基于激波管理论的突出冲击波超压预测模型及试验验证

突出过程中常伴随极强的动力效应,产生的突出冲击波会造成一定的人员伤亡,甚至破坏风门等通风设施,进而扩大事故灾害范围。为了更贴近现场实际,根据现场实际突出事故现象,建立了煤与瓦斯突出动力学模型;基于激波管理论,阐释了巷道内突出冲击波形成机制,指出突出瞬间喷向巷道空间的高速瓦斯气流压缩空气形成突出冲击波,且突出瓦斯气流加速阶段释放的瓦斯膨胀能决定突出冲击波的强度;建立了基于突出孔洞瓦斯压力、突出口直径的突出冲击波超压峰值预测模型。利用煤与瓦斯突出冲击动力效应及致灾特征模拟试验系统,开展了不同瓦斯压力、装煤量条件下的突出动力效应模拟试验。试验结果表明：突出模拟试验过程中冲击波超压的实测值与理论值一致,验证了理论模型的正确性。且装煤量相同时,突出冲击波超压随瓦斯压力的增大而增大;而当瓦斯压力相同时,随装煤量的增大,冲击波超压变化较小。相同瓦斯压力条件下,突出口径会影响冲击波超压的大小。突出口径较小时,突出瞬间释放的瓦斯膨胀能较小,导致冲击波超压值较小。
突出冲击波强度$p'_2 $和冲击波超压$\varDelta p'$与突出口和巷道直径之比s₁/s₂呈线性增加关系。因此,瓦斯压力和突出口径是影响突出冲击波强度的主要因素。此外,突出模拟试验过程中,突出冲击波超压在模拟巷道内随传播距离不断衰减。通过分析巷道内冲击波超压峰值数据,发现公式y=aΔP_maxx^−1/2能够较好地描述巷道内冲击波超压衰减规律。突出冲击波传播至管道末端,由于障碍物反射作用形成二次冲击波。该研究可为突出矿井科学、合理地设计和布置安全防护措施提供指导。