煤與瓦斯突出兩相流在巷道中運(yùn)移及動(dòng)力特征：理論、模擬與實(shí)踐

煤與瓦斯突出兩相流在巷道中運(yùn)移及動(dòng)力特征：理論、模擬與實(shí)踐一、引言1.1研究背景與意義能源作為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的基石，對(duì)國家的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、社會(huì)穩(wěn)定和人民生活水平的提升起著至關(guān)重要的作用。我國的能源結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出“富煤、貧油、少氣”的特點(diǎn)，煤炭在一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)中占據(jù)主導(dǎo)地位。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在過去的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，煤炭在我國一次能源消費(fèi)中的占比始終維持在較高水平，盡管近年來隨著能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，煤炭占比有所下降，但截至目前，其在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中仍占據(jù)著相當(dāng)大的比重。這種以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在滿足我國能源需求、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，也給煤炭開采行業(yè)帶來了諸多挑戰(zhàn)。煤與瓦斯突出是煤礦開采過程中面臨的最為嚴(yán)重的災(zāi)害之一，是一種極其復(fù)雜的煤巖動(dòng)力現(xiàn)象。在煤與瓦斯突出過程中，大量的煤炭和瓦斯會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)從煤體中突然噴出，瞬間釋放出巨大的能量。這不僅會(huì)對(duì)礦井的巷道、設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施造成嚴(yán)重的破壞，導(dǎo)致礦井生產(chǎn)中斷，增加開采成本，還會(huì)對(duì)井下作業(yè)人員的生命安全構(gòu)成巨大威脅，造成嚴(yán)重的人員傷亡事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在過去的幾十年間，我國發(fā)生了多起嚴(yán)重的煤與瓦斯突出事故，給國家和人民帶來了巨大的損失。例如，[具體事故案例]，此次事故造成了[X]人死亡，[X]人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)[X]萬元。這些事故的發(fā)生不僅給遇難者家庭帶來了沉重的打擊，也給整個(gè)煤炭行業(yè)敲響了警鐘。煤與瓦斯突出事故的發(fā)生還會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。突出過程中釋放出的大量瓦斯是一種溫室氣體，其溫室效應(yīng)比二氧化碳更強(qiáng)，會(huì)加劇全球氣候變暖。此外，突出的煤炭和瓦斯還會(huì)對(duì)礦井周邊的土壤、水體等環(huán)境要素造成污染，破壞生態(tài)平衡。隨著我國煤炭開采深度和強(qiáng)度的不斷增加，煤與瓦斯突出問題日益嚴(yán)峻。開采深度的增加導(dǎo)致地應(yīng)力和瓦斯壓力增大，煤體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，使得煤與瓦斯突出的發(fā)生概率和危害程度不斷提高。一些深部礦井的開采深度已經(jīng)超過了千米，在這些礦井中，煤與瓦斯突出事故的發(fā)生頻率明顯增加，且一旦發(fā)生，其破壞力和影響范圍也更大。同時(shí)，隨著煤炭需求的不斷增長(zhǎng)，煤炭開采強(qiáng)度也在不斷加大，這進(jìn)一步增加了煤與瓦斯突出的風(fēng)險(xiǎn)。研究煤與瓦斯突出兩相流在巷道中的運(yùn)移及動(dòng)力特征具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過深入研究這一課題，可以更加深入地了解煤與瓦斯突出的發(fā)生機(jī)制和發(fā)展過程，為煤與瓦斯突出的預(yù)測(cè)和防治提供更加科學(xué)、準(zhǔn)確的理論依據(jù)。例如，通過對(duì)運(yùn)移及動(dòng)力特征的研究，可以確定煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)區(qū)域和危險(xiǎn)程度，從而提前采取有效的防治措施，降低突出事故的發(fā)生概率。這有助于提高煤礦開采的安全性，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，保障煤礦工人的生命安全和身體健康。安全的開采環(huán)境也能夠提高生產(chǎn)效率，促進(jìn)煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和有效的防治措施還可以減少因事故導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷，降低煤炭開采成本，提高煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移及動(dòng)力特征的研究成果，也能為煤炭行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展提供新的思路和方向，推動(dòng)煤炭開采技術(shù)的不斷進(jìn)步。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀煤與瓦斯突出作為煤礦開采中極具挑戰(zhàn)性的問題，長(zhǎng)期以來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。在煤與瓦斯突出機(jī)理的研究上，國外起步相對(duì)較早。前蘇聯(lián)學(xué)者B.B.霍多特提出的“能量假說”，認(rèn)為突出是地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體物理力學(xué)性質(zhì)綜合作用的結(jié)果，突出過程是煤體中積聚的彈性潛能和瓦斯膨脹能突然釋放的過程，這一假說為后續(xù)的研究奠定了重要基礎(chǔ)。美國、德國等國家的學(xué)者也通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，對(duì)煤與瓦斯突出的影響因素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)煤層的透氣性、瓦斯含量、地應(yīng)力狀態(tài)等因素對(duì)突出的發(fā)生具有重要影響。國內(nèi)學(xué)者在借鑒國外研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國煤礦開采的實(shí)際情況，對(duì)煤與瓦斯突出機(jī)理進(jìn)行了深入研究。提出了“綜合作用假說”，認(rèn)為突出是由地應(yīng)力、瓦斯和煤體物理力學(xué)性質(zhì)等多種因素綜合作用的結(jié)果，這一假說得到了廣泛的認(rèn)可。眾多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)等方法，對(duì)煤與瓦斯突出的機(jī)理進(jìn)行了多方面的研究，揭示了煤體瓦斯賦存、解吸、擴(kuò)散特性，建立了煤層瓦斯多場(chǎng)多相耦合模型，獲得了煤與瓦斯突出影響因素、發(fā)生規(guī)律及條件等，提出了煤與瓦斯突出的定性假說或半定量化機(jī)理，解釋了煤與瓦斯突出現(xiàn)象。在煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移方面，國外學(xué)者運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）等方法，對(duì)巷道中煤與瓦斯兩相流的流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了流速、濃度分布等參數(shù)的變化規(guī)律。國內(nèi)學(xué)者通過物理模擬試驗(yàn)，研究了煤與瓦斯突出后煤-瓦斯兩相流在巷道網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)移特性，獲得了沖擊力、氣體濃度和溫度等參數(shù)的演化規(guī)律，分析了巷道內(nèi)部?jī)上嗔鬟\(yùn)移形態(tài)的變化規(guī)律，探討了突出煤粉在巷道網(wǎng)絡(luò)中的分布特性以及粉碎特性。對(duì)于煤與瓦斯突出的動(dòng)力特征，國內(nèi)外學(xué)者主要通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室模擬的方式進(jìn)行研究。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面，利用傳感器等設(shè)備監(jiān)測(cè)突出過程中的應(yīng)力、瓦斯壓力、聲發(fā)射等信號(hào)的變化，分析突出的動(dòng)力特征。實(shí)驗(yàn)室模擬則通過構(gòu)建模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，再現(xiàn)煤與瓦斯突出過程，研究突出的動(dòng)力特性。當(dāng)前研究仍存在一些不足與空白。在突出機(jī)理方面，雖然已經(jīng)提出了多種假說，但仍然缺乏一個(gè)能夠全面、系統(tǒng)地解釋所有突出現(xiàn)象和特征的理論體系。對(duì)于深部地質(zhì)構(gòu)造、復(fù)雜多變非均勻地層條件及高應(yīng)力條件下的瓦斯富集與運(yùn)移釋放特性、突出耦合演化過程、低參數(shù)突出發(fā)生失穩(wěn)判據(jù)、滲透性參數(shù)對(duì)突出的影響規(guī)律與機(jī)制、誘突動(dòng)載源及耦合演化機(jī)理等方面的研究還不夠深入。在運(yùn)移及動(dòng)力特征研究方面，現(xiàn)有的研究大多集中在單一因素對(duì)煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移及動(dòng)力特征的影響，對(duì)于多因素耦合作用下的研究還相對(duì)較少。煤與瓦斯突出過程中涉及到的復(fù)雜物理化學(xué)過程，如瓦斯的吸附解吸、煤體的變形破壞等，在數(shù)值模擬和物理模擬中還難以準(zhǔn)確地進(jìn)行描述和再現(xiàn)。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究將深入探究煤與瓦斯突出兩相流在巷道中的運(yùn)移及動(dòng)力特征，具體內(nèi)容涵蓋以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移過程研究：對(duì)煤與瓦斯突出后，煤-瓦斯兩相流在巷道中的流動(dòng)過程進(jìn)行詳細(xì)剖析。借助先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)和設(shè)備，精確測(cè)量不同時(shí)刻、不同位置處煤與瓦斯兩相流的流速、濃度、壓力等關(guān)鍵參數(shù)。深入研究這些參數(shù)在巷道中的分布規(guī)律，分析其隨時(shí)間和空間的變化趨勢(shì)，從而全面了解煤與瓦斯突出兩相流的運(yùn)移特性。同時(shí)，考慮煤體的物理性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、滲透性以及瓦斯的壓力、溫度、濃度等多種因素對(duì)運(yùn)移過程的影響，建立煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值模擬的方法，對(duì)不同條件下的運(yùn)移過程進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，為實(shí)際工程提供理論依據(jù)。煤與瓦斯突出動(dòng)力特征研究：運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室模擬和數(shù)值模擬等多種手段，對(duì)煤與瓦斯突出過程中的動(dòng)力特征進(jìn)行深入研究。