本文關(guān)鍵詞：礦井瓦斯抽采管網(wǎng)運行優(yōu)化方法研究

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【摘要】：瓦斯抽采管網(wǎng)的基礎(chǔ)運行參數(shù)(負(fù)壓、流量等)是評價礦井抽采效果和發(fā)現(xiàn)抽采管網(wǎng)問題的重要參數(shù)。瓦斯抽采管路壓力失調(diào)是礦井瓦斯抽采管網(wǎng)面臨的普遍問題,要解決失調(diào)問題最好的設(shè)計方法就是能夠建立瓦斯抽采管網(wǎng)的水利工況模型,利用計算機模擬分析不同調(diào)節(jié)狀態(tài)下瓦斯抽采管網(wǎng)各分支的運行工況。因此,為了更加深入的認(rèn)識礦井瓦斯抽采管網(wǎng)運行規(guī)律,本文的主要研究內(nèi)容如下:(1)瓦斯抽采管路氣體流動規(guī)律研究為了簡化分析瓦斯抽采管路內(nèi)的氣體流動規(guī)律,本文對瓦斯抽采管路內(nèi)的氣體流動進(jìn)行如下基本假設(shè):(1)瓦斯抽采管道內(nèi)為一維可壓縮氣體的穩(wěn)態(tài)流動;(2)氣體在瓦斯抽采管網(wǎng)內(nèi)的流動為等溫流動;(3)節(jié)點(包含測點和分支混合點)內(nèi)氣體壓力處處相等。然后根據(jù)氣體連續(xù)性方程、能量方程和氣體狀態(tài)方程建立簡化一維可壓縮氣體的穩(wěn)態(tài)流動方程,根據(jù)方程可以發(fā)現(xiàn):對于同一瓦斯抽采管路,正常運行狀態(tài)下,管道內(nèi)氣體絕對壓力的平方呈線性下降變化;當(dāng)管道中間某段出現(xiàn)堵塞或泄漏時,該管段氣體絕對壓力的平方隨著傳輸距離的增加,其變化斜率絕對值會迅速變大,而在堵塞狀態(tài)下,下游管段氣體絕對壓力的平方隨著傳輸距離的變化斜率值會恢復(fù)與上游一致,在管段泄漏時,下游管段氣體絕對壓力的平方變化隨著傳輸距離的變化斜率絕對值會大于上游。通過Fluent模擬軟件對瓦斯抽采管道的氣體流動規(guī)律進(jìn)行模擬計算。模擬計算結(jié)果表明,在利用SST k-ω湍流方程進(jìn)行模擬計算時,其模擬計算結(jié)果反算出來的沿程阻力系數(shù)λ偏小,說明使用Fluent模擬計算時存在誤差,為了獲取更加準(zhǔn)確的模擬結(jié)果,需要對模擬計算中輸入的邊界條件管壁粗糙度進(jìn)行修正。最終,利用校正過的數(shù)值模擬結(jié)果分析瓦斯抽采管路流動簡化模型的有效性及可靠性。(2)瓦斯抽采管網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析及數(shù)學(xué)模型礦井敷設(shè)瓦斯抽采支管前,需要考察其能達(dá)到的抽采負(fù)壓、抽采量以及敷設(shè)支管后對其它支管的影響。由于支管直接與鉆場鉆孔相連,分支管路較多,因此本文首先將支管及其連接鉆孔等效處理,簡化成一段與干管管徑相同的等效管路,然后對瓦斯抽采主、支管、等效支管構(gòu)成的礦井瓦斯管網(wǎng)進(jìn)行研究,同時結(jié)合抽采泵工作特性方程、圖論理論,建立礦井瓦斯管網(wǎng)抽采解算的數(shù)學(xué)模型,并對其進(jìn)行線性化處理求解,該模型將礦井瓦斯管網(wǎng)作為一個有機整體,充分考慮了地面抽采泵站與井下移動抽采泵站聯(lián)網(wǎng)抽采的特征。同時,本文還分析了井下移動泵站抽采系統(tǒng)與地面永久泵站抽采系統(tǒng)串聯(lián)之后,其泵站運行特性及并聯(lián)分支之間的運行特性。(3)瓦斯抽采實驗平臺搭建及實驗研究礦井瓦斯抽采管網(wǎng)類型為枝狀管網(wǎng),由于礦井井下瓦斯抽采管道距離長、調(diào)試?yán)щy、測量難度大,因此,開展礦井瓦斯抽采管網(wǎng)實際測量復(fù)雜,進(jìn)行實驗室實驗可以方便進(jìn)行管道運行參數(shù)的調(diào)試測量,該部分主要進(jìn)行單一抽采管道運行狀態(tài)運行測試、主管漏風(fēng)對支管負(fù)壓的影響、支管漏風(fēng)對相鄰支管負(fù)壓的影響、臨時泵站與地面泵站串聯(lián)對管網(wǎng)運行狀態(tài)的影響。