一种拟三维煤矿采空区氮气流动压力损失计算方法技术

本发明专利技术公开了一种拟三维煤矿采空区氮气流动压力损失计算方法。本发明专利技术方法主要包括：建立采空区气体流动模型，划分单周期流动单元；将单周期流动单元作为研究对象，依据断面面积随流动距离变化的表达式不同将单周期流动单元划分为四个流动阶段；推导采空区氮气流动压力损失理论计算式；在理论计算式的基础上，进行实验优化，缩小一维简化与三维流动之间的差异，得到拟三维流动压力损失计算式。本发明专利技术能用于采空区中氮气流动压力损失的计算，实现采空区氮气充注所需初始压力和充注范围的快速、准确计算，避免了数值模拟方法耗费时间多、技术难度大的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种拟三维煤矿采空区氮气流动压力损失计算方法
本专利技术属于矿井通风和采空区防灾减灾
，具体涉及一种拟三维的煤矿采空区氮气流动压力损失计算方法。
技术介绍
70％以上的煤矿火灾事故发生在毗邻采区的采空区。采空区遗煤自然发火及其灭火救灾一直是行业内的热点问题，采用注氮治理自然发火是最常见和行之有效的灭火措施。但是，现有计算方法和实施细则，无法准确计算灭火用所注氮气在采空区内流动的距离，从而无法准确预测所注氮气能影响的范围，导致液氮浪费和灭火困难。在确定采空区注氮参数方法及其措施的研究进展方面，李东等人提出了一种采空区U型通风工作面全断面帷幕注氮的防灭火方法，提高了氮气惰化效率。朱红青专利技术了自动控制旋转牵引式注氮防灭火装置，实现了采空区注氮点在空间上的连续，提升了采空区注氮的惰化效果。秦波涛和鲁义提出了一种高效治理浅埋藏煤层大面积采空区遗煤自燃的方法，集堵漏控风与快速惰化降温为一体，高效防治了遗煤自燃。郭君柳探讨了采空区“三带”的观测以及注氮防灭火的实用方法，提高了煤炭开采的安全性和经济效益。根据质量、动量和组分守恒方程，朱红青建立采空区气体体积分数变化的理论流体力学模型，通过初始化、赋边界值和迭代计算，数值模拟确定最佳注氮位置和注氮量。李宗翔结合段王煤矿进行了“两进一回”复杂采场采空区注氮防灭火模拟，确定了最佳的注氮量和注氮位置。何俊忠通过SF6示踪气体测定宏岩煤矿4405采空区的漏风量，并确定主要漏风方向，在此基础上优化了采空区注氮工艺。张琪结合大同煤矿集团公司煤峪矿现场实际情况，通过对综采放顶煤工作面火灾隐患治理技术的研究，提出采用“旁路式”注氮法对综放工作面采空区内的火灾隐患进行治理。针对高瓦斯易自燃煤层，罗新荣以某矿综采面为原型，二次开发了带有抽采孔的计算流体力学代码。刘星魁利用Fluent软件模拟了注氮前后采空区自燃带范围的改变情况，并分析了注氮位置和注氮量对采空区氧化带位置分布的影响，从中拟合出了最佳的注氮参数。董军为确定5-2S-2综放工作面采空区连续注氮防灭火的最佳工艺参数，依据计算流体力学基本理论，构建了采空区渗流场数学物理模型，对不同注氮条件下的采空区氧浓度分布及“三带”划分进行数值模拟研究，得到最佳注氮参数。上述研究是防治采空区自燃发火的重要基础，但是，若将这些方法和装置应用于实际工程中还存在问题。首先，由于不同煤矿的采空区物性参数和生产工艺参数都不一样，采用数值模拟确定注氮参数的方法，耗费时间多，技术难度大，难以普及；其次，上述研究都不能明确氮气流动过程中压损与注氮参数之间的量化关系，所以，无法快速确定注氮的具体参数。为了克服上述不足，陈世强专利技术了一种基于最小流动单元的采空区氮气充注压力损失计算方法。但是，在该方法中将三维流动简化为一维流动得到压力损失计算方法，这种方法计算得到的压力损失与实际情况具有一定误差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术中所存在的不足，提供一种经试验优化后的拟三维煤矿采空区氮气流动压力损失计算方法。本专利技术的拟三维煤矿采空区氮气流动压力损失计算方法，包括如下步骤：(1)建立采空区气体流动模型，划分单周期流动单元；(2)将单周期流动单元作为研究对象，依据断面面积随流动距离变化的表达式不同将单周期流动单元划分为四个流动阶段；(3)推导采空区氮气流动压力损失理论计算式；根据流体动力学Navier-Stocks方程，推导出一维流动压力损失计算式如式(1)所示：式中，JT1为气体流经单位长度采空区的一维流动压力损失，Pa/m；μ为气体的动力粘度，Pa·s；ρ为气体密度，kg/m3；d为小球直径，m；u0为气体的初始平均速度，m/s；(4)在理论计算式的基础上，进行实验优化，缩小一维简化与三维流动之间的差异，得到拟三维流动压力损失计算式如式所示(2)：式中，JT3为气体流经单位长度采空区的拟三维流动压力损失，Pa/m；K为修正比例系数，取0.52，无量纲数；α为速度分布系数，无量纲数。具体的，步骤(1)包括如下步骤：(a)建立采空区气体流动模型；建立的气体流动模型由8个直径为d的大球、一个直径为的抽芯球体和6个直径为的半空心球体组成；其中，8个直径为d的大球分别位于边长为2d的立方体八个顶点处，每个直径为d的大球与相邻的直径为d的大球相切；直径为的抽芯球体位于8个直径为d的大球的中心处，与8个直径为d的大球分别相切；6个直径为的抽芯半球体分别位于立方体的六个面的中心位置，直径为的抽芯半球体与周围球面相切；(b)划分单周期流动单元；由流动模型的对称性，可将采空区气体流动模型划分为单周期流动单元，具体为：以边长为2d的立方体每条棱的中点为切割点，将流动模型切割为八个单周期流动单元。具体的，步骤(2)包括如下步骤：以单周期流动单元为研究对象，流动方向为z轴正方向，流动起点为z轴原点；在第一流动阶段上，从z＝0点开始，过流断面面积表达式如式(3)所示：其中，A0为过流断面面积，m2；d为小球直径，m；L为切割圆柱体中心到底面圆周的连线，m；θ为虚线L和切割圆柱体中心轴线的夹角，弧度。四个流动阶段过流断面面积分别为：当满足时：当满足时：当满足时：当满足时：具体的，步骤(3)包括如下步骤：(a)计算各流动阶段单位长度压力损失如下：第一流动阶段：第二流动阶段：第三流动阶段：第四流动阶段：式中，μ为气体的动力粘度，Pa·s；ρ为气体密度，kg/m3；d为小球直径，m；u0为气体的初始平均速度，m/s；(b)确定采空区氮气流动压力损失理论计算式如下：将四个流动阶段的公式按模型长度比例进行整合得到最小流动单元上一个流动周期的压力损失计算公式：具体的，步骤(4)包括如下步骤：(a)基于试验台，设定四种不同的风路径从而获得四种不同的流动断面面积，将这四种情况设定为四个不同的工况；(b)测定每种工况不同风速下的实测压力损失以及依据式(1)计算所得的理论压力损失；(c)比较实测压力损失与理论压力损失，以速度分布系数α解决一维简化与三维流动之间的差异；(d)将理论压力损失与实测压力损失相除，得到修正比例系数K。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术能用于采空区中氮气流动压力损失的计算，实现采空区氮气充注所需初始压力和充注范围的快速、准确计算，避免了数值模拟方法耗费时间多、技术难度大的缺陷。附图说明图1是本专利技术实施例采空区气体流动模型的主视图。图2是本专利技术实施例采空区气体流动模型的左视图。图3是本专利技术实施例采空区气体流动模型的俯视图。图4是本专利技术实施例切割小球圆柱体结构图。图5是本专利技术实施例单周期流动单元结构图。图6是本专利技术实施例流动阶段分布图。图7是本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种拟三维煤矿采空区氮气流动压力损失计算方法，其特征在于包括如下步骤：/n(1)建立采空区气体流动模型，划分单周期流动单元；/n(2)将单周期流动单元作为研究对象，依据断面面积随流动距离变化的表达式不同将单周期流动单元划分为四个流动阶段；/n(3)推导采空区氮气流动压力损失理论计算式；/n根据流体动力学Navier-Stocks方程，推导出一维流动压力损失计算式如式(1)所示：/n

