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.     

矿井大尺度冲击波传播规律数值模拟研究

为了解决矿井大尺度下瓦斯爆炸冲击波的传播规律研究难题,提出了冲击波传播的分段接力数值模拟法,解决了瓦斯爆炸数学模型确定、几何模型合理简化及各区段合理划分、动态边界条件下二维几何模型模拟冲击波传播规律的可行性分析等关键问题.研究表明:二维模型模拟实际大尺度巷道瓦斯爆炸是不可靠的,其模拟结果整体偏低且误差很大;距爆炸点200 m处,瓦斯积聚10 m时相对误差高达76.5%;基于动态边界条件下二维模型模拟冲击波传播规律是可行的,其模拟结果误差很小,距入口边界1 000 m处,瓦斯积聚10 m时相对误差仅为9.78%.分叉巷道长度对冲击波超压影响较小,数值模拟时可将其他分叉及连接巷道合理简化.不同巷道连接形式对直巷道内冲击波传播影响范围均较小(10 m左右),但其对冲击波超压值影响程度有所不同;直巷道出口附近和T型巷道分岔口附近冲击波超压均略有降低,L型巷道拐弯附近直巷道内冲击波超压明显升高.确定了羊场湾矿其各区段的合理动态边界位置,合理划分了其几何模型,成功模拟了羊场湾矿掘进工作面瓦斯爆炸冲击波传播规律.     

煤与瓦斯突出冲击波传播规律研究

应用应力波理论研究了煤与瓦斯突出过程中产生的冲击波在煤体界面上的反射、透射现象,得到了入射、反射和透射超压解析解,根据空气动力学分析了冲击波沿巷道方向传播规律.结果表明：透射超压值为入射超压的两倍,而反射超压值略小于入射超压.冲击波超压与冲击气流、突出的膨胀能量成正比,与通风巷道的截面面积呈反比;当冲击波在单个层状煤体中传播时,它会在其两端自由界面上出现反射,反射波反向卸载,自由面上物体振动速度加倍,又将其撕裂成若干个更薄的层状体;当冲击波传播到构造煤和硬煤岩体的分界面上时,产生了强烈的透射和反射现象,透射波在分界面上叠加,其应力值加倍,煤体受到强烈压缩作用,当其超过软煤强度时,软煤被压裂破坏.     

掘进巷道瓦斯爆炸冲击波压力特性研究

为揭示煤矿掘进头瓦斯爆炸冲击波压力沿复杂巷道衰减变化特性,借助爆炸力学和相似定律理论,建立巷道一维爆炸压力变化计算数学模型和TNT当量系数法试验计算模型.理论和试验模型对比分析表明:掘进头弱瓦斯爆炸的冲击波压力沿稳定断面传播呈非线性变化特性,冲击波压力与传播距离的平方根成反比;冲击波压力遇巷道断面变化或分叉超压大幅度衰减;冲击波压力遇障碍物反射后压力是原来的2倍.瓦斯爆炸超压预测计算模型的计算值、理论计算值与实验值吻合较好,与爆炸冲击波压力的传播特性描述一致.     

煤矿瓦斯爆炸波传播及致灾机理的数值模拟研究

应用自主编写的大涡模拟程序,结合高精度数值格式,对横截面积7.2m2、长400m的煤矿巷道内瓦斯爆炸进行了模拟研究.结果表明,随着远离点火端,爆炸超压先升高后逐渐衰减;爆炸波冲量随着距离变化先迅速降低,当压力波形成冲击波时,冲量出现瞬时升高,然后又逐渐衰减;瓦斯爆炸过程中,原来的瓦斯积聚区被爆炸波拉长,导致火焰区域远大于瓦斯积聚区,约为7.1倍;爆炸波超压和冲量超过了阈值以及火焰区域扩大是造成人员伤亡的主要原因,伤亡区域长度大于原瓦斯积聚区长度的22倍.数值模拟结果与实验结果相符,为煤矿瓦斯爆炸的治理提供了理论基础.     

海水弛豫效应对有限振幅声波传播的影响

为了研究海水弛豫效应对有限振幅声波传播的影响,本文将海水弛豫过程的修正项加入到有限振幅声波的传播模型中,得到了弛豫介质中有限振幅声波的传播模型及声雷诺数。当声波频率远小于介质的弛豫频率时,结合数值算法,对声波的传播进行数值模拟,分析了硫酸镁弛豫效应对声波传播的影响。研究表明:海水介质中冲击波的形成具有一定的阈值条件,当声雷诺数超过阈值条件时会形成冲击波,此时弛豫效应引起的逾量吸收具有推迟冲击波形成的作用,且冲击波的幅度随着传播距离的增大而衰减,而当声雷诺数没有达到阈值条件时不会形成冲击波。     