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面，在煤礦井下安裝高精度的傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)突出過程中的應(yīng)力、瓦斯壓力、聲發(fā)射等信號(hào)的變化，獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的動(dòng)力數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)室模擬中，構(gòu)建先進(jìn)的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，通過控制試驗(yàn)條件，再現(xiàn)煤與瓦斯突出過程，研究突出的動(dòng)力特性，如突出的沖擊力、能量釋放規(guī)律等。利用數(shù)值模擬軟件，建立煤與瓦斯突出的數(shù)值模型，模擬不同條件下的突出過程，分析動(dòng)力特征的變化規(guī)律，為突出災(zāi)害的防治提供理論支持。煤與瓦斯突出影響因素分析：全面分析地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤體物理力學(xué)性質(zhì)等因素對(duì)煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移及動(dòng)力特征的影響規(guī)律。通過理論分析，探討各因素之間的相互作用關(guān)系，建立多因素耦合作用下的煤與瓦斯突出模型。利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。基于模型分析結(jié)果，提出針對(duì)性的煤與瓦斯突出防治措施，為煤礦安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。1.3.2研究方法為了實(shí)現(xiàn)上述研究目標(biāo)，本研究將綜合運(yùn)用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬等多種方法，相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證，確保研究結(jié)果的科學(xué)性和可靠性。理論分析：深入研究煤與瓦斯突出的相關(guān)理論，如兩相流理論、滲流力學(xué)、巖石力學(xué)等，為研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。運(yùn)用這些理論，對(duì)煤與瓦斯突出兩相流在巷道中的運(yùn)移及動(dòng)力特征進(jìn)行分析，建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)相關(guān)公式，揭示其內(nèi)在的物理機(jī)制和規(guī)律。實(shí)驗(yàn)研究：構(gòu)建煤與瓦斯突出物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬不同條件下的煤與瓦斯突出過程。在試驗(yàn)過程中，精確控制地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤體物理力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)，通過先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備，如高速攝像機(jī)、壓力傳感器、濃度傳感器等，測(cè)量煤與瓦斯突出兩相流的流速、濃度、壓力、沖擊力等參數(shù)，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，研究煤與瓦斯突出兩相流的運(yùn)移及動(dòng)力特征，驗(yàn)證理論分析的結(jié)果，為數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)值模擬：采用專業(yè)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，建立煤與瓦斯突出兩相流在巷道中運(yùn)移的數(shù)值模型。在模型中，充分考慮煤體的物理性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、滲透性以及瓦斯的壓力、溫度、濃度等因素，對(duì)煤與瓦斯突出兩相流的運(yùn)移及動(dòng)力特征進(jìn)行模擬計(jì)算。通過數(shù)值模擬，可以直觀地展示煤與瓦斯突出兩相流在巷道中的運(yùn)移過程和動(dòng)力特征，分析不同因素對(duì)其的影響規(guī)律，預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出的發(fā)展趨勢(shì)，為實(shí)際工程提供參考依據(jù)。同時(shí)，將數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，不斷優(yōu)化模型，提高模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。二、煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移理論基礎(chǔ)2.1煤與瓦斯突出的基本概念煤與瓦斯突出是煤礦井下采掘過程中一種極其危險(xiǎn)的煤體動(dòng)力現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為在極短的時(shí)間內(nèi)，大量的煤和瓦斯混合物從煤巖體內(nèi)部迅猛地向采掘空間噴出，同時(shí)常伴有強(qiáng)烈的巨響和氣浪。這一現(xiàn)象不僅嚴(yán)重威脅著煤礦井下作業(yè)人員的生命安全，還會(huì)對(duì)礦井的生產(chǎn)設(shè)施造成巨大的破壞，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。從物理過程來看，煤與瓦斯突出涉及到多個(gè)復(fù)雜的環(huán)節(jié)。在突出發(fā)生前，煤層處于一種相對(duì)平衡的狀態(tài)，其中地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體的物理力學(xué)性質(zhì)相互作用并維持著穩(wěn)定。隨著采掘活動(dòng)的進(jìn)行，這種平衡被打破。地應(yīng)力的作用使得煤體產(chǎn)生變形和破壞，當(dāng)煤體的強(qiáng)度不足以抵抗地應(yīng)力和瓦斯壓力的共同作用時(shí)，煤體開始破裂。瓦斯在煤體孔隙和裂隙中原本處于吸附或游離狀態(tài)，煤體破裂后，吸附瓦斯迅速解吸轉(zhuǎn)化為游離瓦斯，瓦斯壓力急劇升高，形成強(qiáng)大的瓦斯流。在瓦斯流的作用下，破碎的煤體被裹挾著一起向采掘空間噴出，形成煤與瓦斯突出的壯觀且危險(xiǎn)的景象。煤與瓦斯突出具有一些顯著的特征。突出時(shí)，煤體被拋出的距離較遠(yuǎn)，且具有明顯的分選現(xiàn)象，通常較大的煤塊會(huì)分布在近處，而較小的煤粉則會(huì)被拋射到較遠(yuǎn)的地方。拋出的煤破碎程度極高，其中包含大量的塊煤以及手捻無粒感的煤粉。突出過程中會(huì)伴隨著大量瓦斯的涌出，瓦斯涌出量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過突出煤本身的瓦斯含量，有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，進(jìn)一步加劇了事故的危險(xiǎn)性。煤與瓦斯突出按動(dòng)力現(xiàn)象的力學(xué)特征可分為突出、壓出和傾出。突出是指煤和瓦斯在極短時(shí)間內(nèi)，從煤體中以高速噴出，伴有強(qiáng)烈的聲響和強(qiáng)大的氣浪，拋出的煤破碎程度高，且瓦斯涌出量大；壓出是在地應(yīng)力作用下，煤體被突然壓出，瓦斯涌出量相對(duì)較少，煤體的破碎程度相對(duì)較低；傾出則是煤體在重力和地應(yīng)力的綜合作用下，沿層面傾斜方向突然垮落，瓦斯涌出量也較少。按突出的強(qiáng)度，可分為小型突出（突出煤量小于100噸）、中型突出（突出煤量100-500噸）、大型突出（突出煤量500-1000噸）和特大型突出（突出煤量大于1000噸）。按突出時(shí)間，可分為瞬間突出（突出過程在數(shù)秒內(nèi)完成）和延期突出（突出在采掘活動(dòng)后一段時(shí)間才發(fā)生）。煤與瓦斯突出的過程按時(shí)間序列，可分為突出危險(xiǎn)源（隱患）形成、孕育、發(fā)生、發(fā)展和結(jié)束五個(gè)階段。在突出危險(xiǎn)源（隱患）形成階段，井田地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存條件以及瓦斯含量和壓力等因素，為突出的發(fā)生創(chuàng)造了潛在條件。當(dāng)采掘活動(dòng)導(dǎo)致應(yīng)力集中、瓦斯積聚等情況時(shí)，突出危險(xiǎn)源逐漸形成。如在突出煤層中相向掘進(jìn)和上部煤層的煤柱而形成的應(yīng)力集中、突出危險(xiǎn)煤層未進(jìn)行卸壓和瓦斯抽采或雖進(jìn)行抽采但因鉆孔布置不合理而留有抽采盲區(qū)等都會(huì)形成突出危險(xiǎn)源。在孕育階段，采掘活動(dòng)誘發(fā)煤體應(yīng)力狀態(tài)改變，瓦斯解吸但排放受阻，能量逐漸積聚，隔離體強(qiáng)度減小。當(dāng)煤體的應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到極限，煤體突然破壞，瓦斯壓力瞬間釋放，突出進(jìn)入發(fā)生階段。此后，在瓦斯壓力和地應(yīng)力的持續(xù)作用下，煤體不斷破碎，突出范圍向深部擴(kuò)展，這便是發(fā)展階段。隨著瓦斯壓力降低、煤體破碎程度減小以及能量的逐漸消耗，突出最終進(jìn)入結(jié)束階段。2.2兩相流理論概述氣固兩相流是指懸浮有固體顆粒的氣體流動(dòng)，是兩相流中的一種重要類型，在自然界和工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛存在，如沙塵暴、燃煤鍋爐、氣力輸送等場(chǎng)景。氣固兩相流屬于典型的復(fù)雜系統(tǒng)，其內(nèi)部存在著顆粒-氣體間的非線性作用、顆粒-顆粒及顆粒-固體壁面間的耗散作用，同時(shí)還受到重力場(chǎng)、磁場(chǎng)、電場(chǎng)等外場(chǎng)的共同作用。這些復(fù)雜的相互作用導(dǎo)致了氣固兩相流復(fù)雜多尺度結(jié)構(gòu)的形成，進(jìn)而決定了其獨(dú)特的流動(dòng)特性。根據(jù)固體顆粒對(duì)流體作用的響應(yīng)時(shí)間與流體流動(dòng)特征時(shí)間之比（即斯托克斯數(shù)），氣固兩相流可分為不同類型。當(dāng)斯托克斯數(shù)遠(yuǎn)小于1時(shí)，表明固體顆粒有充足的響應(yīng)時(shí)間，此時(shí)氣固兩相流可以近似看作以氣固混合物有效密度和黏度為物理屬性的單相流。在一些氣力輸送系統(tǒng)中，當(dāng)氣體流速較高且固體顆粒粒徑較小、質(zhì)量較輕時(shí)，顆粒能夠迅速跟隨氣體的流動(dòng)，就可近似按單相流來處理。當(dāng)斯托克斯數(shù)遠(yuǎn)大于1時(shí)，意味著氣體對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)特性基本沒有影響，固體顆粒的運(yùn)動(dòng)可以近似看作顆粒流。在某些顆粒填充過程中，顆粒的運(yùn)動(dòng)主要受自身重力和相互之間的碰撞作用影響，氣體的作用相對(duì)較小，可近似為顆粒流。當(dāng)斯托克斯數(shù)介于這兩個(gè)極端情況之間時(shí)，顆粒-氣體和顆粒-顆粒之間的作用都需要予以考慮，這是氣固兩相流中較為常見的情況，在煤與瓦斯突出后的巷道中，煤顆粒與瓦斯氣體的流動(dòng)就屬于這種情況，需要同時(shí)考慮顆粒與氣體之間以及顆粒與顆粒之間的相互作用。按照固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)不同，氣固兩相流又可分為稀疏兩相流和稠密兩相流。在稀疏兩相流中，顆粒體積分?jǐn)?shù)較低，顆粒間的相互作用較弱，顆粒-流體作用是主要控制因素，顆粒-顆粒之間的作用可以忽略不計(jì)。例如，在一些低濃度的粉塵排放過程中，粉塵顆粒在空氣中的分布較為稀疏，顆粒間的碰撞和相互作用較少，主要受空氣流動(dòng)的影響。而在稠密兩相流中，顆粒體積分?jǐn)?shù)較高，顆粒間的相互作用強(qiáng)烈，其特性主要由顆粒間的作用特性決定。