本文關(guān)鍵詞： 瓦斯積聚 風(fēng)流紊亂 瓦斯風(fēng)壓 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò) 相似實驗　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：在井工煤礦中,瓦斯異常涌出或者通風(fēng)不良會造成礦井局部瓦斯積聚。若積聚的瓦斯?jié)舛容^高,且高濃度瓦斯處于有高差的巷道中,則會對礦井通風(fēng)產(chǎn)生一個附加動力,有學(xué)者稱之為瓦斯風(fēng)壓。瓦斯風(fēng)壓和自然風(fēng)壓類似,都是由礦井不同巷道風(fēng)流密度差異而導(dǎo)致的。但瓦斯風(fēng)壓長期以來沒有受到學(xué)者們的重視,很多由于瓦斯風(fēng)壓導(dǎo)致的風(fēng)流紊亂現(xiàn)象得不到合理的解釋。目前,瓦斯風(fēng)壓對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中風(fēng)流的作用還缺乏研究,尤其缺少完整的實驗研究。本論文將通過實驗手段,驗證前人數(shù)值模擬中的瓦斯風(fēng)壓誘致井巷風(fēng)流紊亂的現(xiàn)象;通過對實驗現(xiàn)象進(jìn)行分析,并結(jié)合數(shù)值計算,總結(jié)瓦斯風(fēng)壓影響下的風(fēng)流變化規(guī)律和瓦斯運(yùn)移規(guī)律,揭示各種井巷風(fēng)流紊亂的本質(zhì)原因。最后,改進(jìn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算程序,并將研究成果運(yùn)用于案例分析驗證本論文的部分研究成果,結(jié)合現(xiàn)場實例總結(jié)應(yīng)對瓦斯風(fēng)壓引起井巷風(fēng)流紊亂現(xiàn)象的措施。首先,利用螺旋風(fēng)管搭建幾何相似比為1/50的實驗平臺。該實驗平臺主要由三條并聯(lián)管道分支組成,其中,右側(cè)分支的直徑為15 cm,左側(cè)分支和中間分支的直徑均為10 cm。三條分支的傾角可以在0到90度之間調(diào)節(jié)。實驗系統(tǒng)的頂部安裝有一小型風(fēng)扇,模擬實現(xiàn)抽出式通風(fēng)。各分支均設(shè)有可以調(diào)節(jié)管道風(fēng)阻的閥門,其中風(fēng)扇前的閥門用于調(diào)節(jié)風(fēng)扇的能力。中間分支被設(shè)計為充有瓦斯的分支,分支充氣時利用安裝在中間分支底部的氧氣傳感器判斷充氣濃度。實驗現(xiàn)象通過具有快速響應(yīng)時間的風(fēng)速傳感器和氧氣傳感器捕獲,通過數(shù)據(jù)采集卡將實驗數(shù)據(jù)傳遞給計算機(jī)。為了保證安全,實驗中用氦氣和氮氣的混合氣體代替甲烷,混合氣體和甲烷的密度相同,不會影響實驗現(xiàn)象。實驗中的氣體傳感器均為氧氣傳感器,通過測試氧氣濃度的變化體現(xiàn)混合氣體濃度的變化。利用該平臺,可以研究瓦斯風(fēng)壓造成不同形式通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中風(fēng)流紊亂的規(guī)律。為了和正式實驗的結(jié)果形成對比,在正式實驗前進(jìn)行了一系列的測試實驗,包括進(jìn)風(fēng)口氧氣濃度的穩(wěn)定性測試,中間分支充氣效果的數(shù)值模擬,不充氣體時的實驗現(xiàn)象,水平巷道中的實驗現(xiàn)象以及重復(fù)性實驗。在并聯(lián)上行通風(fēng)的巷道中,其中一條巷道出現(xiàn)瓦斯積聚,會造成該巷道風(fēng)量增加、其旁側(cè)分支風(fēng)量減少,有時甚至?xí)斐膳詡?cè)分支風(fēng)流的逆轉(zhuǎn)。在進(jìn)行并聯(lián)巷道實驗時,成功地得到了旁側(cè)分支風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的實驗現(xiàn)象。通過調(diào)節(jié)巷道傾角、風(fēng)機(jī)風(fēng)壓、巷道風(fēng)阻、巷道斷面等參數(shù)進(jìn)行實驗,得到了各種參數(shù)對風(fēng)流逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象的影響。在對并聯(lián)上行風(fēng)巷道旁側(cè)分支風(fēng)流逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象的進(jìn)一步分析中,通過因次分析法可以得到:旁側(cè)分支存在某一臨界風(fēng)速,在其它條件相同時,當(dāng)旁側(cè)分支風(fēng)速大于該臨界風(fēng)速時,風(fēng)流不會逆轉(zhuǎn)。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)了臨界風(fēng)速和巷道高差的關(guān)系:當(dāng)初始瓦斯?jié)舛群拖锏里L(fēng)阻等參數(shù)不變時,臨界風(fēng)速的平方和巷道高差成正比。