于大火源功率;当风速提高到临界风速,火源功率对烟气逆流速度与距离影响减小甚至消失。巷道温度受火源功率和风速影响变化一致,温度自巷道火区向两侧递减,但大火源功率巷道温度整体高于低火源功率。

超声波时差法检测技术在煤矿风速测量中的应用

针对在煤矿高湿、高粉尘复杂环境下,现有矿用风速检测技术难以高精度测量低风速的情况,为实现对煤矿巷道风速0~0.3 m/s区间的高精度测量,克服传感器安装角度对风速测量精度的影响,提出将超声波时差法测风原理应用于煤矿风速测量的新方案。介绍了一种新型超声波传输时间精密测量算法,并优化了超声波立面对射探头结构和低功耗驱动方法。实验结果表明:该超声波时差法检测系统实现了对煤矿风速0~15.0 m/s的高精度测量,能够较好地满足煤矿使用要求,具有良好的经济效益。

不同风速下巷道断面微细粉尘分布模拟试验研究

为降低微细粉尘危害,实现作业场所内的有效控尘、防尘,在矩形、拱形模拟巷道内采用网格布点法布置测点,调整风机风速法进行试验,并运用Gambit建模、Fluent开展数值模拟分析。结果表明：当尘源以10 mg/s的速率喷尘时,尘粒自由弥散,巷道中轴线处粉尘浓度小于壁面边缘处;当调节风速为1 m/s时,中轴线处与壁面边缘处浓度基本相等;当尘粒自由弥散时巷道壁的黏滞作用对粉尘扩散和分布起主导作用,且风速是影响微细粉尘悬浮状态的主要因素;降低巷道内微细粉尘浓度的方法主要包括合理设计环境风速和提高巷道壁面光滑性,减小壁面对微细粉尘的黏滞作用。