旋转径向射流驱散积聚瓦斯的理论分析.pdf

第3 3 卷第3 期 2 0 0 4 年5 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V o I ．3 3N o ．3 M a y2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 - 1 9 6 4 2 0 0 4 0 30 2 4 10 4 旋转径向射流驱散积聚瓦斯的理论分析 杨胜强1 ，俞启香1 ，王钦方n 2 ，张修峰1 ，汪峰1 ，王雷1 1 ．中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ；2 ．徐州矿务集团旗山矿．江苏徐州2 2 1 1 3 2 摘要应用混合长度理论，阐述了风流的横向和纵向脉动速度是影响风流横向瓦斯传质速度的 主要因素，分析了旋转径向射流可太大地提高了巷道整个断面风流中各处横向和纵向脉动速度， 强化风流横向的瓦斯传质，有效驱散局部积聚瓦斯．通过理论分析和实际观测发现，旋转径向射 流排放工作面上隅角积聚瓦斯具有3 种效应周期性的不断稀释、驱散并排向巷道主风流、逐转 排放工作面上隅角积聚瓦斯的柔性排放效应和瓦斯浓度分布迅速均匀化．试验表明，旋转径向 射流可安全、可靠、经济、有效的排放上隅角积聚瓦斯． 关键词旋转径向射流；瓦斯排放f 瓦斯积聚 中圈分类号T D7 2 1文献标识码A T h e o r yA n a l y s i so fR o t a r yR a d i a lJ e t E l i m i n a t i n gL o c a lG a sA c c u m u l a t i o n Y A N GS h e n g q i a n 9 1 ，Y UQ i x i a n 9 1 ，W A N GQ i n f a n g “2 ， Z H A N GX i u f e n 9 1 ．W A N GF e n 9 1 ，W A N GL e i ‘ 1 ．S c h c l o lo fM i n e r a la n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ．Q iS h a nM i n e ，X u z h o uM i n i n gA d m i n i s t r a t i o n ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 3 2 ，C h i n a A b s t r a c t ；B ya p p l y i n gt h em i x e d l e n g t ht h e o r i e s ，i tw a sd i s c u s s e dt h a tt h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n g o nc r o s s g a sm i g r a t i o nm a s s t r a n s f e r r i n gv e l o c i t ya r et h ec r 0 8 s ～a n dl o n g i t u d i n a lp u l s i n gv e l o c i t yo f a i r f l o wi nt u n n e l ．I tw a sa l s oa n a l y s e dt h a tr o t a r yr a d i a lj e tc a ng r e a t l ye n h a n c et h eC R O S S a n d l o n g i t u d i n a lp u l s i n gv e l o c i t yo fa i r f l o wi ne v e r yp l a c eo fw h o l ec r o s ss e c t i o no ft u n n e l ，i n t e n s i f y c r o s s g a sm i g r a t i o nm a s s t r a n s f e r r i n g ，e f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h el o c a lg a sa c c u m u l a t i o n ．