本文關(guān)鍵詞： 瓦斯抽采 瓦斯爆炸 阻爆 抑爆 泄爆　出處：《大連理工大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：煤炭資源是人類工業(yè)生產(chǎn)和生活的重要物資。為保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,我國(guó)煤炭產(chǎn)量逐年增加,礦井開采深度加大。由于瓦斯含量隨礦井開采深度增加而逐漸增大,開采條件不斷惡化,高瓦斯突出礦井逐漸增多,我國(guó)成為世界上瓦斯災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家,瓦斯治理成為礦井安全生產(chǎn)的首要問題。 瓦斯抽采是治理瓦斯災(zāi)害的最有效方法。鑒于我國(guó)煤礦瓦斯抽采管道中的瓦斯?jié)舛韧幱诒O限內(nèi),瓦斯抽采過程中存在重大的安全隱患,遭遇設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)異常、靜電或雷電時(shí),極易發(fā)生瓦斯燃燒或爆炸事故,嚴(yán)重危害煤礦安全生產(chǎn)和礦工生命安全。為保證煤礦瓦斯的安全抽采,在瓦斯管道輸送系統(tǒng)中靠近可能的火源點(diǎn)附近管道上,應(yīng)安設(shè)安全防護(hù)設(shè)施,即泄爆、抑爆、阻爆等設(shè)施,對(duì)實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯安全可靠開采、消除低濃度瓦斯在排放、輸送過程中存在的重大安全隱患具有重要意義。然而,現(xiàn)有的泄爆、抑爆和阻爆技術(shù)雖然原理可行,但由于對(duì)瓦斯抽采管道內(nèi)爆炸流場(chǎng)特征及其影響因素缺乏全面系統(tǒng)的研究,導(dǎo)致開發(fā)出的瓦斯抽采安全防護(hù)裝置可靠性低、易失效,煤礦瓦斯的安全抽采對(duì)高可靠性瓦斯抽采安全防護(hù)系統(tǒng)提出了迫切需求。采用理論研究、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工業(yè)試驗(yàn)相結(jié)合的手段,在全面分析瓦斯爆炸流場(chǎng)特征的基礎(chǔ)上,提出了瓦斯抽采多級(jí)安全防護(hù)系統(tǒng)總體方案,研究了瓦斯抽采管道內(nèi)水封阻火泄爆技術(shù)、基于惰性氣體熄滅火焰的抑爆技術(shù)以及基于快關(guān)蝶閥的快速阻斷技術(shù),最終開發(fā)出瓦斯抽采多級(jí)安全防護(hù)系統(tǒng),解決了單一防護(hù)設(shè)備無法滿足瓦斯爆炸可靠防護(hù)的問題。 研究管道內(nèi)瓦斯爆炸流場(chǎng)特征變化規(guī)律是開發(fā)瓦斯抽采多級(jí)安全防護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)�；谟�(jì)算流體力學(xué)理論,研究了管道內(nèi)瓦斯爆炸過程中溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、反應(yīng)速率、氣體流速隨時(shí)間的變化規(guī)律,對(duì)多種管徑和長(zhǎng)度的直管及國(guó)內(nèi)某煤礦實(shí)際抽采使用的一段彎管進(jìn)行了管道內(nèi)瓦斯爆炸特征分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),瓦斯爆炸管道內(nèi)氣體的最大反應(yīng)速率、最高相對(duì)壓力、最大流動(dòng)速度是一個(gè)加速度不斷增大的加速的過程；彎曲管道由于轉(zhuǎn)彎處加劇了流體的湍動(dòng)程度,其最大反應(yīng)速率、最高相對(duì)壓力、最大氣體流速均高于同直徑直管,且燃燒完成時(shí)間更短；管徑對(duì)爆炸氣流的壓力影響較大,管徑越小,爆炸壓力越大；在不同長(zhǎng)度直管內(nèi),瓦斯爆炸流場(chǎng)的反應(yīng)速率、壓力和速度開始增長(zhǎng)速度相對(duì)緩慢,但均在120ms后開始急劇增長(zhǎng),導(dǎo)致爆炸能量巨大。在理論分析的基礎(chǔ)上,研究出泄爆、抑爆和阻爆相結(jié)合的瓦斯抽采多級(jí)安全防護(hù)系統(tǒng)。 