瓦斯抽采安全防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)及多級(jí)防護(hù)系統(tǒng)研究

1、瓦斯抽采安全防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)及多級(jí)防護(hù)系統(tǒng)研究煤炭資源是人類工業(yè)生產(chǎn)和生活的重要物資。為保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,我國(guó)煤炭產(chǎn)量逐年增加,礦井開采深度加大。由于瓦斯含量隨礦井開采深度增加而逐漸增大,開采條件不斷惡化,高瓦斯突出礦井逐漸增多,我國(guó)成為世界上瓦斯災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家,瓦斯治理成為礦井安全生產(chǎn)的首要問題。瓦斯抽采是治理瓦斯災(zāi)害的最有效方法。鑒于我國(guó)煤礦瓦斯抽采管道中的瓦斯?jié)舛韧幱诒O限內(nèi),瓦斯抽采過程中存在重大的安全隱患,遭遇設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)異常、靜電或雷電時(shí),極易發(fā)生瓦斯燃燒或爆炸事故,嚴(yán)重危害煤礦安全生產(chǎn)和礦工生命安全。為保證煤礦瓦斯的安全抽采,在瓦斯管道輸送系統(tǒng)中靠近可能的火源點(diǎn)附近管道上,應(yīng)

2、安設(shè)安全防護(hù)設(shè)施,即泄爆、抑爆、阻爆等設(shè)施,對(duì)實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯安全可靠開采、消除低濃度瓦斯在排放、輸送過程中存在的重大安全隱患具有重要意義。然而,現(xiàn)有的泄爆、抑爆和阻爆技術(shù)雖然原理可行,但由于對(duì)瓦斯抽采管道內(nèi)爆炸流場(chǎng)特征及其影響因素缺乏全面系統(tǒng)的研究,導(dǎo)致開發(fā)出的瓦斯抽采安全防護(hù)裝置可靠性低、易失效,煤礦瓦斯的安全抽采對(duì)高可靠性瓦斯抽采安全防護(hù)系統(tǒng)提出了迫切需求。采用理論研究、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工業(yè)試驗(yàn)相結(jié)合的手段,在全面分析瓦斯爆炸流場(chǎng)特征的基礎(chǔ)上,提出了瓦斯抽采多級(jí)安全防護(hù)系統(tǒng)總體方案,研究了瓦斯抽采管道內(nèi)水封阻火泄爆技術(shù)、基于惰性氣體熄滅火焰的抑爆技術(shù)以及基于快關(guān)蝶閥的快速阻斷技術(shù),最終開發(fā)出瓦斯抽

3、采多級(jí)安全防護(hù)系統(tǒng),解決了單一防護(hù)設(shè)備無法滿足瓦斯爆炸可靠防護(hù)的問題。研究管道內(nèi)瓦斯爆炸流場(chǎng)特征變化規(guī)律是開發(fā)瓦斯抽采多級(jí)安全防護(hù)系統(tǒng)基于計(jì)算流體力學(xué)理論,研究了管道內(nèi)瓦斯爆炸過程中溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、反應(yīng)速率、氣體流速隨時(shí)間的變化規(guī)律,對(duì)多種管徑和長(zhǎng)度的直管及國(guó)內(nèi)某煤礦實(shí)際抽采使用的一段彎管進(jìn)行了管道內(nèi)瓦斯爆炸特征分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),瓦斯爆炸管道內(nèi)氣體的最大反應(yīng)速率、最高相對(duì)壓力、最大流動(dòng)速度是一個(gè)加速度不斷增大的加速的過程；彎曲管道由于轉(zhuǎn)彎處加劇了流體的湍動(dòng)程度,其最大反應(yīng)速率、最高相對(duì)壓力、最大氣體流速均高于同直徑直管,且燃燒完成時(shí)間更短；管徑對(duì)爆炸氣流的壓力影響較大,管徑越小,爆炸壓力越大；在

4、不同長(zhǎng)度直管內(nèi),瓦斯爆炸流場(chǎng)的反應(yīng)速率、壓力和速度開始增長(zhǎng)速度相對(duì)緩慢,但均在120ms后開始急劇增長(zhǎng)，導(dǎo)致爆炸能量巨大。在理論分析的基礎(chǔ)上，研究出泄爆、抑爆和阻爆相結(jié)合的瓦斯抽采多級(jí)安全防護(hù)系統(tǒng)。針對(duì)原有瓦斯爆炸水封泄爆技術(shù)缺乏水封泄爆特性及液位補(bǔ)償技術(shù)研究、易導(dǎo)致泄爆失效的問題，結(jié)合瓦斯抽采常用的500mntt采管道，基于計(jì)算流體力學(xué)理論對(duì)水封泄爆裝置在不同水位高度下的瓦斯爆炸、泄放、阻火過程進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),研究的水封泄爆裝置在泄爆桶出口將瓦斯點(diǎn)燃時(shí),爆炸能量以中心能量為5MPaffi力、溫度為3350K從泄爆管的彎管沖出，將爆破片打開，釋放能量,而水封泄爆裝置內(nèi)爆炸氣流壓力與

5、熱量急速降低；水封高度大于50mm寸,水封泄爆裝置進(jìn)氣管液面上方反應(yīng)速率為0mol/m3-s,能有效阻火。在研究設(shè)計(jì)泄爆裝置水位自控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,開發(fā)出了一種水位自控式水封阻火泄爆裝置。針對(duì)原有瓦斯爆炸抑爆技術(shù)滅火介質(zhì)懸浮時(shí)間短、難以有效抑爆的問題,首先根據(jù)火焰?zhèn)鞲衅黜憫?yīng)速度,爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊却_定了惰性氣體噴撒點(diǎn)距管道進(jìn)口位置,進(jìn)而對(duì)直徑500mm、長(zhǎng)30米管道內(nèi)瓦斯爆炸火焰熄滅過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),二氧化碳的噴入一方面導(dǎo)致管道內(nèi)高溫燃燒氣體的溫度大大降低另一方面使得燃燒氣體中甲烷和氧氣濃度逐漸被稀釋。當(dāng)噴撒速率大于20kg/s時(shí),火焰被熄滅,二氧化碳噴撒速率越大,火焰熄滅時(shí)間越

6、短,當(dāng)噴撒速率在20kg/s以上時(shí),火焰能被熄滅。通過上述研究,開發(fā)了基于二氧化碳惰性氣體熄滅火焰的抑爆裝置。瓦斯爆炸發(fā)生時(shí),須以最快的速度進(jìn)行阻爆,對(duì)阻爆關(guān)斷速度提出極高要求。針對(duì)原有阻爆技術(shù)關(guān)斷速度慢的問題，結(jié)合500mnfi徑瓦斯抽采管道，采用有限元分析技術(shù),在對(duì)快關(guān)蝶閥進(jìn)行強(qiáng)度校核的基礎(chǔ)上,提出了以液壓驅(qū)動(dòng)蝶閥的瓦斯爆炸阻斷方法,并對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)蝶閥的阻爆裝置進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析,最終得到了滿足瓦斯爆炸阻爆要求的蝶閥關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),開發(fā)了瓦斯爆炸阻爆裝置。對(duì)多傳感器系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上,通過泄爆、抑爆和阻爆的有機(jī)結(jié)合,開發(fā)出了瓦斯抽采管道多級(jí)安全防護(hù)系統(tǒng),并進(jìn)行了單級(jí)、雙級(jí)、多級(jí)防護(hù)工業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明,開發(fā)出的多級(jí)安全防護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多級(jí)聯(lián)動(dòng),有效