矿井巷道淋湿蒸发换热系数构建及风流温度计算

针对全矿井网域系统巷道围岩与风流热-湿交换计算复杂的问题,提出构建淋湿巷道风流换热系数模型,根据现场实测风流相对湿度,掌握矿井(进风侧)风流湿度变化规律,反向推演确定井巷水蒸发影响下风流与巷道围岩热交换的模型,修正围岩与风流的换热系数;用风量加权距离描述实际矿井网域风流相对湿度变化规律。结合九道岭矿实例,将算法纳入到矿井网络系统中,在MATLAB平台上运用TF1M3D对全矿井网域系统风流温度进行仿真求解。研究表明,巷道淋水蒸发吸热对井巷风流温度影响很大,主进风井段风流温度增加0.97℃,变化幅度不大,随着湿度增大风流温度递增变化幅度增大,与九道岭矿进风大巷测定结果吻合。将该算法纳入网络体系计算中,可解决3D矿井模型通风系统热害防治温度分布仿真及自然风压自动计算问题。     

煤矿巷道内CO抑制瓦斯爆炸的反应动力学模拟研究

为研究矿井瓦斯中含有的一氧化碳对瓦斯爆炸的影响,通过运用化学动力学计算软件CHEMKIN3.7中PREMIX程序包,并采用了详细反应机理(包括53种组分、325个反应),建立了巷道内瓦斯爆炸的计算模型.利用此模型对瓦斯爆炸过程中反应物浓度、部分致灾性气体浓度的变化趋势进行了详细分析.通过对瓦斯爆炸详细反应机理的敏感性分析,找出了影响瓦斯爆炸以及爆炸后部分致灾性气体生成的关键反应步.同时,对一氧化碳抑制瓦斯爆炸及爆炸后致灾性气体生成的机理进行了探讨.     

采空区瓦斯与大气两相混溶扩散模型及其求解

基于两相混溶气体渗流一扩散方程，建立了非均质采空区瓦斯涌出与风流交换的模型，用迎风式Galerkin数值方法求解，以可视化方式直观描绘了回采中采空区瓦斯的运移与分布的流体力学原理，采空区瓦斯源用负指数衰减函数描述。在力学处理上，对不透气顶、底板采空区的瓦斯涌出用可压缩两相气体混溶来考虑，流态（速度场）计算则用不可压缩气体渗流求解，由此可克服了以往采用不可压缩气体渗流一扩散模型计算瓦斯分布结果中因“超饱和”解所带来的误差和失真问题。给出增大风量后瓦斯分布的算例，由此反映出工作面风压与采空区内部瓦斯压力的动态平衡性。与单相流计算结果对比，在风流流速相对较高的情况下，两者的瓦斯分布结果基本一致，反之则差别很大，算例中开始出现差别的临界风速为0．091m／min，在采空区深部处瓦斯分布显著不同。     

基于RNG k-ε湍流模型的3D采空区瓦斯上浮贮移

为研究工作面后方采空区3D空间瓦斯上浮特征,根据质量守恒、动量守恒和Fick定律,建立综放采空区风流-瓦斯变密度混合气体非线性渗流-扩散控制方程。结合大兴矿N2-706工作面实例,运用CFD软件模拟三维采空区瓦斯运移及分布的状态;流场冒落非均质按照“O”型分布描述,计算采用RNG k-ε湍流模型,并考虑重力场条件。理论计算调整与现场实际条件和瓦斯监测记录数据相拟合,指出三维采空区形成的瓦斯分布及上浮态势,是风流移动、瓦斯组分扩散-弥散和含瓦斯风流密度差引起上浮迁移的结果,也是流场瓦斯不断解吸涌出与漏风不断流入所形成的一种动态平衡结果。研究结果表明,采空区高位抽采流量与抽采获得的瓦斯体积分数近似呈反比例函数关系、与回风巷瓦斯体积分数呈负指数函数关系。     

