瓦斯风压诱导井巷风流灾变的实验装置研制

周爱桃, 肖迤文, 王 凯

(中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院 煤炭资源与安全开采国家重点实验室, 北京 100083)

瓦斯灾害是井下煤矿开采过程中的严重灾害之一[1-2]。在煤矿开采过程中,由于瓦斯的异常涌出、煤与瓦斯突出或矿井通风不畅,易造成高浓度瓦斯积聚,因而矿井瓦斯防治及预防问题也被广泛研究[3-5]。早在20世纪末就有学者对高浓度瓦斯积聚造成风流灾变的现象进行研究,随即提到“瓦斯风压”概念，实际上就是矿井发生瓦斯突出时自然风压的增量[6-7]。高浓度瓦斯在巷道空间积聚后,不仅由于浮力作用可能形成瓦斯风压,影响风流的正常流动,诱导风流灾变,而且会对积聚区域内的人员造成窒息、直接形成爆炸隐患,如果发生瓦斯爆炸则很可能会造成重大人员伤亡和财产损失。因此深入研究瓦斯风压与风流灾变规律对矿井抗灾救护及事故预防具有重要意义[8-9]。

对于学生,特别是非采矿类专业的学生来说,瓦斯风压诱导风流灾变规律非常抽象,加之缺乏现场经历和专业知识的铺垫,教学难度大。一些国内学者将教学与实验进行结合,使学生更全面清楚地掌握知识结构和事物规律,降低了教学难度[10-11]。目前还没有学者制作瓦斯风压诱导风流灾变的教学实验平台以供本科生学习。本文研制了瓦斯风压诱导风流灾变规律的本科教学实验装置研制,向学生展示瓦斯风压诱导风流灾变规律。

1 实验装置设计

1.1 确定相似比

选择合适的几何相似比、运动相似比、动力相似比是设计并构建一个尽可能接近真实巷道的实验装置的首要充分条件。3种相似关系是紧密相关的,即确定其中两组相似比,第3组相似比便可对应求出[12-13]。

本次实验选择通过确定几何比和动力比来确定另外一组相似比[14]。为满足几何相似比条件,使得实验装置和实际巷道所对应的尺寸成一致比例、相应的角度也一样。

实际井巷中,风流流态往往是完全紊流状态,因此实验装置的几何相似比不宜过小,否则在较低风速进行实验时,风流将无法达到完全紊流状态；但受到实验室空间大小的限制,实验装置也不宜过大。最终根据教学实验室的空间大小确定本次教学实验装置几何相似比为1∶50。

为满足动力相似比条件,需保证实验模型和实际模型的同名力大小成比例、方向一致[15]。本实验中,最关键的力是瓦斯风压,即瓦斯柱和空气柱的重力差。故在确定相似准数时,优先考虑了表征惯性力和重力之比的弗诺德数。有学者在类似的实验中根据弗诺德数来构建实验模型[16]。弗诺德数如下式所示:

式中,Fr是弗诺德数；g是重力加速度,本次实验中不考虑其变化；l是表征长度的特征量；v是表征速度的特征量。

从公式(1)可以看出,为使弗诺德数相等,速度的平方之比与几何相似比须相等,因此实验模型的运动相似比选为1∶500.5。只要风速满足选定的运动相似比,实验模型和实际模型的弗诺德数就会相等。

近些年,有人在实验研究中提出时间相似比的概念[17],时间相似比在数值上等于几何相似比与运动相似比的比值,因此本次实验的时间相似比为1∶500.5。

1.2 实验装置简介

本实验装置旨在模拟长度为100 m的并联巷道的风流运动状态,假设实际巷道是圆形巷道,直径5 m；巷道支护方式为U型钢支护,支架间距为1.5 m,U形钢的纵向厚度和径向厚度分别为25 cm、16.5 cm；假设巷道中的风流速度介于0.15～4 m/s。结合前一节中得到的3组相似比,构建瓦斯风压诱导井巷风流灾变的本科教学实验装置如图1所示。实验装置由若干并联管道组成,并设计为用铁皮卷成的螺旋风管,并联管道由左侧长管道(左侧分支)、中间长管道(中间分支)、右侧长管道(右侧分支)、进风横管道、中间连通管道(角联分支)、出风横管道组成,所有管道无缝连接,其中除了右侧长管道的直径为15 cm以外,其余管道的直径均为10 cm。各管道内壁每隔2.5 cm贴一条厚3.3 mm、宽5 mm的海绵双面胶薄片,目的是增加管壁的粗糙程度达到更真实的模拟效果。图2为部分管道剖面示意图。

