Аннотация
Данное исследование было проведено для анализа влияния мощности выброса угля и газа на вентиляционные системы шахт, чтобы избежать ущерба от вторичных катастроф для систем вентиляции шахт. Посредством динамического эксперимента на простой системе вентиляционной сети были получены характеристики нестационарного движения потока воздуха в шахте при совместном воздействии потока источника выброса газа и вентиляции вентилятора.
Введение
Выброс угля и газа является одной из самых серьезных катастроф в добыче угля. Угольная пыль и высококонцентрированный газ, образующиеся в результате выброса, могут привести к жертвам и материальным потерям, а также повредить вентиляционную систему шахты. Были проведены значительные исследования по проблеме выброса угля и газа, включая механизм выброса угля и газа, эксперименты по моделированию выброса, идентификацию риска и раннее предупреждение типичных динамических катастроф в угольных шахтах, и в этом направлении был достигнут значительный прогресс.
Однако из-за сложности поведения вентиляционной системы во время аварии с выбросом угля и газа в этой статье в основном изучалось влияние газа на вентиляционный поток в штреке после выброса. Взаимодействие угольной пыли с газом в процессе исследований не учитывалось. В настоящее время существует мало исследований по изменению параметров состояния газа в процессе выброса угля и газа, а также исследования системы вентиляции при совместном воздействии мощности источника аварийного выброса газа. Здесь мы изучаем динамику выброса газа и процесс перемещения газа, влияние газового потока на вентиляционные системы шахт и закон распространения газов в период катастрофы, чтобы осуществить динамическое определение и суждение о масштабах и степени опасности аварии в течение короткого периода после возникновения локальной аварии и принять быстрые чрезвычайные меры до возникновения вторичной катастрофы, связанных с большими потерями имущества и человеческими жертвами.
Теория газовой конвекции и диффузии в шахте
Распространение вредных газов, включая распространение концентрированных вредных газов или исходного участка многосекционной составной конструкции, в выработке шахты может быть описана уравнением конвекции-диффузии и решается численным методом. Уравнение конвекции-диффузии описывает одномерное пространственное распределение концентрации газа с течением времени, и метод конечных разностей используется для решения проблемы миграции газа в выработке. Для удобства расчета уравнение конвекции-диффузии может быть упрощено как одномерное уравнение для описания нестационарного процесса миграции и диффузии газа в выработке.
где C - массовая концентрация газа, кг/м3 ; W - количество газа, образующегося при разрежении стенки в единице объемного пространства в единицу времени, кг/(м3·с); ? - время, с; ux - продольная средняя скорость дорожного полотна, м/с; и Ex - продольный механический коэффициент рассеивания вредного газа на проезжей части, м2/с.
Экспериментальное исследование нестационарного динамического течения выброса газа в трубопроводной сети для вывода газа
Проведен динамический эксперимент в трубопроводной сети для выброса газа с целью изучения влияния динамики газовыброса на поток воздуха в шахте. Экспериментальная схема газопроводной сети газопровода показана на рисунке 1. Внутренний диаметр трубопроводной сети 60 мм, общая длина 48 м, вентилятор обеспечивает вытяжную вентиляцию, а выступающий источник заменен на мощный авиамодельный двигатель, развивающий тягу 1,5 кг. Эта тяга действует как «сверхсила» для экспериментальной сети трубопроводов.
Рисунок 1 – Схема экпериментальной газопроводной сети
Схема включает в себя датчик скорости ветра, датчик разности давлений, модуль сбора данных и главный компьютер. Три трубопровода представляют собой сеть аварийного выброса. Ключевым моментом данного эксперимента является нестационарный процесс воздействия мощности газового выброса на вентиляционную систему.
В данной работе представлены результаты экспериментов двигателя с различной интенсивностью выступания на Смене 1 и Смене 2. С помощью компьютерной программы создана математическая модель эксперимента, численно смоделирован процесс эксперимента. Когда выступающий вентилятор источника находится на передаче 1 (т. е. когда выступающиая мощность мала), поток воздуха в канале C для впуска воздуха останавливается, и когда выступающий вентилятор источника находится на передаче 2 (т. е. когда выступающая мощность велика), воздушный поток меняет направление из-за силы выступа. В обоих случаях объем воздуха на линии возвратного воздуха А сначала увеличивается, а затем уменьшается из-за инерции воздушного потока. Как показано в Рис. 2(а)и(б), результаты численного моделирования согласуются с результатами эксперимента, где сила выброса значительно влияет на систему вентиляции и заставляет поток воздуха в приточной шахте уменьшаться или встречно и увеличивать поток воздуха в возвратном штреке.
Рисунок 2 – Изменение воздушного потока в трубопроводной сети под нагрузкой. (a) Застой ветрового потока и (b) Реверс воздушного потока.
