突出煤与瓦斯两相流穿越反向风门孔洞能量耗损规律研究

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煤与瓦斯突出发生时,产生的煤与瓦斯两相流会引起巷道内原有气流紊乱,并且对通风系统及巷道设施极具破环性,最终导致人员伤亡及财产损失。反向风门是矿井中重要的安全防突设施,能够有效地阻挡突出煤与瓦斯两相流,然而仍有部分能量通过孔洞穿越反向风门,造成瓦斯逆流并扩大灾害波及范围,导致突出次生灾害的发生。因此,掌握煤与瓦斯两相流穿越反向风门孔洞能量耗损规律对于防治煤与瓦斯突出次生灾害具有十分重要的意义。通过理论分析突出能量源及其耗损途径,建立煤与瓦斯突出模拟试验平台,在不同初始压力下进行突出煤与瓦斯两相流穿越反向风门孔洞试验,并建立与物理试验对应的数值模拟模型进行分析,以进一步完善突出煤与瓦斯两相流在巷道内的传播规律及其致灾机制。为控制突出灾害的影响,提高矿井安全生产水平提供理论支撑。主要研究内容和结论如下:(1)对煤与瓦斯突出要素、能量源及其耗损途径进行理论分析,简述突出煤与瓦斯两相流形成过程及在巷道内的传播规律。推导出了突出冲击波穿越反向风门孔洞后超压计算公式。基于突出煤与瓦斯两相流一维定常流动模型,建立两相流控制方程组。(2)基于相似理论,设计搭建了煤与瓦斯突出模拟物理试验平台,在初始突出压力为1 MPa、0.74 MPa以及0.5 MPa下开展突出煤与瓦斯两相流穿越反向风门孔洞(以20mm风门底坎为例)试验。结果表明:1)初始突出压力越大煤粉突出量越大且突出冲击波超压越大,突出强度与初始突出压力呈正相关。突出煤粉及冲击波主要沿主巷道传播,极少数分流至分支巷,且运移至分支巷的煤粉以粒径>80目为主。2)突出煤粉在巷道内呈明显分选现象:在突出口巷道内各粒径煤粉质量分布均匀,随着煤粉抛出距离的增加,大粒径煤粉占比不断减小,小粒径煤粉占比增加,小粒径煤粉更容易穿越风门孔洞继续向前运移。3)突出具有阵发性且发生速度极快,超压曲线有多次突跃过程。沿直巷道传播的冲击波在与反向风门撞击后会产生反射冲击波,同入射冲击波叠加后抬升靠近风门处超压峰值,使风门前直巷道超压呈离风门越近、突出腔体越远,超压越大的规律。4)大部分煤粉及冲击波被阻挡在风门外,煤粉穿越第一道风门的损失率大于70%,穿越两道风门的煤粉质量低于总突出煤量的7%,突出冲击波穿越第一道风门后超压衰减70%以上,穿越第二道风门超压小于1.5 k Pa。两道风门对突出煤粉及冲击波阻挡效果显著。5)分流至分支巷的冲击波会再次传播至主巷道内,可能导致瓦斯逆流6)计算得到煤体穿越第一道风门破碎功为试验煤体总破碎功的7%。0.5 MPa、0.74 MPa、1 MPa下煤体运移至两道风门间的移动功分别占试验煤体总移动功的7.1%、9.0%、9.6%。(3)简化巷道后构建了突出煤与瓦斯两相流三维数值模型,并采用ANSYS-FLUENT软件模拟了煤与瓦斯两相流在巷道中运移及穿越反向风门孔洞的传播规律。模拟结果如下:1)冲击波流动速度超前于煤粉速度,煤粉速度及冲击波超压与初始压力呈正相关,初始压力越大煤粉速度到达峰值所需时间越短,煤与瓦斯两相流运移越远。2)煤粉在短时间内即可获得速度随即达到最大值,最大值超过100 m/s,煤粉在巷道中心区域速度快,边沿速度相对较慢,呈现速度梯度现象,突出压力越小,煤粉速度梯度越明显。随着传播距离的增大,煤粉速度有减小趋势,但仍以较大速度穿越反向风门孔洞,穿越风门后由于能量耗损等原因速度减小。3)突出冲击波与两道风门碰撞产生反射冲击波叠加导致风门后超压增大,在设置防突装置时,需考虑风门间距避免突出次生灾害的发生。4)数值模拟巷道内超压变化与物理试验中超压变化规律具有一致性,说明建立的三维模型研究突出煤与瓦斯两相流穿越反向风门孔洞传播规律合理可靠。
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