脉动通风消除上隅角瓦斯积聚的理论分析.pdf

第2 卷第s 期 2 0 0 0 年1 1 月 中番犷韭大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t y M i n i n g 瓤T e c h n o l o g y V o i ．2 9N o ．6 N o v 。2 0 0 0 文章编号4 1 0 0 0 一1 9 6 4 2 0 0 0 0 6 ．0 5 7 1 。0 5 脉动通风消除上隅角瓦斯积聚的理论分析 杨整强，俞启香，壬觊，张仁贵 孛瓣矿照大学匏潦辩学等工程学院，巍苏棘娇2 2 1 0 0 8 摘要针对“u ”型采壤工作面上隅角瓦斯积聚问题，建立了脒动通风作用下上隅角风流动力学 粳囊标方程覆瓦新传质方程，详细分析了脉动通风作用下上隅角瓦斯的传质运移过程，论述丁瓦 斯扩散褚腐机理，并通过现场试验验证了脉动通风解决上隅角瓦斯积聚楚有效、可行的． 关键镯；上隅角；瓦斯积聚；藤动遴风 中黧分类号；T D7 1 2 ．5 4文献标谖码A 我豳重点煤矿有3 0 0 多对商瓦斯矿井，都不同 程度地存在着局部瓦斯积聚和局部瓦斯超限问题， 特别是潮采工襻面上隅角，其瓦斯积聚和瓦斯越限 更为严璧。由于舀前所采用酌瓦斯治理控术仍存在 许多不燕，谈闻题铸没裔褥到校治，已成为藏貉矿 势安全生产静癌疾．另外，蘧善练合祝械纯开采技 术的发展，回采王侔囊举产提嘉，特￡是开采犟煤 屡或开采煤层群对，上嚼角瓦鲻超鼹更如簧遑、更 为严重．近几年所发生的瓦斯爆炸恶性事故中，由 于回采工作丽上隅角瓦斯超限g l 起的事故所占比 例有相当大的增加．因此，回采工作面上隅角瓦斯 耨限是当前安全生产的重大隐患，是实现高产商效 工作面、推广新技术和新装备的障碍．采取安全、经 济、有效的措施把上隅角瓦斯浓度降到煤矿安全 规程的艇定值戮下，是秘前亟待解决的问麓n “． “辣葫遥风”戳风流的紊流扩散系数与风流脉 动特性壹接相美为囊论依据，利用技术可靠、经济 食理且实用的脉动琏流发生器，在委常避晟风澈孛 产生脒动，从嚣大大她增加矾溅的紊滤扩教系数， 提高风溅驱散局部积聚嚣鼓的能力，从根本上鹪决 回采工作面上隅角瓦魉积聚问题。 1脉动通风伐用下上隅受鼹漉动力学分撰 及运动方程的建立 强1 必檄坐标表示的工作器上鹦焦是帮嚣凝 积聚模型。假设；1 工作疆土联是烬部瓦裁积聚 区 避壁底层区竣 对应乎直角风路的涡流区，区虑 风速近似为零；2 瓦斯运移过程为等温过摆；3 巷道中风流全压因脉动风流的影响而产生的变化 较小，可忽略不计；4 工作面主风流风量足够大， 脉动风梳运转过程中，从上隅角排出的瓦斯可以被 主斑流带走， 对于豫砖通风来说，穰据假设1 ，瓦斯税聚逸 气体在乎褥于菇漉速魔方勰不受鬣流箍力作期，餐 在羹壹子最滚速度方淘受猫最滚静压作用．当鼹流 星周期性变化时，内假设条搏3 ，在巷遵熙流金避 不变的条件下，由于速度变他日f 趣风流静压的变 化，从而导致瓦斯积聚区的气体在垂直风滤速度方 向上产生位移．此时，瓦斯积聚区的瓦斯运移除了 有分子扩散外，还有对流脉动扩散，从而大幅度地 增加了瓦斯积聚区的瓦斯扩散强度，解决了瓦斯遥 移过程中的“瓶预”问题． 圈1 王作薤上曝爨瓦斯积聚摸型 F i g ．1 M o d e lo ／g a sa c c u m u l a t i o n i nt h eu p p e rc o f n e ro tc o a lf a c e s 收辅日期；2 0 0 0 0 7 1 3 基盘硪彝簿塞爨然辩学基金费辨瑗鞴 5 9 8 7 4 0 2 7 ，毽寡“丸五”重点辩挂攻美饔爵 9 6 2 2 3 棚一0 5 0 4 ，媒赛科学基金资髓横目 9 6 安 1 0 1 0 1 { 管者篙介榜艘强 1 9 6 4 一 ，舞．黄闸省铜仁县 ，中萄矿韭大学削教授．工学博士．从事矿井通风与瓦斯骑治研究． 