倾斜巷道瓦斯积聚诱致井巷风流紊乱规律研究

发布时间：2018-02-13 18:21

本文关键词： 瓦斯积聚风流紊乱瓦斯风压通风网络相似实验　出处：《中国矿业大学(北京)》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：在井工煤矿中,瓦斯异常涌出或者通风不良会造成矿井局部瓦斯积聚。若积聚的瓦斯浓度较高,且高浓度瓦斯处于有高差的巷道中,则会对矿井通风产生一个附加动力,有学者称之为瓦斯风压。瓦斯风压和自然风压类似,都是由矿井不同巷道风流密度差异而导致的。但瓦斯风压长期以来没有受到学者们的重视,很多由于瓦斯风压导致的风流紊乱现象得不到合理的解释。目前,瓦斯风压对通风网络中风流的作用还缺乏研究,尤其缺少完整的实验研究。本论文将通过实验手段,验证前人数值模拟中的瓦斯风压诱致井巷风流紊乱的现象;通过对实验现象进行分析,并结合数值计算,总结瓦斯风压影响下的风流变化规律和瓦斯运移规律,揭示各种井巷风流紊乱的本质原因。最后,改进通风网络解算程序,并将研究成果运用于案例分析验证本论文的部分研究成果,结合现场实例总结应对瓦斯风压引起井巷风流紊乱现象的措施。首先,利用螺旋风管搭建几何相似比为1/50的实验平台。该实验平台主要由三条并联管道分支组成,其中,右侧分支的直径为15 cm,左侧分支和中间分支的直径均为10 cm。三条分支的倾角可以在0到90度之间调节。实验系统的顶部安装有一小型风扇,模拟实现抽出式通风。各分支均设有可以调节管道风阻的阀门,其中风扇前的阀门用于调节风扇的能力。中间分支被设计为充有瓦斯的分支,分支充气时利用安装在中间分支底部的氧气传感器判断充气浓度。实验现象通过具有快速响应时间的风速传感器和氧气传感器捕获,通过数据采集卡将实验数据传递给计算机。为了保证安全,实验中用氦气和氮气的混合气体代替甲烷,混合气体和甲烷的密度相同,不会影响实验现象。实验中的气体传感器均为氧气传感器,通过测试氧气浓度的变化体现混合气体浓度的变化。利用该平台,可以研究瓦斯风压造成不同形式通风网络中风流紊乱的规律。为了和正式实验的结果形成对比,在正式实验前进行了一系列的测试实验,包括进风口氧气浓度的稳定性测试,中间分支充气效果的数值模拟,不充气体时的实验现象,水平巷道中的实验现象以及重复性实验。在并联上行通风的巷道中,其中一条巷道出现瓦斯积聚,会造成该巷道风量增加、其旁侧分支风量减少,有时甚至会造成旁侧分支风流的逆转。在进行并联巷道实验时,成功地得到了旁侧分支风流逆转的实验现象。通过调节巷道倾角、风机风压、巷道风阻、巷道断面等参数进行实验,得到了各种参数对风流逆转现象的影响。在对并联上行风巷道旁侧分支风流逆转现象的进一步分析中,通过因次分析法可以得到:旁侧分支存在某一临界风速,在其它条件相同时,当旁侧分支风速大于该临界风速时,风流不会逆转。通过数值模拟发现了临界风速和巷道高差的关系:当初始瓦斯浓度和巷道风阻等参数不变时,临界风速的平方和巷道高差成正比。对不同巷道高差时的临界风速进行实验,实验结果和数值模拟的结论吻合。利用通风网络理论推导了巷道风阻对风流逆转现象的影响,推导出巷道风阻与风流原始风量以及逆转后最低风量之间的关系式,该关系式和不同旁侧分支风阻的实验结果相吻合。该关系式说明:旁侧分支风量变化范围随着风阻的增大而减小。利用该关系式进一步推导,可以得出旁侧分支风阻的变化也能防止风流逆转的结论。但利用旁侧分支风阻变化防止风流逆转的条件非常苛刻。将不同实验中旁侧分支逆转时氧气浓度变化曲线进行对比可以发现,氧气浓度下降的趋势不受巷道高差、风机风压和旁侧分支风阻的影响,氧气浓度下降区间的规律可以用直线描述。将风扇和控制风扇能力的阀门安装在实验系统的底部,可以改造实验平台进行并联下行风巷道、其中一条巷道出现瓦斯积聚时的实验。在该实验中,同样控制巷道倾角、风机风压、巷道风阻等参数变化进行多组实验,并得到不同参数对风流紊乱现象的影响。总体来说,下行风巷道受到瓦斯风压影响时,其风流紊乱的程度较上行风巷道更严重,瓦斯分布规律更复杂,系统排出瓦斯所用的时间较长。下行风巷道中出现瓦斯风压后,风流方向往往出现多次变化,呈现振荡现象。