如在氣力輸送高濃度煤粉時(shí)，煤粉顆粒之間相互擠壓、碰撞頻繁，此時(shí)顆粒間的相互作用對(duì)整個(gè)兩相流的特性起著關(guān)鍵作用。在研究氣固兩相流時(shí)，常用的理論包括連續(xù)介質(zhì)理論和顆粒動(dòng)力學(xué)理論等。連續(xù)介質(zhì)理論把氣體和固體顆?？闯墒窍嗷B透的兩種流體，都用平均化的偏微分方程來描述它們的運(yùn)動(dòng)特性。該理論基于宏觀的角度，將氣固兩相流看作是連續(xù)的介質(zhì)，忽略了顆粒的離散特性，適用于顆粒濃度較高、顆粒尺寸相對(duì)較小且分布較為均勻的情況。在研究煤與瓦斯突出后巷道中煤-瓦斯兩相流的整體流動(dòng)特性時(shí)，連續(xù)介質(zhì)理論可以對(duì)流速、壓力等宏觀參數(shù)進(jìn)行有效的描述和分析。顆粒動(dòng)力學(xué)理論則從微觀角度出發(fā)，考慮單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)以及顆粒之間、顆粒與壁面之間的相互作用。它通過建立顆粒的運(yùn)動(dòng)方程，如牛頓運(yùn)動(dòng)定律，來描述顆粒的受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在顆粒動(dòng)力學(xué)理論中，需要考慮顆粒的慣性、重力、曳力、浮力以及顆粒間的碰撞力等多種力的作用。在研究煤與瓦斯突出過程中煤顆粒的破碎、分選以及在巷道中的沉積等微觀現(xiàn)象時(shí)，顆粒動(dòng)力學(xué)理論能夠提供更詳細(xì)的信息，有助于深入理解煤-瓦斯兩相流的微觀機(jī)制。2.3煤與瓦斯突出兩相流的形成機(jī)制煤與瓦斯突出兩相流的形成是一個(gè)極為復(fù)雜的過程，涉及多種因素的相互作用，其中瓦斯壓力、地應(yīng)力和煤體物理力學(xué)性質(zhì)起著關(guān)鍵作用。瓦斯壓力是煤與瓦斯突出兩相流形成的重要?jiǎng)恿σ蛩?。瓦斯在煤層中以吸附態(tài)和游離態(tài)兩種形式存在。在正常情況下，瓦斯在煤體的孔隙和裂隙中處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)煤層受到采掘活動(dòng)等外界因素的影響時(shí)，煤體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，原本封閉的孔隙和裂隙逐漸張開，吸附瓦斯開始解吸轉(zhuǎn)化為游離瓦斯，導(dǎo)致瓦斯壓力急劇升高。在[具體煤礦案例]中，隨著掘進(jìn)工作面向前推進(jìn)，前方煤體的瓦斯壓力從原本的[X]MPa迅速升高到[X]MPa。當(dāng)瓦斯壓力超過煤體的抵抗強(qiáng)度時(shí)，瓦斯就會(huì)對(duì)煤體產(chǎn)生強(qiáng)大的膨脹力和推力。一方面，瓦斯的膨脹力促使煤體進(jìn)一步破碎，增加了煤體的破碎程度和破碎范圍；另一方面，瓦斯的推力將破碎的煤體裹挾著向采掘空間運(yùn)移，為煤與瓦斯突出兩相流的形成提供了動(dòng)力支持。據(jù)研究表明，瓦斯壓力越高，突出的危險(xiǎn)性越大，突出時(shí)拋出的煤量和瓦斯涌出量也越大。在一些高瓦斯礦井中，瓦斯壓力高達(dá)[X]MPa以上，這些礦井發(fā)生煤與瓦斯突出的概率和強(qiáng)度都明顯高于瓦斯壓力較低的礦井。地應(yīng)力是煤與瓦斯突出兩相流形成的另一個(gè)關(guān)鍵因素。地應(yīng)力包括自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力，在煤與瓦斯突出過程中，地應(yīng)力主要通過以下幾個(gè)方面發(fā)揮作用。地應(yīng)力使煤體處于一定的應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)采掘活動(dòng)導(dǎo)致煤體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，煤體的彈性變形潛能被釋放，促使煤體發(fā)生破壞和位移。在石門揭煤過程中，當(dāng)巷道揭穿煤層時(shí)，煤體的應(yīng)力狀態(tài)從三向應(yīng)力狀態(tài)突然轉(zhuǎn)變?yōu)閮上蚧騿蜗驊?yīng)力狀態(tài)，煤體的彈性變形潛能瞬間釋放，導(dǎo)致煤體破碎。地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)瓦斯壓力場(chǎng)具有控制作用，圍巖中的地應(yīng)力決定了煤層的瓦斯壓力分布。當(dāng)圍巖中的地應(yīng)力增大時(shí)，煤層的透氣性降低，瓦斯難以排出，從而導(dǎo)致瓦斯壓力升高。在[具體地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域]，由于受到強(qiáng)烈的構(gòu)造應(yīng)力作用，煤層的透氣性極低，瓦斯壓力高達(dá)[X]MPa，為煤與瓦斯突出的發(fā)生創(chuàng)造了條件。地應(yīng)力還會(huì)影響煤體的物理力學(xué)性質(zhì)，如煤體的強(qiáng)度和變形特性。當(dāng)煤體受到較大的地應(yīng)力作用時(shí)，煤體的強(qiáng)度會(huì)降低，更容易發(fā)生破壞。在深部礦井中，由于地應(yīng)力較大，煤體的強(qiáng)度明顯低于淺部礦井，煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性也相應(yīng)增加。煤體物理力學(xué)性質(zhì)是煤與瓦斯突出兩相流形成的內(nèi)在因素，它決定了煤體的抗破壞能力和瓦斯的賦存、運(yùn)移特性。煤體的強(qiáng)度是影響煤與瓦斯突出的重要因素之一。一般來說，煤體強(qiáng)度越低，越容易受到地應(yīng)力和瓦斯壓力的作用而發(fā)生破壞。軟煤的強(qiáng)度較低，其堅(jiān)固性系數(shù)通常小于[X]，在相同的地應(yīng)力和瓦斯壓力條件下，軟煤比硬煤更容易發(fā)生突出。在[具體煤礦工作面]，軟煤區(qū)域發(fā)生煤與瓦斯突出的次數(shù)明顯多于硬煤區(qū)域。煤體的透氣性也對(duì)煤與瓦斯突出有著重要影響。透氣性好的煤體，瓦斯能夠順利排出，瓦斯壓力不易積聚，突出的危險(xiǎn)性相對(duì)較??；而透氣性差的煤體，瓦斯難以排出，容易造成瓦斯壓力升高，增加突出的危險(xiǎn)性。在[具體煤層案例]中，煤層的透氣性極低，瓦斯壓力長(zhǎng)期居高不下，導(dǎo)致該煤層多次發(fā)生煤與瓦斯突出事故。煤體的孔隙結(jié)構(gòu)和吸附特性也會(huì)影響瓦斯的賦存和運(yùn)移?？紫堵蚀蟆⑽侥芰?qiáng)的煤體能夠儲(chǔ)存更多的瓦斯，并且在煤體破壞時(shí)，吸附瓦斯能夠迅速解吸，為突出提供更多的瓦斯動(dòng)力。瓦斯壓力、地應(yīng)力和煤體物理力學(xué)性質(zhì)之間存在著復(fù)雜的相互作用關(guān)系，共同影響著煤與瓦斯突出兩相流的形成。在煤與瓦斯突出過程中，地應(yīng)力和瓦斯壓力的共同作用導(dǎo)致煤體的破壞，而煤體的物理力學(xué)性質(zhì)則決定了煤體的破壞方式和程度。當(dāng)煤體受到地應(yīng)力和瓦斯壓力的作用時(shí)，如果煤體強(qiáng)度較高，煤體可能會(huì)發(fā)生脆性破壞，形成較大的煤塊；而如果煤體強(qiáng)度較低，煤體則可能會(huì)發(fā)生塑性破壞，形成細(xì)小的煤粉。煤體的破壞又會(huì)進(jìn)一步影響瓦斯的解吸和運(yùn)移，從而影響煤與瓦斯突出兩相流的形成和發(fā)展。三、煤與瓦斯突出兩相流在巷道中的運(yùn)移過程3.1運(yùn)移過程的階段劃分3.1.1氣與固相的接觸階段在煤與瓦斯突出的初始階段，主要是瓦斯從煤體孔隙中釋放并與煤塵混合的過程。煤層在地質(zhì)作用下，內(nèi)部存在大量的孔隙和裂隙，瓦斯以吸附態(tài)和游離態(tài)兩種形式賦存于其中。當(dāng)煤層受到采掘活動(dòng)、地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)等外界因素的影響時(shí)，煤體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，原本處于吸附態(tài)的瓦斯開始解吸轉(zhuǎn)化為游離態(tài)。這一解吸過程是瓦斯從煤體中釋放的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其解吸速率受到多種因素的制約。煤體的孔隙結(jié)構(gòu)是影響瓦斯解吸的重要因素之一。煤體孔隙可分為微孔、小孔、中孔和大孔等不同尺度，不同孔隙的比表面積、連通性和孔徑分布等特性對(duì)瓦斯的吸附和解吸行為有著顯著影響。微孔具有較大的比表面積，能夠提供更多的吸附位點(diǎn)，使得瓦斯在微孔中以吸附態(tài)為主；而大孔和中孔的連通性較好，是瓦斯解吸后擴(kuò)散和運(yùn)移的主要通道。研究表明，孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，瓦斯的解吸和擴(kuò)散阻力越大，解吸速率就越低。在一些低透氣性煤層中，由于孔隙結(jié)構(gòu)致密，瓦斯解吸困難，導(dǎo)致瓦斯在煤體中大量積聚，增加了煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。瓦斯壓力也是影響解吸過程的關(guān)鍵因素。根據(jù)朗格繆爾吸附理論，瓦斯在煤體中的吸附量與瓦斯壓力密切相關(guān)。當(dāng)瓦斯壓力升高時(shí)，煤體對(duì)瓦斯的吸附量增加；而當(dāng)瓦斯壓力降低時(shí)，吸附瓦斯會(huì)逐漸解吸。在煤與瓦斯突出過程中，隨著煤體的破壞和瓦斯的釋放，瓦斯壓力逐漸降低，吸附瓦斯不斷解吸，為突出提供了源源不斷的瓦斯動(dòng)力。在[具體煤礦案例]中，當(dāng)巷道掘進(jìn)至某區(qū)域時(shí)，瓦斯壓力從初始的[X]MPa迅速下降到[X]MPa，導(dǎo)致大量吸附瓦斯解吸，瓦斯涌出量急劇增加，最終引發(fā)了煤與瓦斯突出事故。煤體的溫度對(duì)瓦斯解吸也有一定的影響。一般來說，溫度升高會(huì)使瓦斯分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，從而削弱瓦斯分子與煤體表面的吸附力，促進(jìn)瓦斯解吸。在實(shí)際開采過程中，由于采掘活動(dòng)產(chǎn)生的熱量以及地溫等因素的影響，煤體溫度會(huì)有所升高，這在一定程度上會(huì)加速瓦斯的解吸過程。隨著瓦斯從煤體孔隙中不斷解吸釋放，游離瓦斯在煤體內(nèi)部形成壓力梯度，促使瓦斯向煤體表面擴(kuò)散。在擴(kuò)散過程中，瓦斯會(huì)與煤體破碎后產(chǎn)生的煤塵顆粒相互接觸，逐漸混合形成氣固兩相流。煤塵顆粒的粒徑分布、形狀和表面性質(zhì)等因素會(huì)影響瓦斯與煤塵的混合效果。較小粒徑的煤塵顆粒具有較大的比表面積，能夠更充分地與瓦斯接觸，增加混合的均勻性；而不規(guī)則形狀的煤塵顆粒則可能會(huì)增加瓦斯流動(dòng)的阻力，影響混合過程。煤塵的濃度也會(huì)對(duì)混合效果產(chǎn)生影響，當(dāng)煤塵濃度過高時(shí)，煤塵顆粒之間的相互作用增強(qiáng)，可能會(huì)導(dǎo)致團(tuán)聚現(xiàn)象，不利于瓦斯與煤塵的均勻混合。3.1.2氣固兩相流的運(yùn)動(dòng)階段當(dāng)瓦斯與煤塵充分混合形成氣固兩相流后，便進(jìn)入了在巷道中的運(yùn)動(dòng)階段。在這一階段，瓦斯和煤塵在巷道中相互作用、共同運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)出復(fù)雜的流動(dòng)特征。瓦斯作為連續(xù)相，其流動(dòng)特性對(duì)整個(gè)兩相流的運(yùn)動(dòng)起著主導(dǎo)作用。瓦斯的流速、壓力和溫度等參數(shù)直接影響著煤塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和分布。在巷道中，瓦斯的流動(dòng)受到巷道幾何形狀、通風(fēng)條件等因素的制約。當(dāng)巷道斷面形狀不規(guī)則或存在局部阻力時(shí)，瓦斯的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生紊流現(xiàn)象，導(dǎo)致流速和壓力分布不均勻。在巷道轉(zhuǎn)彎處或存在障礙物的地方，瓦斯會(huì)形成渦流，使得局部區(qū)域的流速和壓力發(fā)生劇烈變化。這些變化會(huì)對(duì)煤塵顆粒的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，使煤塵顆粒在巷道中的分布變得更加復(fù)雜。通風(fēng)條件是影響瓦斯流動(dòng)的重要因素之一。合理的通風(fēng)可以有效地控制瓦斯的濃度和流動(dòng)方向，降低煤與瓦斯突出的風(fēng)險(xiǎn)。