煤与瓦斯突出过程中高压粉煤-瓦斯两相流形成机制及致灾特征研究

作者

金侃

学校

中国矿业大学

摘要

煤与瓦斯突出是煤矿生产过程中遇到的一种极其复杂的瓦斯动力现象,表现为在极短的时间内由煤体向采掘空间突然抛出大量的煤岩、瓦斯形成粉煤-瓦斯气固两相流动。此过程通常还伴随有强烈的煤体粉化现象,并形成粉化—快速解吸—继续粉化—进一步快速解吸的正反馈机制,推动突出在巷道内的发展。对突出粉煤-瓦斯流形成机制、运动特征以及煤体粉化在推动突出发展中所起作用开展相关研究,对于丰富和完善突出机理,指导矿井的防突工作具有重要意义。  

本文以岩石力学、表面物理化学和两相流体动力学理论为指导,采用理论分析、实验测试和数值模拟相结合的研究手段,通过对煤样粉化前后的基础物性参数、孔隙结构和瓦斯吸附/解吸性能开展精细定量化表征,获得了粉化作用对煤样孔隙结构的损伤特征并构建了粉煤初始瓦斯解吸动力学模型。另外,利用数值模拟和相似模拟实验对突出发展过程中含瓦斯煤体粉化机制以及突出粉煤-瓦斯两相流在巷道中的运动特征开展相关研究,并对含瓦斯煤体粉化与快速解吸在推动突出发展中的作用进行了分析。本文的主要研究结论如下:  

1)采用DEM-CFD模拟对突出煤体破碎粉化特点进行研究,发现突出发展过程中巷道内部存在两种碰撞粉化形式,分别是高频低速的颗粒间碰撞和低频高速的颗粒-壁面间碰撞。上述两种碰撞作用都会导致煤体的粉化破碎,前者的粉碎产物以大粒径煤颗粒为主,后者以小粒径煤粉为主。随着突出强度增大和抛出煤量的增加,颗粒间碰撞作用越来越占据主导地位,突出煤体的粉化也随之变得更加明显,相似模拟实验实测得到的最大粉化比例达8.14%(突出压力0.5MPa)。  

2)粉化前后,煤的基础成分构成(水分、灰分、挥发分、固定碳等)并无显著改变,但是其孔隙结构却发生明显变化。采用物理吸附法对粉碎前后煤的孔隙结构进行定量表征,结果显示由于次生孔隙结构的引入,煤的比表面积/孔容均随粉化程度的增加而增长;<0.074mm煤样的比表面积/孔容相比于1-3mm煤样增加了数倍至数十倍不等。当煤被粉碎到<0.074mm后,部分煤样的比表面积/孔容数值发生突变,表明这些煤样的孔隙结构损伤特征已从局部损伤发展为全面破坏,同时也从侧面说明了煤的基质尺度大小与其变质程度密切相关。  

3)粉化前后煤样孔隙结构的改变对其瓦斯吸附/解吸具有显著影响。随着粉化程度增加,煤的瓦斯吸附量和130min累计解吸量Q130均呈增长趋势(卧龙湖无烟煤的影响较小)。煤样初始瓦斯解吸能力考察结果还表明,0~5s的初始瓦斯解吸量Q5和第1min内的瓦斯解吸量Q60占Q130的比例随粒径的减小而增大。<0.074mm煤样的Q5 Q130最大可达37.37%, Q60 Q130最大可达66.67%;其余小粒径煤样的初始瓦斯解吸量也非常可观(基本在30%左右,最大达53.99%)。粉煤的初始瓦斯快速解吸对于突出发动瞬间煤体的抛出以及突出粉煤-瓦斯两相流在巷道中的运动具有推动作用。  

4)通过对煤样0~60s初始瓦斯解吸特征的实验研究,结果表明绝大部分煤样的初始瓦斯解吸量Qt与解吸时间的平方根 t呈高度线性关系。从上述实验现象入手,基于球形扩散模型和 Fick第二扩散定律构建并推导得到了不同粒径样品在不同平衡压力条件下的初始瓦斯解吸模型。模型经解吸实验数据验证,具有较好的可靠性与实用性,可用于粉煤瓦斯解吸对突出发展影响的相关研究工作。  

5)采用自主研发的试验装置对突出粉煤-瓦斯两相流的结构、形成机制和运动特征开展研究,结果表明突出粉煤和突出瓦斯气流间复杂的气固耦合作用导致粉煤-瓦斯流的流型、冲击波超压、运动速度、突出煤质量分布及分选粉化特征均受到突出压力和突出煤样粒度构成(模拟构造应力在突出发生前对煤体的破碎作用)的影响。突出压力越大、突出煤样中<0.25mm煤粉比重越高(对应突出煤体中构造煤的比例越大),突出的强度就越大。特别是当<0.25mm粉煤的质量比重超过2/3后,在较高的突出压力条件下并受到煤中初始瓦斯快速解吸的影响会形成突出粉煤流的“自加速”现象,二次加速后的粉煤-瓦斯流在巷道中呈栓流输送,以>150kPa的流体静压为动力在巷道中保持高速(30m/s)运动,煤岩搬运能力与破坏力显著增强。  

6)采用弱吸附性气体 N2作为对照组开展突出粉煤-瓦斯两相流实验,对煤中吸附的瓦斯气体在突出中的作用进行辨析。结果显示煤中吸附瓦斯在突出发动后的快速解吸对推动突出发展具有显著促进作用,即便是初始瓦斯解吸速度相对较慢的大粒径煤样,受突出两相流中煤体碰撞粉化促进瓦斯解吸的影响,依然可以加强突出的强度及破坏力(突出相对强度增加4.51%~9.42%);小粒径煤粉在突出发动后的瓦斯快速解吸更可以诱导巷道中运动的粉煤‐瓦斯两相流形成自加速两相流和栓流输送现象,进一步增强突出的强度和破坏力。  

7)依据突出过程需要满足的能量条件,对含瓦斯煤粉化、快速解吸在推动突出发展过程中的作用进行了研究。结果表明煤中游离瓦斯和吸附瓦斯共同参与了突出过程,粉煤的初始瓦斯快速解吸特征在推动突出发展的过程中起决定性作用;实际突出事故中,总能量的73.3%~89.95%是由粉煤的瓦斯快速解吸提供的。

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