O nt h eb a s i s o ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dp r a c t i c a lo b s e r v a t i o n ，i ti si n d i c a t e dt h a tb ym e a n so fr o t a r yr a d i a lj e tt o d N c h a r g eg a sa c c u m u l a t i n gi nu p p e rc o r n e ro fc o a l f a e et h e r ea r et h r e ek i n d so fe f f e c t s ，t h a ti s ，g a s p e r i o d i c a l l yd i l u t e d ；g a sd i s p e l l e da n dd i s c h a r g e di n t om a i na i r f l o wi nt u n n e l ；t h eg e n t l ed i s c h a r g i n g e f f e c to fr o t a r yr a d i a lj e td i s c h a r g i n gg a sa c c u m u l a t i n gi nu p p e rc o r n e ro fc o a l f a c ea n dt h ee f f e c to f m e t h a n ec o n c e n t r a t i o ne v e nd i s t r i b u t i n gr a p i d l yi na i r f l o w ．I th a sb e e np r o v e db yt h ef i e l d e x p e r i m e n tt h a tt h em e t h o do fr o t a r yr a d i a lj e td i s c h a r g i n gg a sa c c u m u l a t i n gi nu p p e rc o r n e ro f c o e l f a c ei sr e a l l ys a f e t y ，d e p e n d a b l e ，e c o n o m i c a la n dv a l i d l y ． K e yw o r d s r o t a r yr a d i a lj e t ；g a sd i s c h a r g e ；g a sa c c u m u l a t i o n 我国重点煤矿有3 0 0 多处高瓦斯矿井，都不同 程度的存在着局部瓦斯积聚和局部瓦斯超限问题， 特别是回采工作面上隅角，其瓦斯积聚和瓦斯超限 更为严重，已成为威胁矿井安全生产的痼疾．另外， 随着综合机械化开采技术的发展，回采工作面单产 的提高，特别是开采厚煤层或开采煤层群时，上隅 收穰日期{ 2 0 0 3 一0 5 1 5 基金项目{ 国隶自然科学基金项目 5 0 2 7 4 0 6 6 ，5 0 1 3 4 0 4 0 作者筒介杨胜强 1 9 6 4 ． ，男，贵州省铜仁市人，中国矿业大学教授．博士后，从事矿井瓦斯防治和安全工程方面的研究 万方数据 中国矿业大学学报 第3 3 卷 角瓦斯超限则更加普遍，更加严重．尤其是近几年， 所发生的瓦斯爆炸恶性事故中，由于回采工作面上 隅角瓦斯超艰所引起的，有相当大的增加．因此，回 采工作面上隅角瓦斯超限，是当前安全生产的重大 隐患，也是目前亟待解决的问题[ 1 ] ． 旋转径向射流不仅使风流周期性地射人积聚 瓦斯区域，在射流的卷吸、稀释、驱排和置换等综合 作用下驱散积聚瓦斯；而且可大大地提高瓦斯积聚 区内瓦斯扩散系数，使瓦斯积聚区的瓦斯浓度分布 迅速均匀化，真正实现对局部积聚瓦斯的安全、可 靠、经济、有效的排放． 1瓦斯传质的混台长度理论 混合长度理论认为[ 1 。