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许江教授：煤与瓦斯突出冲击气流形成及传播规律

来源：全国能源 • 2022-03-25 19:10:15

创新点（1）基于自主研发的多场耦合煤矿灾害物理模拟试验系统，得到了突出过程中煤层内瓦斯压力-地应力的体系演化，获得了巷道内煤-瓦斯两相流运动特征及其冲击力演化。（2）结合试验分析以及流体力学、气体动力学等理论指导，建立以拉伐尔喷管为基础的冲击气流形成模型及以膨胀-压缩波系为基础的运移模型；着重分析了冲击气流形成过程中气流参数的演化规律，以及冲击气流在巷道内的流动特征。（3）突出过程中产生的冲击气流具有较大的破坏性，开展冲击气流的形成及其传播过程的研究，对于防突设施的布置、灾后应急救援措施的设计、技术控制灾害的扩大防止次生灾害的发生等具有实际的指导意义。

（4）基于试验及理论分析成果，确定相应的几何模型及边界条件，开展了煤与瓦斯突出冲击气流数值模拟工作；着重分析了冲击气流在巷道内的速度和静压演化规律，从而进一步验证了文中试验及理论的可靠性。

煤与瓦斯突出冲击气流形成及传播规律

作者：许　江¹，程　亮¹，彭守建¹，周　斌²，魏仁忠¹，杨海林¹，李奇贤¹

单位：1. 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室；2. 西安科技大学安全科学与工程学院

研究背景

国家经济快速发展离不开能源的消耗。我国能源赋存体现出“缺气、少油、相对富煤”的特点，这意味着煤炭在未来相当长时间占我国能源结构的主导地位。我国在“十四五”规划和2035年远景目标纲要中明确指出，推动煤炭生产向资源富集地区集中，由此可见，我国煤炭的开采深度将持续加深。随着矿井开采深度的增加，煤层“三高一低”的特点越发凸显，极易在采掘扰动情况下发生煤与瓦斯突出事故。煤与瓦斯突出（简称“突出”）表现为突出气流携带大量煤体由煤层向采掘巷道空间喷射出，形成冲击气流、冲击波、煤－瓦斯两相流等对井下人员、设施造成强烈的冲击动力灾害。目前已有研究成果表明，突出是在煤的物理力学性质、瓦斯压力和地应力这3个主要因素综合作用下发生的。众多学者对该3类因素展开了深入研究。但由于煤矿现场突出的剧烈性、强破坏性，很难对其进行有效的监测。因此，物理模拟和数值模拟已成为探究突出灾害的最有效手段。

突出煤-瓦斯两相流在巷道内运移的本质是瓦斯通过曳力作用带动煤粉运动。由瓦斯形成的冲击气流一定程度上直接决定着突出煤－瓦斯两相流的冲击动力学行为。因此，研究突出冲击气流的形成及运移规律是明确突出动力致灾机制的重点课题。目前，国内外有关突出冲击气流形成机理及运移机制的研究很少，仅有少量的试验和初步理论分析。另外，由于突出气流的瞬时性、强破坏性及其复杂性，使得很难获得现场实测的突出气流的真实流动规律。

摘要

为充分认识煤与瓦斯突出冲击气流的形成机理及其传播特征，基于气-固耦合作用下的煤与瓦斯突出物理模拟试验结果，结合气体动力学理论，建立冲击气流的形成及其运移模型，并应用于煤与瓦斯突出冲击气流数值模拟分析。

结果表明：煤层瓦斯压力和应力下降过程中皆存在阶段性平稳或回升现象，说明能量的释放是分阶段完成的；煤层应力的变化主要集中在卸压区、应力集中区和过渡区，其中，最大主应力的下降量和下降百分比皆高于最小主应力；当煤层瓦斯压力为2.0MPa时，巷道内冲击气流速度可超过300m/s，煤粉流速度受气体曳力带动可达70m/s。

冲击气流速度远大于煤粉流速度，存在气流先行煤粉滞后的现象，由此将煤与瓦斯突出过程划分为单相气流阶段和煤-瓦斯两相流阶段；巷道断面冲击力呈现出不均匀的分布特征，其部分区域出现了冲击力陡增现象；随距离的增加，强冲击力有从断面中心向外部扩展的趋势。

冲击气流的流动状态与煤层瓦斯压力、突出孔洞形貌特征有直接关联；冲击气流呈射流状，在射流中会周期性地出现膨胀波区和压缩波区，同时，射流截面会出现周期性的先扩大后缩小现象，从而导致射流边界上下起伏呈波纹状。

在冲击气流运移过程中通过其速度演化可划分出高速射流区、平稳运移区和回流区，回流区内存在旋涡；冲击气流受膨胀-压缩波系的影响分别会在巷道内形成楔形真空区和锥形压缩区，其静压分别处于负压状态和正压状态。

部分图片

多场耦合煤矿灾害物理模拟试验系统

水江煤矿地质构造

传感器布置示意

试验流程

煤层瓦斯压力演化过程

煤层地应力演化过程

突出过程中煤－瓦斯两相流运动特征

巷道冲击力演化过程

不同位置冲击力的演化过程

冲击气流形成模型

膨胀波与压缩波的形成

冲击气流运移流动模型

突出几何模型

冲击气流速度演变过程

冲击气流静压演变过程

作者简介

许江，男，1960年9月25日生，湖南永兴人，研究员，博士生导师，重庆市安全技术与工程学术技术带头人、重庆大学安全科学与工程一级博士学位授权点始建学术带头人等。兼任中国岩石力学与工程学会测试专业委员会副主任委员、中国职业安全健康协会瓦斯灾害防治与利用专业委员会专家咨询工作组副主任委员以及《重庆大学学报（自然科学版）》、《煤炭科学技术》和《地下空间与工程学报》等学术刊物的编委等职。

研究方向

主要从事有关岩石力学理论与试验、煤矿动力灾害发生机理与控制理论、山地地质灾害演绎规律与监测预警等方面的研究以及相关分析测试仪器设备的自主研发

主要成果

主持或参与完成来自国家、省市部委或工程现场的科研项目50余项，先后获国家、部委或省市的科技奖项近20项，出版学术著作10余部，获权或申请发明专利100余项，在国内外学术刊物或学术研讨会上发表学术论文400余篇，其中SCI、EI检索150余篇，培养博士研究生20余人和硕士研究生近100人。长期致力于岩石力学基础理论与测试技术、工程岩体稳定性分析与评价、矿山动力灾害发生机制与控制理论、山地地质灾害发生机理与监测预警等方面的教学与科研工作。

来源：

许江，程亮，彭守建，等. 煤与瓦斯突出冲击气流形成及传播规律［J］. 煤炭学报,2022,47(1):333-347.

关键词：瓦斯突出