為準(zhǔn)確測量實驗管路內(nèi)的氣體流量,本文采用首先向?qū)嶒灩苈穬?nèi)注入示蹤煙霧,然后借助攝像機使用圖像相關(guān)法進(jìn)行流量測量。為了消除背景值影響,本文首先借助Matlab軟件對實驗管道的背景值進(jìn)行提取,然后實時計算釋放示蹤煙霧后,監(jiān)測窗口處減去背景信息的灰度值變化,通過對2個監(jiān)測窗口灰度值的實時分析,利用互相關(guān)算法最終計算實驗管道內(nèi)流量,實驗結(jié)果表明,該方法實驗誤差小于3%。該研究為瓦斯抽采管網(wǎng)實驗參數(shù)的精確測量奠定了基礎(chǔ)。瓦斯抽采管網(wǎng)實驗研究表明,瓦斯抽采氣體管道內(nèi)的壓力變化規(guī)律為拋物線形勢,而壓力的平方隨距離的變化呈現(xiàn)線性衰減規(guī)律。通過壓力平方與距離之間的關(guān)系可以有效辨識管道內(nèi)的漏風(fēng)狀態(tài)和堵塞情況。越靠近真空泵的地點出現(xiàn)漏風(fēng),真空泵的負(fù)壓減小越快,而對鉆孔負(fù)壓的影響較少,而越靠近鉆孔位置漏風(fēng),對真空泵的工況影響越小,但是對鉆孔負(fù)壓影響非常大。井下移動泵站抽采系統(tǒng)與地面永久泵站抽采系統(tǒng)串聯(lián)時,會嚴(yán)重影響與臨時泵站相鄰管道的負(fù)壓和流量,嚴(yán)重時會導(dǎo)致相鄰抽采管道內(nèi)存在正壓,出現(xiàn)瓦斯泄漏。(4)瓦斯抽采管網(wǎng)優(yōu)化運行的現(xiàn)場應(yīng)用針對余吾煤業(yè)瓦斯抽采現(xiàn)狀,基于壓力梯度法對北翼采區(qū)瓦斯主管道的運行狀態(tài)進(jìn)行診斷,確定瓦斯抽采管道漏風(fēng)區(qū)域及堵塞區(qū)域,為瓦斯抽采管道運行優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。然后通過對Ventsim軟件中的基于可壓縮流的流體網(wǎng)絡(luò)解算模塊進(jìn)行理論分析,論證其應(yīng)用于瓦斯抽采管網(wǎng)解算的合理性,最后利用該軟件對余吾煤業(yè)瓦斯抽采管網(wǎng)優(yōu)化運行進(jìn)行模擬分析。
【關(guān)鍵詞】：瓦斯抽采 管網(wǎng) 優(yōu)化運行 可壓縮氣體
【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】：2016
【分類號】：TD712.6
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 緒論12-20
• 1.1 研究背景12
• 1.2 研究意義12-13
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-18
• 1.3.1 國外瓦斯管網(wǎng)解算研究13-14
• 1.3.2 氣體在管內(nèi)的流動規(guī)律研究14-15
• 1.3.3 瓦斯抽采管路連接研究15-17
• 1.3.4 瓦斯抽采管網(wǎng)優(yōu)化研究17-18
• 1.4 主要研究內(nèi)容18-19
• 1.5 研究方法和技術(shù)路線19-20
• 第二章瓦斯抽采管路氣體流動基本規(guī)律20-42
• 2.1 引言20
• 2.2 瓦斯抽采氣體運動狀態(tài)分析20-21
• 2.3 瓦斯抽采管路流動規(guī)律簡化模型21-29
• 2.3.1 氣體參數(shù)的確定21-24
• 2.3.2 氣體運動方程24-29
• 2.4 瓦斯抽采管路流動規(guī)律數(shù)值模擬29-40