瓦斯煤尘爆炸巷道反射压力研究

为揭示瓦斯和瓦斯煤尘爆炸反射压力沿矿井巷道传播变化的规律,用管道爆炸实验系统模拟测试极弱爆炸和极强爆炸巷道超压与反射压力的定量变化关系.结果表明,瓦斯和瓦斯煤尘与空气混合爆炸,在弱爆炸条件下爆炸的反射压力均是峰值超压的1.8~2.0倍,強爆炸下瓦斯或瓦斯煤尘爆炸的反射压力大约是峰值超压的8~21倍.实验结果与理论计算基本吻合,表明巷道反射压力强度取决于冲击波在巷道空间内的反射过程,巷道内爆炸超压强度随爆炸传播距离的增加而降低,遇固壁则反射压力强度加大,加重了井下设备的破坏和人员伤害程度.     

TVD方法在瓦斯爆炸可压缩流场中的应用

通过建立瓦斯爆炸可压缩流场的数学模型,运用ＴＶＤ（ｔｏｔａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｄｉｍｉｎｉｓｈｉｎｇ）格式的有限差分方法,模拟了瓦斯爆炸冲击波峰值压沿井巷的衰减规律,说明了瓦斯爆炸过程中存在冲击波二次冲过程,对瓦斯爆炸二次反冲 成的机理进行了分析,其结果实际防爆工程设计提供了理论基础和依据。     

巷道掘进揭煤诱导煤与瓦斯突出模拟试验系统

为深入研究巷道掘进揭煤诱导煤与瓦斯突出机理及其全过程多物理量信息规律,基于综合假说及CSIRO突出模型,研发了巷道掘进揭煤诱导煤与瓦斯突出模拟试验系统.试验系统的反力密封单元具备旋转功能,且实现了模型边界气密性;应力加载单元实现了对模型5 MPa真三轴地应力加载;气体充填单元实现了3 MPa气体自动稳压充填和快速补压;巷道掘进单元实现了巷道可视化伺服掘进和自动排渣;信息获取单元实现了突出全过程多物理量信息快速获取融合.并利用试验系统成功开展了真三轴地应力加载和1.1 MPa充气保压条件下巷道掘进揭煤诱导煤与瓦斯突出全过程相似模拟试验,得到与现场相似的突出孔洞位置及形状、突出粉煤质量与距离等现象及气压、温度、应力等多物理量信息.     

限制式与非限制式结构雾化气体动力学分析

针对两种典型雾化结构:限制式和非限制式结构,对其各自的雾化气体流场进行了数值模拟.根据模拟结果,分析了两种结构雾化器气体流场的分布情况及轴线处各参数变化规律,并通过对比指出了两种结构气体行为的同异之处.结果表明:两种结构均能形成回流区,但回流区形貌不同,且限制式结构回流强度更高,回流区温度降低更明显;回流区的下方存在一个速度为0的滞止点,但滞止点并非气场中压力最大值点,压力最大值点在滞止点的下方区域,是射流中心主流的交汇点.在喷射过程中,雾化气流会以振荡形式运动,限制式结构气流振荡幅度较大,随喷射距离增加,气流的振荡减弱.     

Propagation law of shock waves and gas flow in cross roadway caused by coal and gas outburst

In order to study the propagation law of shock waves and gas flow during coal and gas outburst, we analyzed the formation process of outburst shock waves and gas flow and established the numerical simulation models of the roadways with 45° intersection and 135° intersection to simulate the propagation of outburst gas flow and the process of gas transport. Based on the analysis of the simulation results, we obtained the qualitative and quantitative conclusions on the characteristics and patterns of propagation and attenuation of outburst shock waves and gas flow. With the experimental models, we investigated the outburst shock waves and gas flow in the roadways with the similar structures to the simulated ones. According to the simulation results, when the angle between the driving roadway and the adjacent roadway increased, the sudden pressure variation range in adjacent roadway and the influencing scope of gas flow increased and the sudden pressure variation duration decreased. The intersection between the driving roadway and the adjacent roadway has no effect on airflow reversal induced by the shock waves and gas flow.     

Numerical simulation for explosion wave propagation of combustible mixture gas

A two-dimensional multi-material code was indigenously developed to investigate the effects of duct boundary conditions and ignition positions on the propagation law of explosion wave for hydrogen and methane-based combustible mixture gas. In the code,Young’s technique was employed to track the interface between the explosion products and air,and combustible function model was adopted to simulate ignition process. The code was employed to study explosion flow field inside and outside the duct and to obtain peak pressures in different boundary conditions and ignition positions. Numerical results suggest that during the propagation in a duct,for point initiation,the curvature of spherical wave front gradually decreases and evolves into plane wave. Due to the multiple reflections on the duct wall,multi-peak values appear on pressure—time curve,and peak pressure strongly relies on the duct boundary conditions and ignition position. When explosive wave reaches the exit of the duct,explosion products expand outward and forms shock wave in air. Multiple rarefaction waves also occur and propagate upstream along the duct to decrease the pressure in the duct. The results are in agreement with one-dimensional isentropic gas flow theory of the explosion products,and indicate that the ignition model and multi-material interface treatment method are feasible.     

