多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统研制与应用

基于模块化思路,自主研制了多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统,由试件腔体和五大模块(加载模块、渗流模块、诱突模块、巷道模块和采集模块)组成,试件腔体尺寸φ200 mm×700 mm、密封气压10.0 MPa、轴向应力20.0 MPa,巷道内径200 mm、长10 m、透光率94%,突出口径25,50,100 mm可选,集型煤一次性成型、渗透性测试和突出两相流可视化等多功能于一体。以煤与瓦斯突出灾害较为严重的河南龙山煤矿为工程背景,开展突出模拟试验,结果表明:(1)测试得到型煤试件渗透率为9.88×10^(-3)μm^(2),诱突过程达到毫秒级,突出启动后,高压气体裹挟煤粉持续抛向巷道,形成煤‐瓦斯两相流,突出煤粉9540.0 g,相对突出强度47.7%;(2)突出过程中,巷道空气受压缩产生多道以正相压和负相压交替向前传播的冲击波,冲击波超压峰值在巷道中部5.5 m处达到最大,为15.41 kPa,同时产生向后运动的稀疏波,导致试件腔体内煤层气压上升21%;(3)突出煤粉流受突出阵发性和突出煤粉解吸气体影响,出现多次再加速过程,在第二次加速后达到速度峰值42.6 m/s,冲击波则以超声速超前于煤‐瓦斯两相流传播,波阵面速度高达361.76 m/s,远大于煤粉流速度;(4)突出两相流温度主要受控于煤层瓦斯解吸吸热和冲击波扰动,呈现出“短暂上升‐快速下降‐缓慢回升”的演化趋势,表现为越靠近突出口,下降幅度越大,最大下降2.1℃,越远离突出口,上升幅度越大,最大上升0.6℃。测试结果表明,该试验系统稳定可靠,能准确测定试件渗透率,并真实模拟再现突出全过程,为深入研究突出机制、指导现场突出防控提供有效手段。