煤與瓦斯突出兩相流運移衰減規律實驗研究

王良成，石必明，劉 義，張雷林，鐘 珍，張 煜

（安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001）

煤與瓦斯突出是礦井生產過程中最為嚴重的動力災害之一[1]。它能在極短時間內從煤壁內部向采掘工作空間突然噴出大量煤和瓦斯，破壞巷道設施和通風系統，造成人員傷亡[2]。因此，開展突出過程中煤與瓦斯兩相流運移衰減規律等相關研究對于礦井煤與瓦斯突出災害防治具有重要意義。

在煤與瓦斯突出兩相流在巷道中的傳播規律研究方面，國內外學者通過理論分析、實驗研究及數值模擬等手段開展了大量研究[3-5]。蔣安飛等[6]研究了不同瓦斯壓力下的煤與瓦斯突出兩相流的傳播特性和突出沖擊波的衰減規律；孫東玲等[7]通過試驗將煤顆粒在巷道中的運移分為加速、平衡減速及沉降等運動階段，并建立了一維情況下突出煤在巷道中的運移數學模型；許江等[8]研究了突出煤粉隨著距離的增加其形態由固相流擴散為栓塞流，沉降量隨之增大的運移規律；金侃[9]研究了突出煤體粉化機制以及煤與瓦斯兩相流的流型、沖擊波超壓、運移速度和突出煤粉質量均受突出壓力和煤粉顆粒組成的影響。

上述學者對煤與瓦斯突出兩相流對運移規律的研究大多采用較大粒徑的煤粉突出并側重研究沖擊氣流的傳播特征，未綜合考慮突出發生后兩相流在巷道內的運移衰減規律和致災特征。因此，利用自主研發的煤與瓦斯突出實驗模擬系統，采用較小粒徑煤粉研究煤與瓦斯兩相流沖擊壓力變化規律以及煤粉分選特性，以期能夠對指導礦井安全防護有一定參考意義。

1 實驗系統及實驗方法

1.1 實驗系統

自主研制的煤與瓦斯突出實驗模擬系統原理圖如圖1，實驗系統包含：充氣系統、煤與瓦斯突出發生裝置、管道系統和數據采集系統。

圖1 煤與瓦斯突出實驗模擬系統原理圖（單位：m）Fig.1 Principle diagram of coal and gas outburst experiment simulation system

1）充氣系統由高壓CO2氣瓶、減壓閥及高壓充氣管等組成（為了保證實驗安全，以CO2代替瓦斯作為實驗氣體）。

2）煤與瓦斯突出發生裝置實物圖如圖2。裝置由突出腔體、液壓千斤頂及快速揭露裝置等組成。其中突出腔體由鋼化玻璃制成，最大承壓1 MPa，腔體內徑200 mm，長度500 mm，壁厚10 mm，突出口徑100 mm。快速揭露裝置采用電磁鐵連接突出啟動裝置手動觸發。

圖2 煤與瓦斯突出發生裝置實物圖Fig.2 Physical diagram of coal and gas outburst device

3）管道系統由高強度、高透光率的亞克力材質圓管組成，管道直徑200 mm，壁厚10 mm，最大承壓1 MPa。單根管道長200 mm，每根管道通過法蘭盤和墊片密封連接。

4）數據采集系統由多通道高速采集器和壓力傳感器構成，壓力傳感器為四川拓普公司生產的KD2004 系列壓電式壓力傳感器，靈敏度為6 912 Pc/MPa，實驗選取采樣頻率為5 kHz。

1.2 實驗方案及步驟

實驗系統通過液壓千斤頂對煤試件施加0.54 MPa 軸向應力[10]。當軸向加載時，高壓密封腔體的約束作用為型煤試件提供了圍壓，用來模擬假三軸加載實驗。

實驗煤樣采自淮南礦區C13煤層，根據前人型煤配比經驗[11]，將煤樣破碎得到76%的粒徑為0～1 mm 的煤粉和24%的粒徑為1～3 mm 的煤粉，并添加質量分數3.2%的腐植酸鈉水溶液作為膠結劑攪拌均勻[12]，煤樣含水率為8%。實驗注入CO2氣體，吸附平衡后壓力為0.5 MPa，管道及傳感器布置如圖1。實驗管道總長16 m，在距突出口1.6、2.4、3.6、4.4、6.4、8.4 m 處共布置6 個壓力傳感器，并依次編號為P1～P6。