图1 瓦斯风压诱导井巷风流灾变实验系统示意图

图2 部分管道剖面示意图

实验装置的底座和并联管道通过卡环连接,底座设计为可调节倾角式,调节范围在0°～90°,通过卡环与底座连接(见图3)的并联管道可在0°～90°的倾角范围内调节。

图3 卡环和底座示意图

此外,实验装置的各管道壁上有若干监测孔和可调节阀门,可调节阀门设计为有6个档位的蝶阀,6档相当于完全打开该分支,1档相当于完全封闭该阀门所在分支。蝶阀位置可见图1。

用来收集风速数据的风速传感器安装在每一个监测孔处，并与数据采集器连接。风速传感器选用探头较小、适合测量管道低风速风流的美国欧米伽公司的FMA900A型风速仪,响应时间为250 ms,精确度约为0.04 m/s。一共安装10个风速传感器。收集气体浓度数据的气体浓度传感器安装在每一个监测孔处，并与数据采集器连接,气体浓度传感器均选氧气传感器,其响应时间小于800 ms,量程1%～100%,并在进风口处安装一个氧气传感器,检测室内空气中氧含量的变化,一共安装了10个氧气传感器。

为了保障实验室以及学生安全,用体积比为1∶1的N2和He代替实际瓦斯气体。计算得到该种混合气体在标准状况下的密度为0.714 3 g/L,与甲烷密度非常接近。瓦斯风压主要跟气体密度相关,所以这种混合气体可替代实际瓦斯气体进行教学实验。

本实验装置模拟抽出式通风方式,实验装置上的风机安装在出风口处,可以通过调节风口处的可调节阀门的对风机排风量进行控制。

具体实验步骤如下:

(1) 关闭中间长管道、中间连通管道、右侧长管道的阀门,开启风扇,调节风扇使左侧长管道风速达到期望值；

(2) 对中间长管道充气,待中间长管道下部的氧气传感器示数低于0.6%时,开始数据采集；

(3) 10 s后打开中间长管道的阀门,同时停止充气；

(4) 实验进行了足够长时间后,观测传感器示数不再改变,实验结束。

2 实验方案及结果分析

2.1 不同方向的瓦斯风压对风流影响

在上行通风巷道中,瓦斯风压的方向与风流方向相同,在下行通风巷道中则相反。本节分别在上行通风巷道、下行通风巷道进行了实验,向学生展示瓦斯风压方向对井巷风流造成的影响。

图4是在上行通风巷道实验装置倾角为75°、初始风速为0.15 m/s时,经过处理后的左侧支路风速变化曲线。可以看出,在上行通风巷道实验中左侧支路风速出现负值,说明左侧支路风流发生了逆转。

图4 左侧支路风速变化曲线

为了进行下行通风实验,对上行通风实验时的装置做下述处理:

(1) 下行通风相对于上行通风,风流方向发生了改变,具体改动是在原上行通风实验装置进风口处安装风机、阀门；

(2) 在中间分支的顶端安装氧气浓度传感器,用来监测中间分支混合气体的逆流情况。

图5是经过改动后的下行通风实验装置在不同倾角下中间分支的风速随时间变化曲线。

图5 不同倾角下中间分支的风速随时间变化曲线

图5显示：在不同巷道倾角情况下,中间分支风速的变化情况是不同的。风速变化曲线在阀门打开短时间内均显著上升,说明此时瓦斯风压导致了中间分支风流发生逆转；随着巷道倾角的增大,中间分支风速也逐渐增大,说明巷道倾角越小时,瓦斯风压初始值越小,风流逆转所能达到的最大风速也越小。

2.2 不同支路断面积对风流影响

在上行通风巷道情景下,断面积不同分支的风速和氧气体积分数随时间变化曲线分别见图6和图7。

图6 断面积不同分支的风速随时间变化曲线

图7 断面积不同分支的氧气体积分数随时间变化曲线

从图6可以看出:左侧小断面分支风速下降到0的时刻比右侧大断面分支稍晚,且其风流状态恢复正常所用的时间明显长于大断面分支。

从图7可以看出：两路分支氧气体积分数均明显下降,说明两种不同断面的支路均发生风流逆转；大断面支路最低氧气体积分数比小断面的高,氧气体积分数下降速率也比小断面小些，但两种情况下氧体积分数下降的速率大致相当。

