【摘要】：煤礦井下瓦斯動力災害發(fā)生過程中往往伴隨有大量的高壓、高濃度瓦斯氣體,積聚有較高能量的高濃度瓦斯氣體在壓力場和濃度場的雙重作用下快速涌向巷道空間形成瓦斯流。當瓦斯流能量較小時,涌出的瓦斯難以對巷道流場結構產(chǎn)生大的改變,其對巷道流場的影響主要體現(xiàn)在通過對流擴散作用改變流場中瓦斯?jié)舛鹊臅r空分布,從而威脅礦井的安全生產(chǎn);而當瓦斯流能量較大時,涌出瓦斯的動力效應能夠?qū)υ嫉南锏懒鲌鼋Y構產(chǎn)生較大,甚至極大的改變,使得原有的風流結構難以為繼,此時高濃度瓦斯不僅可以沿回風方向運移,還會向進風巷中逆流擴展,從而擴大瓦斯災害的影響范圍及影響程度。高濃度瓦斯在巷道內(nèi)運移傳播不僅會造成人員的窒息傷亡,還有可能誘發(fā)瓦斯爆炸等次生災害,尤其是當高壓瓦斯逆流進入進風巷道時,由于井下人員作業(yè)及機電設備布置大多分布在進風巷道中,因而其可能帶來的災害誘發(fā)幾率更大,威脅程度也更大。因此,理解高壓瓦斯涌出后在巷道內(nèi)的運移擴散規(guī)律,掌握高壓瓦斯逆流的發(fā)生條件及擴展機制,確定高壓瓦斯涌出后的有效影響范圍,有助于降低次生災害的發(fā)生幾率,防止瓦斯災害的進一步擴大,對于正確地認識災害的發(fā)展過程,有效地制定應急響應機制,合理地安排災后救援方案等有著重要的理論與實際意義。目前國內(nèi)外對于瓦斯動力災害發(fā)生過程中高壓瓦斯的動態(tài)涌出規(guī)律的研究仍有所欠缺,對巷道瓦斯運移傳播規(guī)律的研究也多是基于瞬時點源的隨流擴散模型,與實際高壓瓦斯涌出過程的時間連續(xù)、空間有限分布特征相差甚遠�；诖�,本文以理論分析為出發(fā)點,將高壓瓦斯涌出過程簡化為高壓腔體的開口泄放過程,結合分子熱物理學、分子動力學等分析了瓦斯泄放過程中的氣體壓力、質(zhì)量流量隨時間的變化關系,并探討了煤體瓦斯解吸對壓力泄放過程的影響。在此基礎上,利用傳質(zhì)理論推導了瓦斯涌出過程中及涌出停止后巷道中瓦斯?jié)舛葧r空分布的時間連續(xù)源隨流擴散模型和空間有限分布的隨流擴散模型,并結合瓦斯的動態(tài)涌出特征分析了巷道瓦斯逆流的形成條件及逆流擴展規(guī)律。為了驗證所得理論模型的正確性,設計了巷道高壓瓦斯運移傳播實驗系統(tǒng),研究了不同泄壓膜厚度、泄壓口大小、泄壓口形狀、泄壓腔體大小、不同風速等條件下巷道高壓瓦斯涌出后的運移擴散及逆流擴展規(guī)律,并分析了不同因素對上述規(guī)律的影響程度。同時,利用FLUENT數(shù)值模擬軟件,再現(xiàn)了高壓腔體的動態(tài)涌出過程及高壓瓦斯涌出后在巷道中的運移傳播過程,分析了逆流發(fā)生過程中巷道內(nèi)氣體壓力、濃度的時空變化規(guī)律,以及逆流擴展范圍的變化規(guī)律,驗證了前文所得高壓瓦斯運移傳播及逆流擴展規(guī)律的正確性。最后,以峰峰集團小屯礦的炮后瓦斯?jié)舛茸兓约靶氯V的鉆孔瓦斯噴出為實例,進一步驗證了前文理論及實驗結果的正確性,并提出了相應的工程建議。論文研究成果進一步豐富、完善了礦井瓦斯災害的防治理論,具有重要的理論與實踐意義。本文的主要研究內(nèi)容及成果如下:(1)得出了高壓瓦斯涌出過程中及涌出停止后的隨流擴散理論模型井下高壓瓦斯的涌出可以看作是一個時間連續(xù)的過程,而瓦斯涌出停止后巷道內(nèi)的濃度分布可以看作是有限空間的連續(xù)分布,結合流體傳質(zhì)理論可以推導得出瓦斯涌出過程中及涌出停止后巷道內(nèi)的濃度時空變化模型。研究表明:瓦斯涌出過程中,巷道中的瓦斯?jié)舛入S時空分布滿足時間連續(xù)源隨流擴散模型,也即:(?),瓦斯涌出停止后,巷道中瓦斯?jié)舛鹊臅r空分布滿足空間有限分布源隨流擴散模型,也即:(?)。