【技术特征摘要】
1.一种拟三维煤矿采空区氮气流动压力损失计算方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)建立采空区气体流动模型，划分单周期流动单元；
(2)将单周期流动单元作为研究对象，依据断面面积随流动距离变化的表达式不同将单周期流动单元划分为四个流动阶段；
(3)推导采空区氮气流动压力损失理论计算式；
根据流体动力学Navier-Stocks方程，推导出一维流动压力损失计算式如式(1)所示：



式中，JT1为气体流经单位长度采空区的一维流动压力损失，Pa/m；μ为气体的动力粘度，Pa·s；ρ为气体密度，kg/m3；d为小球直径，m；u0为气体的初始平均速度，m/s；
(4)在理论计算式的基础上，进行实验优化，缩小一维简化与三维流动之间的差异，得到拟三维流动压力损失计算式如式所示(2)：



式中，JT3为气体流经单位长度采空区的拟三维流动压力损失，Pa/m；K为修正比例系数，取0.52，无量纲数；α为速度分布系数，无量纲数。


2.根据权利要求1所述的拟三维煤矿采空区氮气流动压力损失计算方法，其特征在于：步骤(1)包括如下步骤：
(a)建立采空区气体流动模型；
建立的气体流动模型由8个直径为d的大球、一个直径为的抽芯球体和6个直径为的抽芯半球组成；其中，8个直径为d的大球分别位于边长为2d的立方体八个顶点处，每个直径为d的大球与相邻的直径为d的大球相切；直径为的抽芯球体位于8个直径为d的大球的中心处，与8个直径为d的大球分别相切；6个直径为的抽芯半球分别位于立方体的六个面的中心位置，直径为的抽芯半球与周围球面相切；
(b)划分单周期流动单元；
由流动模型的对称性，可将采空区气体流动模型划分为单周期流动单元，具体为：以边长为2d的立方体每条棱的中点为切割点，将流动模型切割为八个单周期流动单元。


3.根据权利要求1所述的拟三维煤矿采空区氮气流动压力损失计算方...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈世强，张连会，赵利群，王君，王海桥，鲁义，姜文，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43