基于有源风网力学模型的煤与瓦斯突出矿井通风系统灾变过程研究

煤与瓦斯突出引发矿井瓦斯爆炸事故是煤矿重大灾害的形式之一，近年来死亡百人以上的此类恶性事故有发。从灾害机理上，该事故涉及煤与瓦斯突出时期矿井通风系统灾变过程问题，目前研究尚属空白。项目针对这一问题，创新提出了有源风网的概念，首先建立基于有源3D风网的瓦斯突出时期矿井风流移动规律的3D仿真力学模型，然后通过计算机进行仿真模拟分析，来研究瓦斯突出时矿井通风系统产生突出逆流和顺流回流的动态过程。结合具体矿井巷道系统，模拟推演一旦发生煤与瓦斯突出期间矿井通风系统紊乱和瓦斯在巷道滞留和聚集情况，给出可能发生的煤与瓦斯突出引发二次灾害的预防预案。. 该项项目是煤与瓦斯突出和矿井通风两个领域研究的结合，也是继煤与瓦斯突出机理研究、预测预报和突出防治技术研究后，又一道"防线"- - 次生灾害防护的研究，能起到三个目的：防止灾害扩大、规避灾害风险、减少灾害损失。

据资料的抽样调查，我国煤矿总数12923，其中煤与瓦斯突出矿井数量为1044个，占全国总数的8.1%，高瓦斯矿井2197个，约占矿井总数的17%。根据近几年连续统计，煤与瓦斯突出的灾害，比例大致占三分之一。当前，煤与瓦斯突出仍是煤矿安全生产的重大威胁，尤其突出后引发矿井瓦斯爆炸等二次灾害事故，造成重大人员伤亡。在广泛开展突出机理、突出防治及预测预报的研究的基础上，研究瓦斯突出对矿井通风系统的动力影响过程，具有重要的现实意义。.利用空气动力学、计算流体力学、瞬变流，刚体理论，对流扩散及有源风网理论对煤与瓦斯突出发生后瓦斯在全矿井网络系统中的扩散过程进行仿真研究，通过非稳态相似实验验证刚体理论运用在低速流动是合理和准确的。开发编制了矿井灾变通风仿真软件NC2.0，软件除具备矿井正常通风仿真能力外，还初步具备瓦斯突出时期灾变通风的仿真能力，能够模拟在给定突出源流量变化曲线或者压力变化曲线的情况下，瓦斯在全矿井的扩散过程以及全矿井风量的变化；能够模拟在给定突出源压力变化曲线情况下，全矿在发生突出后压力和风速的传播变化云图。利用仿真软件对焦作九里山矿“10•27”煤与瓦斯突出事故进行仿真计算，对所述理论和方法进行了分析验证。.研究结果表明：瓦斯突出压力波和爆炸冲击波有较大区别；冲击波速度大于当地声速，压力波以声速传播，瓦斯运移速度小于压力波速度；突出后压力波在全矿井的传播是第一个导致风流发生变化的原因；瓦斯突出对通风系统的影响有直接动力影响和瓦斯风压影响，利用刚体理论和有源风网理论对突出后瓦斯在全矿井的扩散进行仿真同时考虑到两种影响，是科学的，运用无源风网理论对瓦斯突出进行模拟，仅仅考虑了瓦斯风压对通风系统的影响，这在瓦斯突出前期是误差较大的甚至是错误的；上行风路发生瓦斯突出时，可能导致旁侧支路风量减少甚至逆转；下行风路发生瓦斯突出时，风流发生停滞或者逆退；瓦斯突出产生的大量高于常压的瓦斯，会导致回风井风量增加，同时减少进风井的风量甚至使进风变成回风。研究结果对突出矿井抗灾救护以及防止二次灾害事故的发生均具有重要的理论和现实意义。