上隅角瓦斯吹散液压风机的研究

论文摘要

矿井瓦斯是煤矿严重自然灾害的重要根源，不仅能摧毁矿井设施，破坏矿井通风系统，而且还能造成人员窒息，煤流埋人，甚至可能引起瓦斯爆炸和火灾事故。在我国煤矿的重大灾害事故中70％以上是瓦斯事故，因此瓦斯灾害防治不论是过去还是将来一直是煤矿安全工作的重点。随着科学技术的飞速发展，各煤矿都投入了大量的人力和物力防治瓦斯事故的发生。由于上隅角地理位置特殊，一部分瓦斯难以随主风流流走，积聚在上隅角区域，给矿井的安全生产带来了极大的隐患。现有的一些上隅角瓦斯处理措施和设备虽然起到了一定的作用，但是也存在明显的不足，主要表现为以下几种情况：①对上隅角积聚瓦斯的排放还没有实现自动化，人为因素太多。②效率不高。由于位置的狭窄，大型设备无法安装。现有的小型设备虽然能起到一定的作用，但效率很低。③有的设备本身带有电气部分，工作时存在安全隐患。④设备笨重移动困难。在工作过程中，工作面是不断的移动的，上隅角的位置也在发生变化，因此设备必须随之移动。由于设备笨重，移动起来费时、费力。针对现有设备存在的不足之处，课题提出了研制上隅角瓦斯吹散液压风机，用以解决目前上隅角存在的问题。该液压风机由液压支架高压乳化液做为动力源，以PLC为控制系统，实现了自动检测瓦斯浓度和吹散积聚瓦斯的功能。课题对上隅角瓦斯积聚机理及其风流作用下的运移规律做了分析，找到瓦斯运移的边界条件和风机作用下风流流动规律，为液压风机在上隅角的使用奠定了理论基础。课题针对瓦斯自动排放这一目标，结合了传统的液压设计理论、现代控制理论及先进的PLC控制技术，开发研制了新型的自动瓦斯吹散液压风机系统。该液压风机由液压控制系统和电控系统组成，实现了液压风机自动检测和吹散瓦斯的功能。该设备自动化程度高，并能提供较大范围的风量，以适应不同瓦斯浓度的矿井和上隅角瓦斯积聚状况。液压风机采用分离式，工作部分和控制部分分离，使用时工作部分可以悬挂在液压支架上，能随着液压支架移动，大大节省了时间，提高了工作效率。为了得到可靠的使用效果，课题利用先进的计算机软件—Fluent进行了上隅角瓦斯积聚模拟仿真，仿真结果表明无风机时的巷道通风能在上隅角形成涡流，为风机的使用提供了有力的依据。通过比较风机使用前后的仿真结果，证明液压风机的使用能够改变上隅角的风流状况，减小涡流区域，起到吹散积聚瓦斯的作用。叶轮是风机重要组成部分，其性能的好坏直接影响液压风机的作用效果。为此论文从理论方面对液压风机的叶轮做了设计分析，指出液压风机采用的是斜流风机作为工作部件，其叶轮的设计理论不同于离心式和轴流式风机叶轮的设计，可以拓展二者的设计理论用于该设备的风机叶轮的设计。论文还对液压风机的试验性能做了理论分析，为同类工况下风机性能的测试提供了便捷可行的方法。最后通过现场工业性试验，验证了液压风机使用的可行性，为其进一步研究提供了理论和实践依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 概论
• 1.1 课题提出的背景
• 1.2 国内外研究动态
• 1.2.1 国外上隅角瓦斯积聚治理状况
• 1.2.2 我国上隅角瓦斯处理现状
• 1.3 现有上隅角瓦斯处理设施存在的问题
• 1.4 本课题研究的目的和意义
• 1.5 本文研究的主要内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 液压风机吹散瓦斯原理
• 2.1 采煤工作面上隅角瓦斯积聚成因
• 2.2 影响上隅角瓦斯涌出的因素
• 2.2.1 工作面风流方向
• 2.2.2 煤层倾角
• 2.2.3 放炮采煤工序的影响
• 2.2.4 放顶煤
• 2.2.5 采空区瓦斯对上隅角瓦斯积聚的影响
• 2.3 上隅角边界瓦斯分布规律
• 2.4 液压风机工作条件下上隅角瓦斯运移动力学模型
• 2.4.1 液压风机的布置方式
• 2.4.2 工作面风流变化规律
• 2.4.3 上隅角积聚区瓦斯运移动力学方程
• 2.4.4 上隅角积聚区瓦斯运移规律的数值分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 上隅角瓦斯吹散模拟仿真
• 3.1 Fluent软件简介
• 3.1.1 Fluent程序的结构介绍
• 3.1.2 可以求解的问题
• 3.1.3 Fluent的求解方法
• 3.1.4 程序求解问题的步骤
• 3.2 上隅角风流模拟仿真
• 3.2.1 边界条件设置
• 3.2.2 模拟结果及分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 液压风机控制系统设计
• 4.1 液压风机装置组成及工作原理
• 4.2 液压风机液压控制系统设计
• 4.2.1 系统方案的确定
• 4.2.2 液压系统设计
• 4.3 液压风机电控系统设计
• 4.3.1 电控制系统的组成
• 4.3.2 控制系统程序流程设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 液压风机叶轮设计理论
• 5.1 液压风机叶轮设计理论
• 5.1.1 离心式设计理论
• 5.1.2 轴流式设计理论
• 5.2 风机流面理论及计算方法
• 5.2.1 风机流面理论
• 5.2.2 计算方法简介
• 5.3 计算步骤
• 5.3.1 所需输入的参数
• 5.3.2 计算步骤
• 5.4 本章小结
• 第六章 液压风机性能试验
• 6.1 实验室性能试验
• 6.1.1 试验和计算原理
• 6.1.2 试验方法
• 6.1.3 试验修正方法
• 6.1.4 风机正常工作时流量计算
• 6.2 实验室试验结论
• 6.3 工业试验
• 6.4 试验结论
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 进一步工作与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文及参与的科研项目