矿井瓦斯抽采管网运行优化方法研究

发布时间：2017-08-29 09:40

  本文关键词：矿井瓦斯抽采管网运行优化方法研究

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【摘要】：瓦斯抽采管网的基础运行参数(负压、流量等)是评价矿井抽采效果和发现抽采管网问题的重要参数。瓦斯抽采管路压力失调是矿井瓦斯抽采管网面临的普遍问题,要解决失调问题最好的设计方法就是能够建立瓦斯抽采管网的水利工况模型,利用计算机模拟分析不同调节状态下瓦斯抽采管网各分支的运行工况。因此,为了更加深入的认识矿井瓦斯抽采管网运行规律,本文的主要研究内容如下:(1)瓦斯抽采管路气体流动规律研究为了简化分析瓦斯抽采管路内的气体流动规律,本文对瓦斯抽采管路内的气体流动进行如下基本假设:(1)瓦斯抽采管道内为一维可压缩气体的稳态流动;(2)气体在瓦斯抽采管网内的流动为等温流动;(3)节点(包含测点和分支混合点)内气体压力处处相等。然后根据气体连续性方程、能量方程和气体状态方程建立简化一维可压缩气体的稳态流动方程,根据方程可以发现:对于同一瓦斯抽采管路,正常运行状态下,管道内气体绝对压力的平方呈线性下降变化;当管道中间某段出现堵塞或泄漏时,该管段气体绝对压力的平方随着传输距离的增加,其变化斜率绝对值会迅速变大,而在堵塞状态下,下游管段气体绝对压力的平方随着传输距离的变化斜率值会恢复与上游一致,在管段泄漏时,下游管段气体绝对压力的平方变化随着传输距离的变化斜率绝对值会大于上游。通过Fluent模拟软件对瓦斯抽采管道的气体流动规律进行模拟计算。模拟计算结果表明,在利用SST k-ω湍流方程进行模拟计算时,其模拟计算结果反算出来的沿程阻力系数λ偏小,说明使用Fluent模拟计算时存在误差,为了获取更加准确的模拟结果,需要对模拟计算中输入的边界条件管壁粗糙度进行修正。最终,利用校正过的数值模拟结果分析瓦斯抽采管路流动简化模型的有效性及可靠性。(2)瓦斯抽采管网结构分析及数学模型矿井敷设瓦斯抽采支管前,需要考察其能达到的抽采负压、抽采量以及敷设支管后对其它支管的影响。由于支管直接与钻场钻孔相连,分支管路较多,因此本文首先将支管及其连接钻孔等效处理,简化成一段与干管管径相同的等效管路,然后对瓦斯抽采主、支管、等效支管构成的矿井瓦斯管网进行研究,同时结合抽采泵工作特性方程、图论理论,建立矿井瓦斯管网抽采解算的数学模型,并对其进行线性化处理求解,该模型将矿井瓦斯管网作为一个有机整体,充分考虑了地面抽采泵站与井下移动抽采泵站联网抽采的特征。同时,本文还分析了井下移动泵站抽采系统与地面永久泵站抽采系统串联之后,其泵站运行特性及并联分支之间的运行特性。(3)瓦斯抽采实验平台搭建及实验研究矿井瓦斯抽采管网类型为枝状管网,由于矿井井下瓦斯抽采管道距离长、调试困难、测量难度大,因此,开展矿井瓦斯抽采管网实际测量复杂,进行实验室实验可以方便进行管道运行参数的调试测量,该部分主要进行单一抽采管道运行状态运行测试、主管漏风对支管负压的影响、支管漏风对相邻支管负压的影响、临时泵站与地面泵站串联对管网运行状态的影响。为准确测量实验管路内的气体流量,本文采用首先向实验管路内注入示踪烟雾,然后借助摄像机使用图像相关法进行流量测量。为了消除背景值影响,本文首先借助Matlab软件对实验管道的背景值进行提取,然后实时计算释放示踪烟雾后,监测窗口处减去背景信息的灰度值变化,通过对2个监测窗口灰度值的实时分析,利用互相关算法最终计算实验管道内流量,实验结果表明,该方法实验误差小于3%。该研究为瓦斯抽采管网实验参数的精确测量奠定了基础。瓦斯抽采管网实验研究表明,瓦斯抽采气体管道内的压力变化规律为抛物线形势,而压力的平方随距离的变化呈现线性衰减规律。通过压力平方与距离之间的关系可以有效辨识管道内的漏风状态和堵塞情况。越靠近真空泵的地点出现漏风,真空泵的负压减小越快,而对钻孔负压的影响较少,而越靠近钻孔位置漏风,对真空泵的工况影响越小,但是对钻孔负压影响非常大。井下移动泵站抽采系统与地面永久泵站抽采系统串联时,会严重影响与临时泵站相邻管道的负压和流量,严重时会导致相邻抽采管道内存在正压,出现瓦斯泄漏。(4)瓦斯抽采管网优化运行的现场应用针对余吾煤业瓦斯抽采现状,基于压力梯度法对北翼采区瓦斯主管道的运行状态进行诊断,确定瓦斯抽采管道漏风区域及堵塞区域,为瓦斯抽采管道运行优化奠定基础。然后通过对Ventsim软件中的基于可压缩流的流体网络解算模块进行理论分析,论证其应用于瓦斯抽采管网解算的合理性,最后利用该软件对余吾煤业瓦斯抽采管网优化运行进行模拟分析。
