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基本信息

項(xiàng)目名稱：
煤與瓦斯突出射流數(shù)值模擬
小類：
能源化工
簡介：
本文運(yùn)用Fluent流體計(jì)算力學(xué)軟件，建立氣固兩相湍流模型，進(jìn)行數(shù)值分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。
詳細(xì)介紹：
本文將煤與瓦斯突出過程的瓦斯突出視為連續(xù)射流，建立了瓦斯射流的數(shù)學(xué)模型，得到了瓦斯突出射流流速和流量表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上考慮突出口壓力和突出口直徑影響，進(jìn)行了瓦斯射流的數(shù)值模擬，得到了突出口壓力與突出射流最大速度、突出口壓力與射流流場分布、突出口直徑與突出影響范圍間關(guān)系規(guī)律等一些有價(jià)值的結(jié)論。模擬結(jié)果對(duì)現(xiàn)場煤與瓦斯突出的預(yù)測和防治具有一定的參考價(jià)值。

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

目的：從新的角度對(duì)煤與瓦斯突出現(xiàn)象進(jìn)行研究，為以后煤與瓦斯突出提供一些依據(jù)。 基本思路：通過一些實(shí)驗(yàn)研究后進(jìn)行數(shù)值模擬，采用Fluent軟件，再現(xiàn)煤與瓦斯突出的全過程，分析突出過程中突出煤體的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，找出影響煤與瓦斯突出的因素。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

從新角度，充分利用流體力學(xué)、固體力學(xué)等交叉學(xué)科的優(yōu)勢，從煤與瓦斯突出局部化特征、射流特征出發(fā)，基于含固氣兩相流體多孔介質(zhì)射流理論、孔隙瓦斯壓力局部化理論以及固流偶合失穩(wěn)理論研究突出機(jī)理，分析以及煤和瓦斯突出的動(dòng)力失穩(wěn)機(jī)理基礎(chǔ)上，建立更符合實(shí)際的煤與瓦斯突出數(shù)學(xué)物理力學(xué)模型，并通過計(jì)算機(jī)軟件分別從微觀的局部化以及宏觀的失穩(wěn)理論進(jìn)行數(shù)值模擬。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

我國對(duì)煤炭需求量的增加和開采強(qiáng)度的不斷增大，淺部資源日益減少，深部開采的強(qiáng)度越來越大。預(yù)計(jì)在未來20年我國許多煤礦將進(jìn)入l000-1500 m的深度。隨著開采深度的增加，煤層瓦斯一般呈線性增加，地層溫度升高，壓力增大，煤的變質(zhì)程度也越高，因此隨著開采深度的增加煤層發(fā)生突出的頻率和強(qiáng)度也增加，為日后深度開采提供理論依據(jù)。

學(xué)術(shù)論文摘要

摘要：煤與瓦斯突出通常是一種災(zāi)難性事故，因而無法通過現(xiàn)場測試，甚至很難得到突出時(shí)的參數(shù)，而只能通過突出后進(jìn)行估算得到。本文采用數(shù)值模擬方法，建立計(jì)算模型，對(duì)一定地質(zhì)條件下的煤與瓦斯突出過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上，從模擬計(jì)算結(jié)果中分析煤巷掘進(jìn)過程中煤與瓦斯突出機(jī)理。在利用Fluent流體計(jì)算力學(xué)軟件求解該模型的過程中，依據(jù)數(shù)學(xué)模型建立時(shí)的簡化和假設(shè)。采用歐拉-拉格朗日的離散相模型進(jìn)行氣固兩相數(shù)值模擬分析，對(duì)于煤顆粒不同體積分?jǐn)?shù)，則利用歐拉法進(jìn)行數(shù)值模擬。

獲獎(jiǎng)情況

2010年12月在學(xué)校獲第七屆雄鷹杯科技論文大賽一等獎(jiǎng)

鑒定結(jié)果

無

參考文獻(xiàn)