Численный имитационный анализ влияния мощности выброса газа на устойчивость шахтной вентиляционной системы
Задание начальных условий для моделирования процесса аварии системы шахтной вентиляции при выбросе газа
Противоток выброса обусловлен распространением сжимаемого газа под высоким давлением от источника выброса, что является очень сложной задачей и относится к разряду аэродинамики. Для анализа этой задачи решение необходимо упростить и описать по разделам, исходя из того, что целью исследования является влияние выброса на шахтную вентиляционную систему в крупной сетевой системе шахтного комплекса, сжимаемость газа от источников выброса в мелкомасштабные локальные выбросы игнорируются, а воздух несжимаем. Скорость потока источника выброса газа при авариях на угольных шахтах можно приблизительно оценить, используя время выброса и записи наблюдений за концентрацией газа в шахте. Трудно напрямую измерить давление и изменение силы выброса в фактическом источнике выброса в угольной шахте; таким образом, газовый поток от источника выброса принимается за источник выброса.
В этой статье система вентиляции была построена с использованием программы моделирования TF1M для системы шахтной вентиляции, разработанной с помощью программного обеспечения Matlab. Программа TF1M имеет преимущества отличного визуального отображения и лучшей работоспособности. Реализовано моделирование 3D системы вентиляции шахты и описание системы вентиляции в период аварии. Эта программа моделирования может быть использована для расчета и моделирования время аварии в глобальной сети шахтных тоннелей. Здесь были объединены теория активной вентиляционной сети, теория решения шахтной вентиляционной сети, теория внешней конвекции и диффузии газа, а также другие связанные с шахтой знания и научные методы решения.
Анализ результатов моделирования
С помощью TF1M смоделирован процесс динамического перемещения газа в шахтной вентиляционной системе после выброса угля и газа в угольной шахте, а также проанализировано влияние выбросного газа на шахтную вентиляционную систему и изменение ее расхода воздуха после выброса. Схема шахтной вентиляционной системы угольной шахты показана на рис. 3.
Рисунок 3 – Схема шахтной вентиляционной системы угольной шахты.
Под действием мощной движущей силы источника выброса газ рассеивается и поступает во всю систему шахтной вентиляции из центра очага выброса, заполняя газом основную выработку, а по основному входному штреку происходит обратное течение, а также в шахтном воздухозаборном штреке и воздухозаборном стволе. Газораспределение в шахтной системе вентиляции показано на рис. 4.
Под действием мощности выброса газ рассеивается в последнюю наклонную плоскость обратного ветра 2122 в месте аварии при выбросе. При моделировании аварии с выбросом угля и газа на 35-й секунде выброс газа самый большой, газ быстро рассеивается в локальном контуре вблизи места выброса, а концентрация газа в локальном контуре выше. Когда симуляция достигает 100-й секунды, главный штрек заполняется газом вспышки в противотоке
Сильная мощность газового выброса приводит к выходу из строя вентилятора, открывается взрывозащищенная дверь главной штольни, и газ обтекает входной вал и устремляется из-под земли. При этом образуется естественный ветровой напор положительного газа, который способствует притоку воздуха шахтной вентиляционной системы. При совместном воздействии газового естественного ветрового давления и мощности газового выброса площадь воздействия газа постепенно увеличивается, а также расход воздуха в шахтном воздухозаборном тоннеле. Когда процесс выброса угля и газа заканчивается и мощность выброса исчезает, интенсивностью выброса источника выброса газа можно пренебречь. На 293-й секунде диффузия газа заполняет магистраль возвратного воздуха 1162 и магистраль обратного воздуха 2122. Под действием давления естественного ветра объемная доля газа постепенно уменьшается, направление воздушного потока остается таким же, как при обычной вентиляции, а местный воздушный поток меняется на противоположный в шахтной вентиляционной системе. Шахта почти заполнена газом; содержание кислорода падает; а вредные газы, такие как метан и углекислый газ, практически заполняют все пространство. Газ рассеивается в шахтный тоннель, вызывает взрыв, отравляет подземный персонал и влияет на безопасность всей вентиляционной сети.
Рисунок 4 – Карта распределения концентрации газа в вентиляционной системе в период аварии.
Рисунок 5 – Кривая изменения расхода воздуха со временем в системе вентиляции во время аварии.
