突出瓦斯气体逆流运移过程及影响因素研究

【摘要】：煤矿井下发生煤与瓦斯突出事故后会有大量的高浓度瓦斯涌入巷道,当瓦斯突出强度和瓦斯涌出量过大时,瓦斯在巷道中会出现逆流运移的现象,瓦斯逆流易形成瓦斯积聚从而引发瓦斯爆炸。深入研究瓦斯突出后气体逆流运移的规律及其影响因素,有利于降低突出后瓦斯逆流引发爆炸等二次伤害的可能性,提高人员的安全性,对煤矿安全生产具有重要意义。基于此,本文采用理论分析、相似试验、数值模拟和现场验证的方法,研究突出瓦斯气体在巷道中逆流运移的过程和规律以及影响这一过程的因素。通过搜集大量文献资料对瓦斯逆流的定义、分类、特征及形成条件进行概述,在前人研究基础上对连续性方程、能量方程和动量方程进行了符合本文研究假设的进一步优化,并推导得出瓦斯突出后气体在巷道内的运移规律和影响范围模型。为验证理论模型的准确性建立了相似试验系统,以黑火药爆炸后气体运移过程模拟瓦斯突出后气体逆流运移过程,研究气体运移扩散的浓度变化和风速、气体量对运移过程中浓度变化的影响。然后在相似试验的基础上建立几何模型,利用FLUENT软件模拟了瓦斯突出后气体在通风状态下逆流运移的过程,分析了不同风速、不同瓦斯涌出量、不同瓦斯涌出位置和不同巷道倾角对瓦斯逆流和瓦斯运移过程中浓度变化的影响,并验证了前文气体运移扩散的浓度变化规律和风速、气体量对运移过程中浓度变化影响研究的准确性。最后以贵州某煤矿的工作面炮掘后瓦斯浓度变化监测为过程实例,搜集瓦斯逆流事故案例进行分析,进一步验证了前文研究结果的可靠性,并在此基础上提出一些防治瓦斯逆流的措施,拟为煤矿安全生产提供帮助。通过本文研究得出以下成果:(1)理论推导得出了瓦斯突出后气体在巷道内的运移规律、瓦斯浓度变化和影响范围。在前人研究基础上优化得到适用于本文研究的连续性方程、能量方程和组分质量方程。推导出考虑弥散和扩散作用、仅紊流扩散作用时的瓦斯浓度分布规律,根据瓦斯逆流的形成条件建立方程,推导得出瓦斯逆流影响范围规律。(2)建立相似试验系统,监测突出后瓦斯气体的浓度变化并验证前文推导的瓦斯浓度分布规律。得出气体在巷道内运移时的浓度变化规律,将监测到的浓度数据与前文瓦斯运移扩散浓度规律用Origin拟合,拟合效果良好。通过对照试验得出风速和气体量对瓦斯逆流运移产生影响气体量越大,气体的浓度也随之增高,浓度下降速率越慢;风速越大浓度变化幅值越大,降低速率也越快,同一时刻下的浓度越小。(3)在相似试验的基础上以1:1比例建立巷道几何模型,利用FLUENT软件进行数值模拟,设定不同风速、瓦斯涌出量、巷道倾角和瓦斯涌出位置的模拟条件,布置不同的测点测线监测不同条件下瓦斯逆流过程中的浓度变化规律,并对模拟结果进行对比分析,得出了以上四个因素对瓦斯突出气体逆流的影响效应。(4)在贵州某煤矿的工作面进行炮掘作业,监测炮后不同风速下瓦斯浓度变化,分析群力煤矿、新兴煤矿和大平煤矿的事故案例,验证了前文结果的可靠性,并提出了瓦斯逆流防治建议。