在通風(fēng)良好的巷道中，新鮮空氣能夠及時(shí)補(bǔ)充，將瓦斯稀釋并排出，使得瓦斯?jié)舛缺３衷诎踩秶鷥?nèi)。通風(fēng)還可以為瓦斯提供流動(dòng)的動(dòng)力，促進(jìn)瓦斯在巷道中的均勻分布。當(dāng)通風(fēng)不暢時(shí)，瓦斯容易積聚在局部區(qū)域，導(dǎo)致瓦斯?jié)舛壬?，增加突出的危險(xiǎn)性。如果通風(fēng)系統(tǒng)存在漏風(fēng)或風(fēng)量不足的情況，瓦斯無法及時(shí)排出，就會(huì)在巷道中積聚，形成高濃度瓦斯區(qū)域，一旦遇到火源或其他激發(fā)條件，就可能引發(fā)煤與瓦斯突出事故。煤塵顆粒作為離散相，在瓦斯的攜帶作用下在巷道中運(yùn)動(dòng)。煤塵顆粒的運(yùn)動(dòng)不僅受到瓦斯流動(dòng)的影響，還受到自身重力、慣性力、曳力以及顆粒間相互作用力等多種因素的作用。在瓦斯流速較低時(shí)，煤塵顆粒的運(yùn)動(dòng)主要受重力作用，會(huì)逐漸沉降到巷道底部；而當(dāng)瓦斯流速較高時(shí)，瓦斯對(duì)煤塵顆粒的曳力增大，煤塵顆粒能夠被瓦斯有效地?cái)y帶，在巷道中呈懸浮狀態(tài)運(yùn)動(dòng)。煤塵顆粒的粒徑和密度對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性也有顯著影響。較小粒徑的煤塵顆粒質(zhì)量較輕，更容易被瓦斯攜帶，其運(yùn)動(dòng)軌跡更接近瓦斯的流線；而較大粒徑的煤塵顆粒質(zhì)量較大，慣性力較強(qiáng)，在運(yùn)動(dòng)過程中更容易偏離瓦斯流線，發(fā)生沉降或碰撞。瓦斯與煤塵之間存在著強(qiáng)烈的相互作用。瓦斯的流動(dòng)會(huì)帶動(dòng)煤塵顆粒運(yùn)動(dòng)，同時(shí)煤塵顆粒的存在也會(huì)影響瓦斯的流動(dòng)特性。煤塵顆粒會(huì)增加瓦斯流動(dòng)的阻力，使瓦斯的流速降低，壓力損失增大。煤塵顆粒與瓦斯之間的熱量交換也會(huì)影響瓦斯的溫度分布，進(jìn)而影響瓦斯的物理性質(zhì)和流動(dòng)特性。3.1.3突出發(fā)生的階段在經(jīng)過氣與固相的接觸階段和氣固兩相流的運(yùn)動(dòng)階段后，當(dāng)瓦斯和煤塵的能量積聚到一定程度，超過了煤體和巷道的抵抗能力時(shí)，就會(huì)發(fā)生大量氣體和煤體突然噴出的現(xiàn)象，即煤與瓦斯突出進(jìn)入發(fā)生階段。在突出發(fā)生瞬間，大量的瓦斯和煤體以極高的速度從煤體中噴出，形成強(qiáng)大的氣浪和煤流。突出的瓦斯和煤體具有巨大的動(dòng)能，能夠?qū)ο锏纼?nèi)的設(shè)施、設(shè)備和支護(hù)結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞。在[具體事故案例]中，突出的瓦斯和煤體將巷道內(nèi)的通風(fēng)管道、電纜、支架等設(shè)施全部摧毀，導(dǎo)致巷道完全堵塞，生產(chǎn)中斷。突出產(chǎn)生的氣浪還會(huì)引發(fā)巷道內(nèi)的風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，使新鮮空氣無法進(jìn)入，有害氣體迅速擴(kuò)散，對(duì)井下作業(yè)人員的生命安全構(gòu)成極大威脅。在一些嚴(yán)重的煤與瓦斯突出事故中，由于風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，大量瓦斯涌入其他巷道，造成了人員窒息和中毒事故。突出的煤體在巷道中會(huì)呈現(xiàn)出明顯的分選現(xiàn)象。較大的煤塊由于慣性較大，通常會(huì)分布在靠近突出源的位置；而較小的煤粉則會(huì)被瓦斯攜帶到較遠(yuǎn)的地方。這種分選現(xiàn)象不僅與煤體的粒徑和質(zhì)量有關(guān)，還與瓦斯的流速和壓力分布密切相關(guān)。在瓦斯流速較高、壓力較大的區(qū)域，煤粉能夠被更有效地?cái)y帶，從而被輸送到更遠(yuǎn)的地方。突出發(fā)生后，巷道內(nèi)的環(huán)境會(huì)發(fā)生急劇變化。瓦斯?jié)舛葧?huì)迅速升高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過安全允許范圍，形成瓦斯積聚區(qū)域，增加了瓦斯爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。突出的煤體和揚(yáng)起的煤塵還會(huì)導(dǎo)致巷道內(nèi)的能見度降低，給救援工作帶來極大困難。在[具體救援案例]中，由于巷道內(nèi)煤塵彌漫，能見度極低，救援人員無法準(zhǔn)確判斷巷道的情況，救援工作進(jìn)展緩慢，延誤了救援時(shí)機(jī)。3.2運(yùn)移過程的影響因素3.2.1煤體性質(zhì)的影響煤體的物理性質(zhì)對(duì)煤與瓦斯突出兩相流的運(yùn)移具有顯著影響。煤體的硬度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它直接關(guān)系到煤體在瓦斯壓力和地應(yīng)力作用下的破碎程度。硬度較低的煤體，如軟煤，其內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)相對(duì)松散，化學(xué)鍵較弱，在受到瓦斯壓力和地應(yīng)力的作用時(shí)，更容易發(fā)生破碎。在[具體煤礦案例]中，軟煤區(qū)域的煤體在突出過程中破碎程度明顯高于硬煤區(qū)域，破碎后的煤體粒徑更小，這使得煤體與瓦斯的接觸面積增大，促進(jìn)了瓦斯的解吸和混合，進(jìn)而影響了兩相流的運(yùn)移特性。軟煤在突出時(shí)更容易被瓦斯攜帶，導(dǎo)致兩相流的流速和濃度分布發(fā)生變化，增加了運(yùn)移過程的復(fù)雜性。煤體的脆性也對(duì)運(yùn)移過程有著重要影響。脆性較大的煤體在受到外力作用時(shí)，容易發(fā)生突然的破裂和粉碎，形成大量的細(xì)小顆粒。這些細(xì)小顆粒在瓦斯的攜帶下，能夠迅速在巷道中擴(kuò)散，使得煤與瓦斯突出兩相流的傳播范圍更廣。在[具體實(shí)驗(yàn)]中，對(duì)脆性煤體和韌性煤體進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)脆性煤體在突出時(shí)產(chǎn)生的煤粉量更多，且煤粉的粒徑更細(xì)小，兩相流在巷道中的傳播速度更快，影響范圍更大。煤體的應(yīng)力狀態(tài)是影響煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移的重要因素之一。在采掘活動(dòng)之前，煤體處于一種相對(duì)穩(wěn)定的應(yīng)力平衡狀態(tài)，瓦斯在煤體中以吸附態(tài)和游離態(tài)存在。隨著采掘活動(dòng)的進(jìn)行，煤體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，原本平衡的應(yīng)力場(chǎng)被打破，導(dǎo)致煤體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。在[具體煤礦巷道掘進(jìn)案例]中，當(dāng)巷道掘進(jìn)至某區(qū)域時(shí)，由于前方煤體受到采掘擾動(dòng)，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到了[X]，使得煤體的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，瓦斯解吸量增加。應(yīng)力集中還會(huì)導(dǎo)致煤體的強(qiáng)度降低，使其更容易被瓦斯壓力和地應(yīng)力破碎。破碎后的煤體在瓦斯的作用下，更容易形成兩相流并在巷道中運(yùn)移。煤體的滲透性對(duì)瓦斯的運(yùn)移和釋放起著關(guān)鍵作用。滲透性好的煤體，瓦斯能夠在其中快速擴(kuò)散和運(yùn)移，在突出發(fā)生前，瓦斯更容易排出，從而降低了瓦斯壓力，減少了突出的危險(xiǎn)性。而滲透性差的煤體，瓦斯難以排出，容易造成瓦斯積聚，增加了突出的風(fēng)險(xiǎn)。在[具體煤層案例]中，煤層的滲透性極低，瓦斯壓力長(zhǎng)期居高不下，導(dǎo)致該煤層多次發(fā)生煤與瓦斯突出事故。當(dāng)煤體發(fā)生突出后，滲透性還會(huì)影響煤與瓦斯突出兩相流的運(yùn)移速度和濃度分布。滲透性好的煤體，兩相流在其中的運(yùn)移阻力較小，流速較快，濃度分布相對(duì)均勻；而滲透性差的煤體，兩相流的運(yùn)移阻力較大，流速較慢，容易造成局部濃度過高。3.2.2瓦斯參數(shù)的影響瓦斯壓力是影響煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移的重要因素之一。瓦斯壓力越高，瓦斯在煤體中的能量就越大，在突出發(fā)生時(shí)，能夠?yàn)槊后w的破碎和運(yùn)移提供更強(qiáng)的動(dòng)力。在[具體煤礦案例]中，當(dāng)瓦斯壓力從[X]MPa升高到[X]MPa時(shí)，突出時(shí)拋出的煤量增加了[X]%，瓦斯涌出量也大幅增加。高瓦斯壓力還會(huì)使瓦斯在巷道中的流速加快，從而帶動(dòng)煤體顆粒更快地運(yùn)移。瓦斯壓力的變化還會(huì)影響煤與瓦斯突出兩相流的濃度分布。在瓦斯壓力較高的區(qū)域，瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較高，煤體顆粒在瓦斯流中的分布也會(huì)更加密集。瓦斯溫度對(duì)煤與瓦斯突出兩相流的運(yùn)移也有一定的影響。溫度升高會(huì)使瓦斯分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致瓦斯的擴(kuò)散系數(shù)增大，從而加快瓦斯在煤體中的擴(kuò)散速度。在[具體實(shí)驗(yàn)]中，當(dāng)溫度從[X]℃升高到[X]℃時(shí)，瓦斯在煤體中的擴(kuò)散系數(shù)增加了[X]%。溫度升高還會(huì)影響煤體的物理性質(zhì)，如降低煤體的強(qiáng)度，使煤體更容易破碎。在高溫環(huán)境下，煤體的塑性變形能力增強(qiáng)，脆性降低，這使得煤體在受到瓦斯壓力和地應(yīng)力作用時(shí)，更容易發(fā)生塑性破壞，形成細(xì)小的煤粉顆粒。這些細(xì)小的煤粉顆粒在瓦斯的攜帶下，更容易在巷道中運(yùn)移，從而影響煤與瓦斯突出兩相流的運(yùn)移特性。瓦斯?jié)舛葘?duì)煤與瓦斯突出兩相流的運(yùn)移特性有著重要影響。瓦斯?jié)舛鹊母叩椭苯記Q定了兩相流中瓦斯的能量大小和對(duì)煤體顆粒的攜帶能力。在瓦斯?jié)舛容^高的情況下，瓦斯具有更強(qiáng)的能量，能夠更有效地?cái)y帶煤體顆粒，使得煤體顆粒在巷道中的運(yùn)移速度加快，分布范圍更廣。當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到一定程度時(shí)，還可能引發(fā)瓦斯爆炸等更嚴(yán)重的事故，進(jìn)一步加劇災(zāi)害的危害程度。在[具體煤礦事故案例]中，由于瓦斯?jié)舛冗^高，在突出過程中引發(fā)了瓦斯爆炸，導(dǎo)致事故造成的損失更加慘重。瓦斯?jié)舛鹊淖兓€會(huì)影響煤與瓦斯突出兩相流的穩(wěn)定性。當(dāng)瓦斯?jié)舛劝l(fā)生波動(dòng)時(shí)，兩相流的流速、壓力等參數(shù)也會(huì)隨之變化，可能導(dǎo)致兩相流的流動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定，出現(xiàn)紊流、渦流等現(xiàn)象，從而影響煤體顆粒的運(yùn)移軌跡和分布。3.2.3巷道條件的影響巷道的形狀對(duì)煤與瓦斯突出兩相流的運(yùn)移有著顯著的影響。不同的巷道形狀會(huì)導(dǎo)致瓦斯和煤體顆粒在巷道中的流動(dòng)阻力和速度分布不同。在圓形巷道中，瓦斯和煤體顆粒的流動(dòng)相對(duì)較為均勻，流速分布也較為對(duì)稱，因?yàn)閳A形巷道的壁面光滑，對(duì)氣流的阻礙較小，能夠減少能量損失，使得瓦斯和煤體顆粒能夠較為順暢地通過。而在矩形巷道中，由于存在棱角和拐角，氣流在這些位置會(huì)發(fā)生明顯的變化，形成渦流和紊流區(qū)域。在矩形巷道的拐角處，瓦斯和煤體顆粒的流速會(huì)降低，壓力會(huì)升高，導(dǎo)致局部區(qū)域的能量損失增加。這些渦流和紊流區(qū)域會(huì)影響煤體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，使煤體顆粒在巷道中的分布變得不均勻，增加了煤體顆粒沉積和堵塞巷道的風(fēng)險(xiǎn)。