Как показано на рис. 5. В результате моделирования аварийного процесса выброса угля и газа получены нестационарные кривые расхода воздуха поясной выработки 2121, транспортной выработки 2121, наклонного ствола возвратного воздуха 2121, основной штольни и наклонного ствола возвратного воздуха. После выброса мощность газового выброса реверсирует поток газа в основной штольне и создает отрицательный объем воздуха; интенсивность источника выброса газа сначала увеличивается, а затем уменьшается, а расход воздуха основной штольни сначала уменьшается, а затем увеличивается до максимального значения противотока
В процессе моделирования устанавливаются четыре точки мониторинга газа для регистрации изменения объемной доли газа во время аварии. Пункт контроля газа 1 расположен вблизи выхода рециркуляции с координатами, Пункт контроля газа 2 расположен возле воздухозаборной подстанции, пункт контроля газа 3 расположен под пунктом контроля газа 1 и пункт контроля газа 4 расположен на забое 2121. Кривые изменения концентрации газа в четырех точках газомониторинга в процессе аварийного выброса угля и газа показаны на рис. 6.
Рисунок 6 – Кривые изменения концентрации газа в четырех точках газомониторинга.
После выброса угля и газа значительное количество газов рассеивается по воздушному потоку в систему вентиляции всей шахты и выбрасывается в общий возвратный воздуховод. Если кривые концентрации газа точек контроля 3 и 1 расположены в одной и той же трубе возвратного воздуха, то концентрация газа сначала увеличивается, а затем уменьшается. Время, необходимое для достижения определенных мест, определяется скоростью ветра в штреке возвратного воздуха после выброса и расстоянием между каждым конкретным местом и местом выброса. Как показано на рис. 6, в процессе выброса угля и газа, в то же время, концентрация газа в пункте контроля 1 в том же штреке ниже, чем в пункте контроля 3. Газ рассеивается сначала в пункт контроля газа 3, а затем в пункт контроля газа 1. После окончания выброса вентилятор возобновляет работу, на поток воздуха в штреке влияет давление природного газа и давление вентилятора, и концентрация газа постепенно уменьшается. Наконец, в точках мониторинга газа 1 и 3 концентрация газа одинакова
Выводы
После выброса угля и газа на систему вентиляции шахты влияет мощность источника выброса и давление природного газа. Естественный ветровой напор газа играет ведущую роль в позднем периоде выброса и естественный ветровой напор газа заставляет газ диффундировать с ветровым потоком в штреке шахты. Время воздействия велико, а зона бедствия увеличена.
В данной работе программа TF1M использовалась для моделирования диффузии газа после выброса по всей шахте. Целесообразно было проанализировать прямое динамическое влияние газового выброса на систему вентиляции и влияние естественного ветрового давления газа
При увеличении напора вентилятора сокращается время восстановления воздушного потока в выработке, повышается возможность дегазации из шахтной вентиляционной системы, а также вероятность вторичных катастроф, таких как взрыв газа в шахте, уменьшен. Когда давление ветра вентилятора велико, это может предотвратить реверсирование воздушного потока; увеличение напора вентилятора может увеличить начальную скорость ветра и сократить время, необходимое воздушному потоку для возвращения к норме; однако увеличение давления вентилятора не может существенно изменить скорость изменения скорости воздушного потока.
Список использованной литературы
1. Q. Yu, Mine Methane Prevention and Control (China University of Mining and Technology Press, Xuzhou, 1992).
2. S. Valliappan, Z. Wahua, “Role of methane gas emission in coal outbursts,” Eng Geol. Environ., Proc. Int. Symp. 3(22), 2549–2554 (1997).
3. W. Cheng, X. Liu, and K. Wang, “Study on regulation about shock-wave-front propagating for coal and gas outbursts,” J. China Coal Soc. 29(1), 57–64 (2004)(in Chinese).
4. D. Wu, Y. Zhao, and Y. Cheng, “?P index with different gas compositions for instantaneous outburst prediction in coal mines,” Min. Sci. Technol. 20(5),723–726 (2010).
5. K. Wang and Q. Yu, Non-Linear Characteristics and Prediction Model of Coal and Gas Outburst (China University of Mining and Technology Press, Xuzhou, 2005).
6. G. S. Rice, “Introductory notes on origin of instantaneous outbursts of gas in certain coal mines of Europe and Western Canada,” Am. Inst. Min. Met. Eng. 94,75–87 (1931).
7. S. Zhou and X. He, “Rheological hypothesis of coal and methane outburst mechanism,” J. China Univ. Min. Technol. 19(2), 1–8 (1990) (in Chinese).
8. C. Jiang and Q. Yu, “The hypothesis of spherical shell destabilization of coal and gas outburst,” Saf. Coal Mines 2(2), 17–25 (1995) (in Chinese).
9. B. Liang, M. Zhang, Y. Pan et al., “Theory of instability of flow fixation coupling for coal and gas outburst,” J. China Coal Soc. 20(5), 492–496 (1995)(in Chinese).
10. Q. Hu, S. Zhou, and X. Zhou, “Mechanical mechanism of coal and gas outburst process,” J. China Coal Soc. 33(12), 1368–1372 (2008) (in Chinese).