（矿物加工工程专业论文）工作面通风子系统模拟实验的设计研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 工作面通风子系统模拟实验的设计研究 矿物加工工程 马刚( 签名) 常心坦( 签名) 摘要 瓦斯灾害是煤矿最严重的灾害之一。瓦斯灾害治理已成为煤矿特别是高瓦斯矿井安 全生产的关键因素之一。 为了解井下瓦斯运移、积聚的规律，结合前人的研究成果，提出设计建造模拟实验 系统，来模拟工作面的物理特性；并以模拟实验台为对象，通过模拟系统的风量控制系 统和瓦斯释放系统，来模拟采煤工作面通风子系统的通风瓦斯环境；利用研制的检测系 统来采集参数数据，在实验室条件下开展有关工作面区域瓦斯运移和积聚的实验研究， 为科学工作者提供一条认识瓦斯运移和积聚规律的新途径。 本论文研究主要依据几何相似、物理相似、运动相似、动力相似等相似理论来设计 和搭建模拟实验系统。包括：对模型的几何尺度做了规定，并且设计制造了模拟实验台 的采场模型；依据通风理论及相似理论对模拟的通风系统做了设计，确定了通风系统在 模拟实验过程中的风量控制方案，以及通风系统的组成；由采场瓦斯的涌出规律和影响 因素来设计模拟系统中瓦斯的释放规律；从工作面通风系统的组成形式出发，对模拟的 采场进行了多种结构的设计，并说明了模型的使用方法；最后根据实验系统特殊的环境， 从硬件和软件的要求上设计并制造了用于检测瓦斯浓度的检测系统。 关键词：模拟实验：瓦斯运移；通风系统；矿井安全 研究类型：应用研究 s u b j e c t：s t u d yo ns i m u l a t i o nm o d e l i n gf o r v e n t i l a t i o ns u b - s y s t e mo f l o n g w a l lf a c er e g i o ni nc o a lm i n e s n s p a e m c e a l 够：m m a n e 。a g lp a n 。：g 。e 8 8e n g n 。e 。g ( s i g n a t u r e ) ! i 二6 1 j 二j 纷 ： 一i a 喇o a i n s t r u c t o r ：c h a n gx i n t a n ( s i g n a t u r e ) 丝= 2 丝：礼 a b s t r a c t m e t h a n e e x p l o s i o ni so n eo ft h em o s ts e r i o u sh a z a r d si nc o a lm i n e s b r i n g i n gm e t h a n e u n d e rc o n t r o lh a sb e c o m et h em o s ts i g n i f i c a n tf a c t o ri nm i l l es a f e t yo f c o a lp r o d u c t i o n i na ne f f o r tt og a i nt h eb e t t e ru n d e r s t a n d i n go fm e t h a n et r a n s f e ra n da c c u m u l m i o n ，t h i s t h e s i sc o n d u c t sar e s e a r c ho nt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fa ne x p e r i m e n ts y s t e mw i t hm a n y u s e f u lf u n c t i o n ss u c ha s s i m u l m i n gp l a y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so nt h ew o r k i n gf a c ea n d s i m u l a t i n gc l i m a t ec o n d i t i o n si nt h ef a c er e g i o nt h r o u g hc o n t r o l l i n gs y s t e m so fa i rd e l i v e r y a n dm e t h a n ee m i s s i o n t h i ss y s t e mg i v e sr e s e a r c h e r san e w a p p r o a c ht os t u d yt h et r a n s f e ra n d a c c u m u l a t i o nc h a r a c t e r so f m e t h a n ei nal a b t h ee x p e r i m e n ts y s t e mi sd e s i g n e di nt h er e s e a r c ha c c o r d i n gt ot h es i m i l a r i t yt h e