一种模拟煤矿掘进巷道瓦斯运移规律的方法以及实验系统技术方案

一种模拟煤矿掘进巷道瓦斯运移规律的方法以及实验系统，目的是奠定安全、迅速地排放瓦斯的理论基础。本发明专利技术公开了一种模拟煤矿掘进巷道瓦斯运移规律的方法以及实验系统，首先建立掘进巷道实验系统，然后通过定向和定量两种方法深入探索半封闭条件下紊动射流作用下瓦斯运移规律。其中定性方法为非接触测量，在不干扰流场运行特性的基础上进行定性分析，其分析结果可作为定量实验中传感器布置的依据。定量方法通过巷道模型上的多功能操作孔布置多种传感器，通过数据分析挖掘瓦斯运移规律。本发明专利技术可为掘进巷道正常通风和瓦斯排放情况下风机控制策略提供理论和数据依据，也为预防掘进巷道内瓦斯爆炸事故提供指导。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及矿井通风工程研究领域，尤其涉及模拟煤矿掘进巷道中瓦斯气体的运移规律的方法和实验系统。
技术介绍
掘进巷道多数位于煤层的新开拓区，瓦斯涌出量大，如果通风不力将导致瓦斯积聚达到爆炸浓度；而为了保证工作面工人的健康，必须不断通入新鲜风，自然提高了氧气浓度；再者，掘进机巷道产生火花的因素众多，都容易引燃引爆在爆炸点的瓦斯，引发事故。掘进巷道瓦斯治理是煤矿瓦斯治理的重点和难点。经钻井抽放后，煤层内仍有大量瓦斯持续释放。作为长期工作设备，瓦斯排放仍是控制掘进巷道瓦斯浓度降低瓦斯爆炸概率的基本途径。如何安全、快速、有效地排放掘进巷道瓦斯是矿井通风工程的技术难点，也是急需解决的课题之一。目前，国内外对掘进巷道瓦斯气体运移规律的研究主要集中在独头巷道压入式有限空间风流场规律以及气流的速度场、温度场和PMV场进行数值模拟。但对于掘进巷道通风控制系统设计而言，掘进巷道内风流场的复杂性、矿井大气的多相性以及巷道实际模型尺寸又各有特征，综合性数值模拟结果鲜见。在科学研究中，通常借助建立数学模型来解决工程实际问题，但如本专利技术所示的掘进巷道瓦斯运移现象具有复杂、非线性、参数彼此强耦合等特征，要想得到理想的控制特性，需要深入探索并深刻理解研究问题的本质，实验方法是必须的。鉴于煤矿生产要求，难以到现场进行长期实验。因此建立实验系统是必需的。这是瓦斯排放系统制定控制策略的理论依据。专利中未见该类实验装置，2001年9月梁栋、吴强在《黑龙江科技学院学报》上发表《低雷诺数风流中瓦斯上浮机理及其实验研究》，其中描述一种低雷诺数瓦斯运移模拟实验装置，包括模型主体、供风、瓦斯源、气样采集和风速侧定系统四部分组成。该模型基本是实物模型，体积大，不适合普通实验室应用。吴楠楠在《煤矿安全》杂志2010 (2)发表《掘进巷道瓦斯运移多相流场实验研究》建立掘进巷道瓦斯运移实验模型，并在一种特定工矿保证模型流动进入自模化区。本专利技术充分考虑壁面粗糙度对风流和瓦斯运移的影响，对巷道模型进行了深入细致考虑，而且充分考虑定性实验和定量实验的可操作性，设计多功能操作孔。旨在提高模拟实验研究下掘进巷道瓦斯在特殊风流场中的瓦斯运移特性规律的真实性和可靠性以及易实现性。
技术实现思路
