【摘要】：煤礦生產(chǎn)中瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重.目前的防治理論與技術(shù)尚未完全根除瓦斯事故,瓦斯超限及爆炸現(xiàn)象時有發(fā)生。本文基于周世寧院士提出的高瓦斯煤層密閉空間煤與瓦斯共采的理論,構(gòu)建了集中巷通風(fēng)、掘進(jìn)巷不通風(fēng)的新型無風(fēng)掘進(jìn)系統(tǒng)模型,分析了無風(fēng)掘進(jìn)的巷道布置、煤料運(yùn)輸、人員安全及舒適性保障、瓦斯抽采、瓦斯與氧氣阻隔等子系統(tǒng),研究了無風(fēng)掘進(jìn)的優(yōu)缺點(diǎn)及可行性。實(shí)現(xiàn)無風(fēng)掘進(jìn),關(guān)鍵在于將瓦斯與氧氣有效阻隔,為此分別對瓦斯和氧氣的阻隔機(jī)理進(jìn)行研究。瓦斯控制主要在于明確瓦斯空間濃度分布與涌出量、抽采量、泄漏量、氮?dú)饽蛔韪羲俣戎g的關(guān)系。考慮工作面推進(jìn)過程中煤壁及煤塊瓦斯放散總時間不同這一因素,通過微元積分再求和的方式,推導(dǎo)出了一個作業(yè)循環(huán)中瓦斯涌出總量的表達(dá)式;建立了泄漏瓦斯輸運(yùn)動力學(xué)模型,得出了在涌出量、抽采量、浮力及黏性阻力等多因素影響下的瓦斯連續(xù)輸運(yùn)規(guī)律、動量及能量控制方程;通過菲克定律及高斯煙團(tuán)模型經(jīng)傅立葉變換推導(dǎo)出了瓦斯?jié)舛鹊臅r空分布規(guī)律:根據(jù)射流卷吸作用,得出了氮?dú)饽蛔韪羲俣扰c瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)系式。針對瓦斯輸運(yùn)規(guī)律,提出了風(fēng)門硬阻擋-抽采動態(tài)調(diào)壓-氮?dú)饽卉涀韪羧呗?lián)動控制瓦斯的方法。通過相似模擬、數(shù)值分析及中澳實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場仿真實(shí)驗(yàn),研究了上述四種變量對瓦斯運(yùn)移規(guī)律的影響,驗(yàn)證了風(fēng)門開啟與關(guān)閉狀態(tài)下,瓦斯阻隔裝置與控制方法的有效性。氧氣阻隔分為風(fēng)門開啟與關(guān)閉兩種狀態(tài)進(jìn)行研究。風(fēng)門開啟狀態(tài)下氧氣控制方法與瓦斯相似,預(yù)先啟動氮?dú)饽?等量驅(qū)替風(fēng)門開啟所擾動范圍內(nèi)的氧氣,保證風(fēng)門開啟過程中渦流場內(nèi)的氣體為氮?dú)?同時啟動正壓區(qū)內(nèi)的氮?dú)饽?利用正壓法阻隔氧氣進(jìn)入掘進(jìn)巷。風(fēng)門關(guān)閉時,根據(jù)伯努利方程,推導(dǎo)出了阻隔氧氣時各區(qū)間的氣體壓力關(guān)系,利用壓差作用,保證只存在由氮?dú)庹龎簠^(qū)向集中巷的單向流動,以此實(shí)現(xiàn)對氧氣的阻隔。建立了相似模擬和數(shù)值分析模型,驗(yàn)證了繞道巷氧阻隔機(jī)制的有效性。上述研究表明,在無風(fēng)掘進(jìn)模型中,采用風(fēng)門、抽采、氮?dú)饽粍討B(tài)調(diào)節(jié)的方法,可以實(shí)現(xiàn)瓦斯和氧氣的有效阻隔,為無風(fēng)掘進(jìn)工藝的實(shí)施提供了理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
[Abstract]:Gas disaster is serious in coal mine production. At present, the prevention theory and technology have not completely eliminated the gas accident, the gas overrun and the explosion phenomenon occur from time to time. Based on the theory of coal and gas mining in closed space of high gas coal seam put forward by academician Zhou Shining, this paper constructs a new type of no-wind tunneling system model for ventilation of concentrated roadway and unventilated roadway, and analyzes the layout of roadway and transportation of coal and materials without wind tunneling. The safety and comfort of personnel, gas extraction, gas and oxygen barrier subsystem, the advantages, disadvantages and feasibility of no-wind tunneling are studied. The key to achieve windless tunneling is to effectively block gas from oxygen. Therefore, the barrier mechanism of gas and oxygen is studied separately. The main purpose of gas control is to determine the relationship between gas concentration distribution and gas emission, drainage, leakage and nitrogen screen barrier velocity. Considering that the total time of coal wall and coal block gas emission is different in the process of working face advance, the expression of total gas emission in a working cycle is deduced by the way of summation of differential integral. The dynamic model of gas leakage transportation is established, and the control equations of momentum and energy are obtained under the influence of many factors, such as quantity of emission, quantity of extraction, buoyancy and viscous resistance, etc. By means of Fick's law and Gao Si smoke mass model, the temporal and spatial distribution of gas concentration is deduced by Fourier transform. According to the action of jet entrainment, the relationship between the barrier velocity of nitrogen curtain and gas concentration is obtained. According to the law of gas transportation, a method of gas control is put forward in this paper, which is combined with hard blocking, dynamic pressure regulation of draught and soft barrier of nitrogen curtain. The effects of the above four variables on the gas migration law are studied through similar simulation, numerical analysis and field simulation experiments in China and Australia. The effectiveness of the gas barrier device and control method is verified under the condition of opening and closing of the tuyere. The oxygen barrier is divided into two states: the opening and closing of the tuyere. The oxygen control method is similar to that of gas in the open state of the tuyere. The nitrogen curtain is started in advance and the oxygen in the disturbed range of the opening of the air valve is driven by the same amount. At the same time, the nitrogen curtain in the barotropic zone is started, and the barotropic method is used to block the oxygen into the drivage roadway. On the basis of Bernoulli's equation, the gas pressure relationship of every interval in blocking oxygen is deduced. The pressure difference is used to ensure that there is only one way flow from the positive pressure zone of nitrogen to the concentrated roadway, so as to achieve the barrier of oxygen. Similarity simulation and numerical analysis model were established to verify the effectiveness of oxygen barrier mechanism in bypass lane. The above research shows that the effective barrier between gas and oxygen can be realized by adopting the methods of tuyere, extraction and dynamic adjustment of nitrogen curtain in the no-wind tunneling model, which provides the theoretical and experimental basis for the implementation of the no-wind tunneling technology.
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【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：2167308