突出高浓瓦斯气体运移扩散及逆流扩展规律研究--_

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1、摘要摘要煤矿井下瓦斯动力灾害发生过程中往往伴随有大量的高压、高浓度瓦斯气体，积聚有较高能量的高浓度瓦斯气体在压力场和浓度场的双重作用下快速涌向巷道空间形成瓦斯流。当瓦斯流能量较小时，涌出的瓦斯难以对巷道流场结构产生大的改变，其对巷道流场的影响主要体现在通过对流扩散作用改变流场中瓦斯浓度的时空分布，从而威胁矿井的安全生产；而当瓦斯流能量较大时，涌出瓦斯的动力效应能够对原始的巷道流场结构产生较大，甚至极大的改变，使得原有的风流结构难以为继，此时高浓度瓦斯不仅可以沿回风方向运移，还会向进风巷中逆流扩展，从而扩大瓦斯灾

2、害的影响范围及影响程度。高浓度瓦斯在巷道内运移传播不仅会造成人员的窒息伤亡，还有可能诱发瓦斯爆炸等次生灾害，尤其是当高压瓦斯逆流进入进风巷道时，由于井下人员作业及机电设备布置大多分布在进风巷道中，因而其可能带来的灾害诱发几率更大，威胁程度也更大。因此，理解高压瓦斯涌出后在巷道内的运移扩散规律，掌握高压瓦斯逆流的发生条件及扩展机制，确定高压瓦斯涌出后的有效影响范围，有助于降低次生灾害的发生几率，防止瓦斯灾害的进一步扩大，对于正确地认识灾害的发展过程，有效地制定应急响应机制，合理地安排灾后救援方案等有着重要的理论与

3、实际意义。目前国内外对于瓦斯动力灾害发生过程中高压瓦斯的动态涌出规律的研究仍有所欠缺，对巷道瓦斯运移传播规律的研究也多是基于瞬时点源的随流扩散模型，与实际高压瓦斯涌出过程的时间连续、空间有限分布特征相差甚远。基于此，本文以理论分析为出发点，将高压瓦斯涌出过程简化为高压腔体的开口泄放过程，结合分子热物理学、分子动力学等分析了瓦斯泄放过程中的气体压力、质量流量随时间的变化关系，并探讨了煤体瓦斯解吸对压力泄放过程的影响。在此基础上，利用传质理论推导了瓦斯涌出过程中及涌出停止后巷道中瓦斯浓度时空分布的时间连续源随流扩散

4、模型和空间有限分布的随流扩散模型，并结合瓦斯的动态涌出特征分析了巷道瓦斯逆流的形成条件及逆流扩展规律。为了验证所得理论模型的正确性，设计了巷道高压瓦斯运移传播实验系统，研究了不同泄压膜厚度、泄压口大小、泄压口形状、泄压腔体大小、不同风速等条件下巷道高压瓦斯涌出后的运移扩散及逆流扩展规律，并分析了不同因素对上述规律的影响程度。同时，利用FLUENT数值模拟软件，再现了高压腔体的动态涌出过程及高压瓦斯涌出后在巷道中的运移传播过程，分析了逆流发生过程中巷道内气体压力、浓度的时空变化规律，以及逆流扩展范围的变化规律，验

5、证了前文所得高压瓦斯运移传播及逆流扩展规律的正确性。最后，以峰峰集团小屯矿的炮后瓦斯浓度变化以及新三矿的钻孔瓦I中国矿业大学（北京）博士学位论文斯喷出为实例，进一步验证了前文理论及实验结果的正确性，并提出了相应的工程建议。论文研究成果进一步丰富、完善了矿井瓦斯灾害的防治理论，具有重要的理论与实践意义。本文的主要研究内容及成果如下：（1）得出了高压瓦斯涌出过程中及涌出停止后的随流扩散理论模型井下高压瓦斯的涌出可以看作是一个时间连续的过程，而瓦斯涌出停止后巷道内的浓度分布可以看作是有限空间的连续分布，结合流体传质理

6、论可以推导得出瓦斯涌出过程中及涌出停止后巷道内的浓度时空变化模型。研究表明：瓦斯涌出过程中，巷道中的瓦斯浓度随时空分布满足时间连续源随流扩散模型，也即：??−?????+??0c(x,t)=[erfc()+??⋅erfc()]，瓦斯涌出停止后，巷道中瓦斯浓度的时22√??2√???0?−??+??/2空分布满足空间有限分布源随流扩散模型，也即：c(x,t)=[erf()−22√???−?−??/2erf()]。瓦斯涌出停止后，巷道内瓦斯浓度峰值的时空变化规律满足2√???0??0??0c(x,t)???=[er

7、f()−erf(−)]，浓度峰值在x=Ut时取得。瓦斯浓度峰值随24√??4√??运移时间及巷道内瓦斯扩散系数的增大而减小，随瓦斯涌出停止时巷道内瓦斯分布区域长度的增大而增大。（2）建立了巷道瓦斯逆流发生与否判据及逆流扩展范围估算模型结合高压瓦斯的涌出规律，将逆流过程按进风巷瓦斯流动状态的不同进行了阶段划分，针对不同阶段的瓦斯受力状态，分析了各阶段的瓦斯流动性质及浓度变化规律。高压瓦斯涌出后逆流过程主要由4个过程组成：①冲击波作用过程；②.冲击波形成至煤层瓦斯压力衰减至常压水平阶段；③惯性作用下巷道中瓦斯动压衰

8、减阶段；④逆流停止瓦斯回流阶段。巷道中控制瓦斯逆流发生与否的直接条件为，巷道中流动的瓦斯压头是否大于供风风压与巷道阻力之和。高压瓦斯涌出引起的瓦斯逆流扩展范围可以通过作用在涌出瓦斯气体上的合力变化规律，结合运动学公式进行求解，也可以通过逆流停止时刻巷道中的浓度分布规律来进行求解。其中，从瓦斯逆流速度开始衰减至逆流停止过程中进风巷道内瓦斯浓度的时空演化规律?0?−???−??+?满足c(