采空区瓦斯涌出与自燃耦合基础研究

基于漏风渗流方程、多组分气体混溶-扩散方程和综合传热方程,建立采空区瓦斯和自燃耦合数学模型．通过现场实测获得基础数据,用G3程序（有限元数值方法）求解了在煤耗氧和瓦斯涌出共同环境下采空区瓦斯-氧浓度及温度的分布．结果表明,在单纯瓦斯涌出（无消耗氧）条件下,采空区氧被瓦斯稀释现象比较显著;采空区内高强度的瓦斯涌出能够使自燃氧化区域进一步缩小,削弱了煤的自燃氧化进程;自燃产生的热风压也能加剧工作面向采空区的漏风及对采空区内瓦斯的排放．耦合影响随工作面向采空区的漏风量的提高而相对降低．     

冒落采空区氧浓度分布非均衡性研究

为分析回采采空区漏风强度与氧浓度分布特征，用非均质漏风渗流方程和氧浓度耗散方程建立了冒落采空区漏风流态和氧浓度变化的有限元数值模型，结合观测数据进行了求解；工作面附近流场按冒落介质和冒落空隙间的双流层问题处理。得到采空区内部进、回风侧两端的氧浓度分布是不均衡的，而导致这一现象的原因是采空区漏风流的沿程耗氧和瓦斯的涌出；指出采空区内进、回风两侧端的漏风强度分布基本是均衡的，当考虑瓦斯涌出的影响时，漏回风侧的漏风强度甚至要高于进风侧。从流体力学原理上对现场观测采空区内部进回风两侧氧浓度分布的不均衡给予更合理地解释。此结论将有助于澄清当前学术界对此问题的模糊认识。     

Study on numerical simulation of spontaneous combustion prevention mechanism by nitrogen injection in goaf

Based on heterogeneous and porous medium seepage of air leakage-diffusion equation, as well as, gas and porous medium synthesis heat transferring equation, a spontaneous combustion non-steady numerical model of nitrogen injection goaf was established, which can be solved by upwind finite element numerical simulation method si- multaneously. Taking the working face for example; air leakage seepage, nitrogen flow and gas distribution can be described in visual display in nitrogen injection goaf and the oxygen （O2）, carbon monoxide （CO） concentration and temperature distribution, as well as, their change were described in theory during the coal left behind combustion in goaf, which above reveals the complex mechanics course （mechanism） of seepage, diffusion and oxidation heat releasing during coal spontaneous combustion and its restraining. During the calculation, the effect factors of gas springing out and working face advancing were considered fully, and the spontaneous combustion course under different amount of nitrogen injection was simulated. The conclusions were obtained that under nitrogen injection condition, the high spontaneous combustion temperature area lean to the inlet air, but the shape becomes narrower, with the amount of nitrogen rising, the spontaneous combustion period becomes longer till to it does not happen. Meanwhile the nitrogen injection accelerates gas springing out in goaf. The result that turns out in theory simulation fits to practical nitrogen injection.     

非均质采空区气-固耦合温度场迎风有限元求解

重点讨论了用迎风有限元方法结合图形显示技术计算回采采空区温度场温度分布问题．先建立采空区煤耗氧和自燃升温的定解数学模型，联立求解了漏风渗流方程、氧浓度消耗——弥散方程和传热方程．详细描述了在漏风流作用下采空区遗煤氧化自燃过程，给出了采空区温度分布的稳定的动态数值解．通过计算对比，该方法有效地控制了数值解的振荡，避免了人工干预对计算结果影响，又便于可视化处理．     

回采采空区上隅角瓦斯抽放的数值模拟与参数确定

用有限元数值模拟方法结合图形显示技术,从理论上直观展示了回采工作面采空区上隅角瓦斯聚积和抽放方法的流体力学原理,重点探讨了利用数值模拟试验方法解决上隅角瓦斯抽放方案中合理参数的确定问题。     

大明矿通风系统故障源诊断及风速传感器的布置

析了大明矿分支风阻变化与各分支风量之间的关系,通过改进灵敏度矩阵,建立了分支灵敏度0-1矩阵,并据此建立了大明矿通风网络故障巷道范围库。为了故障源诊断能够包含到所有分支,风速传感器布置的最小数量及位置问题也是研究的重点,提出最少全覆盖布点法,给出了大明矿风速传感器的布置方案。通过工业试验,大明矿故障源诊断结果与现场试验结果一致,验证了矿井通风系统故障源诊断技术及方法的可行性。