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基本信息

项目名称:
煤与瓦斯突出射流数值模拟
小类:
能源化工
简介:
本文运用Fluent流体计算力学软件,建立气固两相湍流模型,进行数值分析,并对结果进行分析。
详细介绍:
本文将煤与瓦斯突出过程的瓦斯突出视为连续射流,建立了瓦斯射流的数学模型,得到了瓦斯突出射流流速和流量表达式,在此基础上考虑突出口压力和突出口直径影响,进行了瓦斯射流的数值模拟,得到了突出口压力与突出射流最大速度、突出口压力与射流流场分布、突出口直径与突出影响范围间关系规律等一些有价值的结论。模拟结果对现场煤与瓦斯突出的预测和防治具有一定的参考价值。

作品专业信息

撰写目的和基本思路

目的:从新的角度对煤与瓦斯突出现象进行研究,为以后煤与瓦斯突出提供一些依据。 基本思路:通过一些实验研究后进行数值模拟,采用Fluent软件,再现煤与瓦斯突出的全过程,分析突出过程中突出煤体的运动变化规律,找出影响煤与瓦斯突出的因素。

科学性、先进性及独特之处

从新角度,充分利用流体力学、固体力学等交叉学科的优势,从煤与瓦斯突出局部化特征、射流特征出发,基于含固气两相流体多孔介质射流理论、孔隙瓦斯压力局部化理论以及固流偶合失稳理论研究突出机理,分析以及煤和瓦斯突出的动力失稳机理基础上,建立更符合实际的煤与瓦斯突出数学物理力学模型,并通过计算机软件分别从微观的局部化以及宏观的失稳理论进行数值模拟。

应用价值和现实意义

我国对煤炭需求量的增加和开采强度的不断增大,浅部资源日益减少,深部开采的强度越来越大。预计在未来20年我国许多煤矿将进入l000-1500 m的深度。随着开采深度的增加,煤层瓦斯一般呈线性增加,地层温度升高,压力增大,煤的变质程度也越高,因此随着开采深度的增加煤层发生突出的频率和强度也增加,为日后深度开采提供理论依据。

学术论文摘要

摘要:煤与瓦斯突出通常是一种灾难性事故,因而无法通过现场测试,甚至很难得到突出时的参数,而只能通过突出后进行估算得到。本文采用数值模拟方法,建立计算模型,对一定地质条件下的煤与瓦斯突出过程进行数值模拟计算,并在此基础上,从模拟计算结果中分析煤巷掘进过程中煤与瓦斯突出机理。在利用Fluent流体计算力学软件求解该模型的过程中,依据数学模型建立时的简化和假设。采用欧拉-拉格朗日的离散相模型进行气固两相数值模拟分析,对于煤颗粒不同体积分数,则利用欧拉法进行数值模拟。

获奖情况

2010年12月在学校获第七届雄鹰杯科技论文大赛一等奖

鉴定结果

参考文献

[1] 于不凡.煤与瓦斯突出机理[M] .北京.煤炭工业出版社.1985. [2] 郑哲敏.从数量级和量纲分析看煤与瓦斯突出的机理[M].北京:北京大学出版社.1982. [3] 章梦涛,潘一山等.冲击地压与突出的统一失稳理论[J].煤炭学报.1991,16(4):48-53 [4] 丁雁生.煤与瓦斯突出二维实验模拟研究[J].中国矿业大学报.1996,21(1):57-62 [5] 梁冰.煤与瓦斯突出的固流耦合失稳理论的研究[D].东北大学,1994.3. [6] 梁冰,章梦涛.煤与瓦斯突出的固流耦合失稳理论[J].煤炭学报,1995,No.8. [7] 梁冰,章梦涛等.煤与瓦斯突出的固流耦合失稳模式及数学模型[A].第二届采煤技术国际学术讨论会论文集[C],1993. [8] 郭立稳.煤与瓦斯突出过程中温度变化的实验研究[J].岩石力学与工程学报,2000,19(3):366-368. [9] 刘明举.煤与瓦斯突出的热动力过程分析[J].焦作工学院学报,2001,20(1):1-7. [10] 董志勇.射流力学[M]。北京:科学出版社,2005.

同类课题研究水平概述

国外关于煤和瓦斯突出机理的认识可归为4类观点:地应力假说、瓦斯作用假说、化学本质假说和综合作用假说,其中前3种假说为单因素假说。单因素假说分以瓦斯压力为主和以地应力为主的假说;综合假说认为:煤和瓦斯突出是由瓦斯、地应力和煤的物理力学性质等多因素共同作用的结果,综合假说以能量假说和的应力不均匀分布假说为代表。 进人80年代,郑哲敏从数量级比较与量纲分析的角度阐述了瓦斯突出的机理,定性分析了瓦斯突出的孕育、启动、发展和停止的过程。俞善炳等用理想一维运动模型研究在稳态情况下与运动藕合渗流的恒稳推进,给出了定量化的突出发生判据,但存在的主要问题是模型过于简单化、现象化,脱离实际,煤体应力、瓦斯压力都假设均匀,而且没有考虑开采因素,引入无法测量的新参数过多。因此该理论无法直接用于实际突出的预测,只能解释突出中的一些现象。 进人90年代,佩图霍夫、章梦涛认识到煤与瓦斯突出是力学上的材料失稳问题,提出煤与瓦斯突出是在瓦斯压力和围岩应力共同作用下,部分煤体变形破坏后,变成应变软化材料,当变形平衡状态处于非稳定时,在外界扰动下的失稳。 1987年.A.saghafi(法国)和R.J.willi aliI发表了“煤层瓦斯流动的计算机模拟及其在瓦斯涌出和抽放瓦斯中的应用”一文,文章从扩散力学角度,依据FICK定律,提出了煤层瓦斯扩散方程,同时也从渗流力学角度,依据达西定律,提出了煤层瓦斯渗流方程。L.N.Germanovich从扩散理论角度研究煤层中吸附瓦斯的解吸过程。1988年美国矿业局发表了《1964-1980甲烷控制的研究成果汇总》,该研究成果综述了美国瓦斯研究理论的主要成果,基本观点与A.saghaf法相同,即煤层中瓦斯流动是一个连续的两步过程。第一步,以扩散的形式,甲烷从没有裂缝的煤体中流到周围的裂隙中去:第二步,甲烷从裂隙流到矿井的工作空间。这里前者依据扩散方程,后者依据渗流方程。 2000年郭立稳对突出温度变化进行了理论和实验研究,冯增朝、康健等人进行了水力割缝防治突出的室内实验,再现了煤与瓦斯突出时气体夹杂煤屑呈间歇性喷射的现象。 2001年,刘明举对突出热动力过程及流变电磁辐射机理进行了分析,同年潘一山首先提出应用多孔介质局部化和射流理论研究突出的观点。
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