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煤与瓦斯突出两相流运移规律研究进展张超林，蒲静轩，宋世豪，严吉立，陆杰（中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州221116）摘要：煤与瓦斯突出是煤矿中一种极其复杂的动力现象，主要表现为瓦斯窒息和煤粉冲击、掩埋，严重威胁煤矿的安全生产。揭示煤与瓦斯突出两相流运移规律及其主控因素，对于厘清突出发生致灾机理、指导现场防灾避灾具有重要意义。近年来，相关学者开展了大量的煤与瓦斯突出两相流试验和理论研究，并取得了丰硕的研究成果，本文就两相流模拟试验装置及国内外学者在突出两相流领域取得的研究成果 2 个方面进行总结与分析。首先，系统回顾了现有的煤与瓦斯突出两相流物理模拟试验装置，对比分析了不同试验装置的关键参数及功能优势；在此基础上，深入总结了突出煤粉流的运移速度、运移形态和堆积分布特征，以及突出冲击波的形成原因、传播速度和衰减规律；最后，重点梳理了巷道结构、瓦斯压力、煤粉粒径、地应力和气体组分等因素对突出两相流的影响和控制作用。分析认为，现阶段煤与瓦斯突出两相流研究呈现出突出过程可视化、巷道结构复杂化、数据采集多元化、影响因素全面化、研究手段多样化等特点，基本掌握了突出两相流的发生机理及传播致灾规律，但在相似体系（相似准则和相似材料）的建立和完善、两相流与通风系统共存互扰机制、两相流多因素耦合致灾机理、两相流“致灾防控一体化”研究等方面仍需进一步深入探索。关键词：煤与瓦斯突出；两相流；冲击波；运移规律；流体力学中图分类号：TD713文献标志码：A文章编号：02532336（2023）08012911Research progress on the two-phase flow migration law of coal and gas outburstZHANGChaolin,PUJingxuan,SONGShihao,YANJili,LUJie（School of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China）Abstract:Coalandgasoutburstisanextremelycomplexdynamicphenomenonincoalmines.Itismainlymanifestedasgassuffocation,pulverizedcoalimpactandburial,whichseriouslythreatensthesafetyproductionofcoalmines.Revealingthemigrationlawanditsmaincontrollingfactorsoftwo-phaseflowincoalandgasoutburstisofgreatsignificanceforclarifyingthedisaster-causingmechanismofout-burstandguidingdisasterpreventionandavoidanceonsite.Inrecentyears,relevantscholarshadcarriedoutalargenumberofcoalandgasoutbursttwo-phaseflowtestandtheoreticalresearch,andhadachievedfruitfulresearchresults.Thispapersummarizedandanalyzedthetwo-phaseflowsimulationtestdeviceandtheresearchresultsobtainedbydomesticandforeignscholarsinthetwo-phaseflowfield.Firstly,theexistingtwo-phaseflowphysicalsimulationtestdevicesforcoalandgasoutburstweresystematicallyreviewed,andthekeyparametersandfunctionaladvantagesofdifferenttestdeviceswerecomparedandanalyzed.Onthisbasis,themigrationvelocity,migra-tionpatternandaccumulationdistributioncharacteristicsofoutburstpulverizedcoalflow,aswellastheformationreason,propagationve-locityandattenuationlawofoutburstshockwaveweresummarized.Finally,theinfluenceandcontroleffectofroadwaystructure,gaspressure,coalparticlesize,groundstressandgascompositiononoutbursttwo-phaseflowwereanalyzed.Accordingtotheanalysis,there-searchonthetwo-phaseflowofcoalandgasoutburstatthepresentstageshownthecharacteristicsofvisualizationofoutburstprocess,complexityofroadwaystructure,diversificationofdatacollection,comprehensivenessofinfluencingfactorsanddiversificationofre-search methods,and basically grasped the occurrence mechanism,propagation and disaster-causing law of outburst two-phase flow.