[发明专利]一种拟三维煤矿采空区氮气流动压力损失计算方法

说明书

本发明公开了一种拟三维煤矿采空区氮气流动压力损失计算方法。本发明方法主要包括：建立采空区气体流动模型，划分单周期流动单元；将单周期流动单元作为研究对象，依据断面面积随流动距离变化的表达式不同将单周期流动单元划分为四个流动阶段；推导采空区氮气流动压力损失理论计算式；在理论计算式的基础上，进行实验优化，缩小一维简化与三维流动之间的差异，得到拟三维流动压力损失计算式。本发明能用于采空区中氮气流动压力损失的计算，实现采空区氮气充注所需初始压力和充注范围的快速、准确计算，避免了数值模拟方法耗费时间多、技术难度大的缺陷。

技术领域

本发明属于矿井通风和采空区防灾减灾技术领域，具体涉及一种拟三维的煤矿采空区氮气流动压力损失计算方法。

背景技术

70％以上的煤矿火灾事故发生在毗邻采区的采空区。采空区遗煤自然发火及其灭火救灾一直是行业内的热点问题，采用注氮治理自然发火是最常见和行之有效的灭火措施。但是，现有计算方法和实施细则，无法准确计算灭火用所注氮气在采空区内流动的距离，从而无法准确预测所注氮气能影响的范围，导致液氮浪费和灭火困难。

在确定采空区注氮参数方法及其措施的研究进展方面，李东等人提出了一种采空区U型通风工作面全断面帷幕注氮的防灭火方法，提高了氮气惰化效率。朱红青发明了自动控制旋转牵引式注氮防灭火装置，实现了采空区注氮点在空间上的连续，提升了采空区注氮的惰化效果。秦波涛和鲁义提出了一种高效治理浅埋藏煤层大面积采空区遗煤自燃的方法，集堵漏控风与快速惰化降温为一体，高效防治了遗煤自燃。郭君柳探讨了采空区“三带”的观测以及注氮防灭火的实用方法，提高了煤炭开采的安全性和经济效益。根据质量、动量和组分守恒方程，朱红青建立采空区气体体积分数变化的理论流体力学模型，通过初始化、赋边界值和迭代计算，数值模拟确定最佳注氮位置和注氮量。李宗翔结合段王煤矿进行了“两进一回”复杂采场采空区注氮防灭火模拟，确定了最佳的注氮量和注氮位置。何俊忠通过SF6示踪气体测定宏岩煤矿4405采空区的漏风量，并确定主要漏风方向，在此基础上优化了采空区注氮工艺。张琪结合大同煤矿集团公司煤峪矿现场实际情况，通过对综采放顶煤工作面火灾隐患治理技术的研究，提出采用“旁路式”注氮法对综放工作面采空区内的火灾隐患进行治理。针对高瓦斯易自燃煤层，罗新荣以某矿综采面为原型，二次开发了带有抽采孔的计算流体力学代码。刘星魁利用Fluent软件模拟了注氮前后采空区自燃带范围的改变情况，并分析了注氮位置和注氮量对采空区氧化带位置分布的影响，从中拟合出了最佳的注氮参数。董军为确定5-2S-2综放工作面采空区连续注氮防灭火的最佳工艺参数，依据计算流体力学基本理论，构建了采空区渗流场数学物理模型，对不同注氮条件下的采空区氧浓度分布及“三带”划分进行数值模拟研究，得到最佳注氮参数。上述研究是防治采空区自燃发火的重要基础，但是，若将这些方法和装置应用于实际工程中还存在问题。首先，由于不同煤矿的采空区物性参数和生产工艺参数都不一样，采用数值模拟确定注氮参数的方法，耗费时间多，技术难度大，难以普及；其次，上述研究都不能明确氮气流动过程中压损与注氮参数之间的量化关系，所以，无法快速确定注氮的具体参数。为了克服上述不足，陈世强发明了一种基于最小流动单元的采空区氮气充注压力损失计算方法。但是，在该方法中将三维流动简化为一维流动得到压力损失计算方法，这种方法计算得到的压力损失与实际情况具有一定误差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中所存在的不足，提供一种经试验优化后的拟三维煤矿采空区氮气流动压力损失计算方法。

本发明的拟三维煤矿采空区氮气流动压力损失计算方法，包括如下步骤：

(1)建立采空区气体流动模型，划分单周期流动单元；

(2)将单周期流动单元作为研究对象，依据断面面积随流动距离变化的表达式不同将单周期流动单元划分为四个流动阶段；

(3)推导采空区氮气流动压力损失理论计算式；

根据流体动力学Navier-Stocks方程，推导出一维流动压力损失计算式如式(1)所示：