瓦斯涌出停止后,巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛确逯档臅r空變化規(guī)律滿足(?),濃度峰值在x=Ut時取得。瓦斯?jié)舛确逯惦S運移時間及巷道內(nèi)瓦斯擴散系數(shù)的增大而減小,隨瓦斯涌出停止時巷道內(nèi)瓦斯分布區(qū)域長度的增大而增大。(2)建立了巷道瓦斯逆流發(fā)生與否判據(jù)及逆流擴展范圍估算模型結合高壓瓦斯的涌出規(guī)律,將逆流過程按進風巷瓦斯流動狀態(tài)的不同進行了階段劃分,針對不同階段的瓦斯受力狀態(tài),分析了各階段的瓦斯流動性質(zhì)及濃度變化規(guī)律。高壓瓦斯涌出后逆流過程主要由4個過程組成:(1)沖擊波作用過程;(2).沖擊波形成至煤層瓦斯壓力衰減至常壓水平階段;(3)慣性作用下巷道中瓦斯動壓衰減階段;(4)逆流停止瓦斯回流階段。巷道中控制瓦斯逆流發(fā)生與否的直接條件為,巷道中流動的瓦斯壓頭是否大于供風風壓與巷道阻力之和。高壓瓦斯涌出引起的瓦斯逆流擴展范圍可以通過作用在涌出瓦斯氣體上的合力變化規(guī)律,結合運動學公式進行求解,也可以通過逆流停止時刻巷道中的濃度分布規(guī)律來進行求解。其中,從瓦斯逆流速度開始衰減至逆流停止過程中進風巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊臅r空演化規(guī)律滿足(?)。(3)實驗確定了高壓瓦斯涌出后在巷道中運移傳播規(guī)律及影響因素通過自行研制的瓦斯災害風流監(jiān)測模擬系統(tǒng),模擬了工作面不同條件下的瓦斯異常涌出過程,通過監(jiān)測進、回風巷中的氣體壓力、瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律,分析了破膜壓力、開口大小、開口形狀、腔體容積、巷道風速等對瓦斯運移傳播過程的影響。高壓瓦斯涌出后可以在巷道內(nèi)形成壓力波,壓力波在巷道內(nèi)快速向前傳播的同時,其壓力峰值快速減小,腔體泄壓形成的壓力波在巷道內(nèi)的超壓值較低,屬于弱沖擊作用過程。而相對于巷道中壓力的傳播過程而言,瓦斯?jié)舛鹊倪\移傳播速度要慢的多,進風巷中的瓦斯逆流運移速度要明顯快于回風巷道中的瓦斯擴散運移速度,且無論是進風巷道還是回風巷道,隨著測點至瓦斯涌出口距離的增大,瓦斯經(jīng)過該測點時的平均運移速度均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。進風巷中的瓦斯?jié)舛确逯狄黠@大于回風巷道中的瓦斯?jié)舛确逯?無論是進風巷還是回風巷,測點瓦斯?jié)舛确逯稻S著到瓦斯涌出口距離的增大而逐漸衰減,且進風巷中測點的濃度峰值衰減速度要明顯大于回風巷道中各測點,但引起進、回風巷瓦斯?jié)舛确逯邓p的原因在本質(zhì)上是不一樣的。進、回風巷道中的測點瓦斯?jié)舛壬仙A段的持續(xù)時間大致相同,但進風巷中測點的瓦斯?jié)舛犬惓ｋA段總持續(xù)時間要遠小于回風巷中測點的瓦斯?jié)舛犬惓ｋA段總持續(xù)時間。回風巷道中的測點瓦斯?jié)舛惹�的時變規(guī)律可以較好地滿足基于有限分布源的瓦斯對流擴散模型,其擬合相關系數(shù)均在0.82以上,部分可以達到0.98。進風巷中測點的瓦斯?jié)舛确逯捣从沉四媪魍Ｖ箷r刻巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊姆植紶顟B(tài),結合時間連續(xù)源和空間有限分布源下的隨流擴散模型可以較好地反映高壓瓦斯涌出后進風巷道內(nèi)測點瓦斯?jié)舛确逯档目臻g分布規(guī)律,其擬合相關系數(shù)均在0.9以上,且隨著濃度異常測點的增多,上述模型的適用性就越明顯。無論是基于運動學特性方法還是基于濃度分布特性方法,均可以有效估算高壓瓦斯涌出后進風巷中的逆流擴散范圍,且基于濃度分布特性的估算方法有著更好的適用性和更高的準確度。