o r y s u c ha sg e o m e t r ys i m i l a r i t y ，s i m i l a r i t yo fp h y s i c a lc o n d i t i o n s ，s i m i l a r i t yo fm o v i n gc o n d i t i o n s a n di m p e t u ss i m i l a r i t ye t c t h u st h eg e o m e t r yd i m e n s i o n so ft h em o d e la l ed e f i n e da n dt h e m o d e l st e s t b e di sc o n s t r u c t e d f u r t h e r m o r e ，t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mo f v e n t i l a t i o ni sd e s i g n e d a n dt h ew a yi nw h i c ht h es y s t e mc o n t r o l sa i rd e l i v e r yi nt h ee x p e r i m e n tp r o c e s si sv e r i f i e d a t t h es a m et i m e ，t h em e t h a n ee m i s s i o ns y s t e mi nt h em o d e li sd e s c r i b e dt of i tt h er e g u l a r i t yo f m e t h a n ee m i s s i o na n dt h er e l a v e n ti n f l u e n c i n gf a c t o r si nm i n e s b e s i d e s ，t h ee x p e r i m e n t m o d e li sf l e x i b l ee n o u g hi ns i m u l a t i n gv a r i o u sl a y o u to fv e m i l a t i o ns u b s y s t e m si nt h ef a c e r e g i o n so fd e f f e r e n tm i n e s f i n a l l y ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o m p o s e db yas e r i e so f s e n s o r sa n dad a t ac o l l e c t i o ns y s t e mf o rt h ed e t e c t i o no fm e t h a n em i g r a t i o ni sa s s e m b l e da n d t e s t e d k e y w o r d s ： t h e s i s s i m i l a r i t ye x p e r i m e n t m e t h a n et r a n s f e rv e n t i l a t i o ns y s t e m m i n e s a f e t y a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：3 、q 1 日期：矽_ 。多么刃 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 指导教师签名：亿以 删多年4 月工g 日 1 绪论 1 1 引言 1 绪论 瓦斯是危害矿井安全生产的重要因素之一。瓦斯灾害是煤矿中最严重的灾害之一。 瓦斯对矿井安全的威胁主要有爆炸、突出、窒息等三种形式，其中瓦斯煤尘爆炸和煤与 瓦斯突出给煤炭矿山企业带来的危害极大，它严重威胁着井下人员的生命和矿井设施的 安全，并迫使矿井停产，投入大量的人力、物力进行抢险救灾。瓦斯爆炸不仅造成大量 人员伤亡，而且严重摧毁井巷设施、中断生产，有时还会引起煤尘爆炸、矿井火灾、井 巷垮塌等二次灾害。井下一次死亡人数多的重大事故主要是瓦斯爆炸事故和瓦斯突出事 故。近些年中国的煤矿事故百万吨死亡率是美国的1 0 0 倍，南非的3 0 倍。据国家煤矿 安全监察局调度所统计，2 0 0 5 年，全国煤矿共发生死亡事故3 3 4 1 起，死亡5 9 8 6 人。其 中，瓦斯事故仍然多发，死亡人数所占比例最大。2 0 0 5 年全国煤矿发生瓦斯事故4 0 5 起，死亡2 1 5 7 人，同比2 0 0 4 年多死亡1 7 8 人，瓦斯事故死亡人数占全国煤矿事故总死 亡人数的3 6 0 。相当于每天都有因为瓦斯而引起的矿难事故，每天有约6 人在因为瓦 斯而引起的矿难事故中死亡。 近年来，随着采矿技术装备的飞跃发展，我国涌现出了一大批以综合机械化采煤为 特征的高产、高效、集约化矿井。集约化生产是我国煤炭生产方式的一大飞跃，具有高 产、高效、成本低、经济效益显著的特点。