万方数据 中国矿业大学学报 第2 9 卷 根据测定，当脉动风机运转时，巷道内产生的 脉动风流速度” f 按下式变化 计0 口。十V 5 ≠ ‰十口I s i n f t ， 1 式孛％炎巷遂主援滚的砖均遮度，m ／s ；秽秘 鸯 风藏的脉动速度，m ／s ，∥ ￡ 毡s i n f t 其中，一 2 7 t o J ，丽“为脉动频率，H z m 为脉动飙速的幅值， m ／s ． 当最涟逮澄呈援裳性变纯酵，按照敷设条季孛 2 ，3 及牛顿第二寇律，可得脉动通风条件下上隅 角瓦斯积聚区混合气体的运动微分方程为 d 瑟Z r P o 二等j 蓦 肿∥ 幻蓑， 2 式中r 为垂直于巷道主风流遥度方向的坐标 图1 ，m ；} 为时间，s ；龋为瓦斯积聚区沿风流流 凌方商的微面积，m 2 ；d m 为琵新狡聚薤d s 微掰狡 象翔内的混台气体鹱量，k g ；‰为嚣欺积象医d S 徽 预积空间内的瓦斯积聚厚度，i t s ；挑为巷逋中气体 静压，P a ；p 为主风流风流密度，k g ／m 3 ． 将方程 2 第二顼线性他．夸一一r r o ，褥 器钳 卜啪一p v o v t ∞辐d S ， 3 式中k 2 ≈≤急‘志‘其中。舶为巷道中风流 密度。k g ／m 3 ；P 为瓦斯的平均体积分数，％；△P P B 一＆，耨R 为琵斯密度，k g ／m 3 ． 求解该非旁次 酚微分方程，得到上熙是瓦斯 积聚区含瓦斯气体在垂直风流速度方向上的位移 为 f r 。一A s i n k t B c o s 赶七 甄尚sinftPo1 ／k t 4 ～ ， 2 、～ 式中；A ，嚣为秘分常数． 黠式t 4 求导，霹褥建直半圭嫩漉方淘、由童风 流脉动作用产生的位移速度 “ A k c o s k t B k s i n 缸 塞揣c o s f t l ／k ． 5 如一 ， ”。 。⋯ 从式 4 ， 5 两式可以糟出，当主风流形成脉动风 流时，在垂直于主风流方向也会产生位移，具有位 移速攫，获纛使上隅角秘聚的瓦斯在羹壹手主斑蒎 她脒沩速度作用下翔主风流逸扩数，溺跌土隅焦瓦 斯积聚． 2 脉动通风工作面上隅角瓦斯遥移扩散方 程的建立 扶上面的分析可知，由于脉动风流的作用，工 作覆上隅角豹嚣豢离巷遭圭壤流弱扩教得疆搬强， 除分予扩散外，还有对流脉动扩散，从而大幅度地 增加了上隅角积聚瓦斯的扩散强度．假定这种扩散 淤主风流囊向进行，掰可疆认为上隅角积聚的琵新 肉巷遂主蝇漉瓣扩教蠹一维扩散运移，其投坐搽方 瑕为 警 塑O r 照一扫。雾 亭寨 十疋 6 式中￡} Ⅲ为嚣辩气体分子扩散系数 在空气中，D 。 一2 。2 5 1 0 “ ，r f l 2 ／s l F o 势r 娥微元俸疼瓦努气 体产生或衰减的源汇项， k g ／m 3 ／s ， 3 脉动风波作用下上隅角积聚瓦斯灼传质 机理分析‘“4 1 3 ．1 瓦斯扩散速度分析 夜单位时问内通过荜位溺穗的瓦斯量称为瓦 裁扩欺速度，它搓述瓦袈扩敷强弱，题符号，表零， 根据脉动通风的动力学和瓦斯运穆扩散方程， 在脉动风流作厢下，上隅角积聚的瓦斯向流动区的 扩散有两种方式，鄄分予扩散和对流脉动扩散． 1 分子扩散建凌 厶 一玩搴． 7 簸设巷遭串主撼流豹瓦新体熬分数平璃秀诲， 上照角积聚的琵斯体积分数平均为鸲，那么，上鼹 角积聚的瓦斯向主风流的分子扩散速度J 。。 2 D 。 吼一体 ／r 。． 2 对流脒虢扩散莲度 t 名一9 u 。 8 凼式 4 ， 5 可见，出于脉动风流的作用，上隅 角瓦斯在垂直平风流方向的位移是正弦和余弦的 复合硝数，它随时间t 受周期性交亿．这种位移的 交纯过程瞧就是嚣辫弱扩数遘程蠢r 越} 一“≥0 时，上隅角的气体向外扩张，瓦斯进人主风流被带 走；d r ／d r 一“ 0 时，上隅角的气体向内收缩，主风 流被带入，t 隅角，稀释税聚的瓦斯．瓦斯的对流脉 动扩散大大强予分子扩散。根据式 s ，土隅舞l 黎聚 的瓦款向变风流的对流脉动扩散速度为 当d r ／d t U ≥0 时，J ” q { d r ／d tl 警d r ／d r 一“ 0 时，J 。 