带活门轴对称变截面管道中强激波的传播特性

研究了核爆炸环境下带活门轴对称变截面管道中非理想气体激波的传播特性,并讨论了在其传播过程中电离和离解效应的影响．通过利用TVD格式和时变非均匀网格对模型进行的数值模拟表明,在理想模型中波前压强的变化不会对无量纲结果产生影响,但在非理想模型中却会导致无量纲结果的较大变化,而且入射激波的波峰越陡,到出口处波峰被抹平的幅度越大,活门的消波效果理想．通过对一维和二维计算结果的比较指出了一维计算的缺陷所在,而数值计算和近似估算结果的比较验证了近似估算公式的正确性．     

高压注水防治瓦斯突出试验研究

严重突出地区煤巷掘进,采取超前排放钻孔等防突措施后,掘进期间瓦斯涌出量大、易超限,影响掘进速度和施工安全.高压注水综合防突措施可有效防治煤与瓦斯突出,降低巷道掘进期间瓦斯涌出,保证施工安全,提高掘进速度.     

两软一硬煤层突出控制因素与发生规律

针对两软一硬煤层特殊的瓦斯地质条件,以云盖山井田一矿二1煤层为例,探寻了两软一硬煤层煤与瓦斯突出的控制因素,分析了掘进工作面掘进期间突出预测指标的分布特征,总结归纳了"两软一硬"煤层煤与瓦斯突出发生规律.研究结果表明,由于地质构造变动,云盖山一矿二1煤层产状变化较大,煤层倾角发生急剧变化的地带,地应力集中;受层间滑动构造的影响,煤层厚度变化较大,具有突然增厚、变薄以至尖灭、挤灭现象;二1煤层构造软煤呈连续层状发育.因此,在煤层薄、厚交接处(煤层急剧变化带),小断层附近,应力集中,瓦斯积聚,煤体破坏严重,易发生突出.此项研究,可为地质条件类似矿井开展瓦斯地质研究和瓦斯灾害防治工作提供方法借鉴和理论指导.     

受限空间瓦斯爆炸火焰与毒气传播研究

为揭示瓦斯爆炸过程中火焰、毒气及压力三者间相互关系,采用一端封闭的爆炸试验装置,通过改变瓦斯聚集长度和点火强度,研究了瓦斯爆轰及爆燃状态下火焰、毒气及压力传播变化规律.结果表明,管道内瓦斯爆燃状态下火焰的传播速度远小于爆轰状态下的传播速度,变化趋势呈线性;瓦斯爆炸火焰传播速度的大小直接影响爆轰的形成以及爆炸强度和爆炸传播距离;爆燃状态下火焰和毒气传播的距离基本相当,均为原始瓦斯聚集总长度的2倍左右;爆轰状态下火焰和毒气传播的距离基本相当,均大于原始瓦斯聚集长度,但传播距离不确定.     

安林煤矿煤与瓦斯突出区域危险性分布的探讨

通过分析安林煤矿煤与瓦斯突出特点及瓦斯赋存状况,研究和探讨了地质构造和岩浆岩侵入对煤质和瓦斯赋存的影响,测定了突出预测指标在煤层中的变化及其分布规律,对开采煤层进行了突出危险性区划.     

矿井沼气爆炸安全距离的探讨

本文论述了井下发生沼气爆炸时空气冲击波的发生发展过程,以及空气冲击波沿井巷传播的衰减规律。并通过瓦斯爆炸试验和回归分析,得出了井下一定量的沼气在无煤尘参与的条件下发生爆炸时的安全距离。这一安全距离可供修订《煤矿救护规程》和处理事故时参考。     

Failure modes of coal containing gas and mechanism of gas outbursts

In order to explain the mechanism for gas outburst, the process of evolving fractures in coal seams is described using system dynamics with variable boundaries. We discuss the failure modes of coal containing gas and then established the flow rules after failure. The condition under which states of deformation convert is presented and the manner in which these convert is proposed. In the end, the process of gas outbursts is explained in detail. It shows that a gas outburst is a process in which the boundaries of coal seams are variable because of coal failure. If the fractures are not connected or even closed owing to coal/rock stress, fractured zones will retain a certain level of carrying capacity because of the self-sealing gas pressure. When the accumulation of gas energy reaches its limit, coal seams will become unstable and gas outbursts take place.