具體實驗步驟如下：

1）制備煤試件：煤樣準備→裝填密封→試件成型→氣密性檢查。

2）連接管道并布置壓力傳感器。

3）對突出腔體抽真空1 h，使用氣瓶向腔體中注入CO2氣體至0.5 MPa 并保持吸附平衡。

4）開啟數據采集系統，然后啟動突出，突出結束后保存數據。

5）收集管道內煤粉并篩分整理。

2 實驗結果

2.1 突出煤粉運移及分選特征

2.1.1 突出煤粉分布特征自突出口起，將管道以2 m 為間隔等分為8 個區域。突出結束后依次收集每個區域內的煤粉并稱重，各區域煤粉質量分布見表1。由表1 可知，突出煤粉共計5.513 kg，相對突出強度為55.1%。突出煤粉主要積聚在管道的區域2 和區域3 內，質量占比為45.98%。

表1 各區域煤粉質量分布Table 1 Mass distribution of coal powder in each region

由表1 可以看出，突出煤粉質量分布沿程增大在區域3 內達到最大值1.353 kg，再沿程減小在區域6 內達到最小值0.345 kg，隨后又在區域7 內增大，區域8 內減小。總體上，突出煤粉質量在管道中分布呈現2 次先增大后減小的趨勢，這是由于整個突出過程是間歇式多次發生的[13]。煤試件首次突出煤粉拋出后，因煤粉在突出口附近的堆積阻塞了突出腔體內兩相流運移通道，導致腔體內部氣體壓力升高，短時間內再次突出形成新的煤與瓦斯兩相流沿管道向前運移，同時每個兩相流之間存在著空氣壓縮區。

根據本次突出煤粉質量分布特征，可將本次突出過程簡化看成2 次突出。突出發動后，煤粉解吸的瓦斯具有較大膨脹能[14]，管道內瓦斯氣體瞬間聚攏并在黏性力作用下攜帶煤粉呈射流狀不斷向前加速運移；隨著距離的增加，突出口溢出的瓦斯氣體壓力減弱，兩相流速度降低，煤粉沉降量增大；之后，管道內瓦斯壓力逐漸降為常壓狀態，煤粉動能不足，沉降量減少。由于腔體內瓦斯持續解吸和煤粉持續剝離，第2 次突出所產生的能量已大不如首次突出，突出距離較近，故沉降在管道前中部的煤粉較多。

2.1.2 突出煤粉分選特性

各區域煤粉粒徑質量占比如圖3。由圖3 可以看出：突出煤粉以粒徑小于1 mm 的小粒徑顆粒為主，其占比約為67.85%，小于原本配制含量76%。這是由于煤試件在成型壓力作用下，腐植酸鈉水溶液黏合能力較強且煤粉含水率較高，導致部分小粒徑煤粉會吸附黏合在較大粒徑煤粉上，部分煤粉體積增大，產生大量易捻碎的煤粉。

圖3 各區域煤粉粒徑質量占比Fig.3 Proportion of coal powder particle size in each region

由圖3 還可以看出：就粒徑小于1 mm 的煤粉而言，區域1 質量占比高達71.95%，隨后沿程遞減；相對比而言，1～3 mm 和大于1 mm 粒徑的煤粉在管道內的分布情況則相反，在區域8 內1～3 mm 粒徑的煤粉質量占比高達34.05%、大于3 mm 粒徑的煤粉質量占比高達1.9%，整體呈現為沿程遞增的趨勢。相比于煤礦突出現場的情況，實驗模擬中的突出是瞬間發生的，突出動力維持時間很短[15]，多數煤粉是由于慣性向前運移，而較大顆粒煤粉慣性較大又在被瓦斯氣體攜帶運動時獲得的動能也較大，故呈現沿程遞增的趨勢。

