看点导读
01突出过程中煤–瓦斯两相流运移的物理模拟研究
摘 要
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0.150mm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4944mm处峰值冲击力最大，随后沿巷道呈震荡衰减变化趋势。
煤样采集与煤试件制备
试验煤样取自重庆市水江煤业有限责任公司水江煤矿K1煤层，取样处埋深为1082 m，平均厚度为1.8 m。
图1 水江煤矿地质图
煤试件制备过程如下：
(1) 首先将取回的煤样使用破碎机粉碎，并进行筛分处理得到不同粒径的煤粉；
(2) 待其自然风干后，再按确定的型煤配比将不同粒径煤粉放入搅拌机中搅拌均匀，并加入适量水将含水率调至4%；
(3) 接着将搅拌好的煤粉分批加入箱体内，使用成型压力机在10MPa 条件下成型，成型保压时间为1h；
(4) 安装盖板密封箱体。
图2 多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟试验系统
试验方案及步骤：
突出后的煤–瓦斯两相流沿“直线”型巷道传播。巷道及传感器布置如图3所示，直巷道系统由六节巷道组成，并且通过扩口段连接动力系统。每节巷道存在两个断面，直巷道系统共有12个断面。在每个断面中心位置处布置1 个冲击力传感器。1号传感器到试件箱体的距离为944 mm，之后每2个传感器间相距1000 mm。另外，出于安全考虑，以CO2代替CH4作为试验气体。
具体的试验步骤如下：
(1) 制备煤试件：煤样准备→试件成型→安装及密封；
(2) 对箱体抽真空1h，当负压达到0.1MPa后进行阶梯式充气吸附，每0.2 MPa为一阶梯，最后稳定试件箱体压力为2.0 MPa 约12h后至吸附平衡；
(3) 开启数据采集系统，然后启动突出，直至试验结束后保存数据；
(4) 试验结束后划分区域收集煤粉，并对所得煤粉进行筛分整理。
图3 巷道及传感器布置示意图
试验结果及其分析
图4 各区域煤粉粒径质量占比
图5 煤与瓦斯突出过程中冲击力随时间的演化规律
图6 冲击力峰值沿程演化曲线
图7 不同时刻冲击力沿巷道的演化规律
突出煤–瓦斯两相流运移规律
在采掘工作面的正常生产中，巷道空气流动处于一种未扰动状态，为巷道未扰动区。由于煤与瓦斯突然从煤壁抛出，如同一个巨大活塞，以很高的速度冲击压缩巷道内的空气，形成空气压缩区。使其压力、密度、温度突跃，紧靠煤与瓦斯突出分界面的气体先是受压，然后这层受压的气体又压缩下一层相邻的气体，使下一层气体压力升高，这样层层传播下去，由于传播中的压缩波属于同向传播，最终形成冲击波。以上为建立突出冲击波模型的基础，如图8所示。
图8 突出冲击波模型示意图
在此基础上，又由于突出的发展过程实际上是间歇式多次发生的，煤体停止抛出煤粉后短时间内再次发生突出，形成新的两相流体沿巷道运移传播。当煤层停止抛出煤粉后，煤体中瓦斯持续解吸进入巷道，继续扰动巷道空气，形成气流扰动区。综上，结合突出冲击波模型中的区域划分及突出阵发性理论，最终可以得到煤与瓦斯突出过程中两相流运移示意图，如图9所示。突出发展过程中巷道内形成了气流扰动区、空气压缩区、煤–瓦斯两相流运移区、冲击波及巷道未扰动区共5部分区域。
图9 煤–瓦斯两相流运移示意图
图10 不同时刻巷道冲击力云图
02 真三轴应力状态下煤与瓦斯突出两相流Ｌ型巷道运移特性试验研究
摘 要
煤与瓦斯突出两相流具有强大的冲击动力作用，对井下人员和设备造成严重的损害。为了充分认识煤与瓦斯突出两相流的运移规律及致灾机制，利用多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟试验系统开展了真三轴应力状态下煤与瓦斯突出物理模拟试验，分析了煤与瓦斯突出两相流在Ｌ型巷道中的运移特性及其冲击特性。结果表明：在Ｌ型巷道中，突出煤粉流在主巷段中存在射流、稀相流和密相流３种流动状态。受直角拐弯结构影响，仅有少量的突出煤粉进入支巷段，主要分布在直角拐弯结构前端，表明拐弯结构大幅度抑制了煤粉的流动。突出煤粉以粒径小于0.15mm的颗粒为主，其在巷道内的运移可分为初始加速、二次加速、衰减３个阶段，初始阶段煤粉流速度最高可达25.0m/s 。在突出过程中，巷道内煤与瓦斯两相流冲击力呈现出迅速增加－缓慢衰减的演化趋势。冲击力达到峰值后并不是平滑地下降，而是１个存在多峰值的震荡衰减过程，表明突出具有阵发特性。在主巷段中，最大冲击力沿巷道呈现波动式分布特征。随着传播距离的增加，增长区的持续时间逐渐增大，冲击力的衰减程度逐渐降低。煤与瓦斯两相流的冲击破坏特性主要体现在其前中部，距离突出口2、6和８ｍ处皆存在对人体造成严重损伤的风险。随着突出的发展，冲击力致灾区域由巷道前部逐渐向中部发展。在支巷段中，两相流冲击力出现明显的陡增现象，呈强－弱交替分布，说明直角拐弯结构增强了两相流动力致灾程度。
实验研究
煤与瓦斯突出试验采用自主研发的多场耦合煤矿动力灾害物理模拟试验系统，如图11所示。其主要由突出腔体、三轴加载系统、抽真空－注气系统、成型系统、模拟巷道和数据监测采集系统等组成。该试验装置不仅可以实现瓦斯压力和地应力综合作用下的煤与瓦斯突出物理模拟试验，而且能再现煤与瓦斯突出两相流在巷道中的运移情况。可通过调节直通巷道和十字通巷道改变巷道组合形式，从而模拟突出两相流在不同巷道布置方式下的运移情况。
图11 多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟试验系统
图12 型煤配制的质量比
图13 型煤的制作流程
图14 巷道形状及传感器布置示意
图15 应力加载示意
煤与瓦斯突出试验具体步骤：① 将原煤进行破碎、筛分、烘干，按比例进行混合搅拌均匀；② 分批次装入突出腔体，进行保压成型；③ 布置模拟巷道及传感器，连接突出腔体和巷道，检查突出腔体的密封状况，确保密封完好后进行抽真空1h；④阶梯式进行充气（以CO2代替甲烷），直至达到吸附平衡（瓦斯压力2.0ＭPa），停止注气；⑤ 进行应力加载，触发突出后保存监测数据并收集巷道内的煤粉。
试验结果与分析
图16 突出后煤层破坏形态与巷道煤粉堆积情况
图17 煤与瓦斯突出两相流的流动状态
图18 突出过程中煤粉运移速度
图19 不同区域突出煤粉质量分布
图20 突出过程中煤与瓦斯两相流冲击力演化
图21 煤与瓦斯两相流最大冲击力
图22 突出过程中两相流冲击力空间演化云
编辑丨湛金飞 重庆大学
审核丨刘苏雨 重庆大学