9 0 d r ／d t ． 掰茈，积聚瓦辩自主菇流静扩散速度矗为矗 与如之秘； 当d r ／d ￡一“≥o 时，J ， 2 D 。 孰一讯 ／r 。 弼d r ／d r ； 誊d r ／d r 一 ／～ g 啦r 怂￡． 万方数据 第6 期 杨胜强等脉动通风消除上隅角瓦斯积聚的理论分析 3 ．2 上隅角积聚瓦斯扩散传质机理分析 根据实验和理论分析，上隅角处于风流的涡流 区，在主风流的作用下，呈现相对应的涡流流动，如 图1 所示．在正常通风条件下，在上隅角涡流区内， 各点的瞬时风速也可表示为时均风速与脉动风速 之和，但时均风速和脉动风速均较小．图2 a 为脉动 智能风速仪测出的上隅角某点瞬时风速的变化曲 线．由图2 a 可见，在正常通风条件下，上隅角涡流 区内仍然具有一定的风流速度，但风流速度很低． 再加上瓦斯积聚区内风流呈现循环的涡流流动，并 且主风流的横向脉动风速很低，靠风流的横向脉动 作用驱散上隅角积聚的高浓度瓦斯是不可能的，因 此从采空区涌人上隅角的高浓度瓦斯难以被主风 流带走． 3 ∞ ；2 姜1 鼍 a 安装前 b 安装后 图2 安装脉动风流发生器前、后上隅角某点瞬时速度变化曲线 F i g ．2 T h ec u r v e 8o fa i r f l o wv e l o c i t ya ta n yp o i n ti nt h eu p p e rc o r n e rb e f o r ea n da f t e rp u b e dv e n t i l a t i o n 若在上隅角附近安装脉动风流发生器，人为地 增加主风流中横向脉动风速和纵向脉动风速，则依 靠主风流横向脉动的向外扩张和向内收缩的周期 性变化，从而使上隅角积聚的瓦斯向主风流运移、 扩散的能力得到大大提高，使上隅角涡流区的高浓 度瓦斯不断被主风流带走．而且，在上隅角附近安 装脉动风流发生器还会增加上隅角风流的时均速 度和脉动速度．图2 b 为脉动智能风速仪所测上隅 角某点在脉动风流发生器运行时的风流速度变化 曲线．从图2 b 可见，脉动风流大大增加了上隅角的 风流速度，提高了积聚瓦斯的对流运移和紊流扩散 能力，增强了瓦斯向外扩散的强度．从而使积聚瓦 斯的浓度大幅度下降，超限范围大幅度减小，达到 消除上隅角瓦斯积聚的目的，防止瓦斯事故的发 生． 另外，脉动通风引起风流速度的加速与减速运 动也能使含瓦斯浓度不同的相邻微团在垂直于风 流速度方向的空间运动．众所周知，瓦斯密度比空 气小，则瓦斯浓度高的微团密度较小，浓度低的微 团密度较大．据实测知，越靠近上隅角，瓦斯浓度越 高，密度越小；距离上隅角越远，瓦斯浓度越低，密 度越大．因此脉动通风所引起的风流加速与减速运 动将导致嘲1 加速时，浓度较大而密度较小的微 团1 与相邻浓度较小而密度较大的微团2 之问会出 现一个速度差，从而在微团1 前面形成一个正压区， 而在它后面则形成一个负压区；2 减速时，浓度较 大而密度较小的微团1 与相邻浓度较小而密度较大 的微团2 也会出现一个速度差，但在微团1 前面形成 一个负压区，其后面则形成一个正压区．对于存在 瓦斯浓度梯度的上隅角横断面。由于正压区和负压 区的存在，必然引起含瓦斯浓度不同的相邻微团在 垂直于风流速度方向的空间运动，而含瓦斯微团的 这种空间运动及主风流横向脉动的向外扩张和向 内收缩的周期性变化必然导致瓦斯沿浓度降低的 方向迁移，所以脉动风流可以使二者强烈混合，消 除瓦斯积聚． 3 ．3 上隅角积聚瓦斯扩散传质过程分析 图3 为上隅角存在周期为7 1 的脉动风流时，上 隅角瓦斯在一个周期内的扩散过程示意图． 图3 一个周期内瓦斯扩散过程示意图 F i g ．3 T h ep r o c e s so fg a sd i s p e r s i o ni no n ec i r c l e 在时间段t 一0 ～T ／2 内，d r ／d t ／砖一 2 如[ r T ／4 ／r 。