煤与瓦斯突出过程中煤-瓦斯两相流的运动状态

运用经典气体动力学理论,对突出孔洞内煤-瓦斯两相流的运动参数进行了一维讨论,推导了压力、密度、速度及流量等参数之间的数学函数关系,分析了突出过程中煤-瓦斯两相流流动的临界状态以及与其相关的两相流声速理论,并通过数值模拟和现场实例对临界流动理论进行了直观描述。在煤与瓦斯突出过程中,煤-瓦斯两相流的出口流动状态与孔洞形态、瓦斯压力、煤体破坏速度、瓦斯含量等因素密切相关。当两相流在孔口达到并超过临界状态时,由于突出孔洞口小腔大的形状限制了瓦斯流的完全膨胀,此时喷出的瓦斯流处于未完全膨胀状态。大量未完全膨胀状态的瓦斯流在巷道空间的瞬间膨胀可产生巨大的动力效应,从而严重破坏矿井生产设备和通风设施。临界运动状态是影响煤与瓦斯突出动力效应的关键因素之一,它对煤与瓦斯突出灾害的预警和防护都有重要意义。

突出煤-瓦斯在巷道内的运移规律

以煤与瓦斯突出过程中煤-瓦斯两相流为研究对象,利用自主研发的煤与瓦斯突出动力效应模拟试验装置进行了巷道中突出煤-瓦斯两相流试验研究,通过试验观察将煤颗粒的运动过程分为加速、平衡减速及沉降等运动阶段,并综合运用固体颗粒在气流中的悬浮运动机理和能量守恒定律,建立了一维情况下突出煤在巷道中的运移数学模型。通过模型计算分析得到,突出煤颗粒运移距离随初始气流速度的增大呈增大趋势,随颗粒粒径的分布规律由于其符合的流动状态不同而不同。

煤与瓦斯突出冲击波的形成机理

根据煤与瓦斯突出过程中煤-瓦斯两相流运动参数的研究成果,对不同流动状态下冲击波的形成机理进行了分析。当孔洞中喷出的煤-瓦斯两相流未超过临界状态或处于低度未完全膨胀状态时,流体在巷道空间完全膨胀后的速度较低,产生的冲击波超压值较小;当高度或超高度未完全膨胀流体在巷道空间中膨胀时,如果巷道空间足够大,则流体将进行"爆炸式"加速过程并可能产生强冲击波;而如果巷道空间受限时,最终形成的冲击波的超压值较小,但两相流的动压和膨胀过程中的气体静压可能会严重破坏矿井生产设备或设施。

煤与瓦斯突出冲击动力效应及致灾特征模拟实验系统研制与应用

由于对煤与瓦斯突出激发后致灾特征及其诱导矿井风流灾变机制不清,现场常根据经验布设风门、布置自救系统等设施,尚不能有效地布置安全防护措施和制定科学合理的应急预案。为了准确掌握突出冲击动力效应及致灾特征,基于相似理论,研发了一套考虑突出孔洞周围卸压区煤体瓦斯补给作用的突出模拟实验系统,并基于突出模型和瓦斯渗流理论通过严格计算确定了补气装置的关键参数。该实验系统主要包括:突出孔洞动力系统、突出激发装置、巷道模拟系统和数据采集与控制中心4个模块,能够模拟巷道内突出冲击波形成和传播、突出煤-瓦斯两相流运移及瓦斯逆流等突出动力现象。开展了瓦斯压力为0.8 MPa的突出灾变模拟实验,利用高速摄像机直接观测到突出冲击波形成过程。结果表明:突出发生瞬间,在管道内瞬间形成空气冲击波,后面依次出现的是冲击气流、突出瓦斯气流和煤-瓦斯两相流。且空气冲击波速度>冲击气流速度>突出瓦斯气流速度>突出煤-瓦斯两相流阵面速度,4者最大速度分别为546.5、496.7、112.6、51.5 m/s,并沿管道逐渐衰减。突出过程中高压瓦斯从突出孔洞涌入巷道空间,造成瓦斯逆流现象。突出过程中突出孔洞内瓦斯压力呈指数下降。突出发生后巷道内瓦斯体积分数随时间变化存在“骤升期”和“缓慢下降期”,突出瓦斯在巷道内运移方式主要包括“驱替”和“扩散”。突出煤沿主巷堆积高度与堆积质量呈现出一致性。突出煤与原煤粒径分布差异主要集中于0~500μm,而粒径分布最大差异主要集中于150~200μm。此外,粒径分布于150~200μm的煤粉占比随距突出口距离的增加而增加,表现出较强的分选性。

突出过程中煤–瓦斯两相流运移的物理模拟研究

为了探讨煤与瓦斯突出过程中的煤–瓦斯两相流冲击破坏动力学行为,利用自主研发的多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟试验系统开展了突出过程中煤–瓦斯两相流运移规律物理模拟试验研究。结果表明:突出煤粉在高速气流作用下自工作面抛出,呈射流状,随着距离的增加,固相流扩散为栓塞流,沉降量随之增大,从而主要聚集在巷道末端;试验相对突出强度为10%,突出煤粉中绝大部分为粒径小于0.150 mm的煤粉,煤体破碎程度较高;突出启动后,高压气流携带大量煤粉从煤层中喷射而出,形成较强的冲击力,近突出口区域冲击力反复升降,表明突出过程具有阵发性;煤–瓦斯两相流运移过程中瓦斯完全膨胀形成冲击力陡增区,冲击力沿巷道呈波动式分布,距突出口4 944 mm处峰值冲击力最大,随后沿巷道呈震荡衰减变化趋势。

煤与瓦斯突出动力效应的模拟研究

为了揭示煤与瓦斯突出启动后巷道内突出煤-瓦斯两相流运移规律及突出冲击波传播特征,利用自行研制的"煤与瓦斯突出动力效应模拟试验装置",进行了低气压条件煤与瓦斯突出动力效应模拟试验.通过实现突出口的主动快速开启、多种流体运移路线、阻力特性的巷道网络布置及参数的全方位实时监测,模拟了该固气参数条件下突出煤-瓦斯两相流在巷道网络中的运移过程.研究结果表明:巷道内突出煤运移经历3个阶段历时3 053ms;突出启动后巷道内气体压力、温度发生跳跃式改变,气压变化持续时间小于1s;突出冲击波阵面平均传播速度为405.36m/s,冲击波超压峰值沿巷道呈衰减趋势,主巷内接联络巷处的冲击波平均衰减系数是其他位置的5倍左右.

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。