瓦斯很容易逆流进入旁侧分支,而且在风流振荡的影响下,瓦斯可能多次流入和流出旁侧分支。因此,应尽可能避免瓦斯积聚的现象出现在下行风巷道中。将并联巷道的通风网络简化为环形管道的模型,并利用振动理论对巷道积聚大量瓦斯后,瓦斯随风流在两并联分支中往复运动的现象进行研究。根据实际情况列出振动方程,利用数值方法在两并联巷道断面、长度和风阻等参数不同的条件下对振动方程求解,研究了巷道参数对风流振荡频率以及振幅的影响。研究发现,巷道风阻的增大最有利于风流振荡现象中振幅的减小,有利于振荡现象较快停止。通过分析发现,旁侧分支的风流逆转是下行风风流振荡的必要条件,而旁侧分支较高的初始风速可以防止其风流逆转。阿基米德数表征了风流所受浮力和惯性力的比值,而在实验条件下,旁侧分支的初始风速是决定阿基米德数大小的主要因素,因此,存在一个临界初始风速,可以防止旁侧分支风流逆转,进而防止风流振荡现象的发生。为了配合实验研究,方便对现场实例的分析,本论文对非稳态矿井通风网络解算程序进行了改进。原非稳态程序是由本研究团队在稳态通风网络解算软件的基础上改进的。该程序以一维非稳态不可压缩风流流动方程和瓦斯弥散方程为基础,将瓦斯风压的影响引入通风网络解算中。对该程序的改进主要有三点:第一,对原程序中部分漏洞进行修复,包括初始风量解算的精度,有调节设施巷道的摩擦阻力系数确定和瓦斯运移边界条件的计算方法。改进后的程序分别通过简单的并联巷道算例与原程序对比,解算结果说明程序改进效果明显。第二,现场在发生瓦斯积聚事故后,可能利用调节设施改变巷道风阻的方法来预防风流逆转和瓦斯积聚范围扩大。为此,改进程序增加了某条分支在解算过程中风阻变化的功能。在对并联巷道的简单算例解算中发现,在发生风流逆转现象时,及时增大旁侧分支的风阻,是防止瓦斯积聚范围扩大的较好途径。第三,根据前人研究的突出过程中瓦斯涌出规律,为程序增添了模拟突出事故中瓦斯涌出的功能。利用改进后的程序对九里山8.23煤与瓦斯突出事故进行解算,并与本团队之前曾经利用原程序的解算结果对比,排出瓦斯所需时间大大加长了,弥补了原解算结果中瓦斯排出时间过短的不足。最后,论文对唐山矿岳胥区7050和7050西上山2004年风流停滞现象进行了分析。唐山矿岳胥区7050和7050西上山2004年曾发生瓦斯积聚。瓦斯积聚的原因是7010下口风门敞开导致风流短路。由于岳胥区瓦斯涌出量较大,矿方发现瓦斯积聚时,瓦斯浓度已经很高。矿方关闭7010下口风门后,风流没有恢复,仍处于停滞状态,岳胥区瓦斯未排出。矿方最终利用局扇排出瓦斯,瓦斯排出后,岳胥区风流恢复正常,没有发现阻滞巷道通风的物体。对实验平台进行改造,使其能够模拟唐山矿岳胥区的风流停滞事故,实验再现了唐山矿风流停滞的现象,证明了风流停滞是由瓦斯风压导致的。简化唐山矿岳胥区的通风网络模型,利用改进后的非稳态矿井通风解算程序对风流停滞现象进行数值模拟,模拟结果也可以重现风流停滞的过程。模拟得到的瓦斯浓度分布和瓦斯风压计算结果说明:瓦斯风压和风机提供的风压相平衡是风流停滞的主要原因。根据实验和模拟的结果,提出了对应对类似风流停滞现象的预防和处理措施。论文的主要创新点有以下几点:1.首次搭建了用于瓦斯风压现象研究的实验平台,并对瓦斯风压引起的风流紊乱现象进行了系统的实验研究;2.推导了防止瓦斯风压导致上行风并联旁侧分支风流逆转的临界风速与巷道高差之间的关系,并进行了实验验证;3.运用振动理论对并联下行风巷道中瓦斯风压导致的风流紊乱现象进行研究,指出巷道风阻对抑制风流振荡现象的作用;4.改进了非稳态矿井通风网络解算程序,将风流非稳态变化过程中通风设施的调节,以及风流非稳态变化的同时瓦斯不断涌出的过程等模块加入非稳态矿井通风网络解算程序。
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【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】：2017
【分类号】：TD712

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