在[具體煤礦巷道案例]中，矩形巷道的某些區(qū)域經(jīng)常出現(xiàn)煤體顆粒堆積的情況，嚴(yán)重影響了巷道的正常通風(fēng)和運(yùn)輸。巷道的尺寸也是影響煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移的重要因素之一。巷道的斷面面積和長(zhǎng)度會(huì)直接影響瓦斯和煤體顆粒的流動(dòng)空間和阻力。較大的巷道斷面面積能夠提供更廣闊的流動(dòng)空間，降低瓦斯和煤體顆粒的流動(dòng)阻力，使得兩相流能夠更快速地通過巷道。在[具體煤礦巷道改造案例]中，將巷道的斷面面積擴(kuò)大了[X]%后，煤與瓦斯突出兩相流的流速提高了[X]%，運(yùn)輸效率得到了顯著提升。巷道的長(zhǎng)度也會(huì)對(duì)兩相流的運(yùn)移產(chǎn)生影響。較長(zhǎng)的巷道會(huì)增加瓦斯和煤體顆粒的運(yùn)移距離，導(dǎo)致能量損失增加，流速降低。在一些深部礦井中，巷道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，煤與瓦斯突出兩相流在運(yùn)移過程中會(huì)逐漸衰減，到達(dá)巷道出口時(shí)的能量和速度明顯降低。巷道的粗糙度會(huì)影響瓦斯和煤體顆粒與巷道壁面的摩擦和碰撞，進(jìn)而影響兩相流的運(yùn)移。粗糙度較大的巷道壁面會(huì)增加瓦斯和煤體顆粒的流動(dòng)阻力，使流速降低。在[具體實(shí)驗(yàn)]中，對(duì)粗糙度不同的巷道進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)巷道粗糙度增加[X]%時(shí)，瓦斯和煤體顆粒的流速降低了[X]%。粗糙度還會(huì)導(dǎo)致煤體顆粒在巷道壁面的沉積和附著，進(jìn)一步影響巷道的通風(fēng)和運(yùn)輸。在實(shí)際煤礦生產(chǎn)中，巷道壁面的粗糙度往往受到巷道支護(hù)方式、施工質(zhì)量等因素的影響。采用光滑的支護(hù)材料和精細(xì)的施工工藝能夠降低巷道的粗糙度，減少對(duì)煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移的影響。四、煤與瓦斯突出兩相流的動(dòng)力特征4.1動(dòng)力特征的表現(xiàn)形式4.1.1沖擊氣流的形成與傳播煤與瓦斯突出過程中，沖擊氣流的形成是一個(gè)復(fù)雜且關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。當(dāng)煤體在瓦斯壓力和地應(yīng)力的共同作用下發(fā)生破裂時(shí)，大量的瓦斯迅速從煤體孔隙和裂隙中釋放出來。這些瓦斯在短時(shí)間內(nèi)積聚了巨大的能量，形成了高速的氣流。在[具體煤礦事故案例]中，突出瞬間瓦斯壓力從[X]MPa急劇釋放，導(dǎo)致沖擊氣流的初始速度高達(dá)[X]m/s。從能量轉(zhuǎn)化的角度來看，瓦斯在煤體中原本儲(chǔ)存著化學(xué)能和內(nèi)能，當(dāng)突出發(fā)生時(shí)，這些能量迅速轉(zhuǎn)化為氣流的動(dòng)能。瓦斯的膨脹過程近似為絕熱膨脹，根據(jù)熱力學(xué)原理，絕熱膨脹過程中氣體的內(nèi)能減少，轉(zhuǎn)化為對(duì)外做功的機(jī)械能，從而使氣流獲得高速。在[具體實(shí)驗(yàn)]中，通過模擬突出過程，測(cè)量得到瓦斯在絕熱膨脹過程中溫度降低了[X]℃，這表明內(nèi)能轉(zhuǎn)化為了動(dòng)能，使得沖擊氣流的速度大幅增加。沖擊氣流在巷道中的傳播具有明顯的特征。在傳播初期，由于能量高度集中，沖擊氣流速度極高，能夠?qū)ο锏纼?nèi)的設(shè)施造成毀滅性的破壞。它會(huì)像一把利刃，瞬間摧毀通風(fēng)管道、電纜橋架等設(shè)備，使巷道內(nèi)的通風(fēng)和電力系統(tǒng)癱瘓。在[具體煤礦巷道]中，沖擊氣流經(jīng)過之處，通風(fēng)管道被撕裂成碎片，電纜被扯斷，直接導(dǎo)致了巷道內(nèi)通風(fēng)中斷和設(shè)備停運(yùn)。隨著傳播距離的增加，沖擊氣流不斷與巷道壁面摩擦，以及與巷道內(nèi)的空氣相互作用，能量逐漸耗散，速度逐漸降低。在[具體數(shù)值模擬結(jié)果]中，當(dāng)沖擊氣流傳播距離達(dá)到[X]m時(shí)，速度從初始的[X]m/s降低到了[X]m/s。沖擊氣流在傳播過程中還會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的壓力變化。在突出源附近，壓力極高，形成正壓區(qū)，對(duì)巷道壁面產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力。這種沖擊力可能導(dǎo)致巷道壁面的巖石剝落、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形甚至坍塌。在[具體煤礦巷道破壞案例]中，突出源附近的巷道壁面出現(xiàn)了大面積的巖石剝落，支護(hù)鋼梁被壓彎，嚴(yán)重威脅了巷道的穩(wěn)定性。而在沖擊氣流傳播的后方，由于氣體的快速流動(dòng)，會(huì)形成負(fù)壓區(qū)，可能引發(fā)巷道內(nèi)的風(fēng)流紊亂，甚至導(dǎo)致有害氣體的積聚。在[具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)]中，沖擊氣流后方的負(fù)壓區(qū)壓力最低達(dá)到了[X]Pa，使得巷道內(nèi)的風(fēng)流方向發(fā)生了改變，有害氣體濃度升高。4.1.2煤粉流的運(yùn)動(dòng)特性煤粉流在煤與瓦斯突出過程中具有獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)特性。煤粉的速度是其運(yùn)動(dòng)特性的重要參數(shù)之一，它受到多種因素的綜合影響。瓦斯的曳力是推動(dòng)煤粉運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿碓础．?dāng)瓦斯以高速從煤體中噴出時(shí)，會(huì)對(duì)周圍的煤粉顆粒產(chǎn)生強(qiáng)大的曳力，使其跟隨瓦斯一起運(yùn)動(dòng)。在[具體實(shí)驗(yàn)]中，通過高速攝像機(jī)拍攝和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)瓦斯速度為[X]m/s時(shí)，煤粉的速度能夠達(dá)到[X]m/s左右。煤粉自身的重力也會(huì)對(duì)其速度產(chǎn)生影響。在水平巷道中，重力的作用相對(duì)較小，但在傾斜巷道中，重力會(huì)使煤粉在垂直方向上產(chǎn)生一定的加速度，從而影響其整體運(yùn)動(dòng)速度和軌跡。在[具體煤礦傾斜巷道案例]中，由于重力的作用，煤粉在傾斜巷道中的運(yùn)動(dòng)速度比在水平巷道中略低，且軌跡呈現(xiàn)出一定的傾斜角度。煤粉的加速度在突出過程中也會(huì)發(fā)生變化。在突出初期，煤粉受到瓦斯的強(qiáng)烈曳力作用，加速度較大，能夠迅速獲得較高的速度。隨著突出過程的進(jìn)行，煤粉與巷道壁面、其他煤粉顆粒以及空氣之間的摩擦和碰撞逐漸增多，能量逐漸消耗，加速度逐漸減小。在[具體數(shù)值模擬]中，突出初期煤粉的加速度可達(dá)[X]m/s2，而在突出后期，加速度減小到了[X]m/s2左右。煤粉在巷道中的運(yùn)動(dòng)軌跡也十分復(fù)雜。由于受到瓦斯流速分布不均勻、巷道形狀不規(guī)則以及煤粉之間相互作用等因素的影響，煤粉的運(yùn)動(dòng)軌跡并非是簡(jiǎn)單的直線運(yùn)動(dòng)。在巷道的彎道處，煤粉會(huì)受到離心力的作用，運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生彎曲。在[具體巷道彎道案例]中，通過在巷道彎道處設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)煤粉在經(jīng)過彎道時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡向彎道外側(cè)偏移，且部分煤粉會(huì)撞擊到巷道壁面上，導(dǎo)致壁面磨損和煤粉沉積。在巷道存在障礙物的區(qū)域，煤粉會(huì)繞過障礙物運(yùn)動(dòng)，形成復(fù)雜的流線。在[具體煤礦巷道障礙物案例]中，障礙物周圍的煤粉流線呈現(xiàn)出紊亂的狀態(tài)，部分煤粉在障礙物后方形成渦流，導(dǎo)致煤粉積聚。4.1.3巷道內(nèi)的壓力分布巷道內(nèi)的壓力分布在煤與瓦斯突出過程中呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化規(guī)律。在突出發(fā)生瞬間，突出源附近的壓力會(huì)急劇升高，形成一個(gè)高壓區(qū)域。這是由于大量的瓦斯和煤粉在極短的時(shí)間內(nèi)從煤體中噴出，對(duì)巷道內(nèi)的空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓縮作用。在[具體煤礦事故案例]中，突出源附近的壓力在瞬間升高到了[X]MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了巷道正常工作壓力。這種高壓會(huì)對(duì)巷道內(nèi)的人員和設(shè)備造成極大的危害。對(duì)于人員來說，高壓可能導(dǎo)致耳膜破裂、肺部損傷等嚴(yán)重的身體傷害。在[具體醫(yī)學(xué)研究案例]中，當(dāng)人體暴露在[X]MPa以上的高壓環(huán)境中時(shí)，耳膜破裂的概率高達(dá)[X]%，肺部也會(huì)受到不同程度的損傷。對(duì)于設(shè)備而言，高壓可能使設(shè)備的結(jié)構(gòu)部件承受過大的應(yīng)力，導(dǎo)致設(shè)備損壞。在[具體煤礦設(shè)備損壞案例]中，高壓使得通風(fēng)機(jī)的葉片變形、電機(jī)燒毀，嚴(yán)重影響了設(shè)備的正常運(yùn)行。隨著距離突出源的增加，壓力逐漸降低。這是因?yàn)闆_擊氣流在傳播過程中不斷與巷道壁面摩擦，能量逐漸耗散，同時(shí)，沖擊氣流與巷道內(nèi)的空氣混合，使得壓力逐漸趨于平衡。在[具體數(shù)值模擬結(jié)果]中，當(dāng)距離突出源[X]m時(shí)，壓力已經(jīng)降低到了[X]MPa左右。在巷道的某些特殊區(qū)域，如彎道、變徑處等，由于氣流的流動(dòng)受到阻礙，會(huì)產(chǎn)生局部的壓力升高現(xiàn)象。在[具體巷道彎道案例]中，彎道處的壓力比相鄰的直道部分高出了[X]MPa，這會(huì)進(jìn)一步加劇對(duì)這些區(qū)域巷道壁面和設(shè)備的破壞。巷道內(nèi)的壓力分布還會(huì)對(duì)風(fēng)流產(chǎn)生影響。高壓區(qū)域的氣流會(huì)向低壓區(qū)域流動(dòng)，形成復(fù)雜的風(fēng)流場(chǎng)。在突出發(fā)生后，巷道內(nèi)的風(fēng)流可能會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)，新鮮空氣無法正常進(jìn)入，有害氣體難以排出，這對(duì)井下作業(yè)人員的生命安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。在[具體煤礦事故救援案例]中，由于巷道內(nèi)風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，救援人員無法及時(shí)進(jìn)入事故區(qū)域，導(dǎo)致救援工作延誤，增加了人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。4.2動(dòng)力特征的影響因素4.2.1煤體結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)煤體結(jié)構(gòu)完整性對(duì)煤與瓦斯突出動(dòng)力特征有著顯著影響。完整的煤體具有較好的力學(xué)性能，能夠承受較大的應(yīng)力而不發(fā)生破壞。當(dāng)煤體結(jié)構(gòu)受到地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、采掘活動(dòng)等因素的影響而遭到破壞時(shí)，其內(nèi)部的連續(xù)性和完整性被打破，形成各種裂隙和破碎帶。這些裂隙和破碎帶為瓦斯的運(yùn)移和積聚提供了通道，使得瓦斯更容易在煤體中富集。在[具體煤礦案例]中，某區(qū)域由于受到斷層構(gòu)造的影響，煤體結(jié)構(gòu)破碎，瓦斯含量明顯高于周圍完整煤體區(qū)域。破碎的煤體在瓦斯壓力和地應(yīng)力的作用下，更容易發(fā)生變形和破壞，從而導(dǎo)致突出的發(fā)生。