對不同巷道高差時的臨界風(fēng)速進(jìn)行實驗,實驗結(jié)果和數(shù)值模擬的結(jié)論吻合。利用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)理論推導(dǎo)了巷道風(fēng)阻對風(fēng)流逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象的影響,推導(dǎo)出巷道風(fēng)阻與風(fēng)流原始風(fēng)量以及逆轉(zhuǎn)后最低風(fēng)量之間的關(guān)系式,該關(guān)系式和不同旁側(cè)分支風(fēng)阻的實驗結(jié)果相吻合。該關(guān)系式說明:旁側(cè)分支風(fēng)量變化范圍隨著風(fēng)阻的增大而減小。利用該關(guān)系式進(jìn)一步推導(dǎo),可以得出旁側(cè)分支風(fēng)阻的變化也能防止風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的結(jié)論。但利用旁側(cè)分支風(fēng)阻變化防止風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的條件非�？量�。將不同實驗中旁側(cè)分支逆轉(zhuǎn)時氧氣濃度變化曲線進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn),氧氣濃度下降的趨勢不受巷道高差、風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和旁側(cè)分支風(fēng)阻的影響,氧氣濃度下降區(qū)間的規(guī)律可以用直線描述。將風(fēng)扇和控制風(fēng)扇能力的閥門安裝在實驗系統(tǒng)的底部,可以改造實驗平臺進(jìn)行并聯(lián)下行風(fēng)巷道、其中一條巷道出現(xiàn)瓦斯積聚時的實驗。在該實驗中,同樣控制巷道傾角、風(fēng)機(jī)風(fēng)壓、巷道風(fēng)阻等參數(shù)變化進(jìn)行多組實驗,并得到不同參數(shù)對風(fēng)流紊亂現(xiàn)象的影響�？傮w來說,下行風(fēng)巷道受到瓦斯風(fēng)壓影響時,其風(fēng)流紊亂的程度較上行風(fēng)巷道更嚴(yán)重,瓦斯分布規(guī)律更復(fù)雜,系統(tǒng)排出瓦斯所用的時間較長。下行風(fēng)巷道中出現(xiàn)瓦斯風(fēng)壓后,風(fēng)流方向往往出現(xiàn)多次變化,呈現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。瓦斯很容易逆流進(jìn)入旁側(cè)分支,而且在風(fēng)流振蕩的影響下,瓦斯可能多次流入和流出旁側(cè)分支。因此,應(yīng)盡可能避免瓦斯積聚的現(xiàn)象出現(xiàn)在下行風(fēng)巷道中。將并聯(lián)巷道的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)簡化為環(huán)形管道的模型,并利用振動理論對巷道積聚大量瓦斯后,瓦斯隨風(fēng)流在兩并聯(lián)分支中往復(fù)運(yùn)動的現(xiàn)象進(jìn)行研究。根據(jù)實際情況列出振動方程,利用數(shù)值方法在兩并聯(lián)巷道斷面、長度和風(fēng)阻等參數(shù)不同的條件下對振動方程求解,研究了巷道參數(shù)對風(fēng)流振蕩頻率以及振幅的影響。研究發(fā)現(xiàn),巷道風(fēng)阻的增大最有利于風(fēng)流振蕩現(xiàn)象中振幅的減小,有利于振蕩現(xiàn)象較快停止。通過分析發(fā)現(xiàn),旁側(cè)分支的風(fēng)流逆轉(zhuǎn)是下行風(fēng)風(fēng)流振蕩的必要條件,而旁側(cè)分支較高的初始風(fēng)速可以防止其風(fēng)流逆轉(zhuǎn)。阿基米德數(shù)表征了風(fēng)流所受浮力和慣性力的比值,而在實驗條件下,旁側(cè)分支的初始風(fēng)速是決定阿基米德數(shù)大小的主要因素,因此,存在一個臨界初始風(fēng)速,可以防止旁側(cè)分支風(fēng)流逆轉(zhuǎn),進(jìn)而防止風(fēng)流振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。為了配合實驗研究,方便對現(xiàn)場實例的分析,本論文對非穩(wěn)態(tài)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算程序進(jìn)行了改進(jìn)。原非穩(wěn)態(tài)程序是由本研究團(tuán)隊在穩(wěn)態(tài)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算軟件的基礎(chǔ)上改進(jìn)的。該程序以一維非穩(wěn)態(tài)不可壓縮風(fēng)流流動方程和瓦斯彌散方程為基礎(chǔ),將瓦斯風(fēng)壓的影響引入通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算中。