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

作     者：杨雪林 文光才 孙海涛 曹偈 王波 戴林超 鲁俊 YANG Xuelin;WEN Guangcai;SUN Haitao;CAO Jie;WANG Bo;DAI Linchao;LU Jun

作者机构：太原理工大学安全与应急管理工程学院山西太原030024 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400037 中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯研究分院重庆400037 深圳大学深地科学与绿色能源研究院广东深圳518000 

出 版 物：《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期：2023年第48卷第10期

页      面：3731-3749页

核心收录：

学科分类：0402[教育学-心理学(可授教育学、理学学位）] 0401[教育学-教育学] 0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0837[工学-安全科学与工程] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(51874348) 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室开放基金资助项目(2021SKLKF05) 中国博士后基金资助项目(2021M692192) 

主　　题：煤与瓦斯突出 煤-瓦斯两相流 突出冲击波 瓦斯涌出 突出强度 

摘      要：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。