但由于开采强度大、生产集中、推进速度快， 造成采面瓦斯涌出集中、涌出不均衡等特点，对安全生产构成了极大威胁，严重制约了 高产、高效工作面优势的发挥。在我国拥有高产、高效工作面的5 0 多个矿井中，有1 7 个属于高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井，占总数的3 3 ，有6 8 的高产、高效工作面存在 严重或较严重的瓦斯超限问题，在瓦斯含量仅为5 8 m 3 t 的低瓦斯矿井，高产高效工作 面由于瓦斯超限而影响生产的时间约为正常时间的1 0 左右，而在高瓦斯矿井或突出矿 井，则高达3 0 左右。重大恶性瓦斯事故在我国连续不断的出现，给煤矿安全生产造成 极大危害。 同样，一些有4 0 、5 0 年历史的国有老矿因为瓦斯引起的矿难事故也是相当严重的。 在2 0 0 5 年对神华宁夏煤业集团有限责任公司( 简称神宁公司) 所属煤矿调研中可以看 出。有近5 0 年历史仍不断进行挖潜扩能改造的老矿，也有刚投产的新矿。先进的技术、 装备、方法与原始的手段并存。神宁公司现有1 5 家原煤生产单位( 包括2 个露天矿) ， 银北矿区瓦斯灾害较为严重，现有4 个高瓦斯矿井、3 个高突矿井。白芨沟矿、石嘴山 二矿、红粱公司、大峰羊齿矿等4 个生产矿井鉴定为高瓦斯矿井；汝箕沟煤矿、乌兰矿、 石嘴山一矿等3 个生产矿井鉴定为煤与瓦斯突出矿井。相对瓦斯涌出量为 西安科技大学硕士学位论文 0 2 3 7 6 3 4 m 3 a ，绝对瓦斯涌出量为0 1 1 7 - 1 0 4 3 8m 3 m i n ，全公司瓦斯绝对涌出量已达 4 1 5 8 m 3 r n i n 。高瓦斯矿井或突出矿井占整个集团所属矿井数高达的5 0 ，在近些年的 发生的重大事故中，绝大部分是由于瓦斯引起，例如：2 0 0 5 年5 月发生在汝箕沟矿3 2 2 9 综放工作面火灾事故主要原因就是瓦斯通过裂隙将火引入工作面；2 0 0 5 年4 月乌兰矿 5 3 4 4 综放工作面火灾事故主要原因是瓦斯抽放能力不足，工作面瓦斯涌出量大等。 瓦斯灾害的威胁极大地限制了矿井生产能力的发挥，采掘工作面因难以将瓦斯浓度 控制在安全限度内而不得不减慢采、掘速度，因消除煤层的突出危险性而不得不占用更 多的采掘时间去强化消除突出的防突措施，使许多矿井的生产能力不得不一减再减，浪 费了大量的生产投资，高产高效的采、掘、运机械化装备难以发挥效能，劳动生产率水 平低下。由于矿井安全生产受到威胁，矿井经济负担重，效益差，导致矿井人员稳定困 难，科技开发能力减弱，不少高瓦斯突出矿井步入恶性循环，最终导致矿井关闭，因此， 在当前市场经济条件下，瓦斯灾害治理的好坏己成为矿井特别是高瓦斯矿井兴衰存亡的 关键因素之一，限制矿井巷道瓦斯的浓度是防止瓦斯事故发生的主要措施之一。我国现 有的煤矿安全规程规定的巷道瓦斯最高浓度是1 。巷道瓦斯浓度超过1 ，机械设备必 须断电生产必须停止。防治瓦斯浓度超限是泛指瓦斯事故一条很有效的措旋，也是最简 单的方法，它从根本上限制了瓦斯事故发生的可能性。由于对瓦斯的重视，检测瓦斯的技 术也得到了长足的发展，现在已经比较成熟。瓦斯一旦超限就会有声、光、电等多种方式 进行报警，使得井下人员采取措施进行处理。这虽然是一条防止瓦斯事故的途径，但是，等 到瓦斯超限后再进行处理是很被动的，也往往比较难处理。防止瓦斯浓度达到超限值，就 必须清楚瓦斯产生以及运移、赋存、涌出、流动等规律，掌握了这些基本规律，对有可能 出现瓦斯超限的巷道及地点进行有针对性的预防措施，从源头上杜绝瓦斯事故的发生， 从而为矿井的正常开采以及井下人员的安全提供保障。而对瓦斯运移、积聚的预测是瓦 斯防治技术中的主要方面之一。这就需要通过实验的方法来摸索、总结、验证瓦斯运移、 积聚的规律，而在现场由于条件所限，埋点测定难度大，又要耗费大量的资金和生产时 间，所以本论文以实验的角度出发，依据相似理论在实验室内设计、制造一套矿井瓦斯 运移模拟实验系统，用来研究井下采掘工作面、采空区内瓦斯运移、积聚规律。 1 1 2 国外研究动态 近年来，作为瓦斯防治不可缺少的重要环节之一的瓦斯预测技术( 包括含量预测和 运移、积聚预测) 越来越得到世界各产煤国的重视。国外各采煤国投入了大量的人力财 力进行技术攻关，取得了许多经验和研究成果，自1 9 4 7 年前苏联学者p m 克里切夫斯 基将渗透理论用于描述煤层内瓦斯运移过程【1 】，目前，在国内外指导煤矿瓦斯运移和防 治机理的数学模型主要集中在煤层瓦斯渗流规律、煤层瓦斯扩散理论、煤层瓦斯渗流一 扩散规律以及多物理场、多相煤岩瓦斯耦合规律、煤层卸压瓦斯越流理论和采动裂隙带 1 绪论 瓦斯运移规律等方面的研究。 著名的流体力学家e m a l l e n 在将达西定律用于描述均匀固体物中涌出瓦斯的试验 中得出结果与实测不符 2 】，证明了瓦斯在煤岩体中的渗流存在非线性关系。于是，对基 于达西定律的线性渗流定律是否适用于瓦斯在煤体中的运移问题，许多学者通过大量的 实验及理论研究，归纳出达西定律偏离的原因为口】：流量过大：分子效应：离子 效应；瓦斯的吸附。