突出高浓瓦斯气体运移扩散及逆流扩展规律研究

发布时间：2020-05-07 05:11

【摘要】：煤矿井下瓦斯动力灾害发生过程中往往伴随有大量的高压、高浓度瓦斯气体,积聚有较高能量的高浓度瓦斯气体在压力场和浓度场的双重作用下快速涌向巷道空间形成瓦斯流。当瓦斯流能量较小时,涌出的瓦斯难以对巷道流场结构产生大的改变,其对巷道流场的影响主要体现在通过对流扩散作用改变流场中瓦斯浓度的时空分布,从而威胁矿井的安全生产;而当瓦斯流能量较大时,涌出瓦斯的动力效应能够对原始的巷道流场结构产生较大,甚至极大的改变,使得原有的风流结构难以为继,此时高浓度瓦斯不仅可以沿回风方向运移,还会向进风巷中逆流扩展,从而扩大瓦斯灾害的影响范围及影响程度。高浓度瓦斯在巷道内运移传播不仅会造成人员的窒息伤亡,还有可能诱发瓦斯爆炸等次生灾害,尤其是当高压瓦斯逆流进入进风巷道时,由于井下人员作业及机电设备布置大多分布在进风巷道中,因而其可能带来的灾害诱发几率更大,威胁程度也更大。因此,理解高压瓦斯涌出后在巷道内的运移扩散规律,掌握高压瓦斯逆流的发生条件及扩展机制,确定高压瓦斯涌出后的有效影响范围,有助于降低次生灾害的发生几率,防止瓦斯灾害的进一步扩大,对于正确地认识灾害的发展过程,有效地制定应急响应机制,合理地安排灾后救援方案等有着重要的理论与实际意义。目前国内外对于瓦斯动力灾害发生过程中高压瓦斯的动态涌出规律的研究仍有所欠缺,对巷道瓦斯运移传播规律的研究也多是基于瞬时点源的随流扩散模型,与实际高压瓦斯涌出过程的时间连续、空间有限分布特征相差甚远。基于此,本文以理论分析为出发点,将高压瓦斯涌出过程简化为高压腔体的开口泄放过程,结合分子热物理学、分子动力学等分析了瓦斯泄放过程中的气体压力、质量流量随时间的变化关系,并探讨了煤体瓦斯解吸对压力泄放过程的影响。在此基础上,利用传质理论推导了瓦斯涌出过程中及涌出停止后巷道中瓦斯浓度时空分布的时间连续源随流扩散模型和空间有限分布的随流扩散模型,并结合瓦斯的动态涌出特征分析了巷道瓦斯逆流的形成条件及逆流扩展规律。为了验证所得理论模型的正确性,设计了巷道高压瓦斯运移传播实验系统,研究了不同泄压膜厚度、泄压口大小、泄压口形状、泄压腔体大小、不同风速等条件下巷道高压瓦斯涌出后的运移扩散及逆流扩展规律,并分析了不同因素对上述规律的影响程度。同时,利用FLUENT数值模拟软件,再现了高压腔体的动态涌出过程及高压瓦斯涌出后在巷道中的运移传播过程,分析了逆流发生过程中巷道内气体压力、浓度的时空变化规律,以及逆流扩展范围的变化规律,验证了前文所得高压瓦斯运移传播及逆流扩展规律的正确性。最后,以峰峰集团小屯矿的炮后瓦斯浓度变化以及新三矿的钻孔瓦斯喷出为实例,进一步验证了前文理论及实验结果的正确性,并提出了相应的工程建议。论文研究成果进一步丰富、完善了矿井瓦斯灾害的防治理论,具有重要的理论与实践意义。本文的主要研究内容及成果如下:(1)得出了高压瓦斯涌出过程中及涌出停止后的随流扩散理论模型井下高压瓦斯的涌出可以看作是一个时间连续的过程,而瓦斯涌出停止后巷道内的浓度分布可以看作是有限空间的连续分布,结合流体传质理论可以推导得出瓦斯涌出过程中及涌出停止后巷道内的浓度时空变化模型。研究表明:瓦斯涌出过程中,巷道中的瓦斯浓度随时空分布满足时间连续源随流扩散模型,也即:(?),瓦斯涌出停止后,巷道中瓦斯浓度的时空分布满足空间有限分布源随流扩散模型,也即:(?)。瓦斯涌出停止后,巷道内瓦斯浓度峰值的时空变化规律满足(?),浓度峰值在x=Ut时取得。瓦斯浓度峰值随运移时间及巷道内瓦斯扩散系数的增大而减小,随瓦斯涌出停止时巷道内瓦斯分布区域长度的增大而增大。(2)建立了巷道瓦斯逆流发生与否判据及逆流扩展范围估算模型结合高压瓦斯的涌出规律,将逆流过程按进风巷瓦斯流动状态的不同进行了阶段划分,针对不同阶段的瓦斯受力状态,分析了各阶段的瓦斯流动性质及浓度变化规律。高压瓦斯涌出后逆流过程主要由4个过程组成:(1)冲击波作用过程;(2).冲击波形成至煤层瓦斯压力衰减至常压水平阶段;(3)惯性作用下巷道中瓦斯动压衰减阶段;(4)逆流停止瓦斯回流阶段。巷道中控制瓦斯逆流发生与否的直接条件为,巷道中流动的瓦斯压头是否大于供风风压与巷道阻力之和。高压瓦斯涌出引起的瓦斯逆流扩展范围可以通过作用在涌出瓦斯气体上的合力变化规律,结合运动学公式进行求解,也可以通过逆流停止时刻巷道中的浓度分布规律来进行求解。其中,从瓦斯逆流速度开始衰减至逆流停止过程中进风巷道内瓦斯浓度的时空演化规律满足(?)。(3)实验确定了高压瓦斯涌出后在巷道中运移传播规律及影响因素通过自行研制的瓦斯灾害风流监测模拟系统,模拟了工作面不同条件下的瓦斯异常涌出过程,通过监测进、回风巷中的气体压力、瓦斯浓度的变化规律,分析了破膜压力、开口大小、开口形状、腔体容积、巷道风速等对瓦斯运移传播过程的影响。