煤与瓦斯突出两相流传播特性实验研究*

刘 义，石必明，张 煜，张雷林，马衍坤，钟 珍

(安徽理工大学 安全科学与工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引言

随着煤炭开采深度的逐渐增加，煤与瓦斯突出事故发生频率以及强度明显增大，导致了大量的人员伤亡以及财产损失[1]。煤与瓦斯突出在极短的时间内向井下抛出大量煤岩及瓦斯，其中煤-瓦斯构成的两相流能够沿管道运移数十至数百米不等，严重威胁着煤矿生产安全[2]。因此，研究煤与瓦斯突出两相流在巷道中传播规律及对风流扰动影响，对矿井防灾减灾有着重要意义。

为了探究煤与瓦斯突出气流在井巷中运移规律，国内外学者进行了大量的研究[3-5]。王凯等[6]采用数值模拟方法和实验室实验相结合的方法研究了煤与瓦斯突出冲击波在巷道内的衰减规律；孙东玲等[7]建立了一维情况下突出煤在管道中的运移数学模型，计算得到突出煤运移距离随着初始气流速度增大而增大的规律；张建方等[8]研究发现突出冲击波属于弱冲击波，并且给出了突出冲击波传播规律的数学关系式；程亮等[9]研究了不同瓦斯压力下的冲击力在管道中的传播规律以及煤-瓦斯两相流运动特征；吴爱军等[10]根据空气动力学理论分析了冲击波沿巷道方向传播规律，理论阐明了反射波和入射波在突出中的作用机理。

上述学者对煤与瓦斯突出两相流运移规律的研究多偏向于气体冲击或未综合考虑煤粉分布、煤粉流动状态和煤粉速度之间关系。因此，本文利用自主研制的煤与瓦斯突出两相流实验模拟系统，研究煤-瓦斯两相流突出过程，分析得出两相流冲击压力变化规律以及煤粉运移分布规律，研究结果对于指导煤矿井下安全防护有着一定的参考意义。

1 实验系统及方法

1.1 实验系统

自主研制的煤与瓦斯突出管道实验系统如图1所示，包含：煤与瓦斯突出发生装置、管道系统、数据采集系统及传感器等。突出发生装置由突出腔体、气瓶及快速揭露装置组成，其中突出腔体由型钢制成，最大承压5 MPa，腔体内径200 mm，长度500 mm，壁厚10 mm，突出口径40 mm。快速揭露装置由密封滑块和连接撬棍构成，实验时利用撬棍打开突出口密封滑块，达到快速泄压的目的。管道系统由直径为200 mm，厚度为10 mm的透明亚克力材质圆管构成，圆管之间采用法兰连接。数据采集系统由多通道高速采集器、高速成像系统构成，压力传感器选用四川拓普公司生产的KD2004系列压电式压力传感器，量程0.5 kPa～1 MPa，灵敏度6 912 Pc/MPa，实验所用采样频率为5 kHz，高速成像系统选用IDT公司生产的Y7系列摄像机，照片拍摄速率为每秒2 500张。

图1 煤与瓦斯突出模拟实验装置示意

1.2 实验方案及步骤

本文实验目的是研究煤粉-瓦斯耦合作用下煤与瓦斯突出动力特征。由于地应力对突出的影响主要集中在突出触发前对煤体的破碎，从突出孔壁上剥落的煤壳(粉体)在高压气流的作用下不断喷出并输送到巷道空间，突出煤的喷出/输送主要依赖于瓦斯能，因此对于突出煤气流的研究，可以忽略地应力的影响，并且实验也不需要三轴加载系统。实验煤样采自淮南谢家集矿区望峰岗井田C13煤层，煤样相关物理参数如表1所示，将其破碎为6～80目粒径的粉煤备用，为保证实验安全，采用二氧化碳气体替代煤矿瓦斯，由于中梁山煤矿突出实验中实测的瓦斯-粉煤流静压头为0.3～0.6 MPa，确定实验突出装置气体平衡压力为0.4 MPa。管道及传感器布置如图1所示，实验管道总长15 m，分别在距突出口3.6，7.6，9.6，11.6 m处布置超压传感器，并在前3个测点处同时架设摄像机。

表1 实验煤样分析

具体实验步骤如下：

1)称取煤样15 kg，向突出腔体内填充煤样直至装满，随后将其进行密封并检查气密性。

2)按照实验设计连接管道系统并安装压力传感器。

3)利用真空泵对腔体进行抽真空脱气处理。

4)通过气瓶向腔体中通入CO2气体至实验所需压力，保持吸附24 h。

5)调试数据采集系统，然后打开快速揭露装置启动突出，突出结束后保存数据。

6)实验结束后收集突出煤粉进行整理。

2 实验结果及分析

2.1 突出两相流冲击气流传播特征

图2为煤与瓦斯突出发生后管道内不同位置处的冲击气流压力变化曲线。表2为管道内不同位置处气流超压峰值及衰减率。

表2 管道内不同位置处气流超压峰值及衰减率

由图2可知，突出启动后，测点处压力快速上升，同时伴随着煤粉打击，压力升高到峰值后再下降，4个测点处压力上升速率均大于其衰减速率。在压力衰减阶段，各个测点压力均未出现间歇式下降[11]，本文实验所采用的煤样瓦斯放散初速度指标较小，大量气体在0～10 s内已被快速释放，因此巷道内测点压力为连续性变化。管道中突出冲击气流扰动持续时间较长，可达4 s左右。这是由于本次实验采用40 mm突出口径，在较小突出口径的情况下，突出腔体内压力下降速率较低[12]，另外煤粉对瓦斯吸附性较好，煤样内充斥大量瓦斯气体，突出启动后大量气体向外喷出，二者综合作用导致煤与瓦斯突出对管道内空间造成较长时间的影响。