经过实验研究【4 】，基于克林伯格( k l i n k e n b e r g ) 效应的修正达西 定律，指出了达西定律的适用范围，并提出了非线性瓦斯渗流规律以及相应的数学模型。 之后又建立了非均质可压密煤层瓦斯运移和数值模拟方程。6 j ，并得到了煤层瓦斯压力 分布曲线和煤( 孔) 壁瓦斯涌出衰减曲线方程。 瓦斯在煤体中以游离与吸附两种状态赋存，菲克定律( f i c k sl a w ) 认为，瓦斯由吸附 状态向游离状态转化的过程符合线性扩散定律。这样就把扩散流体的速度与其浓度梯度 线性她联系起来。在国外，ln g e r m a n o v i c h 在1 9 8 3 年从扩散理论角度研究了煤层中 吸附瓦斯的解吸过程p 】。法国的a s a g b a i 和澳大利亚的r j w i l l i a m 发表的“煤层瓦斯流 动的计算机模拟及其在预测瓦斯涌出和抽放瓦斯中的应用文是国际采矿界在瓦斯渗 流力学研究领域做出的重要成果之一【8 l 。该论文指出，煤层中瓦斯的流动状况决定于其 内瓦斯的渗透率和介质的扩散性，并从渗流、扩散力学角度出发，据d a r c y 、f i c k 定律， 耦合成瓦斯渗流一扩散的流动方程，结合边值条件，提出了瓦斯渗流一扩散的动力模型， 然后以变透气系数为基础，成功地进行了数值模拟。 俄罗斯早在二十世纪八十年代初制定了针对不同类型矿井及煤层赋存条件与生产 条件的矿井瓦斯运移、积聚预测规范，以法规形式规定煤层在开采时必须进行瓦斯预测 工作；其它主要产煤国也研究建立适合各自国情的预测方法，如：英国的艾黎( a i r e y ) 法【9 】，德国的温特( w i n t e r ) 法，美国的匹兹堡矿业研究院法等。由于瓦斯运移、积聚 是一个含多因素的复变函数，受时间、空间及煤层赋存条件的影响很大，具有多变性， 国外一些主要产煤国研究建立了瓦斯运移、积聚动态预测方法，例如：英国建立了考虑 有时问和开采技术条件影响因素的艾黎法，德国提出了采掘工作面时空序列瓦斯动态预 测法，这些方法可以根据开采技术条件和赋存条件的变化超前准确预测采掘工作面瓦斯 运移、积聚变化动态值，并可根据预测结果随时调整工作面的风量，采取合理的瓦斯处 理技术措施，取得了良好的应用效果。 1 3 国内研究动态 我国从“七五”开始就着手研究瓦斯运移，积聚的规律。在一些国家自然科学基金资 助的项目中，研究者将工作面分成若干个单元，测定每个单元的瓦斯涌出量和进出断面瓦 斯浓度，然后进行累加合成分析即可得出整个工作面的不同瓦斯涌出源的瓦斯涌出量大 小和工作面的瓦斯浓度分布。根据该方法可知工作面漏风方向和漏风量大小，不同瓦斯涌 西安科技大学硕士学位论文 出源的涌出量大小以及局部瓦斯积聚状况。同时根据煤壁侧的瓦斯浓度测定可分析易于 发生瓦斯动力现象区域l i 。 在定量化分析工作面瓦斯运移和浓度分布的方法中，国内的研究者针对通风工程中 的风流流动和瓦斯流动、扩散问题，运用流体力学、渗透力学和扩散力学等理论和方法 建立了具有异重流特性的巷道风流中瓦斯紊流运移。“、采场风流中瓦斯运移和采动空 间煤层双重介质瓦斯流动理论和研究方法，基于计算流体动力学( c f d ) 原理开展的计 算机模拟方法的研究【3j 【”。6 】。提出了从紊流状态下的守恒原理出发导出描述回采工作面 风流中瓦斯紊流运移的微分方程，并采用s i m p l e 方法求解，通过数值模拟，得到工作 面特别是采煤机割煤时，瓦斯浓度分布结果，对认识和预测瓦斯涌出，瓦斯积聚状况， 采取有效措施预防瓦斯爆炸事故的发生具有重要价值。 近年来，一大批有志于煤矿安全生产的专家教授致力于其中的瓦斯运移规律，进而 布置合理的煤层气开采系统，为煤与瓦斯安全共采的理论研究和实践方法提供了借鉴基 础。对于瓦斯动力弥散规律的研究，多数学者将瓦斯在采空区冒落带中的运移规律视为 瓦斯在多孔介质中的动力弥教过程。在文献【1 7 】中章梦涛教授等人对瓦斯在采空区的动 力弥散方程进行了推导，介绍了流体动力弥散方程在一些特殊情况下的解析解，并给出 了一些具体实例以说明其用处i l ”。丁广骧、柏发松考虑因瓦斯一空气混合气体密度的不 均匀及重力作用下的上浮因素，建立了三维采空区内变密度混合气非线性渗流及扩散运 动的基本方程组，并应用g a l e r k i n 有限元法和上浮加权技术对该方程组的相容耦合方程 组进行了求解【l 引。随后，丁广骧在文献 1 9 1 以理论流体力学、传热学、多孔介质流体 动力学等基本理论，结合矿井大气、瓦斯流动的特殊性，较详细地介绍了矿井大气以及 采空区瓦斯的流动【19 1 。齐庆杰、黄伯轩根据采空区瓦斯运移规律分析了采场瓦斯超限的 基本原因，论述了采场瓦斯治理的技术途径，并给出了几种采场瓦斯治理的方法【2 “。梁 栋、黄元平分析了采动空间空隙介质的特性以及瓦斯在其中运动特征，提出了采动空间 瓦斯运移的双重介质模型【2 l 】，之后，梁栋与吴强在文献【3 中对该模型进行了完善，并针 对具体实例进行了求解。李宗翔、孙广义等人将采空区冒落区看作是非均质变渗透系数 的耦合流场，用k o z e r y 理论描述了采空区渗透性系数与岩石冒研究者研究工作面瓦斯 的运移规律主要是从工作面瓦斯涌出源来考虑的，包括工作面煤壁及顺槽煤壁瓦斯涌 出；工作面采空区( 围岩、未采分层、丢煤、上下邻近层) 瓦斯涌出：工作面采落煤瓦 斯涌出 2 2 1 。