[1] 于不凡.煤與瓦斯突出機(jī)理[M] .北京.煤炭工業(yè)出版社.1985. [2] 鄭哲敏.從數(shù)量級(jí)和量綱分析看煤與瓦斯突出的機(jī)理[M].北京:北京大學(xué)出版社.1982. [3] 章夢濤,潘一山等.沖擊地壓與突出的統(tǒng)一失穩(wěn)理論[J].煤炭學(xué)報(bào).1991,16(4):48-53 [4] 丁雁生.煤與瓦斯突出二維實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)報(bào).1996,21(1):57-62 [5] 梁冰.煤與瓦斯突出的固流耦合失穩(wěn)理論的研究[D].東北大學(xué),1994.3. [6] 梁冰,章夢濤.煤與瓦斯突出的固流耦合失穩(wěn)理論[J].煤炭學(xué)報(bào),1995,No.8. [7] 梁冰,章夢濤等.煤與瓦斯突出的固流耦合失穩(wěn)模式及數(shù)學(xué)模型[A].第二屆采煤技術(shù)國際學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集[C],1993. [8] 郭立穩(wěn).煤與瓦斯突出過程中溫度變化的實(shí)驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2000,19(3):366-368. [9] 劉明舉.煤與瓦斯突出的熱動(dòng)力過程分析[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(bào),2001,20(1):1-7. [10] 董志勇.射流力學(xué)[M]。北京：科學(xué)出版社,2005.

同類課題研究水平概述

國外關(guān)于煤和瓦斯突出機(jī)理的認(rèn)識(shí)可歸為4類觀點(diǎn):地應(yīng)力假說、瓦斯作用假說、化學(xué)本質(zhì)假說和綜合作用假說，其中前3種假說為單因素假說。單因素假說分以瓦斯壓力為主和以地應(yīng)力為主的假說；綜合假說認(rèn)為:煤和瓦斯突出是由瓦斯、地應(yīng)力和煤的物理力學(xué)性質(zhì)等多因素共同作用的結(jié)果，綜合假說以能量假說和的應(yīng)力不均勻分布假說為代表。 進(jìn)人80年代，鄭哲敏從數(shù)量級(jí)比較與量綱分析的角度闡述了瓦斯突出的機(jī)理，定性分析了瓦斯突出的孕育、啟動(dòng)、發(fā)展和停止的過程。俞善炳等用理想一維運(yùn)動(dòng)模型研究在穩(wěn)態(tài)情況下與運(yùn)動(dòng)藕合滲流的恒穩(wěn)推進(jìn)，給出了定量化的突出發(fā)生判據(jù)，但存在的主要問題是模型過于簡單化、現(xiàn)象化，脫離實(shí)際，煤體應(yīng)力、瓦斯壓力都假設(shè)均勻，而且沒有考慮開采因素，引入無法測量的新參數(shù)過多。因此該理論無法直接用于實(shí)際突出的預(yù)測，只能解釋突出中的一些現(xiàn)象。 進(jìn)人90年代，佩圖霍夫、章夢濤認(rèn)識(shí)到煤與瓦斯突出是力學(xué)上的材料失穩(wěn)問題，提出煤與瓦斯突出是在瓦斯壓力和圍巖應(yīng)力共同作用下，部分煤體變形破壞后，變成應(yīng)變軟化材料，當(dāng)變形平衡狀態(tài)處于非穩(wěn)定時(shí)，在外界擾動(dòng)下的失穩(wěn)。 1987年．A．saghafi(法國)和R．J．willi aliI發(fā)表了“煤層瓦斯流動(dòng)的計(jì)算機(jī)模擬及其在瓦斯涌出和抽放瓦斯中的應(yīng)用”一文，文章從擴(kuò)散力學(xué)角度，依據(jù)FICK定律，提出了煤層瓦斯擴(kuò)散方程，同時(shí)也從滲流力學(xué)角度，依據(jù)達(dá)西定律，提出了煤層瓦斯?jié)B流方程。L．N．Germanovich從擴(kuò)散理論角度研究煤層中吸附瓦斯的解吸過程。1988年美國礦業(yè)局發(fā)表了《1964-1980甲烷控制的研究成果匯總》，該研究成果綜述了美國瓦斯研究理論的主要成果，基本觀點(diǎn)與A．saghaf法相同，即煤層中瓦斯流動(dòng)是一個(gè)連續(xù)的兩步過程。第一步，以擴(kuò)散的形式，甲烷從沒有裂縫的煤體中流到周圍的裂隙中去：第二步，甲烷從裂隙流到礦井的工作空間。這里前者依據(jù)擴(kuò)散方程，后者依據(jù)滲流方程。 2000年郭立穩(wěn)對(duì)突出溫度變化進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，馮增朝、康健等人進(jìn)行了水力割縫防治突出的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，再現(xiàn)了煤與瓦斯突出時(shí)氣體夾雜煤屑呈間歇性噴射的現(xiàn)象。 2001年，劉明舉對(duì)突出熱動(dòng)力過程及流變電磁輻射機(jī)理進(jìn)行了分析，同年潘一山首先提出應(yīng)用多孔介質(zhì)局部化和射流理論研究突出的觀點(diǎn)。
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