鉴于上述技术中的不足，本专利技术旨在提供一种用于研究煤矿掘进巷道动态测量瓦斯运移规律的实验系统，以求真实再现巷道掘进头瓦斯涌出、巷道煤壁瓦斯涌出以及在巷道特有的环境以及风流作用下的运移过程和规律，从而为瓦斯排放控制策略提供理论依据。本专利技术是通过以下技术方案实现的 本专利技术采用了模拟煤矿掘进巷道瓦斯运移规律的实验系统，包括巷道模拟装置、瓦斯涌出源装置、数据采集装置、温度湿度测试及调节装置、通风装置、上位监控装置。其中巷道模拟装置是整个实验系统的主体，瓦斯涌出源、数据采集装置、温度湿度测试及调节装置通过多功能操作孔与巷道模拟装置相连，通风装置的风筒按照《煤矿安全》要求布置在巷道壁。风机和变频器布置在巷道外。数据采集装置采集到的信号通过数据采集板进入上位监控装置。 本专利技术提供了一种模拟煤矿掘进巷道瓦斯运移规律的方法，以掘进巷道内瓦斯气体为研究对象，采用定性、定量两种测试方法进行研究。定性测试实验方法是设定工况，利用彩色示踪气体模拟瓦斯涌出，设定通风状态，采用高速摄像机进行追踪拍摄气体的运移过程；定量测试实验方法是用带压力阀的瓦斯罐模拟瓦斯涌出，通风装置模拟巷道局部通风，布置温度湿度传感器，多点动态瓦斯传感器和风速传感器热线配合数据采集板，通过上位监控分析巷道风流场和瓦斯浓度场，从而找出巷道瓦斯运移规律，为煤矿掘进巷道瓦斯排放系统控制策略的制定提供有力的理论和数据基础。附图说明图I是模拟煤矿掘进巷道瓦斯运移规律的实验系统； 图2是实验系统的模拟掘进巷道截面 图3是模拟巷道上多功能操作孔结构示意图。具体实施例方式本专利技术的目的是在多物理场作用下，通过考虑壁面粗糙度对风流和瓦斯运动规律的影响从而定性模拟真实的煤矿掘进巷道内涌出瓦斯在风流场作用下的运移特性，同时可以检测巷道多点瓦斯浓度、风速等参数，为定量研究煤矿掘进巷道中可能出现的瓦斯事故提供准确、可靠的实验依据，并为掘进巷道瓦斯排放系统提供控制策略的依据。如附图I所示，本专利技术涉及的模拟煤矿掘进巷道瓦斯运移规律的实验系统，包括巷道模拟装置I、瓦斯涌出源装置2、数据采集装置3、温度湿度测试及调节装置4、通风装置5、上位监控装置6。其中巷道模拟装置I是整个实验系统的主体，瓦斯涌出源装置2、数据采集装置3、温度湿度测试及调节装置4通过多功能操作孔7与巷道模拟装置I相连，通风装置5的风筒13按照《煤矿安全》要求布置在巷道12的壁面内。风机8和变频器9布置在巷道12外。数据采集装置采集到的信号通过数据采集板进入上位监控装置。模拟巷道装置I由15_具有内表面粗糙度气密性玻璃钢构成，包括拱形壁面和底部平面，其截面形状和长度如附图2所示。二者通过螺丝固定，并用密封垫圈密封。其中，模拟煤矿掘进巷道瓦斯运移规律的实验系统是基于实验空气动力学基本理论和方法，运用相似性理论，将实际掘进巷道的实际物理特征描述出来，通过相似性准则简化，采用合适的手段实现。相似理论的基础是物理量的线性变换或相似变换。物理现象相似是指在对应点上对应瞬时的所有表征现象的相应物理量都保持各自固定的比例关系。一般情况下，只有保持几何相似、运动相似、动力相似、热力学相似以及质量相似才可保证两个流场完全相似。如附图2所示，根据相似性原理设计巷道模型的尺寸，实际巷道模型长30米，宽4.2米，壁高2. 4米，半圆形拱高2. I米。风筒出风口里掘进迎头10-15米，实际风筒直径0.5米，长度20米，按10 :1缩比，长3米，宽0. 42米，壁高0. 24米，半圆形拱高0. 21米，风筒直径0.05米，风。筒长度2米，风筒出风口距掘进迎头I米，巷道实际风速0. 