2 ] 由于风流的速度梯度 所产生的横向脉动，使平均流各层之问产生流体微 团的交换，当某流体微团跳人其它各层时，它经过 一段不与其它任何流体微团相碰的距离，带着自己 原来的动量、含瓦斯量与被它所占的那一层的流体 徽团相混合．这种混合导致了流体平均运动各层问 的动量交换、能量交换和瓦斯运移．动量交换表现 为雷诺应力、能量交换表现为热传导，瓦斯运移表 现为瓦斯传质扩散． 设于 y ，z 处具有浓度为c y 。一z 的流体微团 向上移动一段距离z ，若该流体微团保持其所含瓦 斯浓度，则当它到达新的流层y M 处，此微团之 瓦斯浓度较周围流体所含瓦斯浓度高．这个瓦斯浓 度差可展开为寨勒级数，略去高阶小量，则有 ／A ，＼ 1 f y 1 - - c y 1 ～z 一i 置J ． 1 、“，。Ⅲ1 由于流体微团是从下向上运动，故Y 方向的脉 动速度为正，即v O ；同样，自Y 。 z 处具有浓度c ，。“ 的流体微团向_ 。处流动，其浓度差为 ／一r ＼ ＆2 一c 儿 f - c y 1 { 纛f ． 2 ’“，7 ㈣ 由于流体微团是从上向下运动，因此v O ． 混合长度把上面所说的任意浓度差，假定为Y Y ，流层处，由于流体微团横向遥动所引起的流 体微团间脉动浓度为 1一， c ’ 寺 1 △c I I 缸2 I 一z 置． 3 实际测量表明，虽然～般情况下主风流方向脉 [， 动速度的均方根值√“。大于横向值√。”，但它们 有相同的量级，即可设“’≈v ’，因此 ∥’≈z a 【，／却， 4 式中u 为风流方向的时均流速，m ／s ． 而横向脉动速度与脉动浓度c7 的符号相反，即 流体微团横向运动所引起的瓦斯扩散通量为 c ’”‘一z 2 舅啬， ㈣ 这里f 被称为混台长度，需要根据具体风速分布状 态而加以确定． 对比博申尼克假定有 品一一K ，熹， 6 式中墨为瓦斯扩散系数．则 妒z 2 吲． 7 可见，在横断面上平均风速梯度不变的前提 下，瓦斯扩散系数与混合长度大小的平方成正比． 2 旋转径向射流增强瓦斯扩散运移的混合 长度理论分析 在一般的定常风流中，风流的脉动值很小，横 向脉动比纵向脉动更小，靠风流本身的横向脉动作 用驱散积聚瓦斯是不可能的．若在瓦斯积聚区附近 安装旋转径向射流发生器，人为地增加主风流中横 向脉动速度和纵向脉动速度，则对巷遭主风流的时 均速度和脉动速度产生巨大的影响．图1 是脉动智 能风速仪所测瓦斯积聚区某点在旋转径向射流发 生器运行时的风流速度变化曲线．从图中可见，旋 转径向射流大大地增加了巷道风流中的横向脉动 风速，提高了巷道风流对瓦斯积聚区积聚瓦斯的对 流运移和紊流扩散能力，从而使巷道瓦斯积聚区的 高浓度积聚瓦斯向主流区运移扩散，使积聚瓦斯浓 度大幅度下降，达到驱散瓦斯积聚区高浓度瓦斯的 目的，防止瓦斯积聚现象的出现． ，3 -2 ≮l O 0 ．5l ，0l5 2025 图1 安装脉动风流发生器前、后上隅 角某点瞬时速度变化曲线 F i g ．1 T h ec h a n g i n gc u r v e so fa i r f l o wv e l o c i t ya t S O m ep o i n to fu p p e rc o r n e rb e f o r e a n da f t e r i n s t a l l i n gt h ep u l s e d ￡l o wp r o d u c e r 根据混合长度理论，可近似看成一维圆形紊流 的井下巷道风流，在旋转径向射流的作用下，其横 向脉动风速大大增加．而衡量瓦斯扩散强度的混合 长度值大小．在横断面上时均风速‰分布规律不 变的前提下，则主要取决于横向脉动风速的大小， 因此，在旋转径向射流的作用下，横向脉动风速的 增加必然使混合长度值增加，从而使风流中的瓦斯 扩散强度大大增加． 万方数据 第3 期 杨胜强等旋转径向射流驱散积聚瓦斯的理论分析 据实测，井下巷道风流可以看成一维圆形紊 流，其主风流方向时均风速‰在横断面上分布规 律的计算公式为” “。 “。E 16 ．5 5 √“ 9 ．8 5 √n √l 一 r ／R 2 ] ， 8 式中；“。为巷道断面的平均风速，m ／s ；a 为巷道的 摩擦阻力系数，N s 2 ／m 4 ；r 为距巷道轴心的距离， m ；R 为巷道水力半径，m ． 若在巷道中安设旋转径向射流通风机，则风流 速度为时均风速叠加旋转径向射流引起的脉动风 速，即 ‰一“ 疋一“， “一。