煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移衰減規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

王良成，石必明，劉 義，張雷林，鐘 珍，張 煜

（安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

煤與瓦斯突出是礦井生產(chǎn)過(guò)程中最為嚴(yán)重的動(dòng)力災(zāi)害之一[1]。它能在極短時(shí)間內(nèi)從煤壁內(nèi)部向采掘工作空間突然噴出大量煤和瓦斯，破壞巷道設(shè)施和通風(fēng)系統(tǒng)，造成人員傷亡[2]。因此，開(kāi)展突出過(guò)程中煤與瓦斯兩相流運(yùn)移衰減規(guī)律等相關(guān)研究對(duì)于礦井煤與瓦斯突出災(zāi)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(guī)律研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)理論分析、實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬等手段開(kāi)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(guī)律；孫東玲等[7]通過(guò)試驗(yàn)將煤顆粒在巷道中的運(yùn)移分為加速、平衡減速及沉降等運(yùn)動(dòng)階段，并建立了一維情況下突出煤在巷道中的運(yùn)移數(shù)學(xué)模型；許江等[8]研究了突出煤粉隨著距離的增加其形態(tài)由固相流擴(kuò)散為栓塞流，沉降量隨之增大的運(yùn)移規(guī)律；金侃[9]研究了突出煤體粉化機(jī)制以及煤與瓦斯兩相流的流型、沖擊波超壓、運(yùn)移速度和突出煤粉質(zhì)量均受突出壓力和煤粉顆粒組成的影響。

上述學(xué)者對(duì)煤與瓦斯突出兩相流對(duì)運(yùn)移規(guī)律的研究大多采用較大粒徑的煤粉突出并側(cè)重研究沖擊氣流的傳播特征，未綜合考慮突出發(fā)生后兩相流在巷道內(nèi)的運(yùn)移衰減規(guī)律和致災(zāi)特征。因此，利用自主研發(fā)的煤與瓦斯突出實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)，采用較小粒徑煤粉研究煤與瓦斯兩相流沖擊壓力變化規(guī)律以及煤粉分選特性，以期能夠?qū)χ笇?dǎo)礦井安全防護(hù)有一定參考意義。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

自主研制的煤與瓦斯突出實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)原理圖如圖1，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含：充氣系統(tǒng)、煤與瓦斯突出發(fā)生裝置、管道系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1 煤與瓦斯突出實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)原理圖（單位：m）Fig.1 Principle diagram of coal and gas outburst experiment simulation system

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

2）煤與瓦斯突出發(fā)生裝置實(shí)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(nèi)徑200 mm，長(zhǎng)度500 mm，壁厚10 mm，突出口徑100 mm?？焖俳衣堆b置采用電磁鐵連接突出啟動(dòng)裝置手動(dòng)觸發(fā)。

圖2 煤與瓦斯突出發(fā)生裝置實(shí)物圖Fig.2 Physical diagram of coal and gas outburst device

3）管道系統(tǒng)由高強(qiáng)度、高透光率的亞克力材質(zhì)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(zhǎng)200 mm，每根管道通過(guò)法蘭盤(pán)和墊片密封連接。

4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由多通道高速采集器和壓力傳感器構(gòu)成，壓力傳感器為四川拓普公司生產(chǎn)的KD2004 系列壓電式壓力傳感器，靈敏度為6 912 Pc/MPa，實(shí)驗(yàn)選取采樣頻率為5 kHz。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案及步驟

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)液壓千斤頂對(duì)煤試件施加0.54 MPa 軸向應(yīng)力[10]。當(dāng)軸向加載時(shí)，高壓密封腔體的約束作用為型煤試件提供了圍壓，用來(lái)模擬假三軸加載實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)煤樣采自淮南礦區(qū)C13煤層，根據(jù)前人型煤配比經(jīng)驗(yàn)[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(zhì)量分?jǐn)?shù)3.2%的腐植酸鈉水溶液作為膠結(jié)劑攪拌均勻[12]，煤樣含水率為8%。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)管道總長(zhǎng)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(gè)壓力傳感器，并依次編號(hào)為P1～P6。