结合具体的采区环境，采用实地测量的方法，测量出工作面及其周边区域的 瓦斯浓度、温度、压力等参数数值，再经过数值处理和经验规律得出适合此环境下瓦斯 运移、积聚的规律，采取合理可行的治理办法消除因瓦斯超限而引起灾害发生。也有学 者及研究机构将开采矿山压力及岩层移动特征与瓦斯运移积聚规律相结合，通过现场矿 压观测、实时瓦斯检测、相似材料模拟、有限元数值计算等方法，分析了采场矿压特征 及瓦斯涌出规律【2 3 】。但这也并非每次都能解决实际中发生的问题，往往由于测量时数据 4 1 绪论 收集的可靠性和采用方法的合理性，而会使处理数据和作出判断时发生误差甚至失去利 用价值。 在模拟实验方面，我国很早就有人开始对此研究，相关的矿业院校也都相继建立起 了相关的实验室，并投入了很多的人力、物力开展研究。早在1 9 9 4 年中国矿大的王省 身和蒋曙光等人，开始研制综放采场流场及瓦斯运移特性的三维实物模型系统，该系统 侧重于工作面和采空区的瓦斯分布，采用模型相似条件及相似准则来实现实验室三维模 型实验的设计，以流体动力弥散的最基本的f i c k 扩散定律为出发点，得到关于采空区气 体的浓度弥散的数学模型p ，瓦斯采样系统采用抽气采样，再由气相色谱仪测定出瓦斯 浓度，模型实验得出的结果与现场实测结果基本吻合，得出了具有指导意义的综放采场 瓦斯运移规律【25 】；接下来中国矿大北京校区秦跃平等人，研制的综放长壁开采采空区瓦 斯运移三维模拟实验系统，数据采集器和电脑系统相配套的数据采集软件使用v i s u a l b a s i c 语言编写，其功能是通过计算机串行i o 接口将采集来的数据保存在计算机中预 先设定的目录中，并可以进行数据处理。数据的采集和分析实现了自动化，但由于模型 本身的结构，仅能实现在u 型和e 型两种通风方式下采空区瓦斯的运移实验，并且整 个数据采集过程大约耗时约1 m i n l 2 7 】；焦作工学院樊小利等人，研制的新型多功能矿 井通风安全试验装置，实现了各个实验项目的监测、监控、存储和打印对教学实验有很 大的帮助，可以很直观的在实验室内就可以将井下的基本结构展现出来【2 8 1 ；开滦集团煤 业公司技术人员1 2 ，开发制作了模拟井下整个采区通风系统的实物模型，虽然不能用开 展定量的科学研究，但为煤矿的安全培训提供了实物培训的物质基础，它可以在实验室 内定期的举行实物演练，对井下问题进行模拟介绍，还可以作为公司职工的岗前培训， 起到教学的作用。 1 4 研究思路 为了掌握采掘工作面瓦斯涌出源的状况，找出导致采掘工作面上隅角瓦斯积聚的原 因，制定技术可行、经济合理的瓦斯治理措施，必须联系整个矿井通风系统，进行工作面 的不同瓦斯涌出源状况和瓦斯浓度分布规律的实验研究。 以往大多数的研究仅限于将工作面瓦斯的涌出、运移、积聚作为一个独立的环境， 仅考虑工作面的瓦斯是如何积聚的，它们的涌出源，以及怎样采取相应的措施进行防治， 这只是工作面发生瓦斯灾害时体现在工作面的一种表现形式，很多的研究也是为了解决 一时发生的灾害，而忽略了使工作面发生瓦斯灾害往往也是由于矿井整个通风系统发生 异常改变至使局部工作面受到影响h o 】。而事实上考虑某个特定区域瓦斯的积聚或超限， 需要考虑很多方面的内容，如积聚区域的结构特征、发生积聚时间里的通风情况、瓦斯 涌出源对这个区域的影响等。前后两个问题是以往的研究这最为关注的因素，对于周围 与其相关联的范围内，巷道中通风条件发生改变时对瓦斯的积聚有何影响，在以往的研 西安科技大学硕士学位论文 究中很少提及。 本论文就是为了深入认识矿井井下瓦斯特性，而又不需现场埋点测定，以模拟实验 台为对象，通过模拟系统的风量控制系统和瓦斯释放系统，利用相似原理模拟井下现实 采掘工作面，来模拟井下气候环境，创造符合研究井下瓦斯运移的实验环境。在实验室 内设计研制瓦斯运移模拟实验系统，使模拟系统能够模拟工作面通风及瓦斯释放。自行 设计制造检测装置，在实验室依据理论基础搭建模拟井下采区的立体模型，通过模拟系 统x l 量控制的设计、瓦斯释放系统的设计，利用检测装置检测系统中瓦斯、风流等的参 数变化，通过数据采集系统将瓦斯浓度数据实时采集并传送至计算机，通过图像曲线显 示变化状态，将数据保存为文本文件进行输出，还可以依瓦斯浓度通过通风网络解算来 控制系统中风量的大小，以便科研工作者进行分析研究。这样为科研工作者创造了研究 瓦斯运移、积聚的新方法，不但可以节约资金，还能不影晌正常的生产任务。 1 5 主要设计研究内容 本论文的主要内容是设计矿井瓦斯模拟实验系统，从总体上包括以下内容： 1 ) 本论文依据的相似理来设计研究模拟实验系统； 2 ) 在实验室模拟实际采区建造模型和设计模拟实验，包括：相似模型的几何尺寸、 模拟系统风量控制的设计、瓦斯释放系统的设计、模型实验的搭配设计、检测 装置： 3 ) 模型实验台的设计和制造； 4 ) 检测系统的研制，其中包括硬件系统和软件系统。 1 6 本章小结 本章从我国煤炭行业出现的矿难事故，特别是由于瓦斯引起的矿难事故不断增加， 给国家财产造成损失，人民生命带来安全危险为出发点，介绍了我国煤炭行业的现状。 