s i n 2 7 r w t x ／A ， 9 式中“。。为脉动风速的振幅，m ／s l w 为脉动风速 的脉动频率，1 ／s ；。为距脉动风机的距离，m ； 为 脉动风速的脉动波长，m ． 代入连续方程和运动方程 忽略质量力 l 警一0 ， 10 { “ 【警一告髦十“擎十警j ． m ， l j i i 高十”l j 芦十了j iJ ’ L 1 1 可求解得到 一 m 一忑一矗笔{ s 2 ∞一√譬e - - k R - - r ‰一“z 一磊盂{ sn “ 2 一√芋 。 [ c o s 2 Ⅱ 甜≠ z ／a s i n 2 n w t x ／A ] } ， 1 8 A r R 一 2 1 ．f Ⅱ．。＼ “2 ；五’丁一8 ⋯i 百州卜 型2 k g w 2 ． 4 ／里re r s i n [ 号 O - k R - r ] 一 幽2 k 肛v A 譬s i n [ 詈 口] ， 1 9 ‘7l i 州J ， L 1 9 ’ 式中8 2 ” w t x ／A ．式中的第1 项随，的增加 而减少；第2 项按负指数衰减，不过，随r 增加负指 数减少，其衰减也减慢} 第3 项为负值，使脉动速度 减少，但随r 增加而减少，说明越靠近边壁，脉动速 度减少越慢． 以上分析说明，时均定常流叠加旋转径向射流 后，相比于时均定常流来说，横向脉动风速随距轴 心的半径r 增加衰减较慢，大大增加了整个巷道断 面不同半径处的风流横向脉动速度．特别是巷道周 壁，是瓦斯扩散的“瓶颈”，由于旋转径向射流增加 了该处的风流横向脉动速度，从而增加了巷道周壁 的瓦斯扩散混合长度值，增强了该处的瓦斯扩散强 度．这极有利于消除巷道周壁和涡流区的瓦斯积 聚，特别是解决采煤工作面上隅角的瓦斯积聚问 题． s i n E 2 Ⅱ w t x 肌 一k R ～r ] 1 ， 1 2 3 式中k 1 ．7 7 √五7 ；，常数；A 一劫‘／如为脉动压力 随z 的变化量，P a ／m ；p 为空气密度，k g ／m 5 ；口为空 气运动黏度，取1 4 ．4 1 0 “r ／1 2 ／s ． 因此，主风流方向脉动速度在井巷横断面上的 分布规律为 一 疋一一j 毛 s i n 2 n “ z ／ 一√譬e _ 一一 s i n E 2 Ⅱ w t z ／ 一k R ～r ] } ． 1 3 依据柱坐标的连续性方程，将式 1 3 代人 熟8 x 丝3 r 土r 麴3 0 警 o ． 1 4 _r一 、⋯ 假设风速分布呈对称性的，则施；／钾 0 ，所以 警 警 生一0 ． 1 5 在求解过程中，考虑到1 ／k 很小，令 ’妒 r 一c o s [ 2 Ⅱ H 咕 z ／ 一k R r ] s i n E 2 ≈ w t x ／A 一k R 一， ] ． 1 6 得“≥i 惫c o s 2 Ⅱ w 蚪z 伽 淼√譬e “∞一_ 妒 r 等． - ， 由边界条件r R ，“j 0 ，确定常数C c 一一{ 籀c 诎 卅z ／m 夏A 面R 旋转径向射流加强了含不同瓦斯浓度的 相邻微团的运移扩散 以主流区体积为y ，瓦斯浓度为C ，的微团和 与之相邻的具有相同体积v ，瓦斯浓度为C 。的微 团作为研究对象，如图2 所示．假设C ，微圃加速 度为n ，，其密度为．。l ，C 微团加速度为n 。，其密度 为胁，同时受到总风压差凡和微团之间的黏性阻 力F c 作用，根据牛顿定律，可推出微团1 和微团2 之间的加速度关系为[ “ a l 一口2 1 2 e ／ p 1 ／p 2 2 ￡ ， 2 0 式中e 为“牵连”质量系数．s 值取决于气体微团 的形状，对于球形体e 一0 ．5 } 对于主副轴比为2 1 的椭球体￡ 0 ．2 ；对于主副轴比为6 t 1 的椭球体 e 一0 ．0 4 5 ． 图2 上隅角微团受力分析 F i g ．2T h ef o r c ea n a l y s i so fm i c r og r o u pi nu p p e rc o r n e t 万方数据 中国矿业大学学报 第3 3 卷 众所周知，瓦斯密度比空气小，则瓦斯浓度高 的微团其密度较小，瓦斯浓度低的微团其密度较 大，据实测知，越靠近上隅角，瓦斯浓度越高，密度 越小；距离上隅角越远，则瓦斯浓度越低，密度越 太．因此旋转径向射流所引起的风流加速与减速运 动将导致o ] 1 加速时，微团1 所获得的加速度n ， 大于微团2 所获得的加速度a 。