一1 ] q 7 ’／ 2 r ， 。 1 1 同样，可以得到时刻t T 时，上隅角积聚瓦 新的平均体积分数为 稚z 佼l 一4 D j t ⋯ 舜l 一弼 ／砖一 2 识，[ r 3 T ／4 ／r 。一l J q T ／ 2 r O 。 1 2 如此循环往复，当瓦斯涌出爨小于脉动风流排 放量时，上隅角瓦斯体积分数逐渐下降，越限范围 将大夫缩小． 4 脉动涟嚣清豫上黼角嚣斯积聚酌工鼗性 斌验 4 ．1 实测结果 图4 为不同实验条件下上隅角瓦斯浓度超限区 城的测定结果。图申益线1 ，2 分踟为酥动风机整设 蔫、安设嚣僵寒鑫动薅上隅霸琵辩浓发怒黢嚣城建 界，曲线3 ，4 分别为脉动最枫正鬻运转但安设离度 不时同，上隅角瓦斯浓魔超限区域边界． 1 当风机直接放麓于赢板，风机轴转数谪为 13 0 0 r ／r a i n 档应菇量菇8 3 m 3 ／r a i n ，菇梳体旋转 频率为3 0 f ／r a i n 时，宴测巷道主娥渡风爨为 1 2 1 9 1 T 1 3 ／r a i n 风速为3 m ／s ．风机运转约2 5 m i n 后，其所处位麓主风流中瓦斯体积分数为0 ．2 3 “， 上隅角瓦斯俸积分数超限嚣透界在采空鬣一侧后 咎约1 。O m ，在姻甄罄上郏一侧基移约0 ．2 m ，如图4 中曲线3 所示．回风巷瓦斯体积分数在砜机运转时 为0 ．6 3 ％。风机停此运转后一h 升至o ．7 1 ％． 2 当威梳被捻高至底窿距底板0 ．1 m ，其运转 参数魏主疑演参数网懿对，照枧运转2 5 m i n 羼，其 所处位置主风流中瓦斯体积分数为0 。1 7 ％，上隅角 瓦斯体积分数超限区边界在采空区一侧后移约 1 ．5 m ，在国风巷上邦一侧后移约0 ．2 m ，在距磺板 较近戆土郄空闯走，瓦羝俸积分数趣聚嚣瞧嗣撵受 到了影响，如熙4 中曲线4 所示．回风巷瓦期体积分 数在风机运转5 m i n 时为0 ．6 ％，l O m i n 时为 0 。6 3 ％，1 8 m i n 后稳定在0 ．6 5 ％，风概停止运转后 上舞藿o ，7 5 ％．最搬运转过鞋孛瓣不弱辩麴，1 1 t 4 串 ①～⑨3 个位蹙的瓦斯体积分数变化如下；l O m l n 时分别为0 ．9 ％，0 ．9 7 ％，0 ．8 5 ％} 2 0 r a i n 时分别为 0 ．8 4 ％，0 ．9 4 ％，0 ．8 8 ％} 2 5 m i n 时分澍为0 ．7 7 ％， 0 。9 1 ％，0 ．8 5 瓤． o单停踽压支柱 间距lm ． 巷遘城漾方囊 躅4 上瞒角瓦斯浓度超跟区域的测定结粜 F i g ．4 T h em e a s u r e dr e s u l t so fo v e r - g a sl i m i t r a n g ei nt h eu p p e re o Y n e r 4 ．2 实测结果分析 1 由图4 可以着出，脉动通风对治理上隅角瓦 新积荣是有效的，验证了瑾论分析懿j E 确性；工作 藤进符辣动遥飙后，土鼹焦琵裁浓度越限煞边券终 移、怒限范围缡小． 2 从实测结果可觅，脉动风机的运转并没有 使回菇流瓦斯浓度增大，反而有衙减小．舔蠢麓赫 赫最掇豹遮转穗当于增大了上联角鑫擘风流篷力，壤 小了上隅角与采空魅之间的匪差，对予整个采奎区 来说，具有一寇的均压作用．从而减少了采空隧的 瀚风艟，阿时龟减步了来自于采空区的瓦新涌出 豢，使匿最巷孛琵辑滚炭不纹不增加，反嚣有所减 小．这不仪对溃理工作颟瓦斯有利，而且对预防采 空区自然发火也有利． 5 结束语 从以上分楫及工业性试验结果来着，脉动避风 使主风流在垂直于主风速的方向上产生横向脉动， 依靠主风流横向脉动的向外扩张和向内收缩的周 羯性变纯藏豫麓最流枣含瓦薪浓度幂露静楣邻畿 鞠在囊直乎风流速度方内的运动，可鸯效她消除上 脯角的瓦斯积聚．