對該程序的改進(jìn)主要有三點:第一,對原程序中部分漏洞進(jìn)行修復(fù),包括初始風(fēng)量解算的精度,有調(diào)節(jié)設(shè)施巷道的摩擦阻力系數(shù)確定和瓦斯運(yùn)移邊界條件的計算方法。改進(jìn)后的程序分別通過簡單的并聯(lián)巷道算例與原程序?qū)Ρ?解算結(jié)果說明程序改進(jìn)效果明顯。第二,現(xiàn)場在發(fā)生瓦斯積聚事故后,可能利用調(diào)節(jié)設(shè)施改變巷道風(fēng)阻的方法來預(yù)防風(fēng)流逆轉(zhuǎn)和瓦斯積聚范圍擴(kuò)大。為此,改進(jìn)程序增加了某條分支在解算過程中風(fēng)阻變化的功能。在對并聯(lián)巷道的簡單算例解算中發(fā)現(xiàn),在發(fā)生風(fēng)流逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象時,及時增大旁側(cè)分支的風(fēng)阻,是防止瓦斯積聚范圍擴(kuò)大的較好途徑。第三,根據(jù)前人研究的突出過程中瓦斯涌出規(guī)律,為程序增添了模擬突出事故中瓦斯涌出的功能。利用改進(jìn)后的程序?qū)爬锷?.23煤與瓦斯突出事故進(jìn)行解算,并與本團(tuán)隊之前曾經(jīng)利用原程序的解算結(jié)果對比,排出瓦斯所需時間大大加長了,彌補(bǔ)了原解算結(jié)果中瓦斯排出時間過短的不足。最后,論文對唐山礦岳胥區(qū)7050和7050西上山2004年風(fēng)流停滯現(xiàn)象進(jìn)行了分析。唐山礦岳胥區(qū)7050和7050西上山2004年曾發(fā)生瓦斯積聚。瓦斯積聚的原因是7010下口風(fēng)門敞開導(dǎo)致風(fēng)流短路。由于岳胥區(qū)瓦斯涌出量較大,礦方發(fā)現(xiàn)瓦斯積聚時,瓦斯?jié)舛纫呀?jīng)很高。礦方關(guān)閉7010下口風(fēng)門后,風(fēng)流沒有恢復(fù),仍處于停滯狀態(tài),岳胥區(qū)瓦斯未排出。礦方最終利用局扇排出瓦斯,瓦斯排出后,岳胥區(qū)風(fēng)流恢復(fù)正常,沒有發(fā)現(xiàn)阻滯巷道通風(fēng)的物體。對實驗平臺進(jìn)行改造,使其能夠模擬唐山礦岳胥區(qū)的風(fēng)流停滯事故,實驗再現(xiàn)了唐山礦風(fēng)流停滯的現(xiàn)象,證明了風(fēng)流停滯是由瓦斯風(fēng)壓導(dǎo)致的。簡化唐山礦岳胥區(qū)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型,利用改進(jìn)后的非穩(wěn)態(tài)礦井通風(fēng)解算程序?qū)︼L(fēng)流停滯現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬結(jié)果也可以重現(xiàn)風(fēng)流停滯的過程。模擬得到的瓦斯?jié)舛确植己屯咚癸L(fēng)壓計算結(jié)果說明:瓦斯風(fēng)壓和風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)壓相平衡是風(fēng)流停滯的主要原因。根據(jù)實驗和模擬的結(jié)果,提出了對應(yīng)對類似風(fēng)流停滯現(xiàn)象的預(yù)防和處理措施。論文的主要創(chuàng)新點有以下幾點:1.首次搭建了用于瓦斯風(fēng)壓現(xiàn)象研究的實驗平臺,并對瓦斯風(fēng)壓引起的風(fēng)流紊亂現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)的實驗研究;2.推導(dǎo)了防止瓦斯風(fēng)壓導(dǎo)致上行風(fēng)并聯(lián)旁側(cè)分支風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的臨界風(fēng)速與巷道高差之間的關(guān)系,并進(jìn)行了實驗驗證;3.運(yùn)用振動理論對并聯(lián)下行風(fēng)巷道中瓦斯風(fēng)壓導(dǎo)致的風(fēng)流紊亂現(xiàn)象進(jìn)行研究,指出巷道風(fēng)阻對抑制風(fēng)流振蕩現(xiàn)象的作用;4.改進(jìn)了非穩(wěn)態(tài)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算程序,將風(fēng)流非穩(wěn)態(tài)變化過程中通風(fēng)設(shè)施的調(diào)節(jié),以及風(fēng)流非穩(wěn)態(tài)變化的同時瓦斯不斷涌出的過程等模塊加入非穩(wěn)態(tài)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算程序。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TD712

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本文編號：1508801