综合以上分析得出,右侧大断面支路发生风流逆转时间略早于左侧小断面支路,但是左侧小断面支路风流逆转程度相对较大。

2.3 不同风机风压对风流影响

由于实验装置中风机提供的风压很低,所以通过仪器很难准确地测出风机风压的变化。但当风阻不变时,改变风压能使风速相应地改变,因此可以通过仅打开左侧分支单独通风时风速的变化反映风机风压的变化。

在上行通风巷道实验装置倾角为70°的条件下,调节风机风口处的可调节阀门，使左侧分支风速分别近似为0.110、0.160、0.200、0.280、0.360 m/s，分别实验，实验结果见图8和图9。

图8 风机风压不同左侧分支的风速随时间变化曲线

图9 风机风压不同左侧分支的氧体积分数随时间变化曲线

从图8和图9中得出:

(1) 左侧支路风流的最低风速随着风机风压的增大不断升高,氧气体积分数的最低值也在升高,说明左侧分支风流逆转现象越来越微弱；

(2) 风速最低值出现的时刻相差不大,在16～19 s时段，但风流逆转持续的时间是随着风机风压的加大而减小的；

(3) 风机风压的增大使得氧气体积分数最小值出现的时刻提前,氧气的体积分数重新回到初始状态所用时间也逐渐减少；

(4) 随着风机风压的增大,氧气体积分数下降速率有所降低,氧气体积分数下降所持续的时间减少。

2.4 左侧支路风阻对风流影响

实验装置的可调节阀门都有6个档位,不同的档位会使支路风阻值不同,其中1档为关闭分支状态,风流无法通过，6档则为阀门全开状态。通过调节使左侧支路的可调节阀门处于6档时的风速为0.18 m/s,使左侧分支上的阀门从2档开始逐步升高到6档分别进行实验，实验结果见图10和图11。

图10 风阻不同左侧支路的风速随时间变化曲线

图11 风阻不同左侧支路的氧气体积分数随时间变化曲线

由图10和图11得出:

(1) 随着左侧支路风阻的增加,初始风速逐渐降低,左侧分支的最低风速逐渐升高，氧气体积分数曲线显著下降,说明左侧支路发生风流逆转；

(2) 左侧支路风流逆转持续时间都是在15～20 s时段；

(3) 2档时左侧支路氧气体积分数的最低值有明显上升,氧气体积分数下降速率降低,其他档位最低氧气体积分数出现的时刻随风阻增高而滞后。

2.5 中间分支风阻对风流影响

设置同2.3节,通过调节风口处的可调节阀门使左侧分支风速为0.15 m/s。实验开始时,先分别打开中间分支的2、3、4、5档进行实验，实验结果见图12和图13。

图12 中间分支风阻不同左侧分支的风速随时间变化曲线

图13 中间分支风阻不同左侧分支氧气体积分数随时间变化曲线

从图12和图13可以看出:

(1) 随着中间分支风阻逐渐增大,左侧支路风流逆转达到的最低风速升高；

(2) 随着中间分支风阻的增大,左侧分支正常通风时的风速逐渐增加；在相同瓦斯风压的作用下,左侧分支风流更难以发生逆转；

(3) 氧气体积分数能达到的最低值随着中间分支风阻的增大逐渐增大。

3 结论

(1) 通过搭建模拟井下瓦斯风压诱导风流灾变的实验装置、控制不同的因素并分别进行实验,形象地将瓦斯风压诱导风流灾变的规律展示给学生,便于学生理解,加深了学生对瓦斯风压诱导风流灾变规律的理解，不仅帮助学生掌握了专业知识,而且锻炼了学生的动手能力以及科研能力。

(2) 实际生产矿井中,上行通风时,瓦斯风压作用方向与矿井主要通风机作用方向相同,可能导致旁侧分支风流逆转；下行通风时,瓦斯风压作用方向与矿井主要通风机作用方向相反,可能导致主干分支风流逆转。瓦斯风压诱导风流灾变不仅与主干分支、旁侧分支的风阻、主要通风机的风压相关,还与巷道的长度、高差等因素密切相关。

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