針對(duì)原有瓦斯爆炸水封泄爆技術(shù)缺乏水封泄爆特性及液位補(bǔ)償技術(shù)研究、易導(dǎo)致泄爆失效的問題,結(jié)合瓦斯抽采常用的500mm抽采管道,基于計(jì)算流體力學(xué)理論對(duì)水封泄爆裝置在不同水位高度下的瓦斯爆炸、泄放、阻火過程進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),研究的水封泄爆裝置在泄爆桶出口將瓦斯點(diǎn)燃時(shí),爆炸能量以中心能量為5MPa壓力、溫度為3350K從泄爆管的彎管沖出,將爆破片打開,釋放能量,而水封泄爆裝置內(nèi)爆炸氣流壓力與熱量急速降低；水封高度大于50mm時(shí),水封泄爆裝置進(jìn)氣管液面上方反應(yīng)速率為0mol/m3·s,能有效阻火。在研究設(shè)計(jì)泄爆裝置水位自控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,開發(fā)出了一種水位自控式水封阻火泄爆裝置。 針對(duì)原有瓦斯爆炸抑爆技術(shù)滅火介質(zhì)懸浮時(shí)間短、難以有效抑爆的問題,首先根據(jù)火焰?zhèn)鞲衅黜憫?yīng)速度,爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊却_定了惰性氣體噴撒點(diǎn)距管道進(jìn)口位置,進(jìn)而對(duì)直徑500mm、長(zhǎng)30米管道內(nèi)瓦斯爆炸火焰熄滅過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),二氧化碳的噴入一方面導(dǎo)致管道內(nèi)高溫燃燒氣體的溫度大大降低,另一方面使得燃燒氣體中甲烷和氧氣濃度逐漸被稀釋。當(dāng)噴撒速率大于20kg/s時(shí),火焰被熄滅,二氧化碳噴撒速率越大,火焰熄滅時(shí)間越短,當(dāng)噴撒速率在20kg/s以上時(shí),火焰能被熄滅。通過上述研究,開發(fā)了基于二氧化碳惰性氣體熄滅火焰的抑爆裝置。 瓦斯爆炸發(fā)生時(shí),須以最快的速度進(jìn)行阻爆,對(duì)阻爆關(guān)斷速度提出極高要求。針對(duì)原有阻爆技術(shù)關(guān)斷速度慢的問題,結(jié)合500mm直徑瓦斯抽采管道,采用有限元分析技術(shù),在對(duì)快關(guān)蝶閥進(jìn)行強(qiáng)度校核的基礎(chǔ)上,提出了以液壓驅(qū)動(dòng)蝶閥的瓦斯爆炸阻斷方法,并對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)蝶閥的阻爆裝置進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析,最終得到了滿足瓦斯爆炸阻爆要求的蝶閥關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),開發(fā)了瓦斯爆炸阻爆裝置。 對(duì)多傳感器系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上,通過泄爆、抑爆和阻爆的有機(jī)結(jié)合,開發(fā)出了瓦斯抽采管道多級(jí)安全防護(hù)系統(tǒng),并進(jìn)行了單級(jí)、雙級(jí)、多級(jí)防護(hù)工業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明,開發(fā)出的多級(jí)安全防護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多級(jí)聯(lián)動(dòng),有效保護(hù)整個(gè)瓦斯抽采管網(wǎng)及井下安全。研究成果己陸續(xù)應(yīng)用于我國(guó)山西襄垣七一新發(fā)煤業(yè)有限公司、首鋼福山資源集團(tuán)有限責(zé)任公司、大同煤礦集團(tuán)等企業(yè)的瓦斯抽采中,對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn)和礦工生命安全具有重要意義。
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【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TD712.6

【參考文獻(xiàn)】

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