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）制備煤試件：煤樣準(zhǔn)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(duì)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(kāi)啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后啟動(dòng)突出，突出結(jié)束后保存數(shù)據(jù)。

5）收集管道內(nèi)煤粉并篩分整理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 突出煤粉運(yùn)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(gè)區(qū)域。突出結(jié)束后依次收集每個(gè)區(qū)域內(nèi)的煤粉并稱重，各區(qū)域煤粉質(zhì)量分布見(jiàn)表1。由表1 可知，突出煤粉共計(jì)5.513 kg，相對(duì)突出強(qiáng)度為55.1%。突出煤粉主要積聚在管道的區(qū)域2 和區(qū)域3 內(nèi)，質(zhì)量占比為45.98%。

表1 各區(qū)域煤粉質(zhì)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(zhì)量分布沿程增大在區(qū)域3 內(nèi)達(dá)到最大值1.353 kg，再沿程減小在區(qū)域6 內(nèi)達(dá)到最小值0.345 kg，隨后又在區(qū)域7 內(nèi)增大，區(qū)域8 內(nèi)減小。總體上，突出煤粉質(zhì)量在管道中分布呈現(xiàn)2 次先增大后減小的趨勢(shì)，這是由于整個(gè)突出過(guò)程是間歇式多次發(fā)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(nèi)兩相流運(yùn)移通道，導(dǎo)致腔體內(nèi)部氣體壓力升高，短時(shí)間內(nèi)再次突出形成新的煤與瓦斯兩相流沿管道向前運(yùn)移，同時(shí)每個(gè)兩相流之間存在著空氣壓縮區(qū)。

根據(jù)本次突出煤粉質(zhì)量分布特征，可將本次突出過(guò)程簡(jiǎn)化看成2 次突出。突出發(fā)動(dòng)后，煤粉解吸的瓦斯具有較大膨脹能[14]，管道內(nèi)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(yùn)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(nèi)瓦斯壓力逐漸降為常壓狀態(tài)，煤粉動(dòng)能不足，沉降量減少。由于腔體內(nèi)瓦斯持續(xù)解吸和煤粉持續(xù)剝離，第2 次突出所產(chǎn)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(qū)域煤粉粒徑質(zhì)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(qiáng)且煤粉含水率較高，導(dǎo)致部分小粒徑煤粉會(huì)吸附黏合在較大粒徑煤粉上，部分煤粉體積增大，產(chǎn)生大量易捻碎的煤粉。

圖3 各區(qū)域煤粉粒徑質(zhì)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(qū)域1 質(zhì)量占比高達(dá)71.95%，隨后沿程遞減；相對(duì)比而言，1～3 mm 和大于1 mm 粒徑的煤粉在管道內(nèi)的分布情況則相反，在區(qū)域8 內(nèi)1～3 mm 粒徑的煤粉質(zhì)量占比高達(dá)34.05%、大于3 mm 粒徑的煤粉質(zhì)量占比高達(dá)1.9%，整體呈現(xiàn)為沿程遞增的趨勢(shì)。相比于煤礦突出現(xiàn)場(chǎng)的情況，實(shí)驗(yàn)?zāi)M中的突出是瞬間發(fā)生的，突出動(dòng)力維持時(shí)間很短[15]，多數(shù)煤粉是由于慣性向前運(yùn)移，而較大顆粒煤粉慣性較大又在被瓦斯氣體攜帶運(yùn)動(dòng)時(shí)獲得的動(dòng)能也較大，故呈現(xiàn)沿程遞增的趨勢(shì)。

2.2 突出兩相流沖擊壓力衰減規(guī)律

2.2.1 突出兩相流沖擊壓力時(shí)程衰減規(guī)律

各測(cè)點(diǎn)沖擊壓力變化曲線如圖4。由圖4 可以看出：突出啟動(dòng)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?yàn)閮上嗔鞯膰娚淞繙p小，沖擊壓力逐漸衰減并且趨于穩(wěn)定。6 個(gè)測(cè)點(diǎn)處沖擊壓力的上升速率均大于其下降速率。

