【摘 要】
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随着煤炭开采深度和范围的增加,逐渐涉及到的众多高硫煤层中以及岩瘤、岩墙等地质条件下,常伴有H2S气体异常富集涌出的现象。硫化氢（H2S）是一种无色、有剧毒的酸性活跃气体,作为一种强烈的神经毒素,会对工作面人员的职业健康和有序开采作业造成严重影响。目前工程上针对高浓度H2S涌出问题,通常采用煤体内部钻孔注碱的预处理方式以及巷道喷淋碱雾的治理措施,对于注碱未被处理掉的H2S或不能采用煤体注水的煤层地质
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随着煤炭开采深度和范围的增加,逐渐涉及到的众多高硫煤层中以及岩瘤、岩墙等地质条件下,常伴有H2S气体异常富集涌出的现象。硫化氢（H2S）是一种无色、有剧毒的酸性活跃气体,作为一种强烈的神经毒素,会对工作面人员的职业健康和有序开采作业造成严重影响。目前工程上针对高浓度H2S涌出问题,通常采用煤体内部钻孔注碱的预处理方式以及巷道喷淋碱雾的治理措施,对于注碱未被处理掉的H2S或不能采用煤体注水的煤层地质条件,通常采用巷道喷洒碱雾或碱性泡沫覆盖的治理手段,巷道作业面是工人活动的主要场所,明确H2S在采掘过程中涌入巷道的扩散分布规律以及防治手段至关重要。本文应用数值模拟、理论分析的研究方法、计算流体力学（CFD）理论,通过COMSOL仿真数值求解器求解N-S方程、对流-扩散方程等数学模型的流场以及化学传递场的多场耦合,从多维度研究了工作面流场特征以及涌出H2S气体的时空演化扩散分布规律;提出气-液两相涡旋碱雾治理巷道涌出H2S的技术措施,应用试验研究、理论分析的方法研究了喷头涡旋特性、流体雾化形态及特征,为进一步工程应用奠定基础,结论如下:（1）综采面涌出H2S扩散规律呈现解吸涌出、等值对流、弥漫扩散三个动态阶段,分布规律呈现惯性对流高浓度区、过渡扩散低浓度区、回风旋涡紊流区三个特性区域;综掘面涌出H2S扩散规律呈现对流稀释、涡流弥散、扩散沉降三个阶段,分布规律呈现稀释域、滞留团、扩散带、沉降区4个特征区域。（2）综采面回风巷H2S浓度分布及变化特征:回风巷内帮5～10 m范围内会出现风流涡旋区,在该流场作用下会出现H2S气体回流涡旋;沿回风巷气体流出方向,H2S浓度呈逐渐增大而后又略有降低的变化趋势;内帮的H2S浓度较外帮高,并逐渐过渡,回风巷中H2S传感器建议安设在内帮;顶底板垂直方向呈现上下两侧H2S浓度高,中部浓度低,同时底板的浓度较顶板浓度高的分布趋势;回风巷中部采样点的H2S浓度随时间的推移不断增加,增幅斜率先增后减。（3）综采工作面H2S浓度分布及变化特征:沿采煤机下风流沿线以及采煤机向行人一侧过渡的两个方向上,H2S浓度分布呈现逐渐减小的变化趋势;H2S涌出浓度随时间呈线性扩散,距底板1.6 m人员呼吸的位置,H2S分子的扩散速度约为风流速度的1.26～1.46倍;采煤机下风流的扩散距离x越远,行人侧受污染的程度越大,行人侧的H2S最高扩散浓度C与x关系满足下式:C=4.92e（x-5）/8.833-4.92重点关注距离机身后方20以外的污染区域,针对H2S气体异常涌出的矿井中,可以在该区域行人侧的位置安设若干检测装置。（4）综掘面风流流场特征:当风筒出风口距工作面煤壁距离较远时呈现涡流区、回流区、稳态区,当距离较近时呈现强混区、紊流区、涡流区的不同特征;在风筒与掘进面之间存在一个“负压区”,该区域随着风筒出风口靠近掘进工作面煤壁而逐渐向前移动,正负压差会产生涡流现象,从而涡流会逐渐靠近煤壁面。（5）综掘面H2S浓度分布及变化特征:风筒一侧的司机位置处H2S浓度随时间推移呈线性递增趋势;沿回风侧沿程H2S浓度呈现逐渐减小的变化趋势;风筒出风口距煤壁3 m对稀释H2S气体有促进作用;根据分布特征,H2S浓度检测传感器安设在风筒对面的煤壁处较为合理。（6）研究表明雾化涡旋喷头可以产生索太尔均径在10～100μm的涡旋干雾特性流体,在水压为0.24 MPa,气压为0.45 MPa的工况下可产生55°左右的雾化范围,单个喷头耗水量＜1 L/min,水耗量与气压及水压的变化是大致呈正比的关系;雾滴粒径分布规律为:随着沿喷嘴喷射方向距离的不断增加,索太尔均径逐渐增大;沿自下及上的垂直方向雾滴粒径先减后增,且正负方向相同距离对应点粒径呈不对称分布;其他表征粒径依托升高的气压不同程度变小,依托升高的水压不同程度增大。
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