瓦斯抽采安全防护关键技术及多级防护系统研究

1、瓦斯抽采安全防护关键技术及多级防护系统研究煤炭资源是人类工业生产和生活的重要物资。为保障国民经济快速发展,我国煤炭产量逐年增加,矿井开采深度加大。由于瓦斯含量随矿井开采深度增加而逐渐增大,开采条件不断恶化,高瓦斯突出矿井逐渐增多,我国成为世界上瓦斯灾害最严重的国家,瓦斯治理成为矿井安全生产的首要问题。瓦斯抽采是治理瓦斯灾害的最有效方法。鉴于我国煤矿瓦斯抽采管道中的瓦斯浓度往往处于爆炸极限内,瓦斯抽采过程中存在重大的安全隐患,遭遇设备运转异常、静电或雷电时,极易发生瓦斯燃烧或爆炸事故,严重危害煤矿安全生产和矿工生命安全。为保证煤矿瓦斯的安全抽采,在瓦斯管道输送系统中靠近可能的火源点附近管道上,应

2、安设安全防护设施,即泄爆、抑爆、阻爆等设施,对实现矿井瓦斯安全可靠开采、消除低浓度瓦斯在排放、输送过程中存在的重大安全隐患具有重要意义。然而,现有的泄爆、抑爆和阻爆技术虽然原理可行,但由于对瓦斯抽采管道内爆炸流场特征及其影响因素缺乏全面系统的研究,导致开发出的瓦斯抽采安全防护装置可靠性低、易失效,煤矿瓦斯的安全抽采对高可靠性瓦斯抽采安全防护系统提出了迫切需求。采用理论研究、结构优化和工业试验相结合的手段,在全面分析瓦斯爆炸流场特征的基础上,提出了瓦斯抽采多级安全防护系统总体方案,研究了瓦斯抽采管道内水封阻火泄爆技术、基于惰性气体熄灭火焰的抑爆技术以及基于快关蝶阀的快速阻断技术,最终开发出瓦斯抽

3、采多级安全防护系统,解决了单一防护设备无法满足瓦斯爆炸可靠防护的问题。研究管道内瓦斯爆炸流场特征变化规律是开发瓦斯抽采多级安全防护系统基于计算流体力学理论,研究了管道内瓦斯爆炸过程中温度场、压力场、反应速率、气体流速随时间的变化规律,对多种管径和长度的直管及国内某煤矿实际抽采使用的一段弯管进行了管道内瓦斯爆炸特征分析。结果发现,瓦斯爆炸管道内气体的最大反应速率、最高相对压力、最大流动速度是一个加速度不断增大的加速的过程；弯曲管道由于转弯处加剧了流体的湍动程度,其最大反应速率、最高相对压力、最大气体流速均高于同直径直管,且燃烧完成时间更短；管径对爆炸气流的压力影响较大,管径越小,爆炸压力越大；在

4、不同长度直管内,瓦斯爆炸流场的反应速率、压力和速度开始增长速度相对缓慢,但均在120ms后开始急剧增长，导致爆炸能量巨大。在理论分析的基础上，研究出泄爆、抑爆和阻爆相结合的瓦斯抽采多级安全防护系统。针对原有瓦斯爆炸水封泄爆技术缺乏水封泄爆特性及液位补偿技术研究、易导致泄爆失效的问题，结合瓦斯抽采常用的500mntt采管道，基于计算流体力学理论对水封泄爆装置在不同水位高度下的瓦斯爆炸、泄放、阻火过程进行了非稳态分析。结果发现,研究的水封泄爆装置在泄爆桶出口将瓦斯点燃时,爆炸能量以中心能量为5MPaffi力、温度为3350K从泄爆管的弯管冲出，将爆破片打开，释放能量,而水封泄爆装置内爆炸气流压力与

5、热量急速降低；水封高度大于50mm寸,水封泄爆装置进气管液面上方反应速率为0mol/m3-s,能有效阻火。在研究设计泄爆装置水位自控系统的基础上,开发出了一种水位自控式水封阻火泄爆装置。针对原有瓦斯爆炸抑爆技术灭火介质悬浮时间短、难以有效抑爆的问题,首先根据火焰传感器响应速度,爆炸火焰传播速度等确定了惰性气体喷撒点距管道进口位置,进而对直径500mm、长30米管道内瓦斯爆炸火焰熄灭过程进行了数值模拟研究。结果发现,二氧化碳的喷入一方面导致管道内高温燃烧气体的温度大大降低另一方面使得燃烧气体中甲烷和氧气浓度逐渐被稀释。当喷撒速率大于20kg/s时,火焰被熄灭,二氧化碳喷撒速率越大,火焰熄灭时间越

6、短,当喷撒速率在20kg/s以上时,火焰能被熄灭。通过上述研究,开发了基于二氧化碳惰性气体熄灭火焰的抑爆装置。瓦斯爆炸发生时,须以最快的速度进行阻爆,对阻爆关断速度提出极高要求。针对原有阻爆技术关断速度慢的问题，结合500mnfi径瓦斯抽采管道，采用有限元分析技术,在对快关蝶阀进行强度校核的基础上,提出了以液压驱动蝶阀的瓦斯爆炸阻断方法,并对液压驱动蝶阀的阻爆装置进行了动态特性分析,最终得到了满足瓦斯爆炸阻爆要求的蝶阀关键技术参数,开发了瓦斯爆炸阻爆装置。对多传感器系统、监控系统研究的基础上,通过泄爆、抑爆和阻爆的有机结合,开发出了瓦斯抽采管道多级安全防护系统,并进行了单级、双级、多级防护工业试验。试验结果证明,开发出的多级安全防护系统能够实现多级联动,有效