【关键词】：瓦斯抽采 管网 优化运行 可压缩气体
【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】：2016
【分类号】：TD712.6
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 研究背景12
• 1.2 研究意义12-13
• 1.3 国内外研究现状13-18
• 1.3.1 国外瓦斯管网解算研究13-14
• 1.3.2 气体在管内的流动规律研究14-15
• 1.3.3 瓦斯抽采管路连接研究15-17
• 1.3.4 瓦斯抽采管网优化研究17-18
• 1.4 主要研究内容18-19
• 1.5 研究方法和技术路线19-20
• 第二章瓦斯抽采管路气体流动基本规律20-42
• 2.1 引言20
• 2.2 瓦斯抽采气体运动状态分析20-21
• 2.3 瓦斯抽采管路流动规律简化模型21-29
• 2.3.1 气体参数的确定21-24
• 2.3.2 气体运动方程24-29
• 2.4 瓦斯抽采管路流动规律数值模拟29-40
• 2.4.1 数学模型的建立30-31
• 2.4.2 湍流模型方程31-34
• 2.4.3 几何模型及网格的划分34-36
• 2.4.4 模型参数的设定及模拟结果分析36-40
• 2.5 本章小结40-42
• 第三章 瓦斯抽采管网结构分析及数学模型42-54
• 3.1 引言42
• 3.2 瓦斯抽采管网的稳态模拟42-48
• 3.2.1 阻力分析及局部阻力42-43
• 3.2.2 串联管路43-44
• 3.2.3 图论44-46
• 3.2.4 瓦斯管网的数学模型建立与求解46-48
• 3.3 井下移动泵站与地面永久泵站串联48-52
• 3.3.1 水环式真空泵的工作原理48-49
• 3.3.2 水环式真空泵性能的影响因素49-50
• 3.3.3 井下移动泵站与地面永久泵站串联50-52
• 3.4 本章小结52-54
• 第四章 瓦斯抽采实验平台搭建及实验研究54-80
• 4.1 引言54
• 4.2 实验系统构成54-58
• 4.2.1 水环式真空泵与抽采管路55-56
• 4.2.2 调节附属设施56
• 4.2.3 压力测量装置56-57
• 4.2.4 相关法流量测量系统57
• 4.2.5 孔板流量计验证57-58
• 4.3 相关法流量测量原理58-69
• 4.3.1 相关测速技术的基本原理58-59
• 4.3.2 相关测速测量的数学模型59-62
• 4.3.3 基于图像相关法测流速流程62-65
• 4.3.4 实验参数设置65-67
• 4.3.5 外界环境对图像摄影测流速影响67-69
• 4.4 瓦斯抽采管网运行状态模拟实验69-78
• 4.4.1 单一瓦斯抽采管路状态异常分析69-72
• 4.4.2 主管漏风对支管负压的影响72-75
• 4.4.3 临时泵站与地面泵站串联对并联支路的影响75-78
• 4.5 本章小结78-80
• 第五章 瓦斯抽采管网优化现场实例80-94
• 5.1 引言80
• 5.2 瓦斯抽采主管运行状态诊断研究80-83
• 5.2.1 余吾煤矿瓦斯抽采管网现状80-81
• 5.2.2 瓦斯抽采主管运行状态分析81-83
• 5.3 瓦斯抽采管网模拟解算83-92
• 5.3.1 可压缩风流阻力分析83-84
• 5.3.2 风流网络平衡定律84-85
• 5.3.3 风流网络解算模型85-87
• 5.3.4 构建立体解算模型87-92
• 5.4 本章小结92-94
• 第六章 结论与展望94-98
• 6.1 结论94-95
• 6.2 主要创新点95-96
• 6.3 展望96-98
• 参考文献98-106
• 致谢106-108
• 作者简介108
• 在学期间发表的学术论文108

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