• 2.4.1 數(shù)學(xué)模型的建立30-31
• 2.4.2 湍流模型方程31-34
• 2.4.3 幾何模型及網(wǎng)格的劃分34-36
• 2.4.4 模型參數(shù)的設(shè)定及模擬結(jié)果分析36-40
• 2.5 本章小結(jié)40-42
• 第三章 瓦斯抽采管網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析及數(shù)學(xué)模型42-54
• 3.1 引言42
• 3.2 瓦斯抽采管網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)模擬42-48
• 3.2.1 阻力分析及局部阻力42-43
• 3.2.2 串聯(lián)管路43-44
• 3.2.3 圖論44-46
• 3.2.4 瓦斯管網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型建立與求解46-48
• 3.3 井下移動泵站與地面永久泵站串聯(lián)48-52
• 3.3.1 水環(huán)式真空泵的工作原理48-49
• 3.3.2 水環(huán)式真空泵性能的影響因素49-50
• 3.3.3 井下移動泵站與地面永久泵站串聯(lián)50-52
• 3.4 本章小結(jié)52-54
• 第四章 瓦斯抽采實驗平臺搭建及實驗研究54-80
• 4.1 引言54
• 4.2 實驗系統(tǒng)構(gòu)成54-58
• 4.2.1 水環(huán)式真空泵與抽采管路55-56
• 4.2.2 調(diào)節(jié)附屬設(shè)施56
• 4.2.3 壓力測量裝置56-57
• 4.2.4 相關(guān)法流量測量系統(tǒng)57
• 4.2.5 孔板流量計驗證57-58
• 4.3 相關(guān)法流量測量原理58-69
• 4.3.1 相關(guān)測速技術(shù)的基本原理58-59
• 4.3.2 相關(guān)測速測量的數(shù)學(xué)模型59-62
• 4.3.3 基于圖像相關(guān)法測流速流程62-65
• 4.3.4 實驗參數(shù)設(shè)置65-67
• 4.3.5 外界環(huán)境對圖像攝影測流速影響67-69
• 4.4 瓦斯抽采管網(wǎng)運行狀態(tài)模擬實驗69-78
• 4.4.1 單一瓦斯抽采管路狀態(tài)異常分析69-72
• 4.4.2 主管漏風(fēng)對支管負(fù)壓的影響72-75
• 4.4.3 臨時泵站與地面泵站串聯(lián)對并聯(lián)支路的影響75-78
• 4.5 本章小結(jié)78-80
• 第五章 瓦斯抽采管網(wǎng)優(yōu)化現(xiàn)場實例80-94
• 5.1 引言80
• 5.2 瓦斯抽采主管運行狀態(tài)診斷研究80-83
• 5.2.1 余吾煤礦瓦斯抽采管網(wǎng)現(xiàn)狀80-81
• 5.2.2 瓦斯抽采主管運行狀態(tài)分析81-83
• 5.3 瓦斯抽采管網(wǎng)模擬解算83-92
• 5.3.1 可壓縮風(fēng)流阻力分析83-84
• 5.3.2 風(fēng)流網(wǎng)絡(luò)平衡定律84-85
• 5.3.3 風(fēng)流網(wǎng)絡(luò)解算模型85-87
• 5.3.4 構(gòu)建立體解算模型87-92
• 5.4 本章小結(jié)92-94
• 第六章 結(jié)論與展望94-98
• 6.1 結(jié)論94-95
• 6.2 主要創(chuàng)新點95-96
• 6.3 展望96-98
• 參考文獻(xiàn)98-106
• 致謝106-108
• 作者簡介108
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文108

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