25-4米/秒。须保证模型雷诺数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟煤矿掘进巷道瓦斯运移规律的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）设定工况：通过温度湿度调节装置设定实验要求的温湿度；通过调节压力控制瓦斯涌出源中储存瓦斯的涌出速度及流量，确定合适的实验工况；（2）定性观察：先不启动通风装置，观察气体运移过程与规律；观察完毕后启动通风装置，同时选择一种出风口并给定风速，使瓦斯气体开始运动，通过启动高速摄录像机，全程记录气体在巷道内的运移过程，并通过监控系统进行数据监测、采集以及处理；（3）定量分析：安装瓦斯和风速传感并进行数据采集；调节瓦斯涌出源的压力阀，给定瓦斯掘进迎头瓦斯涌出和巷道壁瓦斯涌出的初速度，先不启动通风装置，在考虑了壁面和拱顶相对粗糙度的模拟巷道中实时测量各点瓦斯浓度分布情况，记录瓦斯自动运移规律；然后启动通风装置，并选择一种出风口并给定风速，使瓦斯气体开始运动；通过数据采集装置将采集到的数据进行存储，处理和显示，从而可以定量地展示出瓦斯在掘进巷道中的运移规律；在实验完成后，要将瓦斯气体排空。

【技术特征摘要】
1.一种模拟煤矿掘进巷道瓦斯运移规律的方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)设定工况通过温度湿度调节装置设定实验要求的温湿度；通过调节压力控制瓦斯涌出源中储存瓦斯的涌出速度及流量，确定合适的实验工况； (2)定性观察先不启动通风装置，观察气体运移过程与规律；观察完毕后启动通风装置，同时选择一种出风口并给定风速，使瓦斯气体开始运动，通过启动高速摄录像机，全程记录气体在巷道内的运移过程，并通过监控系统进行数据监测、采集以及处理； (3)定量分析安装瓦斯和风速传感并进行数据采集；调节瓦斯涌出源的压力阀，给定瓦斯掘进迎头瓦斯涌出和巷道壁瓦斯涌出的初速度，先不启动通风装置，在考虑了壁面和拱顶相对粗糙度的模拟巷道中实时测量各点瓦斯浓度分布情况，记录瓦斯自动运移规律；然后启动通风装置，并选择一种出风口并给定风速，使瓦斯气体开始运动；通过数据采集装置将采集到的数据进行存储，处理和显示，从而可以定量地展示出瓦斯在掘进巷道中的运移规律；在实验完成后，要将瓦斯气体排空。2.根据权利要求I所述的模拟煤矿掘进巷道瓦斯运移规律的方法，其特征在于也可以在瓦斯罐中放置煤样，煤样在一定轴向和径向压力以及一定温度的作用下释放瓦斯气体。3.根据权利要求I所述的模拟煤矿掘进巷道瓦斯运移规律的方法，其特征在于在从所述瓦斯涌出源中释放的气体中加入彩色示踪气体。4.根据权利要求I所述的模拟煤矿掘进巷道瓦斯运移规律的方法，其特征在于，通过使用多个操作孔从而在模拟巷道的壁面上多点安装瓦斯传感器和风速传感器，其中瓦斯传感器可分布在巷道顶部、中部以及巷道底部，风速传感器根据需求放置在巷道壁中部，所述高速摄录像机布置在巷道壁上的多功能操作孔中。5.根据权利要求I所述的模拟煤矿掘进巷道瓦斯运移规律的方法，其特征在于，所述相对粗糙度的公式为 相对...

【专利技术属性】
技术研发人员：王淑芳，赵林惠，张建成，李一男，
申请(专利权)人：北京联合大学，
类型：发明
国别省市：