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。     

煤粉粒径对突出冲击波传播特征的影响

为研究煤粉粒径对煤与瓦斯突出冲击波传播特征的影响,自主研制了一套突出粉煤—瓦斯两相流模拟实验系统,开展不同煤粉粒径条件下的突出模拟实验,突出过程中实时监测模拟巷道不同位置冲击波超压随时间的变化规律。实验结果表明:在各监测点冲击波超压呈现正相与负相交替变化的格局,冲击波超压峰值与突出腔体内煤粉粒径呈正相关关系;突出冲击波在巷道内的传播速度也受煤粉粒径的影响,即煤粉粒径越小,冲击波传播速度越小,且冲击波传播速度沿着巷道呈衰减趋势。     

瓦斯压力对煤与瓦斯突出冲击波传播的影响研究

为研究瓦斯压力对煤与瓦斯突出冲击波传播的影响,自主研制了一套突出煤—瓦斯两相流模拟实验系统,开展了不同瓦斯压力条件下的煤—瓦斯两相流运移规律模拟实验,实现了对突出过程巷道内突出煤—瓦斯两相流运移的可视化监测.实验结果表明:煤与瓦斯突出是一个从突出口开始迅速向煤体内部发展的动力过程,期间瓦斯压力存在多次上下波动;突出过程...     

煤与瓦斯突出两相流运移衰减规律实验研究北大核心

为了研究煤与瓦斯突出后煤与瓦斯两相流的运移衰减规律,利用自主搭建的煤与瓦斯突出实验模拟系统,研究突出后煤粉运移分选特征、煤与瓦斯两相流冲击压力的演变规律。研究结果表明:在轴向应力为0.54 MPa、瓦斯压力为0.5 MPa时,煤粉相对突出强度为55.1%;突出煤粉有较强分选特性,管道内粒径小于1 mm的煤粉分布呈现沿程递减的趋势,而粒径为1~3mm和粒径大于1 mm的煤粉分布呈现沿程递增的趋势;突出启动后,两相流冲击压力呈先增大后减小的趋势,且增大速率大于其减小速率,冲击压力峰值出现的时间随着突出距离增加而滞后;由于突出瞬间发生,两相流快速喷出,从未完全膨胀状态转化成完全膨胀状态,产生层层叠加压缩波,最终形成冲击波,导致冲击压力峰值在管道前段出现突增现象,整体呈震荡衰减的变化趋势。     

煤与瓦斯突出对矿井通风系统的影响研究现状及展望

为研究煤与瓦斯突出灾变时期矿井通风系统灾变机理以及瓦斯爆炸二次灾害的防控机制,从冲击波对通风系统的影响、突出瓦斯对通风系统的影响以及突出煤体对通风系统的影响3个方面综述了煤与瓦斯突出对通风系统的影响规律研究现状:首先,分析了冲击波破坏通风设备设施的影响因素以及冲击波在巷道中的传播规律;其次,分析了突出瓦斯在巷道中的运移过程及其诱导井下风流灾变规律;最后,分析了突出煤体在巷道堆积的影响因素。结果表明:冲击波的破坏效应与冲击波超压等因素有关,冲击波在巷道中的传播受巷道截面面积等的影响;突出瓦斯在巷道运移过程中产生的瓦斯风压能导致井下风流灾变;突出煤体在巷道的堆积主要与煤层深度和煤与瓦斯突出强度有关。根据煤与瓦斯突出对通风系统的影响规律研究现状,结合当前煤与瓦斯突出模拟试验条件,分析了煤与瓦斯突出对通风系统的影响研究成果存在的不足及其原因,并针对当前研究成果存在的不足提出了改进煤与瓦斯突出对通风系统影响规律研究的方向。煤与瓦斯突出对通风系统的影响规律研究成果可以应用于煤与瓦斯突出影响范围的快速研判,以提高煤与瓦斯突出灾变时期的辅助应急决策能力。     

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...     

煤与瓦斯突出冲击波模型优化计算分析

在分析煤与瓦斯突出的特点的基础上,结合空气动力学的相关理论,建立了煤与瓦斯突出冲击波模型;通过推导计算得到瓦斯膨胀功,再假设突出发生后突出物做斜抛运动,得到突出初速度的简化计算公式;提出了"功势差"的概念,即煤与瓦斯膨胀功与其重力势能差,计算得出突出超压与功势差成正比,突出气流速度与功势差的1/2次方成正比及冲击波超压与煤层瓦斯压力之间存在指数关系。     