在突出過程中，破碎煤體的參與會(huì)使突出的動(dòng)力特征發(fā)生變化。破碎煤體的存在增加了煤與瓦斯突出兩相流的質(zhì)量和體積，使得沖擊氣流和煤粉流的能量增大。破碎煤體的不規(guī)則形狀和大小分布，會(huì)導(dǎo)致兩相流在巷道中的流動(dòng)阻力增大，進(jìn)一步影響其動(dòng)力特征。破碎煤體還會(huì)改變巷道內(nèi)的壓力分布，使得壓力變化更加復(fù)雜。煤體的強(qiáng)度是影響煤與瓦斯突出動(dòng)力特征的重要因素之一。煤體強(qiáng)度決定了煤體在瓦斯壓力和地應(yīng)力作用下的抵抗能力。強(qiáng)度較高的煤體，在受到瓦斯壓力和地應(yīng)力作用時(shí)，能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，不易發(fā)生破壞和突出。而強(qiáng)度較低的煤體，在相同的瓦斯壓力和地應(yīng)力條件下，更容易發(fā)生變形和破壞，從而引發(fā)突出。在[具體實(shí)驗(yàn)研究]中，對(duì)不同強(qiáng)度的煤體進(jìn)行模擬突出實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度較低的煤體在突出時(shí)，沖擊氣流的速度和壓力明顯高于強(qiáng)度較高的煤體。煤體強(qiáng)度還會(huì)影響突出的發(fā)生位置和范圍。在煤體強(qiáng)度較低的區(qū)域，突出更容易發(fā)生，且突出的范圍可能更大。這是因?yàn)榈蛷?qiáng)度煤體無法有效地抵抗瓦斯壓力和地應(yīng)力的作用，使得突出更容易突破煤體的限制，向周圍擴(kuò)展。在[具體煤礦事故案例]中，某工作面由于煤體強(qiáng)度較低，在開采過程中發(fā)生了煤與瓦斯突出事故，突出范圍涉及多個(gè)巷道，造成了嚴(yán)重的破壞。煤體的硬度和脆性也與突出動(dòng)力特征密切相關(guān)。硬度較高的煤體，在受到外力作用時(shí)，不易發(fā)生變形和破碎，能夠?qū)ν咚箟毫偷貞?yīng)力起到一定的緩沖作用。而硬度較低的煤體，容易被破碎，從而增加了突出的危險(xiǎn)性。脆性較大的煤體，在受到外力作用時(shí)，容易發(fā)生突然的破裂和粉碎，形成大量的細(xì)小顆粒。這些細(xì)小顆粒在瓦斯的攜帶下，能夠迅速在巷道中擴(kuò)散，使得煤與瓦斯突出兩相流的傳播范圍更廣，動(dòng)力特征更加復(fù)雜。在[具體煤礦開采區(qū)域]，煤體脆性較大，在突出過程中產(chǎn)生了大量的煤粉，導(dǎo)致巷道內(nèi)的能見度極低，救援工作受到了極大的阻礙。4.2.2瓦斯含量與壓力瓦斯含量和壓力的變化對(duì)煤與瓦斯突出兩相流的動(dòng)力特征有著重要影響。瓦斯含量直接關(guān)系到突出時(shí)可釋放的瓦斯能量大小。當(dāng)瓦斯含量較高時(shí)，在突出過程中，大量的瓦斯迅速釋放，能夠?yàn)闆_擊氣流和煤粉流提供強(qiáng)大的動(dòng)力。在[具體煤礦案例]中，某煤層瓦斯含量高達(dá)[X]m3/t，在突出時(shí)，沖擊氣流的速度高達(dá)[X]m/s，煤粉流的速度也達(dá)到了[X]m/s左右，對(duì)巷道內(nèi)的設(shè)施造成了嚴(yán)重的破壞。瓦斯壓力的變化會(huì)影響瓦斯的膨脹速度和能量釋放速率。較高的瓦斯壓力使得瓦斯在突出瞬間能夠迅速膨脹，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力。瓦斯壓力的升高還會(huì)導(dǎo)致瓦斯對(duì)煤體的破壞作用增強(qiáng)，使煤體更容易破碎，從而增加了煤粉流的質(zhì)量和速度。在[具體實(shí)驗(yàn)研究]中，當(dāng)瓦斯壓力從[X]MPa升高到[X]MPa時(shí)，突出時(shí)產(chǎn)生的沖擊氣流壓力增加了[X]%，煤粉流的速度也提高了[X]%。瓦斯含量和壓力的變化還會(huì)影響巷道內(nèi)的壓力分布和風(fēng)流狀態(tài)。高瓦斯含量和壓力會(huì)導(dǎo)致巷道內(nèi)的壓力迅速升高，形成高壓區(qū)域，對(duì)巷道壁面產(chǎn)生巨大的壓力。這種高壓會(huì)使巷道壁面承受較大的應(yīng)力，可能導(dǎo)致巷道壁面的巖石剝落、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形等。高瓦斯含量和壓力還會(huì)改變巷道內(nèi)的風(fēng)流方向和速度，形成復(fù)雜的風(fēng)流場(chǎng)，進(jìn)一步影響煤與瓦斯突出兩相流的動(dòng)力特征。在[具體煤礦巷道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)]中，突出發(fā)生后，巷道內(nèi)的壓力在短時(shí)間內(nèi)升高到[X]MPa，風(fēng)流速度也發(fā)生了劇烈變化，最大風(fēng)速達(dá)到了[X]m/s，對(duì)巷道內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的破壞。4.2.3突出孔洞的形態(tài)與尺寸突出孔洞的形狀和大小對(duì)煤與瓦斯突出兩相流的動(dòng)力特征有著顯著的影響。不同形狀的突出孔洞會(huì)導(dǎo)致瓦斯和煤粉的噴出方向和速度分布不同。圓形孔洞的突出，瓦斯和煤粉的噴出相對(duì)較為均勻，在巷道中形成的沖擊氣流和煤粉流的分布也相對(duì)較為對(duì)稱。而橢圓形或不規(guī)則形狀的孔洞，瓦斯和煤粉的噴出會(huì)呈現(xiàn)出一定的方向性，導(dǎo)致沖擊氣流和煤粉流在巷道中的分布不均勻。在[具體數(shù)值模擬結(jié)果]中，橢圓形突出孔洞的巷道中，沖擊氣流在長(zhǎng)軸方向上的速度明顯高于短軸方向，煤粉流也主要集中在長(zhǎng)軸方向上。突出孔洞的大小直接影響著瓦斯和煤粉的噴出量以及突出的強(qiáng)度。較大的突出孔洞能夠容納更多的瓦斯和煤粉，在突出時(shí)，能夠釋放出更大的能量，形成更強(qiáng)大的沖擊氣流和煤粉流。在[具體煤礦事故案例]中，某突出孔洞直徑達(dá)到了[X]m，突出時(shí)產(chǎn)生的沖擊氣流將巷道內(nèi)的設(shè)備全部摧毀，煤粉流堆積厚度達(dá)到了[X]m，對(duì)巷道的破壞極其嚴(yán)重。突出孔洞的形態(tài)和尺寸還會(huì)影響巷道內(nèi)的壓力分布和氣流流動(dòng)狀態(tài)。較大的突出孔洞會(huì)使巷道內(nèi)的壓力變化更加劇烈，在孔洞附近形成高壓區(qū)域，而在遠(yuǎn)離孔洞的區(qū)域形成低壓區(qū)域。這種壓力差會(huì)導(dǎo)致氣流的強(qiáng)烈流動(dòng)，形成復(fù)雜的渦流和紊流現(xiàn)象。突出孔洞的形狀也會(huì)影響氣流的流動(dòng)方向和速度，進(jìn)而影響煤與瓦斯突出兩相流的動(dòng)力特征。在[具體實(shí)驗(yàn)研究]中，通過改變突出孔洞的形狀和尺寸，發(fā)現(xiàn)不規(guī)則形狀的孔洞會(huì)使巷道內(nèi)的氣流流動(dòng)更加紊亂，沖擊氣流和煤粉流的速度和壓力分布更加不均勻。五、煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移及動(dòng)力特征的模擬研究5.1物理模擬試驗(yàn)5.1.1試驗(yàn)系統(tǒng)與設(shè)備為了深入研究煤與瓦斯突出兩相流在巷道中的運(yùn)移及動(dòng)力特征，自主研發(fā)了多場(chǎng)耦合煤礦災(zāi)害物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：煤樣制備與加載裝置、瓦斯供給與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、巷道模擬裝置、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。煤樣制備與加載裝置用于制備具有不同物理力學(xué)性質(zhì)的煤樣，并對(duì)煤樣施加地應(yīng)力。該裝置采用先進(jìn)的液壓加載技術(shù)，能夠精確控制地應(yīng)力的大小和加載速率。在[具體實(shí)驗(yàn)]中，通過該裝置對(duì)煤樣施加了[X]MPa的地應(yīng)力，模擬了深部礦井的高應(yīng)力環(huán)境。瓦斯供給與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)向煤樣中注入瓦斯，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瓦斯壓力、濃度等參數(shù)。該系統(tǒng)配備了高精度的壓力傳感器和濃度傳感器，能夠準(zhǔn)確測(cè)量瓦斯參數(shù)的變化。在[具體實(shí)驗(yàn)]中，通過該系統(tǒng)向煤樣中注入了瓦斯壓力為[X]MPa的瓦斯，瓦斯?jié)舛冗_(dá)到了[X]%。巷道模擬裝置是該試驗(yàn)系統(tǒng)的核心部分，用于模擬煤礦巷道的實(shí)際情況。該裝置采用高強(qiáng)度的鋼材制作，具有良好的密封性和穩(wěn)定性。巷道的形狀、尺寸和粗糙度等參數(shù)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行調(diào)整。在[具體實(shí)驗(yàn)]中，設(shè)置了巷道的形狀為矩形，斷面尺寸為[X]m×[X]m，粗糙度為[X]。數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集實(shí)驗(yàn)過程中的各種數(shù)據(jù)，如煤層瓦斯壓力、應(yīng)力、沖擊氣流速度、煤粉流速度等，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)分析軟件，能夠快速、準(zhǔn)確地采集和分析數(shù)據(jù)。在[具體實(shí)驗(yàn)]中，通過該系統(tǒng)采集了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得到了煤與瓦斯突出兩相流在巷道中的運(yùn)移及動(dòng)力特征的相關(guān)規(guī)律。5.1.2試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為了全面研究煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移及動(dòng)力特征，設(shè)計(jì)了不同工況下的試驗(yàn)方案。在煤體性質(zhì)方面，選取了不同硬度、脆性和滲透性的煤樣。通過對(duì)煤樣進(jìn)行物理力學(xué)測(cè)試，獲取了煤樣的硬度、脆性、滲透性等參數(shù)。在[具體實(shí)驗(yàn)]中，選取了硬度為[X]MPa、脆性為[X]、滲透性為[X]m2/MPa?d的煤樣，與硬度為[X]MPa、脆性為[X]、滲透性為[X]m2/MPa?d的煤樣進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究煤體性質(zhì)對(duì)煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移及動(dòng)力特征的影響。在瓦斯參數(shù)方面，設(shè)置了不同的瓦斯壓力、溫度和濃度。通過瓦斯供給與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，精確控制瓦斯的壓力、溫度和濃度。在[具體實(shí)驗(yàn)]中，設(shè)置了瓦斯壓力分別為[X]MPa、[X]MPa、[X]MPa，溫度分別為[X]℃、[X]℃、[X]℃，濃度分別為[X]%、[X]%、[X]%的實(shí)驗(yàn)工況，研究瓦斯參數(shù)對(duì)煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移及動(dòng)力特征的影響。在巷道條件方面，改變了巷道的形狀、尺寸和粗糙度。通過調(diào)整巷道模擬裝置的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道形狀、尺寸和粗糙度的改變。在[具體實(shí)驗(yàn)]中，將巷道形狀設(shè)置為圓形、矩形和梯形，斷面尺寸分別為[X]m×[X]m、[X]m×[X]m、[X]m×[X]m，粗糙度分別為[X]、[X]、[X]，研究巷道條件對(duì)煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移及動(dòng)力特征的影響。通過對(duì)不同工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，深入研究了煤體性質(zhì)、瓦斯參數(shù)和巷道條件對(duì)煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移及動(dòng)力特征的影響規(guī)律。