对比国外煤矿发达国家在煤炭开采过程中的先进经验，为了解井下瓦斯运移、积聚的规 律，结合前人的研究成果，提出设计建造模型实验系统，来模拟工作面的物理特性，并 以模拟实验台为对象，通过模拟系统的风量控制系统和瓦斯释放系统，来模拟井下气候 环境，利用研制的检测系统来采集参数数据，使科研工作者在实验室利用这套模拟系统， 可以在不影响生产的条件下开展有关瓦斯运移和积聚的实验研究，为科学工作者提供另 一条认识瓦斯运移和积聚规律的途径。 2 矿井瓦斯 2 矿井瓦斯 要想在设计中更能贴近实际矿井井下气候环境，只有对井下气候条件有更深的了解 才能在实验中取得相似的模拟。通过以下分析可以得知瓦斯在煤层中的分布情况，以及 在采动过程中和采动过后瓦斯的分布及涌出规律，采取漏风与瓦斯积聚联系等。为在实 验室中模拟现实中瓦斯的涌出、运移提供科学的依据，为在实验室内得到精确的测量数 据提供保证。 2 1 矿井瓦斯的性质 2 1 1 矿井瓦斯的物理特性 从广义上讲，瓦斯是一系列有害气体的总称，狭义上讲，是存在于煤层的一种有害气体 混合物，以甲烷( c 出) 为主，包括h 2 s 、s 0 2 、c 2 h 6 、c 3 h 8 、c 0 2 、n 2 、c o 、h 2 。 矿井瓦 斯即煤层瓦斯，又称煤层气，是从煤层、围岩中释放及煤炭生产过程中产生的各种有害气 体的总称，矿井瓦斯的主要成分是c i - h 。 甲烷( c 王4 ) 比空气轻，与空气的相对比重为o ，5 5 4 ，是无色无味的气体，易积存于巷道 顶部。在大气压力为1 个标准大气压、温度为0 。c 的标准状态下，每立方米的质量为 0 7 1 6 k g ，适当混合后具有燃烧和爆炸性。通常情况下微溶于水，其溶解度和温度压力 有很大关系。当压力为3 4 m p a ，温度为2 0 时其溶解度仅为1 1 t 1 3 。 2 1 2 矿井瓦斯积聚及其特点 所谓瓦斯积聚指的是体积大于0 5 m 3 的空间内局部瓦斯积聚浓度在2 以上的积聚 现象。当巷道不通风或微风时，在一定条件下易形成瓦斯局部积聚，因而构成了瓦斯爆 炸事故发生的一定条件。搞好矿井通风是防止瓦斯积聚的主要手段。这一点可以从瓦斯 燃烧和爆炸的必要条件中得出。包括：适当的瓦斯浓度，瓦斯只在一定的浓度范围内爆 炸( 5 1 6 ) ；最低点燃温度和最小点燃能量，这决定于空气中的瓦斯浓度、初压、 火源的能量、强度和作用的时间；瓦斯的燃烧和爆炸还需要一定的引火延迟性，这是一 个很短的时间间隔习惯上被称为感应期，它的长短与瓦斯浓度、火源温度和火源性质有 关。只有以上三点的同时具备瓦斯燃烧或是爆炸才会发生，而防止瓦斯爆炸和燃烧的首 要措施是防止瓦斯超限和积聚。 瓦斯比空气轻，相对空气的比重为o 5 5 4 。它从煤层缝隙中逸出时是个气团或气泡， 空气将对它产生浮力，使它向上运动。对于水平的巷道顶部，瓦斯气泡( 团) 很快上升到 顶部。对于倾斜的巷道顶部，瓦斯气泡( 团) 将沿斜面向高处运动，加速度将减小。值得 西安科技大学硕士学位论文 说明的是瓦斯气泡从煤层中逸出，上升到顶部的速度是快的，而扩散( 渗透) 的速度相对 来说慢多了。矿井井巷通风处于异常微风状态时瓦斯气体常积存在巷道顶部。根据多年 来的生产实践证明，矿井内容易产生瓦斯积聚的地点有： 1 ) 盲巷、盲硐易发生瓦斯积聚。由于长期不通风，而巷道周围不断地涌出气体，时 间一长盲巷、盲峒瓦斯浓度可达3 以上，甚至达到5 0 6 0 ； 2 ) 回采工作面上隅角易形成瓦斯积聚。回采工作面上隅角处易形成瓦斯积聚，其 原因主要是：上隅角处风流不畅；上隅角处相对负压大。致使采煤工作面采空区气体一 部分从上隅角处涌出，而风流又不畅，不能及时稀释导致瓦斯积聚； 3 ) 巷道局部冒顶处易形成瓦斯积聚。由于巷道局部高冒区风流经过时风速微弱， 而甲烷比重又轻，时间一长，巷道不断涌出的气体就会积聚： 4 ) 综采工作面易形成瓦斯积聚。综采工作面由于产量高，进度快，不但瓦斯涌出 量大，而且容易发生回风流中瓦斯超限和机组附近瓦斯积聚。 5 ) 并联巷道易出现瓦斯积聚。并联巷道瓦斯积聚常常发生在风阻相差悬殊而风阻 特别大的巷道内，由于风阻相差特别大导致风阻大的巷道内形成微风而导致瓦斯积聚造 成事故隐患； 6 ) 瓦斯在风流中的扩散0 1 。32 1 。在静止空气中，瓦斯与空气的混合方式表现在分子 扩散运动水平上。在巷道内，由于瓦斯分子作无规则的热运动，瓦斯分子的不规则热运 动宏观表现为从高浓度区向低浓度区扩散。这种扩散存在与静止或运动的矿井大气中， 所以在煤层中的瓦斯涌入到巷道后，瓦斯分子会以热运动的方式向矿井大气中扩散，最 终使矿井大气的瓦斯浓度梯度为零，直到新的瓦斯或风流等异常将平衡打破，瓦斯又会 在浓度梯度的存在中，继续以热运动的方式向低梯度空间扩散，直到平衡。 2 1 3 煤层瓦斯的赋存 煤中赋存瓦斯的多少不仅对煤层瓦斯含量大小有影响，而且还直接影响煤层瓦斯流 动及其发生灾害的危险性的大小。因此，了解煤层瓦斯赋存状况是矿井瓦斯研究的前提。 1 9 6 3 年，我国科学家提出了影响我国煤层原始瓦斯含量的八项因素，即煤的变质程度、 煤层地质史、煤层露头、煤层本身的渗透性和底板的渗透性、煤层的断层和地质破坏、 埋藏的深度和地形、地下水的流动及古窑的开采，从而为我国研究煤层瓦斯含量的主要 因素奠定了基础。 