突出过程中煤—瓦斯两相流运移规律的实验研究

为了深入探索煤与瓦斯突出过程中煤—瓦斯在巷道内的运移规律,利用自主研发的煤与瓦斯突出动力效应模拟实验装置,在"H"型巷道布置条件下进行了突出过程煤—瓦斯两相流运移规律的实验研究,结果表明:在气体压力0.35 MPa时共突出煤粉60.453 kg,煤粉主要堆积于主巷内,且呈梯形分布,联络巷与支巷内几乎没有煤粉堆积;沿巷道同一测点的气体压力在极短时间(t1.5 s)内发生多次波动,主巷道内不同测点气体压力峰值基本沿巷道呈衰减趋势。同时,通过实验验证了突出过程冲击波的存在,主巷内冲击波传播速度为368.1~434.2 m/s。     

巷道空间内瓦斯爆炸冲击波传播的数值模拟

为研究在巷道空间里瓦斯爆炸冲击波的传播特性,采用ANSYS/LS-DYNA程序的流固耦合算法,建立巷道瓦斯爆炸物理模型,对巷道空间里瓦斯爆炸过程进行数值模拟,得到瓦斯爆炸过程中冲击波变化云图,并拟合了冲击波衰减变化规律.研究表明:瓦斯爆炸冲击波经历了从球面到平面冲击波的发展过程,最终冲击波逐渐衰减为常压状态,但在受限空间内瓦斯爆炸冲击波遇壁面会发生反射与叠加,因此要合理的设置泄压口;爆炸冲击波超压与距离成非线性关系,即爆炸冲击波超压与距离的平方根成反比.研究结果对瓦斯爆炸传播事故的预防和灾害控制有一定的指导作用.     

直巷道中突出冲击气流的形成及传播特征研究

煤与瓦斯突出产生的冲击气流有很强的破坏效应,首先分析了突出冲击气流的形成原因;然后建立了直巷道的几何结构模型,设定相应的初始条件与相关参数,对突出冲击气流的运动过程进行了数值模拟计算,得出了不同时刻的冲击气流压力、速度以及瓦斯相对质量浓度在巷道内的分布情况,同时分析突出发生区域出口断面处的冲击气流平均压力和速度随时间变化过程,并根据模拟结果得出定性与定量化的结论;最后,构建了煤与瓦斯突出在直巷中传播的实验系统,通过实验的手段分析了冲击波在直巷中衰减规律。研究结果表明,突出能在巷道空间内形成较高速度运动的冲击气流及冲击波;与突出区域原始瓦斯压力相比,冲击气流压力发生了急剧下降;冲击气流强度在断面不变的直巷道中传播会发生衰减,前期超压衰减较为缓慢,后期超压衰减增快。     

巷道断面突变对突出冲击波传播的影响

为了研究巷道断面突变对突出冲击波传播的影响和冲击波超压冲量的破坏作用,利用自行搭建的煤与瓦斯突出冲击波传播实验系统,结合三维变截面巷道冲击波传播数值模型的建立,基于实验室实验和数值模拟的方法,研究了不同初始瓦斯压力下突出冲击波在断面突变巷道中的传播规律。结果表明:突出后巷道内压力变化可划分为冲击扰动初始阶段和压力衰减阶段,其中冲击扰动初始阶段冲击波超压峰值大于压力衰减阶段压力峰值,且前者超压冲量小于后者;以初始压力为0.6 MPa为例,计算得出压力衰减阶段超压冲量比冲击扰动初始阶段高52.4%,总冲量随冲击波传播呈先衰减后增大的规律;突出发生后,冲击波超压先随距离发生衰减,当冲击波从断面突变前的大直径巷道传入后方小直径巷道,因壁面反射形成局部高压区,超压强度在截面前0.65 m处增大,出现先衰减后增大的变化规律。     

煤与瓦斯突出冲击气流形成及传播规律

为充分认识煤与瓦斯突出冲击气流的形成机理及其传播特征,基于气-固耦合作用下的煤与瓦斯突出物理模拟试验结果,结合气体动力学理论,建立冲击气流的形成及其运移模型,并应用于煤与瓦斯突出冲击气流数值模拟分析.结果 表明:煤层瓦斯压力和应力下降过程中皆存在阶段性平稳或回升现象,说明能量的释放是分阶段完成的;煤层应力的变化主要集中...     