整體上,進風巷內(nèi)的瓦斯逆流擴展范圍隨著泄壓膜厚度的增大而逐漸增大,隨著泄壓腔體容積的增大而逐漸增大,隨著泄壓口直徑的增大其變化規(guī)律并不明顯,而對于不同泄壓口形狀而言,逆流的擴展范圍呈現(xiàn)圓形矩形方形三角形。(4)數(shù)值模擬驗證了巷道高壓瓦斯運移擴散及逆流擴展規(guī)律通過可壓縮流動與不可壓縮流動過程的本構方程,建立了高壓瓦斯涌出及運移的動力學模型,并結合實驗模型的布置情況,借助FLUENT軟件再現(xiàn)了高壓瓦斯泄放逆流運移擴散的數(shù)值模擬過程,實現(xiàn)了不同時間尺度下的流動耦合作用過程的模擬。從數(shù)值解的角度詳細分析了高壓腔體中的壓力泄放規(guī)律,瓦斯氣流在進、回風巷道中的運移傳播規(guī)律,進風巷中瓦斯的逆流傳播規(guī)律,以及進、風巷道中的測點瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律等,模擬結果與實驗結果相一致,從而進一步驗證了前文理論模型以及實驗結果的正確性。(5)現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證了巷道高壓瓦斯涌出后的運移傳播規(guī)律在現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的基礎上,利用前文理論模型,擬合分析了采面炮后瓦斯?jié)舛鹊淖兓卣骷耙?guī)律,擬合相關系數(shù)均在0.87以上,進一步驗證了高壓瓦斯涌出后在巷道中運移擴散模型的正確性。通過數(shù)據(jù)特征提取,分析了鉆孔瓦斯噴出過程中測點瓦斯?jié)舛鹊淖兓卣髋c規(guī)律,驗證了高壓瓦斯涌出過程中逆流的存在,并依據(jù)逆流的發(fā)生特征及規(guī)律,給了相應的工程建議。
【圖文】：

1 緒論論文選題背景及研究意義作為一個富煤、貧油、少氣的國家，煤炭在我國能源結構中具有舉足輕重，依目前態(tài)勢，在今后很長一段時間內(nèi)，煤炭仍將占據(jù)我國能源消費的主[1]。據(jù)國家統(tǒng)計局《國家能源統(tǒng)計年鑒 2015》數(shù)據(jù)[2]：我國在原煤產(chǎn)量~2013 年持續(xù)增加，由 2000 年 的 10.1 億噸標準煤增長到 2013 年的 27 準煤，達到了近 20 年來的最高峰；而煤炭消費總量在我國能源消費總量持在 70%左右（如圖 1）。盡管受到我國能源戰(zhàn)略調(diào)整、經(jīng)濟結構轉型以污染防控等方面的影響，到 2015 年我國原煤產(chǎn)量已降至約合 26.1 億噸標我國的煤炭消費基數(shù)依然十分巨大，煤炭在能源消費中的占比依然高居 3]。因此，可以預見，在未來的幾十年，煤炭將繼續(xù)作為我國能源需求的障，煤炭行業(yè)的健康發(fā)展直接關系到我國能源與經(jīng)濟的安全發(fā)展。

自與爆炸界限范圍內(nèi)的瓦斯氣體誘發(fā)瓦斯爆炸量的。瓦斯爆炸存在一個濃度界限，也稱之為的高濃瓦斯在巷道中運移時，由于擴散作用而危險區(qū)域。這里所說的爆炸威脅區(qū)域也稱作有已經(jīng)達到了爆炸界限。由于擴散的存在，該范圍,t)≤0.16，由式（2.38）可得：0 002 2c(x,t)= [erf( ) erf( )] 2 2 2ut utx Ut x UtcDt Dt 數(shù)屬于非初等函數(shù)，，無法通過定積分進行準確x 的表達式是難以獲取的。在數(shù)學上，對于誤方法計算或者是通過數(shù)學模型簡化來進行近似算來進行相應的分析。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TD712


本文編號：2652491