發(fā)布時間：2018-08-06 09:31

【摘要】：煤礦生產中瓦斯災害嚴重.目前的防治理論與技術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,構建了集中巷通風、掘進巷不通風的新型無風掘進系統(tǒng)模型,分析了無風掘進的巷道布置、煤料運輸、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),研究了無風掘進的優(yōu)缺點及可行性。實現(xiàn)無風掘進,關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理進行研究。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、氮氣幕阻隔速度之間的關系。考慮工作面推進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,推導出了一個作業(yè)循環(huán)中瓦斯涌出總量的表達式;建立了泄漏瓦斯輸運動力學模型,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)輸運規(guī)律、動量及能量控制方程;通過菲克定律及高斯煙團模型經傅立葉變換推導出了瓦斯?jié)舛鹊臅r空分布規(guī)律:根據(jù)射流卷吸作用,得出了氮氣幕阻隔速度與瓦斯?jié)舛鹊年P系式。針對瓦斯輸運規(guī)律,提出了風門硬阻擋-抽采動態(tài)調壓-氮氣幕軟阻隔三者聯(lián)動控制瓦斯的方法。通過相似模擬、數(shù)值分析及中澳實訓現(xiàn)場仿真實驗,研究了上述四種變量對瓦斯運移規(guī)律的影響,驗證了風門開啟與關閉狀態(tài)下,瓦斯阻隔裝置與控制方法的有效性。氧氣阻隔分為風門開啟與關閉兩種狀態(tài)進行研究。風門開啟狀態(tài)下氧氣控制方法與瓦斯相似,預先啟動氮氣幕,等量驅替風門開啟所擾動范圍內的氧氣,保證風門開啟過程中渦流場內的氣體為氮氣:同時啟動正壓區(qū)內的氮氣幕,利用正壓法阻隔氧氣進入掘進巷。風門關閉時,根據(jù)伯努利方程,推導出了阻隔氧氣時各區(qū)間的氣體壓力關系,利用壓差作用,保證只存在由氮氣正壓區(qū)向集中巷的單向流動,以此實現(xiàn)對氧氣的阻隔。建立了相似模擬和數(shù)值分析模型,驗證了繞道巷氧阻隔機制的有效性。上述研究表明,在無風掘進模型中,采用風門、抽采、氮氣幕動態(tài)調節(jié)的方法,可以實現(xiàn)瓦斯和氧氣的有效阻隔,為無風掘進工藝的實施提供了理論與實驗依據(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.
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TD712

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本文編號：2167308