，两微团间就会出现 一个速度差，在微团1 的前面形成一个正压区，而 在它后面则形成一个负压区；2 减速时，微团1 所 获得的减速度m 同样大于微团2 所获得的减速度 ％两微团间也会出现一个速度差，但在微团1 的 前面形成一个负压区，后面则形成一个正压区．对 于存在瓦斯浓度梯度的上隅角横断面，由于微团间 瓦斯运移的正压区和负压区的存在，必然增加了相 邻微团的横向脉动速度，根据混合长度理论，也就 是增加了微团间的混合长度值，从而加强两微团间 的混合，所以旋转径向射流可以使二者强烈混合， 消除瓦斯积聚． 4 旋转径向射流对上隅角积聚区瓦斯的 运移过程分析 通过现场试验，我们发现旋转径向射流横穿 巷道主风流时将产生弯曲变形，射流在弯曲一定程 度时，进入上隅角瓦斯积聚区．射流对周围一定范 围内的高浓度瓦斯具有卷吸掺混和稀释作用，同时 射流轴线向主风流方向的弯曲趋势可使其所卷吸 的瓦斯沿射流弯曲方向外移，将使上隅角内的高浓 度瓦斯逐渐由里内外运移．并排向主风流． 旋转径向射流对工作面上隅角积聚瓦斯的运 移排放过程就是一个不断稀释、驱散并排向巷道主 风流的过程l “．把旋转径向射流风机每旋转一圈作 为一个周期，则每个周期将完成一次对上隅角部分 高浓度瓦斯的稀释和排出过程，如图3 所示．如此 周而复始，稀释和排出过程不断持续，经过一定时 间，即可使上隅角内的瓦斯浓度得以降低． 趣限区边界 图3 旋转径向射流对上隅角瓦斯运移过程 F i g ．3G a st r a n s p o r tp r o c e s si nu p p e r C O l T t e ru n d e rt h e c o n d i t i o no fr o t a r yr a d i a lj e t 旋转径向射流对上隅角高浓度瓦斯的每个周 期性稀释和排放量较小，可避免大量高浓度瓦斯骤 然排向回风巷而导致回风巷瓦斯浓度超限．其排放 过程具有安全、可靠的柔性排放作用，排放效应对 保证回采工作面安全生产具有十分重要的意义． 旋转径向射流可在大地提高积聚区瓦斯扩散 系数，使瓦斯积聚区的瓦斯浓度分布迅速均匀化． 旋转径向射流对上隅角积聚瓦斯所产生的以 上3 种特殊作用效应，可实现大量高浓度瓦斯的安 全可靠的、可控的、匀和的排放，避免在排放大量高 浓度积聚瓦斯的过程中瓦斯事故的发生．对局部积 聚瓦斯治理效果非常显著，特别适合于采煤工作面 上隅角瓦斯积聚的治理． 5 结论 1 应用混合长度理论，论述了影响巷道风流 中横向瓦斯运移传质速度的主要因素是风流的横 向和纵向脉动速度．2 由于旋转径向射流大大提 高了巷道整个断面风流中各处横向和纵向脉动速 度，从而极大地强化了巷道风流横向的瓦斯运移传 质，减少了巷道风流中层流底层的厚度，可有效地 消除局部瓦斯积聚的出现，特别是采煤工作面的上 隅角瓦斯积聚．3 理论分析表明，旋转径向射流 引起主风流呈现加速和减速的脉动变化，根据混合 长度理论，风流的加速和减速运动使含不同瓦斯浓 度的微团之间强烈的混合，从而使风流中的瓦斯浓 度分布迅速均匀化，有利于均匀的排放局部积聚瓦 斯．4 旋转径向射流排放工作面上隅角积聚瓦斯 具有3 种效应周期性的不断稀释、驱散并排向巷 道主风流的过程、逐转排放工作面上隅角积聚瓦斯 的柔性排放效应和瓦斯浓度分布迅速均匀化；真正 实现对上隅角积聚瓦斯的安全、经济、有效的排放． 参考文献 [ 1 ] 杨胜强，俞启香，王凯．采场脉动通风理论及其在 采矿安全中的应用E M ] ．徐州中国矿业大学出版 社。2 0 0 2 ． E 2 3 杨胜强．脉冲通风治理采煤工作面上隅角局部积聚 瓦斯的理论与实验研究[ D ] ．徐州中国矿业大学能 源科学与工程学院，2 0 0 0 ． [ 3 ] 王树刚，刘文玉，张兴．脉冲通风时巷道断面风速分 布规律的分析[ J 3 ．东北煤炭技术，1 9 9 7 1 3 94 1 ． [ 4 ] 杨胜强，俞启香．王凯．脉动通风消除上隅角瓦斯积 聚的理论分析口] ．中国矿业大学学报，2 0 0 0 ，2 9 6 5 7 15 7 5 ． E 5 3 杨胜强，俞启香，王凯．旋转环形射流对上隅角积 聚瓦斯的作用机理E J l ．煤炭学报，2 0 0 1 ，2 6 4 3 8 4 3 8 8 ． 责任编辑王玉竣 万方数据