巷道截面变化对突出冲击波传播的影响

为了分析巷道截面积变化对煤与瓦斯突出冲击波传播的影响,首先利用流体力学、空气动力学理论建立了突出冲击波在变截面巷道中传播的数学模型,理论分析得出了冲击波衰减与截面积变化率之间的变化规律;其次构建了变截面巷道冲击波传播的实验系统,研究了冲击波在变截面巷道中传播规律,实验研究表明突出冲击波由大截面巷道传到小截面巷道时,冲击波超压变大,波阵面的单位能量是增大的;然后建立了冲击波在变截面巷道中传播的数值计算模型,数值计算结果表明冲击波初始超压越大,冲击波衰减越快,且巷道截面积变化率越大,冲击波衰减系数也越大;最后通过对比分析,表明理论分析、实验研究以及数值计算的结果是一致的。     

煤与瓦斯突出沿井巷传播规律研究

煤与瓦斯突出整个过程包括空气冲击波的传播、瓦斯的涌出过程、以及瓦斯沿巷道网络的扩散传播。通过对上述过程的研究,摸清煤与瓦斯突出过程沿井巷网络的传播破坏规律,对于我国煤与瓦斯突出灾害的防治都有着积极的作用。     

煤粉粒径对突出瓦斯-煤粉动力特征的影响

为进一步研究煤与瓦斯突出机理以及突出煤粉粒径对突出瓦斯-煤粉动力特征影响机制,研制了突出粉煤-瓦斯两相流模拟试验系统。设置的管内安装传感器可用于同时测量突出气体冲击力以及运动煤粉对传感器的打击。煤粉在试验巷道内的动态传播特征可由传感器受到的打击情况进行分析。另外,针对目前纹影仪无法观察圆形管道内流场的问题,从纹影效果失效的原理出发,设计了一种用于观察圆形管道内流场的纹影系统直接研究突出激波波阵面的传播。利用试验系统进行4种煤粉粒径的突出试验,重点观测了突出气流冲击力、激波波阵面传播、煤粉冲击等参数。研究结果表明:气流冲击波速度远大于煤粉运动速度,在试验巷道中的突出气流冲击波在时间上会先于煤粉到达试验巷道的任何位置,气流冲击波到达传感器之后压力会在极短的时间内达到最大值,峰值压力能够保持0. 01 s左右。气体冲击力随着煤粉粒径目数的增加而增加,试验中4种粒径下气体冲击力平均依次增加10. 9%,11. 4%,7. 6%。气体冲击力在巷道内传播先增强后衰减,粒径80～200目情况下,2. 27,4. 27,6. 27和8. 27 m处传感器冲击波强度依次增强13. 6%、衰减13. 4%、衰减20. 6%。随着距离的增加煤粉对传感器的打击力呈明显的减弱趋势。煤粉运动速度随着煤粉粒径目数的增加而增加,试验中4种粒径下,试验巷道内煤粉平均速度分别为34. 4,37. 3,39. 1,41. 7 m平均速度依次增加31. 4%、减小12. 2%、减小13. 1%。纹影系统可观测到突出激波波阵面,激波波阵面垂直于试验管道轴线向突出方向高速运动。纹影计算得到波阵面的传播速度与理论间接计算值具有很好的一致性。     

深孔爆破卸压抽采煤巷消突技术在宣东二矿的应用

针对冀中能源张家口矿业集团宣东二矿煤与瓦斯突出危险性大,煤巷掘进慢,采掘接替紧张的状况,在该矿209区域采用了深孔爆破卸压抽采煤巷消突技术。结果表明:该技术对于宣东二矿防治煤与瓦斯突出、提高煤巷掘进速度(月进尺由34 m提高到70 m以上)、缓解采掘接替紧张、构建安全矿井等方面发挥了重要作用。     

煤与瓦斯突出矿井通风系统灾害演变仿真研究

为解决矿井煤与瓦斯突出导致瓦斯超限或引发瓦斯爆炸的重大次生灾害问题,建立瞬变流、对流扩散和有源风网方程,研究瓦斯突出在矿井通风系统中的动力影响和瓦斯运移传播过程。通过简单通风管网系统突出动力实验,研究在瓦斯突出源流动力与风机通风共同作用下矿井风流的非稳态运动特征。开发了矿井煤与瓦斯突出仿真软件NC2.0,模拟再现了焦作九里山矿"10·27"煤与瓦斯突出事故,在给定突出源模型(流量变化曲线)下对突出后瓦斯在矿井内非稳态流动及瓦斯分布进行仿真模拟。结果表明,突出后突出瓦斯源压力是导致风流发生变化的主要因素,并以波的形式辐射传播;瓦斯突出源高强度气流改变了矿井系统的风流运动,使回风侧巷道风量产生"过流"现象,同时抑制了进风侧巷道风量,严重时甚至出现逆流的现象。研究可为突出矿井抗灾救护预案制定、降低灾害损失以及防止二次灾害事故发生提供借鉴。