煤中瓦斯的赋存状态一般有吸附态和游离态两种。吸附态可分为物理吸附和化学吸 附两种，煤对瓦斯的吸附作用一般是物理吸附，本质是瓦斯分子和碳分子之间的相互吸 引。在被吸附的瓦斯中，通常又将进入煤体内部的瓦斯称为吸收瓦斯，把附着在煤体表 面的瓦斯称为吸着瓦斯。吸收瓦斯和吸着瓦斯统称为吸附瓦斯。如图2 1 所示。在煤层 8 2 矿井瓦斯 一0 00 - 1 、吸收瓦斯：2 、煤体：3 、孔隙；4 、游离瓦斯：5 、吸着瓦斯 图2 1 煤体中瓦斯赋存状态 赋存的瓦斯总量中，通常吸附瓦斯量占8 0 9 0 ，游离瓦斯占1 0 2 0 ；而在 吸附瓦斯量中又以煤体表面吸着的瓦斯为主。近年来的研究发现，煤体内还有以液体和 固体存在的瓦斯，但量较小，影响也比较小。 在煤体中，吸附瓦斯和游历瓦斯在外界条件不变的情况下处于动态平衡状态，即吸 附状态的瓦斯和游离状态的瓦斯不断的交换之中，当外界温度和压力变化时，或给予冲 击和震荡时，现有平衡就会被破坏，直到达到新的平衡。煤和瓦斯突出一般就是采矿活 动破坏了这种平衡引起的。 2 1 4 瓦斯在煤层中运移的基本规律 一般情况下，随着煤层开采，大幅度改变开采煤层和邻近煤层及岩层的原始透气性 和封闭状态，赋存于邻近煤层( 甚至岩层) 中的瓦斯大量涌向开采层采空区，是采场瓦 斯的主要来源，搞清采场的瓦斯运移规律，对于采取有效的措施治理瓦斯具有十分重要 的意义。 煤层是孔隙和裂隙介质，其中充满微小的孔隙和裂隙，煤体是孔隙和裂隙的集合体。 当采矿工作进入煤层以后，瓦斯从煤层内部向巷道空间的运移非常复杂，它不仅受天然 煤层原始条件的影响，也受到采矿工作、地下应力场和岩层移动的影响。因此，只能从 宏观角度分析某区域内煤层瓦斯的运移规律。 由于煤层的孔隙和裂隙的尺寸是不均匀的，因而在大裂隙带中可能出现紊流运动， 而在微裂隙带中则属于层流运动，在微孔中还存在扩散分子滑流。由实验室的研究和现 场测定，表明瓦斯流动在微裂隙带中基本上是层流运动，即遵循达西定律。 煤炭开采过程中，上邻近煤岩层随回采工作面的推进不断发生破裂、下沉变形运动 并在围岩和上邻近层内发生大量裂隙。回采工作面后方自下而上会形成三个带，即冒落 带、裂隙带和弯曲下沉带。对于放顶煤采场来说，冒落带高度比较大，岩块一般上部要 大一些，靠近底板要小一些，几何形状复杂，排列杂乱无章。冒落带的矸石随着工作面 西安科技大学硕士学位论文 的推进而逐渐承受裂隙带传递下来的上覆岩层的压力，同时其本身也渐趋压实。采场空 隙介质的特点是： 1 ) 空隙的分布具有很大的随机性，空隙较大，与工作面采高、冒落带岩块大小和 排列状况、本层和邻近煤岩层岩性及其原始应力等因素有关； 2 ) 从空隙介质的特性尺寸( 即空隙通道的平均尺寸) 和渗透性来看，采动空隙尺 寸和渗透性都很大。 根据采场空隙的特点，瓦斯在采场的运移表现为沿大量的采动空隙构成的极为复杂 空隙系统中在采空区漏风的作用下运动。采场内岩块之间的空隙相对整个采空区范围是 比较狭窄的；且岩块之间的空隙显然也是连通的。所以煤矿井下采空区具有空隙介质的 特点，可以采用流体力学理论来进行采空区气体动力学的研究。对于放项煤采场的瓦斯 运移来说，不能简单化为平面问题，而应作为空间问题来处理。 瓦斯在中孔以上的孔隙或裂隙内的运移可能有层流和紊流两种形式，而层流运移通 常有可分为线性和非线性两种，紊流一般只发生在瓦斯喷出和煤与瓦斯突出时的流动， 在原始煤层中瓦斯的运移是层流运动。 ( 1 ) 线性渗透 瓦斯在煤层中的流动为线性渗透时，即瓦斯流速与煤层中瓦斯压力梯度成正比时， 呈线性规律，符合达西定律。 但是，通过对煤样进行的瓦斯渗透实验表明，达西定律的使用范围比层流运动范围 要小。从服从达西定律的层流运动到不服从达西定律的层流运动，再过渡到紊流运动， 其转变是逐渐的，往往没有一个明确的分界线。这是因为瓦斯在煤内流动的孔道是弯曲 的，且断面又是变化的，每一流体质点沿曲线运动，具有连续变化的速度和加速度。当 孔径小、速度低时，粘滞力占优势，由粘滞力产生的摩擦阻力占优势，与粘滞力相比， 惯性力可以忽略，这时瓦斯流动服从达西定律；当孔径增大，流速加快后，惯性力随流 速增大，当它接近于摩擦阻力的数量级时，达西定律就不适用了，这一变化发生在层流 转变为紊流之前，主要是因为煤内孔隙的大小、形状、曲率以及孔隙和裂隙结构都极不 均匀。但是从宏观上看，在某一区域范围内，绝大多数情况下，煤层瓦斯的流动仍属于 线性渗透。 ( 2 ) 非线性渗透 当雷诺数大于一定值以后，瓦斯在煤层中的流动即处于非线性渗流而不服从达西定 律。 目前认为，矿井中除邻近煤层中含有瓦斯外，碳质页岩、含瓦斯的砂岩石灰岩也都 可能向开采空间涌出瓦斯，如果含瓦斯岩层的厚度比较大，其涌出数量也是不可忽视的。 2 矿井瓦斯 2 2 采场瓦斯运移的数学模型 采场是由工作面和相邻的采空区组成，进入采场的风流绝大部分经过工作面达到回 风流中，而一小部分进入采空区，形成采空区漏风风流，在靠近工作面的采空区空间，由 于冒落岩石的作用及岩石还没有压实，岩石之间的空隙度较大，风流流动速度较其采空 区后部要高。因而其间的流动状态应是一种由工作面的湍流向采空区深部的层流过渡的 过渡状态，因而使过渡带的宽度略有减少。