高瓦斯掘进工作面惰性通风方法研究

作     者：张利伟 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏连江

授予年度：2023年

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

主      题：高瓦斯 掘进工作面 气幕 惰性通风 阻隔机理 

摘      要：高瓦斯掘进工作面瓦斯事故频发,目前的防治理论与技术无法根除瓦斯事故,瓦斯燃烧爆炸事故及瓦斯浓度超限现象时有发生,而氧气作为氧化剂与瓦斯的燃烧爆炸密切相关。因此,发展新技术和新工艺,用以替代或削弱通风供氧在掘进作业环境中的作用的研究显得至关重要。基于此思路,本文设计了一种高瓦斯掘进工作面惰性气体可控循环通风新模型,重构了掘进作业系统,结合相似模拟实验与数值模拟方法,研究了惰性可控循环风掘进优缺点及可行性。从瓦斯扩散运移原理出发,采用数值模拟方法探究巷道内瓦斯涌出量、循环风量以及气幕射流参数对瓦斯运移的影响规律。搭建相似物理模型,依据相似准则选择实验参数,研究抽采、循环和气幕的联合调控对瓦斯的阻隔效果。通过研究得到以下结论:(1)构建了惰性可控循环通风系统新模型,设计了通风方式、巷道布置、人员呼吸和舒适性保障、气体监测及阻隔等子系统。计算并对比了惰性通风掘进与传统掘进的安全性与经济效益,结果表明,惰性通风掘进工艺具有显著的优势。(2)研究了气幕射流卷吸阻隔瓦斯的规律,验证了气幕技术在高瓦斯掘进工作面阻隔瓦斯的有效性,探究了气幕两侧压差对瓦斯运移的影响规律。对比了不同工况下的气幕射流参数对高瓦斯掘进巷瓦斯的阻隔效果,得到了气幕喷口宽度与最佳射流角度和速度的关系,明确了阻隔瓦斯的气幕最佳射流参数。(3)揭示了惰性可控循环风掘进巷瓦斯运移规律的多因素耦合关系,通过模拟研究了瓦斯涌出量、循环风量以及新鲜氮气供给量对瓦斯运移的影响,结果表明,当瓦斯涌出量为3m/min增加到15m/min时,瓦斯抽采区瓦斯浓度升高10%左右,新鲜氮气的供给量从30m/min提高90m/min时,瓦斯抽采区瓦斯浓度由45%降低到35%左右,循环风量则会更多影响循环净化区的瓦斯浓度。(4)搭建了相似模拟实验系统,得出了循环净化区内瓦斯浓度与时间符合二次递增函数关系的结论,试验了不同涌出量条件下,瓦斯浓度变化趋势与仿真结果基本保持一致。循环净化区内瓦斯浓度随循环风量增大而先降低后升高,通过实验证明了抽采、循环风、气幕的联动调控能够有效的阻隔瓦斯。基于数值模拟及相似模拟实验方法,运用射流卷吸原理,设计了抽采-循环-气幕联动控制模型,对瓦斯运移规律进行理论、数值与实验研究,剖析了惰性通风掘进巷瓦斯阻隔机理,验证了抽采、循环和气幕的联合调控,可以实现对瓦斯的有效阻隔,为解决高瓦斯掘进工作面火灾和瓦斯燃烧爆炸问题提供新途径。该论文包含图64幅,表17个,参考文献99篇。