图2 管道内不同位置处冲击气流压力变化曲线

管道内各测点的压力变化规律总体相似，但也存在着一些差异，具体表现如下：由图2得出，突出后3.6，7.6，9.6，11.6 m处冲击压力到达峰值的时间分别为1.21，1.75，2.42，3.17 s。可以看出，距离突出口越远，峰值压力出现的时间也越滞后。图3为管道不同位置处冲击气流峰值压力变化曲线。由表2和图3得出，距突出口越远的测点其气流超压峰值越小，距突出口7.6，9.6,11.6 m处的超压衰减率分别为15.4%，40.7%，61.8%，可以看出气流超压峰值随着距离的增大而衰减的更快。

图3 管道不同位置处冲击气流峰值压力变化曲线

2.2 突出煤粉运移及分布特征

自突出口起，将管道系统每米划分为1个区域并按照数字顺序进行编号，共划分成15个区域，依据与突出口距离，由近及远，每5个区域分别分为前、中、后部，待实验结束后分别收集各区域煤粉并称重，结果如表3所示。将突出后各区域煤粉质量绘制成如图4所示。突出后，腔体中一共喷出3.12 kg煤粉，相对突出强度为20.8%。

表3 各分区煤粉质量分布

图4 管道内不同区域煤粉质量分布

图5为管道各区域煤粉堆积分布特征，由图4与图5可以看出，模拟管道前部(靠近突出口部位)突出煤粉较少且多为小粒径煤粉，其质量为1.052 kg，占突出煤粉质量的33.7%。中部突出的煤粉质量分布最大，一共为1.9 kg，占突出煤粉总质量的61%，其煤粉的粒径分布范围较广。后部突出煤粉占比最小，仅占突出煤粉总质量的5.3%，质量为0.166 kg，但是管道后部多为较大粒径的煤粉颗粒。

图5 管道各区域煤粉堆积分布特征

突出煤粉在管道中分布呈现先增大再减小的趋势，整体近似于正态分布。这是由于突出启动后，初期瓦斯具有较大的膨胀能[13]，携带煤粉能力强，瓦斯-煤粉两相流从突出口内以射流的形式喷出，以近似悬浮的状态向前发展[14]，故管道前段煤粉分布较少。随着管道的阻力，高压瓦斯的能量被逐渐消耗，煤粉开始减速下落并沉积下来，导致中段煤粉分布较多。而大颗粒煤粉在被瓦斯气体携带运动时获得较大的动能，故被抛出更大的距离，分布在管道末端。

图6～8为管道内不同测点处煤粉运移图像。由图6可以看出，距突出口3.6 m处，煤粉存在着较为明显的分层现象，上方为较为滞后的小粒径煤粉，下方则是粒径较大的煤粉。这是由于当煤粉从突出口喷出后，较大颗粒的煤粉由于重力作用下沉在管道底部，细小煤粉由于更易受到空气阻力影响而被吹散在管道上部并且滞后于下方煤粉流。由图7可以看出，煤粉流在距突出口7.6 m处呈舌状发育，无明显分层现象，整体为均一状，这是由于突出启动一段时间后，高压瓦斯射流充分膨胀，驱动着整个管道断面的空气向前运动，整个煤粉流充分混合，一起向前发展[15]。由图8看出，在距突出口9.6 m处煤粉流主要为大颗粒为主，颗粒数较少，这可能是由于颗粒较大的煤粉能够获得更大动能，而细小粒径煤粉由于受到空气阻力的作用而提前沉降[16]。

图6 距突出口3.6 m处煤粉运移图像

图7 距突出口7.6 m处煤粉运移图像

图8 距突出口9.6 m处煤粉运移图像

将煤粉流初次出现在画面最右侧时刻定义为t=0 ms，画面长度为200 mm,利用图像测速法[17]计算出每个测点速度并填入表4。表4为不同位置处煤粉速度与煤粉打击压力。由表4可知，在突出后随着距离的增大，煤粉流速度呈现衰减的规律。

其中距离突出口3.6 m处，煤粉流速度最大，为25 m/s，随着距突出口的距离的逐渐变远，煤粉流速度逐渐减小，在7.6 m处速度为21.74 m/s，衰减了约13%。当煤粉流继续向前发展，突出距离到达9.6 m时，由于瓦斯膨胀能的大量耗散，煤粉流速度大为降低，仅有13.89 m/s，较之7.6 m处衰减了36.1%。可以看出，随着突出距离的逐渐增大，衰减的幅度也越来越大。

图9为管道内煤粉打击压力峰值与煤粉速度衰减曲线，可以看出煤粉打击减弱的同时煤粉运移速度也随之减小。由表4和图2可知，距离突出口3.6，7.6和9.6 m处存在着大量的煤粉打击，煤粉冲击压力分别为293.8，199.1，55.5 kPa，煤粉打击压力衰减规律与冲击气流压力衰减规律类似，随着距离突出口变大，煤粉开始沉降，煤粉打击力越弱。在距离突出口11.6 m处已监测不到煤粉流打击。

表4 不同位置处煤粉速度与煤粉打击压力

图9 管道内煤粉打击压力峰值与煤粉速度衰减曲线

3 结论

1)突出发生后，冲击气流压力沿着管道逐渐衰减且随着距突出口越远，其衰减幅度越大，冲击气流能够持续对管道内空气造成扰动。

2)煤粉流在突出前期存在分层现象，但会随着突出的继续发展而充分混合，突出末期煤粉流主要由大颗粒煤粉构成。突出煤粉质量在管道内呈正态分布，管道前部及后部煤粉分布较少，中部沉积了大量的煤粉。煤粉流运移速度与煤粉打击压力均沿着管道传播逐渐衰减，二者有着相同的衰减趋势。