煤礦熱動力災(zāi)害控制機理及遠程應(yīng)急救援系統(tǒng)研究.pdf

1、礦井火災(zāi)和瓦斯爆炸是我國煤礦開采面臨的重大災(zāi)害事故,這些事故往往造成大量人員傷亡和財產(chǎn)損失,可能還會誘發(fā)次生災(zāi)害。本文根據(jù)此類事故救災(zāi)過程難度系數(shù)大、技術(shù)要求高、危險性強的特點,運用通風(fēng)系統(tǒng)學(xué)、流體動力學(xué)、燃燒與熱力學(xué)、爆炸動力學(xué)等相關(guān)理論,對礦井熱動力災(zāi)害進行了大量的實驗研究、數(shù)值模擬和理論分析,研究熱動力災(zāi)害控制機理及應(yīng)急救援設(shè)備的配置方法所涉及的關(guān)鍵科學(xué)問題。取得了如下創(chuàng)新性成果:
　　對主進風(fēng)巷火災(zāi)的各類可燃物蔓延模型、燃

2、燒產(chǎn)物及其危害進行分析。推導(dǎo)了順流、逆流、不同傾角條件下火災(zāi)蔓延速度計算公式,分析了煙氣流在巷道內(nèi)擴散、蔓延的運移規(guī)律。對煙流滾退距離進行無因次分析,得出了修正的無因次煙流滾退距離公式,計算了特定條件下的臨界風(fēng)速。
　　研究了復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)中主進風(fēng)巷火災(zāi)應(yīng)急救援遠程控制系統(tǒng)建設(shè)原理,提出了災(zāi)變過程中由被動抗災(zāi)轉(zhuǎn)向主動救災(zāi)的思想。通過FDS模擬平巷火災(zāi)中不同風(fēng)速和熱釋放速率的煙流滾退距離,擬合出三者關(guān)系式:L=19*43.ln.091

3、1/*vQD3;計算臨界風(fēng)速并與前人的實驗擬合公式對比,獲取最佳的參數(shù)設(shè)置;模擬相同燃燒參數(shù)不同傾斜角度的區(qū)段巷道火災(zāi)煙流滾退變化規(guī)律。針對通風(fēng)系統(tǒng)實況建立三維巷網(wǎng)模型,模擬分析遠程應(yīng)急救援系統(tǒng)啟動前后的火災(zāi)蔓延規(guī)律、煙流運動路徑、溫度分布情況,證明了遠程應(yīng)急救援系統(tǒng)配置的實用性、可行性及數(shù)值模擬的通用性。
　　結(jié)合主進風(fēng)巷火災(zāi)應(yīng)急救援遠程控制系統(tǒng)的工作原理,提出了災(zāi)變過程中保證煙流區(qū)高效滅火和非煙流區(qū)安全撤人的風(fēng)量分配方法。利用

4、數(shù)值模擬和理論計算的方法,確定了抑制火災(zāi)蔓延和煙流滾退的風(fēng)量配置,從而保證非煙流區(qū)達到原有風(fēng)量的60％,并且可設(shè)定救災(zāi)過程中關(guān)鍵巷道最佳風(fēng)量分配閾值。在救災(zāi)系統(tǒng)簡化風(fēng)網(wǎng)基礎(chǔ)上建立了風(fēng)量參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)。通過簡化風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)迭代解算反演出火風(fēng)壓的動態(tài)值,將其代入災(zāi)變風(fēng)網(wǎng)中迭代解算,獲取救災(zāi)過程中各分支風(fēng)量的動態(tài)結(jié)果。
　　在瓦斯爆炸傳播機理及其對周圍通風(fēng)設(shè)施的破壞效應(yīng)研究基礎(chǔ)上,根據(jù)救災(zāi)過程中通風(fēng)系統(tǒng)恢復(fù)原理,提出了在可能發(fā)生瓦斯爆炸的區(qū)

5、域、易于破壞的關(guān)鍵通風(fēng)設(shè)施位置選擇性預(yù)“埋”常開風(fēng)門,災(zāi)變后自動關(guān)閉恢復(fù)通風(fēng)系統(tǒng)的新思路。建立了現(xiàn)場瓦斯爆炸頻發(fā)的局部通風(fēng)系統(tǒng)模型,對不同位置和巷道配置方式下的弱面通風(fēng)設(shè)施破壞效應(yīng)進行了試驗研究。根據(jù)超壓值和弱面板破壞片度的統(tǒng)計結(jié)果確定了多處通風(fēng)設(shè)施的破壞優(yōu)先級,為通風(fēng)設(shè)施的防爆配置提供了參考。
　　結(jié)合巷道火災(zāi)救災(zāi)、瓦斯爆炸后通風(fēng)系統(tǒng)恢復(fù)的特點,以及災(zāi)變過程的調(diào)控方法對應(yīng)急救援設(shè)備的要求,研發(fā)了基于PLC和光通信的礦用本安兼隔爆

6、型控制器和地面中心站,動態(tài)監(jiān)測井下災(zāi)害頻發(fā)點、區(qū)域風(fēng)量、風(fēng)門開關(guān)狀態(tài)及開度調(diào)控情況。設(shè)計了具有防夾、克服巷道變形、開度可調(diào)功能的風(fēng)門結(jié)構(gòu),風(fēng)門的動力源具備井下壓氣和備用高壓氣瓶的“雙保險”功能,系統(tǒng)電源具有外電和備用電池的“雙保險”功能。開發(fā)了地面中心站和上位機軟件,實現(xiàn)了救災(zāi)系統(tǒng)遠程人工控制、智能控制和井下自動控制相結(jié)合的“三保險”功能,以及救災(zāi)過程中風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量的遠程智能調(diào)控及分支風(fēng)量動態(tài)顯示。該系統(tǒng)在龍東煤礦進行了安裝調(diào)試,通過演習(xí)體

7、現(xiàn)了救災(zāi)過程遠程風(fēng)量智能調(diào)控技術(shù)的良好效果。針對三個煤礦遠程應(yīng)急救援系統(tǒng)現(xiàn)場建設(shè)的實況,分析了其配置方案、工作原理及應(yīng)用效果。
　　研究成果為煤礦熱動力災(zāi)害遠程應(yīng)急救援系統(tǒng)的建立提供了理論依據(jù)和技術(shù)保證,為井下工作人員的生命安全提供了保障。對今后井下通風(fēng)設(shè)施的配置和災(zāi)變過程的應(yīng)急救援具有重要的理論意義和實踐價值。另外,針對相關(guān)研究成果發(fā)表論文10篇,其中EI已收錄3篇,待收錄EI源刊3篇。
　　該論文有圖101幅,表15個,