高压瓦斯涌出后可以在巷道内形成压力波,压力波在巷道内快速向前传播的同时,其压力峰值快速减小,腔体泄压形成的压力波在巷道内的超压值较低,属于弱冲击作用过程。而相对于巷道中压力的传播过程而言,瓦斯浓度的运移传播速度要慢的多,进风巷中的瓦斯逆流运移速度要明显快于回风巷道中的瓦斯扩散运移速度,且无论是进风巷道还是回风巷道,随着测点至瓦斯涌出口距离的增大,瓦斯经过该测点时的平均运移速度均呈现逐渐减小的趋势。进风巷中的瓦斯浓度峰值要明显大于回风巷道中的瓦斯浓度峰值,无论是进风巷还是回风巷,测点瓦斯浓度峰值均随着到瓦斯涌出口距离的增大而逐渐衰减,且进风巷中测点的浓度峰值衰减速度要明显大于回风巷道中各测点,但引起进、回风巷瓦斯浓度峰值衰减的原因在本质上是不一样的。进、回风巷道中的测点瓦斯浓度上升阶段的持续时间大致相同,但进风巷中测点的瓦斯浓度异常阶段总持续时间要远小于回风巷中测点的瓦斯浓度异常阶段总持续时间。回风巷道中的测点瓦斯浓度曲线的时变规律可以较好地满足基于有限分布源的瓦斯对流扩散模型,其拟合相关系数均在0.82以上,部分可以达到0.98。进风巷中测点的瓦斯浓度峰值反映了逆流停止时刻巷道内瓦斯浓度的分布状态,结合时间连续源和空间有限分布源下的随流扩散模型可以较好地反映高压瓦斯涌出后进风巷道内测点瓦斯浓度峰值的空间分布规律,其拟合相关系数均在0.9以上,且随着浓度异常测点的增多,上述模型的适用性就越明显。无论是基于运动学特性方法还是基于浓度分布特性方法,均可以有效估算高压瓦斯涌出后进风巷中的逆流扩散范围,且基于浓度分布特性的估算方法有着更好的适用性和更高的准确度。整体上,进风巷内的瓦斯逆流扩展范围随着泄压膜厚度的增大而逐渐增大,随着泄压腔体容积的增大而逐渐增大,随着泄压口直径的增大其变化规律并不明显,而对于不同泄压口形状而言,逆流的扩展范围呈现圆形矩形方形三角形。(4)数值模拟验证了巷道高压瓦斯运移扩散及逆流扩展规律通过可压缩流动与不可压缩流动过程的本构方程,建立了高压瓦斯涌出及运移的动力学模型,并结合实验模型的布置情况,借助FLUENT软件再现了高压瓦斯泄放逆流运移扩散的数值模拟过程,实现了不同时间尺度下的流动耦合作用过程的模拟。从数值解的角度详细分析了高压腔体中的压力泄放规律,瓦斯气流在进、回风巷道中的运移传播规律,进风巷中瓦斯的逆流传播规律,以及进、风巷道中的测点瓦斯浓度变化规律等,模拟结果与实验结果相一致,从而进一步验证了前文理论模型以及实验结果的正确性。(5)现场数据验证了巷道高压瓦斯涌出后的运移传播规律在现场测试数据的基础上,利用前文理论模型,拟合分析了采面炮后瓦斯浓度的变化特征及规律,拟合相关系数均在0.87以上,进一步验证了高压瓦斯涌出后在巷道中运移扩散模型的正确性。通过数据特征提取,分析了钻孔瓦斯喷出过程中测点瓦斯浓度的变化特征与规律,验证了高压瓦斯涌出过程中逆流的存在,并依据逆流的发生特征及规律,给了相应的工程建议。
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1 绪论论文选题背景及研究意义作为一个富煤、贫油、少气的国家，煤炭在我国能源结构中具有举足轻重，依目前态势，在今后很长一段时间内，煤炭仍将占据我国能源消费的主[1]。据国家统计局《国家能源统计年鉴 2015》数据[2]：我国在原煤产量~2013 年持续增加，由 2000 年 的 10.1 亿吨标准煤增长到 2013 年的 27 准煤，达到了近 20 年来的最高峰；而煤炭消费总量在我国能源消费总量持在 70%左右（如图 1）。尽管受到我国能源战略调整、经济结构转型以污染防控等方面的影响，到 2015 年我国原煤产量已降至约合 26.1 亿吨标我国的煤炭消费基数依然十分巨大，煤炭在能源消费中的占比依然高居 3]。因此，可以预见，在未来的几十年，煤炭将继续作为我国能源需求的障，煤炭行业的健康发展直接关系到我国能源与经济的安全发展。

自与爆炸界限范围内的瓦斯气体诱发瓦斯爆炸量的。瓦斯爆炸存在一个浓度界限，也称之为的高浓瓦斯在巷道中运移时，由于扩散作用而危险区域。这里所说的爆炸威胁区域也称作有已经达到了爆炸界限。由于扩散的存在，该范围,t)≤0.16，由式（2.38）可得：0 002 2c(x,t)= [erf( ) erf( )] 2 2 2ut utx Ut x UtcDt Dt 数属于非初等函数，，无法通过定积分进行准确x 的表达式是难以获取的。在数学上，对于误方法计算或者是通过数学模型简化来进行近似算来进行相应的分析。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD712


本文编号：2652491