2.2 突出兩相流沖擊壓力衰減規律

2.2.1 突出兩相流沖擊壓力時程衰減規律

各測點沖擊壓力變化曲線如圖4。由圖4 可以看出：突出啟動后，煤與瓦斯兩相流瞬間打擊在壓力傳感器上，這使得沖擊壓力迅速上升到峰值，后因為兩相流的噴射量減小，沖擊壓力逐漸衰減并且趨于穩定。6 個測點處沖擊壓力的上升速率均大于其下降速率。

圖4 各測點沖擊壓力變化曲線Fig.4 Change curves of impact pressure at each measuring point

由圖4 還可以發現：P1、P2、P3、P4、P5、P6測點處沖擊壓力峰值出現的時間分別為0.862、0.973、1.024、1.347、1.739、2.617 s，因此，距突出口越遠，沖擊壓力到達峰值的時間越滯后[16]。各測點的沖擊壓力峰值變化如圖5。

圖5 各測點的沖擊壓力峰值Fig.5 Peak impact pressure at each measuring point

由圖5 可以看出：沖擊壓力隨著突出距離增加并不是線性遞減的，而是呈現震蕩衰減變化趨勢；P1測點沖擊壓力峰值為117.3 kPa，伴隨著煤與瓦斯兩相流的運移，P2測點沖擊壓力峰值陡增到管道內最高值，為318.1 kPa，壓力增幅117.2%；P3測點沖擊壓力峰值下降為82.8 kPa，較P2測點衰減了74%；但P4測點沖擊壓力峰值異常增大為153.4 kPa，這是由于煤與瓦斯兩相流快速噴出壓縮管道內的氣體產生壓縮波，當多個壓縮波沿著管道同向層層疊加傳播，最終形成沖擊波造成壓力增大[17]；P5測點、P6測點處于管道中后段，突出兩相流運移到此處時能量較小，因此沖擊壓力的峰值也較小，并且沿程遞減。

2.2.2 突出兩相流沖擊壓力空間衰減規律

不同時刻沖擊壓力變化規律如圖6。由圖6 可以看出：突出0.15 s 內，鄰近突出口的沖擊壓力開始變化，在P1測點處出現第1 個波峰（簡稱“峰1”，下同）；突出0.25 s 內，在P2測點處出現第2 個波峰，此時峰1 沖擊壓力略大于峰2 沖擊壓力，管道后端沖擊壓力尚未擾動；突出0.25～1 s 間，峰1 和峰2持續增大，且在P4測點處存在峰3；突出1～3 s 之間，3 處波峰沖擊壓力同時下降，管道內沖擊壓力逐漸衰減；突出3 s 時，峰3 沖擊壓力略大于峰2 沖擊壓力。

圖6 不同時間沖擊壓力變化規律Fig.6 Change law of impact pressure at different time

煤與瓦斯突出過程中，兩相流沖擊壓力在管道內呈現震蕩衰減的變化趨勢。觀察發現，管道內P2測點和P4測點處存在沖擊壓力波峰，這是由于兩相流的發育是從未完全膨脹狀態轉化成完全膨脹狀態的過程，因此，使得兩相流在管道前段出現2 處的沖擊壓力陡增區。觀察P6測點處沖擊壓力變化較小且未超過20 kPa，表明管道中后段沖擊壓力受擾動較小。

3 結 論

1）煤粉相對突出強度為55.1%，突出煤粉質量在管道中分布呈現2 次先增大后減小的趨勢。突出煤粉會含有大量易捻碎的煤粉，其最大直徑為23.74 mm。突出煤粉有較強分選特性，管道內粒徑小于1 mm 的煤粉分布呈現沿程遞減趨勢，而1～3 mm 和大于1 mm 粒徑的煤粉的分布呈現沿程遞增的趨勢。2）突出啟動后，管道內沖擊壓力突變，兩相流沖擊壓力呈先增大后減小的趨勢且增大速率大于其減小速率，沖擊壓力峰值出現的時間隨著突出距離增加而滯后。突出瞬間發生，兩相流快速噴出，從未完全膨脹狀態轉化成完全膨脹狀態，產生層層疊加壓縮波最終形成沖擊波，導致沖擊壓力在管道前段出現兩處壓力陡增區，整體呈現震蕩衰減變化趨勢。