过去一般认为采空区内的气体处于低雷诺数 条件下，流动状态为层流，多采用达西定律来研究采空区内气体的流动口】。对于采空区 内的气体流动，实际上应包括上述三种流动状态。 2 2 1 场空度因子 应用计算流体动力学技术，基于采场内岩块是固体，由于在固体所占据的空间上， 气体流动参数( u ，h ，c ) 是不连续的、问断的。因而从流体力学的角度属于多连通空 间区域的流体流动问题，在采用数值方法进行微分方程的求解时，采用空度分布函数来 实现不连续空间区域的方程求解。引出空度因子为： 空度f = f ( x ，y ，z ) ，其含义为流体的流通区域在积分区域中所占的比例，f 在空 间上不同点可以取不同值。 在采用控制容积法进行区域划分时，在各个网格中，可以定义不同的空度值。在空 度中，根据需要定义体空度和面空度。 2 2 2 采场气体密度和体积膨胀系数 在采场的气体是瓦斯和空气的混合气体，根据气体体积浓度与质量浓度的换算关 系，得到： 。一【等。卜。， 式中 c o - - 参考瓦斯浓度，k g m 3 ； 岛一空气的参考浓度，k g m 3 。 根据已有关系，定义的瓦斯浓度引起的体积膨胀系数b c ： 反2 等2 去一 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 西安科技大学硕士学位论文 2 2 3 采场气体流动方程 按照渗流力学的方法定义采场为连续渗流空间，通过引入空度因子，在空隙介质空 f f i j 中可直接运用质量守恒定律和n s 方程。考虑瓦斯引起采场气体密度的改变，忽略 紊流效应，经推导得到： 盟：0( 2 3 ) a 一 尸( 碧+ 等卜肌刊筹+ 去h 篝+ 善) _ 一4 ， 式中u i ，u 、一渗流速度分量，m s ； g i 一加速度风量，m s 2 ； p 一气体压力，p a ； u 一瓦斯动力秸性系数，k g ( 1 s ) ； f i 一瓦斯流动阻力，p a m ， f = c d j p l u l u ，e ， ( 2 5 ) 其中c i 为瓦斯在空隙介质中的阻力系数，s a i 为瓦斯流的上游面积。考虑边界条件： 1 ) 进口边界：进1 2 1 边界给定速度u i 、瓦斯浓度c 、瓦斯质量流入量j 等量在进口边 界的值。对于u i 和c 按实测或设定值直接给出；在有瓦斯流入的边界上，瓦斯流入强度 的大小由该界面的法向速度给出，并相应给出该瓦斯涌入的边界上的瓦斯浓度值。 2 ) 风流出口边界：按照计算流体力学和数值传热学的方法，考虑在出口边界上网 格节点的参数值对于网格内邻近节点上的参数值无影响，即采用局部单通道坐标假定。 故只给定流场压力p 的标定值。 进、出口位置设在无局部涡旋流( 或称回流) 处，流线方向与出口界面相垂直，除 流场大气压力外，各变量在进出口界面沿流动方向的梯度为0 。 2 2 4 瓦斯在采场中的动力弥散方程 瓦斯进入采空区的实际流动和扩散过程为空隙介质中的三维动力弥散过程，即由于 机械弥散和分子扩散所引起的散布过程。影响采空区中瓦斯运移的主要机制是：对流、 机械弥散、分子扩散和煤岩一瓦斯相互作用。 在采空区内，通过任意孔隙横断面上的气体流速，其大小和方向都是不同的。冒落 岩石表面上的气流速度为零，而在孔隙内某一点存在最大流速，这个最大速度值是随孔 隙的大小而变化的。因为受相互连通的孔隙空间的形状影响，孔隙空间中的( 微观) 流 1 2 2 矿井瓦斯 线相对于气流的平均流向而起伏，这些现象使得最初紧密排列的所注入的瓦斯质点散布 开来；随着漏风风流的流动，瓦斯质点占据的流动区域就会越来越大。瓦斯质点的这种 散布既有纵向的，即平均流速上的散布：也有横向的，也就是垂直于平均流速方向上的 散布。这种在微观尺度上由于流速的变化而引起的瓦斯质点的散布为机械弥散( 即对流 扩散) 。它是相对于由空隙组成的空间变化，产生的流速( 在大小和方向上) 所构成的 平均气流来说的散布。因而，在这种混合性质中的两个基本要素是：气流和气流流经的 孑l 隙系统。除了微观尺度上的非均质性( 包括孔隙和颗粒) 外，在宏观尺度上由于流场 的某一部分与其相邻部分渗透率的不同，因此存在着非均质性。一般来说，无论处于层 流( 在层流状态下气体沿明确的途径流动，因而可以将这些途径简化为流线) 还是湍流 状态( 湍流还可以引起质点附加的脉动) ，都会发生对流物质的迁移。 与机械弥散同时存在的另一种物质迁移现象，是由气体内瓦斯的浓度不同产生的分 子扩散所引起的。分子扩散产生了瓦斯质点( 在微观尺度上) 从高浓度的地方向低浓度 的地方扩散的一种附加的流动，是一个自发的过程。例如，当瓦斯由于机械弥散的作用 而沿每个微小的流管散布时，则形成瓦斯浓度梯度，而分子扩散作用将使得沿流管的浓 度趋于相等。同时在相邻流线之间也会产生瓦斯浓度梯度，从而在垂直流管的方向引起 侧向的分子扩散。 实际上，机械弥散和分子扩散在流动气体中是同时产生而且是不可分离的，因而把 这两种作用分开完全是人为的。然而，如果没有流动( 无论是在采空区中，还是连续气 体中) ，确实只发生分子扩散。因为分子扩散与时间有关，所以它对全部弥散作用的影 响在低流速时更有意义。正是分子扩散使得完全层流