5.1.3試驗(yàn)結(jié)果與分析對(duì)實(shí)驗(yàn)中獲得的煤層瓦斯壓力、應(yīng)力、沖擊氣流速度、煤粉流速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。在煤體性質(zhì)對(duì)煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移及動(dòng)力特征的影響方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硬度較低的煤體更容易發(fā)生破碎，導(dǎo)致突出時(shí)煤粉流的速度和濃度更高。在[具體實(shí)驗(yàn)]中，硬度為[X]MPa的煤體突出時(shí)，煤粉流的速度達(dá)到了[X]m/s，濃度為[X]%；而硬度為[X]MPa的煤體突出時(shí)，煤粉流的速度為[X]m/s，濃度為[X]%。脆性較大的煤體在突出時(shí)產(chǎn)生的煤粉量更多，且煤粉的粒徑更細(xì)小，這使得煤與瓦斯突出兩相流的傳播范圍更廣。在[具體實(shí)驗(yàn)]中，脆性為[X]的煤體突出時(shí)，煤粉的平均粒徑為[X]μm，傳播范圍達(dá)到了[X]m；而脆性為[X]的煤體突出時(shí)，煤粉的平均粒徑為[X]μm，傳播范圍為[X]m。滲透性好的煤體，瓦斯更容易排出，突出時(shí)沖擊氣流的速度相對(duì)較低。在[具體實(shí)驗(yàn)]中，滲透性為[X]m2/MPa?d的煤體突出時(shí)，沖擊氣流的速度為[X]m/s；而滲透性為[X]m2/MPa?d的煤體突出時(shí)，沖擊氣流的速度為[X]m/s。在瓦斯參數(shù)對(duì)煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移及動(dòng)力特征的影響方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，瓦斯壓力越高，突出時(shí)沖擊氣流的速度和壓力越大，煤粉流的速度和濃度也越高。在[具體實(shí)驗(yàn)]中，瓦斯壓力為[X]MPa時(shí)，沖擊氣流的速度達(dá)到了[X]m/s，壓力為[X]MPa，煤粉流的速度為[X]m/s，濃度為[X]%；而瓦斯壓力為[X]MPa時(shí)，沖擊氣流的速度為[X]m/s，壓力為[X]MPa，煤粉流的速度為[X]m/s，濃度為[X]%。瓦斯溫度升高會(huì)使瓦斯分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致瓦斯的擴(kuò)散系數(shù)增大，從而加快瓦斯在煤體中的擴(kuò)散速度，使突出時(shí)沖擊氣流的速度和壓力略有增加。在[具體實(shí)驗(yàn)]中，瓦斯溫度從[X]℃升高到[X]℃時(shí)，沖擊氣流的速度增加了[X]m/s，壓力增加了[X]MPa。瓦斯?jié)舛鹊淖兓瘯?huì)影響煤與瓦斯突出兩相流的穩(wěn)定性和傳播范圍。在[具體實(shí)驗(yàn)]中，瓦斯?jié)舛葹閇X]%時(shí)，兩相流的傳播范圍為[X]m；而瓦斯?jié)舛葹閇X]%時(shí)，兩相流的傳播范圍為[X]m。在巷道條件對(duì)煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移及動(dòng)力特征的影響方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同形狀的巷道會(huì)導(dǎo)致瓦斯和煤粉的噴出方向和速度分布不同。圓形巷道中，瓦斯和煤粉的噴出相對(duì)較為均勻，沖擊氣流和煤粉流的分布也相對(duì)較為對(duì)稱；而矩形巷道中，由于存在棱角和拐角，氣流在這些位置會(huì)發(fā)生明顯的變化，形成渦流和紊流區(qū)域，導(dǎo)致沖擊氣流和煤粉流的分布不均勻。在[具體實(shí)驗(yàn)]中，矩形巷道拐角處的沖擊氣流速度比直道部分降低了[X]m/s，煤粉濃度增加了[X]%。巷道的尺寸和粗糙度也會(huì)對(duì)煤與瓦斯突出兩相流的運(yùn)移及動(dòng)力特征產(chǎn)生影響。較大的巷道斷面面積能夠提供更廣闊的流動(dòng)空間，降低瓦斯和煤體顆粒的流動(dòng)阻力，使得兩相流能夠更快速地通過巷道；而粗糙度較大的巷道壁面會(huì)增加瓦斯和煤體顆粒的流動(dòng)阻力，使流速降低。在[具體實(shí)驗(yàn)]中，巷道斷面面積從[X]m2增加到[X]m2時(shí)，兩相流的流速提高了[X]m/s；巷道粗糙度從[X]增加到[X]時(shí)，兩相流的流速降低了[X]m/s。5.2數(shù)值模擬方法5.2.1數(shù)學(xué)模型的建立基于氣固耦合作用建立煤與瓦斯突出數(shù)學(xué)模型，該模型充分考慮了煤體與瓦斯之間的相互作用，能夠更準(zhǔn)確地描述煤與瓦斯突出過程中的物理現(xiàn)象。在模型中，控制方程是核心部分，主要包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。連續(xù)性方程用于描述煤與瓦斯突出過程中物質(zhì)的守恒，即單位時(shí)間內(nèi)流入和流出控制體的質(zhì)量差等于控制體內(nèi)質(zhì)量的變化率。對(duì)于煤-瓦斯兩相流，其連續(xù)性方程可表示為：\frac{\partial(\rho_{g}\alpha_{g})}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho_{g}\alpha_{g}\vec{v}_{g})=S_{m,g}\frac{\partial(\rho_{s}\alpha_{s})}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho_{s}\alpha_{s}\vec{v}_{s})=S_{m,s}其中，\rho_{g}和\rho_{s}分別為瓦斯和煤顆粒的密度；\alpha_{g}和\alpha_{s}分別為瓦斯和煤顆粒的體積分?jǐn)?shù)，且\alpha_{g}+\alpha_{s}=1；\vec{v}_{g}和\vec{v}_{s}分別為瓦斯和煤顆粒的速度矢量；S_{m,g}和S_{m,s}分別為瓦斯和煤顆粒的質(zhì)量源項(xiàng)，用于考慮瓦斯的解吸、吸附以及煤體的破碎等過程對(duì)質(zhì)量的影響。動(dòng)量方程描述了煤與瓦斯突出過程中動(dòng)量的變化，它考慮了重力、壓力梯度、粘性力以及顆粒與氣體之間的相互作用力等因素。瓦斯相的動(dòng)量方程為：\frac{\partial(\rho_{g}\alpha_{g}\vec{v}_{g})}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho_{g}\alpha_{g}\vec{v}_{g}\vec{v}_{g})=-\alpha_{g}\nablap+\nabla\cdot(\alpha_{g}\tau_{g})+\rho_{g}\alpha_{g}\vec{g}+\vec{F}_{gs}煤顆粒相的動(dòng)量方程為：\frac{\partial(\rho_{s}\alpha_{s}\vec{v}_{s})}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho_{s}\alpha_{s}\vec{v}_{s}\vec{v}_{s})=-\alpha_{s}\nablap+\nabla\cdot(\alpha_{s}\tau_{s})+\rho_{s}\alpha_{s}\vec{g}-\vec{F}_{gs}其中，p為壓力；\tau_{g}和\tau_{s}分別為瓦斯和煤顆粒的粘性應(yīng)力張量；\vec{g}為重力加速度矢量；\vec{F}_{gs}為瓦斯與煤顆粒之間的相互作用力，包括曳力、升力等。能量方程用于描述煤與瓦斯突出過程中的能量守恒，考慮了內(nèi)能、動(dòng)能、勢(shì)能以及熱量傳遞等因素。能量方程可表示為：\frac{\partial(\rho_{g}\alpha_{g}E_{g})}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho_{g}\alpha_{g}\vec{v}_{g}E_{g})=-\alpha_{g}\nabla\cdot(p\vec{v}_{g})+\nabla\cdot(\alpha_{g}k_{g}\nablaT_{g})+\alpha_{g}\Phi_{g}+\rho_{g}\alpha_{g}\vec{g}\cdot\vec{v}_{g}+S_{E,g}\frac{\partial(\rho_{s}\alpha_{s}E_{s})}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho_{s}\alpha_{s}\vec{v}_{s}E_{s})=-\alpha_{s}\nabla\cdot(p\vec{v}_{s})+\nabla\cdot(\alpha_{s}k_{s}\nablaT_{s})+\alpha_{s}\Phi_{s}+\rho_{s}\alpha_{s}\vec{g}\cdot\vec{v}_{s}+S_{E,s}其中，E_{g}和E_{s}分別為瓦斯和煤顆粒的總能量；k_{g}和k_{s}分別為瓦斯和煤顆粒的熱導(dǎo)率；T_{g}和T_{s}分別為瓦斯和煤顆粒的溫度；\Phi_{g}和\Phi_{s}分別為瓦斯和煤顆粒的粘性耗散項(xiàng)；S_{E,g}和S_{E,s}分別為瓦斯和煤顆粒的能量源項(xiàng)，用于考慮化學(xué)反應(yīng)、瓦斯解吸等過程對(duì)能量的影響。在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，還需要確定合理的邊界條件。邊界條件包括入口邊界條件、出口邊界條件和壁面邊界條件等。入口邊界條件通常給定瓦斯和煤顆粒的速度、濃度、溫度等參數(shù)。在巷道入口處，假設(shè)瓦斯的速度為v_{g,in}，濃度為C_{g,in}，溫度為T_{g,in}，煤顆粒的速度為v_{s,in}，濃度為C_{s,in}，則入口邊界條件可表示為：\vec{v}_{g}=\vec{v}_{g,in}，C_{g}=C_{g,in}，T_{g}=T_{g,in}\vec{v}_{s}=\vec{v}_{s,in}，C_{s}=C_{s,in}出口邊界條件一般采用壓力出口或自由出流邊界條件。當(dāng)采用壓力出口邊界條件時(shí)，給定出口處的壓力p_{out}，速度和其他參數(shù)由計(jì)算自動(dòng)確定；當(dāng)采用自由出流邊界條件時(shí)，假設(shè)出口處的速度和其他參數(shù)不受出口的影響，可根據(jù)計(jì)算域內(nèi)的流動(dòng)情況自然發(fā)展。壁面邊界條件通常采用無滑移邊界條件，即瓦斯和煤顆粒在壁面處的速度為零，同時(shí)考慮壁面與流體之間的熱量傳遞和質(zhì)量交換。對(duì)于壁面處的溫度，可根據(jù)實(shí)際情況給定固定溫度或采用對(duì)流換熱邊界條件。5.2.2數(shù)值模擬軟件的選擇與應(yīng)用選用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，主要基于以下幾方面原因。Fluent是一款功能強(qiáng)大的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）商業(yè)軟件，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和良好的口碑。它采用基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法，能夠靈活地處理各種復(fù)雜的幾何形狀和流動(dòng)問題。在煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移及動(dòng)力特征研究中，巷道的幾何形狀通常較為復(fù)雜，存在彎道、變徑等情況，F(xiàn)luent軟件能夠精確地對(duì)這些復(fù)雜幾何形狀進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而準(zhǔn)確地模擬煤與瓦斯突出兩相流在巷道中的流動(dòng)情況。Fluent軟件擁有豐富的物理模型庫，涵蓋了多種湍流模型、多相流模型、傳熱模型等。在煤與瓦斯突出研究中，可根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的模型。在模擬煤與瓦斯突出兩相流時(shí)，可選用歐拉-拉格朗日多相流模型，該模型能夠很好地描述氣固兩相流中氣體和固體顆粒的相互作用；對(duì)于湍流流動(dòng)，可根據(jù)雷諾數(shù)等參數(shù)選擇合適的湍流模型，如標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型等。Fluent軟件還具有良好的用戶界面和強(qiáng)大的后處理功能。用戶界面簡(jiǎn)潔直觀，操作方便，即使是初學(xué)者也能快速上手。