圖4 各測(cè)點(diǎn)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(fā)現(xiàn)：P1、P2、P3、P4、P5、P6測(cè)點(diǎn)處沖擊壓力峰值出現(xiàn)的時(shí)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(yuǎn)，沖擊壓力到達(dá)峰值的時(shí)間越滯后[16]。各測(cè)點(diǎn)的沖擊壓力峰值變化如圖5。

圖5 各測(cè)點(diǎn)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(xiàn)震蕩衰減變化趨勢(shì)；P1測(cè)點(diǎn)沖擊壓力峰值為117.3 kPa，伴隨著煤與瓦斯兩相流的運(yùn)移，P2測(cè)點(diǎn)沖擊壓力峰值陡增到管道內(nèi)最高值，為318.1 kPa，壓力增幅117.2%；P3測(cè)點(diǎn)沖擊壓力峰值下降為82.8 kPa，較P2測(cè)點(diǎn)衰減了74%；但P4測(cè)點(diǎn)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(nèi)的氣體產(chǎn)生壓縮波，當(dāng)多個(gè)壓縮波沿著管道同向?qū)訉盈B加傳播，最終形成沖擊波造成壓力增大[17]；P5測(cè)點(diǎn)、P6測(cè)點(diǎn)處于管道中后段，突出兩相流運(yùn)移到此處時(shí)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(guī)律

不同時(shí)刻沖擊壓力變化規(guī)律如圖6。由圖6 可以看出：突出0.15 s 內(nèi)，鄰近突出口的沖擊壓力開(kāi)始變化，在P1測(cè)點(diǎn)處出現(xiàn)第1 個(gè)波峰（簡(jiǎn)稱“峰1”，下同）；突出0.25 s 內(nèi)，在P2測(cè)點(diǎn)處出現(xiàn)第2 個(gè)波峰，此時(shí)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(dòng)；突出0.25～1 s 間，峰1 和峰2持續(xù)增大，且在P4測(cè)點(diǎn)處存在峰3；突出1～3 s 之間，3 處波峰沖擊壓力同時(shí)下降，管道內(nèi)沖擊壓力逐漸衰減；突出3 s 時(shí)，峰3 沖擊壓力略大于峰2 沖擊壓力。

圖6 不同時(shí)間沖擊壓力變化規(guī)律Fig.6 Change law of impact pressure at different time

煤與瓦斯突出過(guò)程中，兩相流沖擊壓力在管道內(nèi)呈現(xiàn)震蕩衰減的變化趨勢(shì)。觀察發(fā)現(xiàn)，管道內(nèi)P2測(cè)點(diǎn)和P4測(cè)點(diǎn)處存在沖擊壓力波峰，這是由于兩相流的發(fā)育是從未完全膨脹狀態(tài)轉(zhuǎn)化成完全膨脹狀態(tài)的過(guò)程，因此，使得兩相流在管道前段出現(xiàn)2 處的沖擊壓力陡增區(qū)。觀察P6測(cè)點(diǎn)處沖擊壓力變化較小且未超過(guò)20 kPa，表明管道中后段沖擊壓力受擾動(dòng)較小。

3 結(jié) 論

1）煤粉相對(duì)突出強(qiáng)度為55.1%，突出煤粉質(zhì)量在管道中分布呈現(xiàn)2 次先增大后減小的趨勢(shì)。突出煤粉會(huì)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(qiáng)分選特性，管道內(nèi)粒徑小于1 mm 的煤粉分布呈現(xiàn)沿程遞減趨勢(shì)，而1～3 mm 和大于1 mm 粒徑的煤粉的分布呈現(xiàn)沿程遞增的趨勢(shì)。2）突出啟動(dòng)后，管道內(nèi)沖擊壓力突變，兩相流沖擊壓力呈先增大后減小的趨勢(shì)且增大速率大于其減小速率，沖擊壓力峰值出現(xiàn)的時(shí)間隨著突出距離增加而滯后。突出瞬間發(fā)生，兩相流快速噴出，從未完全膨脹狀態(tài)轉(zhuǎn)化成完全膨脹狀態(tài)，產(chǎn)生層層疊加壓縮波最終形成沖擊波，導(dǎo)致沖擊壓力在管道前段出現(xiàn)兩處壓力陡增區(qū)，整體呈現(xiàn)震蕩衰減變化趨勢(shì)。