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《清华大学》 2010年
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煤矿动态通风网络分析系统及继发性灾害发生规律

李坤  
【摘要】:矿井灾害一直是我国开发煤炭资源所面临的严重难题。近些年来,继发性灾害发生频率增高,危害更严重,研究各种原发性灾害致继发性灾害发生规律对提出防治策略和指导人员逃生具有重要意义。本文开发了矿井动态通风网络分析系统及相关模型,并在其基础上研究了实际煤矿瓦斯异常涌出、瓦斯突出及火灾致继发性灾害发生规律,同时研究了掘进巷道火灾致瓦斯爆炸继发性灾害发生规律。 建立了典型巷道、关键通风设施及典型井下原发性灾害的物理与数学模型,为整体通风网络分析系统建立奠定基础。采用集总参数和对流扩散方程建立典型巷道内气体输运模型,实现不同风流状态下气体输运模拟;建立了考虑挥发份燃烧的单-双膜固体燃烧单元模型,并基于离散化方法将其引入到类似皮带、电缆或木材等典型长条状物质的火灾蔓延过程模拟中,从而获得火灾释热量、烟气组分、火焰位置等的时间与空间动态演变过程,弥补了现有研究的不足;运用达西定律及气体动力学方程等描述瓦斯在“非破坏区”和“破坏区”流动特征,建立了适用于通风网络计算的煤与瓦斯突出模型;灾害情况下,风门可能被损坏或打开,通过分析风门或风窗开度与相对流通面积及通流能力的关系,建立了不同类型风门或风窗模型。 结合流体网络分析方法与所开发模型,建立了可模拟井下通风状态、有害气体组分输运在典型灾害情况下随时间与空间变化过程的动态通风网络分析系统,并对其静态和动态计算准确性进行了实验验证。结果表明:所开发分析系统具有较高精度,与实验室实验结果相比,最大误差在5%左右。在此基础上,对实际煤矿继发性灾害发生规律进行了模拟研究。结果表明:工作面瓦斯异常涌出时,巷道内瓦斯最高浓度达到10%~15%时,危险浓度瓦斯存在时间最长;随着突出初始瓦斯压力提高,风流反向,与掘进巷道间接相连或距离较远区域诱发继发性灾害危险性最高。引入了含危险浓度瓦斯巷道平均体积,发现其与初始瓦斯压力呈良好二次函数关系;火灾下风流巷道易发生继发性灾害,与火灾同一巷道的区域,随着距火灾距离增加,诱发瓦斯爆炸或二次燃烧危险性及所持续时间增大。 对火灾时期掘进巷道风流状态及瓦斯和温度分布规律进行了研究,获得了诱发瓦斯爆炸继发性灾害的影响规律。结果表明:火灾强度和位置并非诱发瓦斯爆炸关键因素;风筒断裂一定长度且巷道内存在危险浓度瓦斯时,低强度火灾诱发继发性灾害危险性较大。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TD725

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【参考文献】
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