因此，很有必要对脉动通风的理 论和设备进行进一步研究和完善，以便于强全豳高 嚣新矿井中太范垂推广应餍 万方数据 第8 期 糖齄强等，辣诒遗最魂昧上疆焦瓦赣辍聚懿理论势辑5 7 5 ～_H_～～～ 参考文献； [ 1 ] 襄盎香，矿并瓦簸防稔[ 赫] 。豫鞭；中量犷韭大学生黢 杜，1 9 9 2 ．5 2 5 8 ． ￡2 ] 禽窟香t 董瓤，辑胜强。中国栗煤工作霹瓦豢漕斑援 律及其控制研究[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 0 ，2 9 1 t 9 1 4 [ 3 】寥责发。辣2 孛_ 匾漉洼鞲渗翔处理琵辩竭莽莰蘩蠢] 。越 界煤炭技术，1 9 9 4 10 4 0 一4 3 ． [ 4 ] 廖贵发．髂冲风瘴条转下。静止区”嚣囊的扩教规捧 [ J ] ．煤嶷学报．1 9 9 6 ．2 1 3 3 0 1 3 0 5 ． I s ] 橱胜强 翕启释，王觏。等，歇{ 中避城法治瑗“u ”型 工作黼上隅角瓦斯积聚的理论及技术探讨仁J ] ．中国 安全科学学报，2 0 0 0 ．1 0 3 4 8 ．5 3 ， T h e o r e t i c a lA n a l y s i so fE l i m i n a t i n gG a sA c c u m u l a t i o n i nU p p e r C o r n e rb yP u l s e dV e n t i l a t i o n Y A N G S h e n g - q i a n g ，Y UQ i - x i a n g ，W A N GK a i ，Z H A N GR e a - g u l C o l l e g eE n e r g yS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g 。C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t A i m i n ga tt h ep r o b l e mo fg a sa c c u m u l a t i o ni nu p p e rc o r n e ro fU s h a p ec o a lf a c e s ，t h ea I rf l o wd y 。 n a m i e se q u a t i o na n dg a sm a s s t r a n s m i s s i o ne q u a t i o nu n d e rp u l s e dv e n t i l a t i o nw e r es e tu p 。T h et r a n s p o r tp r o ， e e s so fg a sw 矗sa n a l y z e di nd e t a i l , a n dt h em e c h a n i s mo fg a sd i f f u s i o na n dm a s s t r a n s a f i s s i o ni nt h eu p p e r c o r n e r c o a lf a c e su n d e rp u l s e dv e n t i l a t i o nw a sd i s c u s s e d ．F i e l de x p e r i m e n th a sp r o v e dt h a tt h ep u l s e dv e n t i h t i o nm e t h o di se f f e e t i v ea n df e a s i h I e ． K e yw o r d s ；u p p e r e o r l l e r ；g a sa e c u m u l a t i o n ；p u l s e dv e n t i l a t i o nm e t h o d 万方数据