后處理功能可以對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行可視化處理，生成各種云圖、流線圖、速度矢量圖等，幫助研究者直觀地分析煤與瓦斯突出兩相流的運(yùn)移及動(dòng)力特征。通過后處理功能，能夠清晰地展示巷道內(nèi)瓦斯和煤顆粒的濃度分布、速度分布、壓力分布等參數(shù)的變化情況，為研究提供了有力的支持。在應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，首先需要進(jìn)行前處理，包括建立物理模型和劃分網(wǎng)格。根據(jù)實(shí)際巷道的尺寸和形狀，在Fluent軟件的前處理模塊Gambit中建立三維巷道模型。在建立模型時(shí)，要準(zhǔn)確地輸入巷道的幾何參數(shù)，如長(zhǎng)度、寬度、高度、彎道半徑等，確保模型能夠真實(shí)地反映實(shí)際巷道的情況。對(duì)建立好的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在關(guān)鍵區(qū)域，如突出源附近、巷道彎道處等，適當(dāng)加密網(wǎng)格，以提高計(jì)算精度；在其他區(qū)域，可適當(dāng)降低網(wǎng)格密度，以減少計(jì)算量。劃分完網(wǎng)格后，需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查，確保網(wǎng)格的質(zhì)量滿足計(jì)算要求。完成前處理后，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent軟件中進(jìn)行求解設(shè)置。在求解設(shè)置中，選擇合適的求解器，如壓力基求解器或密度基求解器，根據(jù)煤與瓦斯突出兩相流的特點(diǎn)，通常選擇壓力基求解器。設(shè)置求解控制參數(shù)，如松弛因子、收斂標(biāo)準(zhǔn)等。松弛因子用于控制迭代過程中變量的更新速度，收斂標(biāo)準(zhǔn)用于判斷計(jì)算是否收斂。設(shè)置初始條件，包括瓦斯和煤顆粒的初始速度、濃度、溫度等參數(shù)。根據(jù)實(shí)際情況，合理地給定初始條件，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。在求解過程中，需要密切關(guān)注計(jì)算的收斂情況。如果計(jì)算不收斂，需要分析原因并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，如調(diào)整松弛因子、優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量等。當(dāng)計(jì)算收斂后，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行后處理分析。利用Fluent軟件的后處理功能，生成各種圖表和圖像，如壓力云圖、速度矢量圖、濃度分布曲線等，對(duì)煤與瓦斯突出兩相流的運(yùn)移及動(dòng)力特征進(jìn)行深入分析。通過后處理分析，能夠得到巷道內(nèi)瓦斯和煤顆粒的速度、濃度、壓力等參數(shù)的分布規(guī)律，以及它們隨時(shí)間的變化情況，為研究煤與瓦斯突出的機(jī)理和防治措施提供重要的依據(jù)。5.2.3模擬結(jié)果與驗(yàn)證將數(shù)值模擬結(jié)果與物理模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬方法的可靠性。在對(duì)比過程中，選取了多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，包括沖擊氣流速度、煤粉流速度、巷道內(nèi)壓力分布等。在沖擊氣流速度方面，物理模擬試驗(yàn)通過安裝在巷道內(nèi)的風(fēng)速傳感器測(cè)量不同位置處的沖擊氣流速度。在[具體物理模擬試驗(yàn)]中，在距離突出源5m處測(cè)量得到?jīng)_擊氣流速度為[X]m/s。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在相同位置處，沖擊氣流速度為[X]m/s。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者的相對(duì)誤差在[X]%以內(nèi)，表明數(shù)值模擬結(jié)果與物理模擬試驗(yàn)結(jié)果在沖擊氣流速度方面具有較好的一致性。對(duì)于煤粉流速度，物理模擬試驗(yàn)利用高速攝像機(jī)拍攝煤粉流的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過圖像分析軟件計(jì)算不同時(shí)刻煤粉流的速度。在[具體物理模擬試驗(yàn)]中，在突出發(fā)生后1s時(shí)，測(cè)量得到某位置處煤粉流速度為[X]m/s。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在相同位置和時(shí)刻，煤粉流速度為[X]m/s，兩者的相對(duì)誤差在[X]%以內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬在煤粉流速度計(jì)算方面的準(zhǔn)確性。在巷道內(nèi)壓力分布方面，物理模擬試驗(yàn)在巷道內(nèi)不同位置布置壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力變化。在[具體物理模擬試驗(yàn)]中，在距離突出源10m處，測(cè)量得到壓力峰值為[X]MPa。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在該位置處壓力峰值為[X]MPa，相對(duì)誤差在[X]%以內(nèi)，說明數(shù)值模擬能夠較好地模擬巷道內(nèi)的壓力分布情況。通過對(duì)沖擊氣流速度、煤粉流速度和巷道內(nèi)壓力分布等關(guān)鍵參數(shù)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與物理模擬試驗(yàn)結(jié)果在整體趨勢(shì)和數(shù)值上都具有較高的一致性。這充分驗(yàn)證了基于氣固耦合作用建立的煤與瓦斯突出數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，以及利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬方法的可靠性。這為進(jìn)一步深入研究煤與瓦斯突出兩相流在巷道中的運(yùn)移及動(dòng)力特征提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為煤礦安全生產(chǎn)中煤與瓦斯突出災(zāi)害的預(yù)測(cè)和防治提供了可靠的技術(shù)支持。六、案例分析6.1某煤礦煤與瓦斯突出事故案例2024年1月12日14時(shí)49分許，河南平煤神馬集團(tuán)平頂山天安煤業(yè)十二礦（以下簡(jiǎn)稱平煤十二礦）發(fā)生一起重大煤與瓦斯突出事故，造成16人遇難、5人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失2197.29萬元。該礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為180萬噸/年，核定生產(chǎn)能力為210萬噸/年，屬于煤與瓦斯突出礦井，開采深度較大，地應(yīng)力和瓦斯壓力較高。事發(fā)當(dāng)日八點(diǎn)班入井人員共603人，井下帶班礦領(lǐng)導(dǎo)為生產(chǎn)副礦長(zhǎng)張某甲，值班礦領(lǐng)導(dǎo)為防突副礦長(zhǎng)張某乙。12時(shí)許，己15-31090進(jìn)風(fēng)巷外段掘進(jìn)工作面實(shí)施爆破。13時(shí)許，該區(qū)域解除爆破警戒，開拓隊(duì)等人員陸續(xù)進(jìn)入工作面及相關(guān)區(qū)域開始清煤等作業(yè)。14時(shí)49分許，開拓隊(duì)正在己15-31090進(jìn)風(fēng)巷外段迎頭使用綜掘機(jī)清理煤巖時(shí)，突然發(fā)生煤與瓦斯突出。綜掘機(jī)副司機(jī)周某甲聽到2聲煤炮聲從煤體里傳出，緊接著聽到類似“機(jī)槍聲”的連續(xù)煤炮聲，便立即跳下綜掘機(jī)向外跑。正在四部皮帶機(jī)頭處的開拓隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)張某、跟班副隊(duì)長(zhǎng)李某甲和在四部皮帶機(jī)尾處的掘進(jìn)工周某乙等人也聽到連續(xù)劇烈響聲，感覺要發(fā)生煤與瓦斯突出，迅速喊人向外跑，跑了約30m時(shí)，涌出的煤塵和瓦斯已到身邊，并感到有輕微推背感、溫度比較高，煤塵大得什么都看不見。張某邊喊“自救器、壓風(fēng)自救”，邊帶領(lǐng)其他人員進(jìn)入附近的壓風(fēng)自救袋內(nèi)。在壓風(fēng)自救袋內(nèi)，張某用瓦斯檢測(cè)便攜儀測(cè)量瓦斯，濃度超量程（大于4%），感覺到不安全，便組織現(xiàn)場(chǎng)人員帶上自救器，到達(dá)己15-31090進(jìn)風(fēng)巷避難硐室內(nèi)。事故發(fā)生后，開拓隊(duì)其他12人中，自行升井2人，在己14-31110進(jìn)風(fēng)巷外段風(fēng)門處暈倒后獲救2人，遇難8人（二部和四部皮帶輸送機(jī)頭附近各4人）；通風(fēng)隊(duì)在己14-31110輔助運(yùn)輸巷上平臺(tái)附近的13人中，遇難8人（己15-31090回風(fēng)斜巷風(fēng)門間），自行脫險(xiǎn)或獲救5人（己15-31090回風(fēng)斜巷風(fēng)門間暈倒后獲救2人、到達(dá)己14-31110回風(fēng)巷與東翼運(yùn)矸巷交叉口處脫險(xiǎn)1人、從己15-31090片盤風(fēng)門跑出脫險(xiǎn)2人）；1月12日八點(diǎn)班其他人員均自行升井或被礦山救護(hù)隊(duì)護(hù)送升井。經(jīng)調(diào)查，事故直接原因是己15-31090進(jìn)風(fēng)巷外段掘進(jìn)工作面區(qū)域煤層具有突出危險(xiǎn)性，且埋深大、地應(yīng)力高，處于保護(hù)層工作面停采線外應(yīng)力集中區(qū)，未嚴(yán)格落實(shí)兩個(gè)“四位一體”綜合防突措施，未消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)，仍違規(guī)掘進(jìn)作業(yè)，綜掘機(jī)清煤過程中發(fā)生煤與瓦斯突出。從煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移及動(dòng)力特征的角度分析，該事故中地應(yīng)力和瓦斯壓力的共同作用是導(dǎo)致突出發(fā)生的關(guān)鍵因素。高埋深使得地應(yīng)力增大，而保護(hù)層工作面停采線外應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)一步加劇了地應(yīng)力的作用，導(dǎo)致煤體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，煤體強(qiáng)度降低。瓦斯壓力在煤體內(nèi)部積聚，當(dāng)煤體無法承受地應(yīng)力和瓦斯壓力的共同作用時(shí)，煤體破裂，瓦斯迅速解吸，形成強(qiáng)大的瓦斯流，將破碎的煤體裹挾著向巷道中噴出，形成煤與瓦斯突出兩相流。在突出發(fā)生后，沖擊氣流和煤粉流迅速在巷道中傳播。沖擊氣流速度極快，攜帶大量能量，對(duì)巷道內(nèi)的設(shè)施和人員造成了巨大的沖擊。從現(xiàn)場(chǎng)情況來看，巷道內(nèi)的通風(fēng)管道、電纜等設(shè)施被嚴(yán)重破壞，表明沖擊氣流具有很強(qiáng)的破壞力。煤粉流在沖擊氣流的帶動(dòng)下，也迅速擴(kuò)散，導(dǎo)致巷道內(nèi)煤塵彌漫，能見度極低，給人員逃生和救援工作帶來了極大的困難。此次事故也暴露出該煤礦在安全管理和防突措施執(zhí)行方面存在嚴(yán)重問題。搶工期、趕進(jìn)度，急于讓己15-31090工作面投產(chǎn)，將進(jìn)風(fēng)巷揭煤地點(diǎn)調(diào)整至保護(hù)范圍外后，未嚴(yán)格采取區(qū)域綜合防突措施，制定并實(shí)施的瓦斯治理措施未進(jìn)行區(qū)域抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判，未消除突出危險(xiǎn)，就違規(guī)掘進(jìn)作業(yè)，最終導(dǎo)致了悲劇的發(fā)生。6.2事故中煤與瓦斯突出兩相流