收稿日期：20221101责任编辑：宫在芹DOI：10.13199/ki.cst.2022-1826基金项目：国家自然科学基金资助项目（52274242，51904293）；国家级大学生创新计划训练资助项目（202110290007Z）作者简介：张超林（1991），男，安徽阜阳人，副教授，硕士生导师，博士。E-mail：通讯作者：蒲静轩（2002），男，陕西宝鸡人，本科。E-mail：第51卷第8期煤炭科学技术Vol.51No.82023年8月CoalScienceandTechnologyAug.2023张超林，蒲静轩，宋世豪，等.煤与瓦斯突出两相流运移规律研究进展J.煤炭科学技术，2023，51（8）：129139.ZHANGChaolin，PUJingxuan，SONGShihao，et al.Researchprogressonthetwo-phaseflowmigrationlawofcoalandgasoutburstJ.CoalScienceandTechnology，2023，51（8）：129139.129However,theestablishmentandimprovementofsimilaritysystem(similaritycriteriaandmaterials),thecoexistenceandmutualinterfer-enceprincipleoftwo-phaseflowandventilationsystem,themulti-factorcouplingdisaster-causingmechanismoftwo-phaseflow,andtheintegrationofdisaster-causingandpreventionandcontroloftwo-phaseflowstillneedfurtherin-depthstudy.Key words:coalandgasoutburst；two-phaseflow；shockwave；migrationlaw；fluidmechanics0引言2022 年煤炭消费量占全国能源消费总量的56.2%1，表明煤炭在未来相当长一段时期仍将是我国的主体能源。我国高度重视煤矿安全管理工作，全国煤矿事故由 2002 年的 4344 起、死亡 6995 人下降到 2021 年的 91 起、死亡 178 人，重大事故由 2005年的 58 起、死亡 1739 人，下降到 2021 年的 2 起、死亡 41 人；近 5 年共发生各类煤矿事故 827 起，死亡1430 人，其中瓦斯事故共 83 起，死亡 332 人2，而煤与瓦斯突出是造成瓦斯事故的主要原因3。煤与瓦斯突出是在地应力和瓦斯压力共同作用下，大量的煤和瓦斯由煤岩深部突然向采掘空间抛出的异常动力现象4，严重威胁煤矿的安全生产。截至 2022 年底，全国煤矿数量约 4366 处，其中高突危险性矿井共占 33.6%5。随着浅部资源的逐渐枯竭，向深部要资源成为必然趋势，深矿井的数目将逐渐增加，使得煤与瓦斯突出的危害性也将进一步增强。因此，开展煤与瓦斯突出防治工作研究刻不容缓。科研工作者多从煤与瓦斯突出机理入手，研究煤与瓦斯突出发生的原因、条件及其发生、发展过程6，并形成被国内外多数学者普遍接受的煤与瓦斯突出综合作用假说。越来越多的研究结果表明煤与瓦斯突出两相流及形成的冲击波是造成煤矿人员伤亡和设备损坏的主要因素之一7-8。掌握煤与瓦斯突出两相流作用机理及其破坏过程，揭示突出致灾机理，对于指导现场防灾避灾、保障人员及设备安全具有重要意义。为此大量研究人员积极开展煤与瓦斯突出试验和理论分析，研究突出过程中煤与瓦斯两相流的运移规律及影响因素，分析突出冲击波传播过程及多物理场参数演化规律。笔者在梳理煤与瓦斯突出两相流物理模拟试验装置的基础上，系统总结了突出两相流研究进展，重点分析了煤粉流与冲击波在巷道内的传播规律及其受控因素，并指出了现阶段突出两相流研究特点与未来发展趋势。1突出两相流物理模拟试验装置为了研究煤与瓦斯突出两相流运移规律，学者们设计研发了一系列连接巷道的突出模拟试验装置。笔者9采用模块化设计思路，自主研发了多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统（图 1），包括试验腔体、加载模块、渗流模块、诱突模块、巷道模块和采集模块。其中，试件腔体尺寸为200mm700mm，密封气压10.0MPa；巷道尺寸200mm10000mm、透光率94%；能够实现型煤一次性成型、渗透性测试和突出两相流可视化等多种功能，同时利用两级爆破片诱突系统可以达到毫秒级精准诱突。刘义等10研发了煤与瓦斯突出模拟试验装置，主要包括煤与瓦斯突出发生装置、管道系统、数据采集系统及传感器等。突出发生装置由突出腔体、气瓶及快速揭露装置组成；突出腔体材料为型钢，其最大承压为 5MPa。数据采集系统由多通道高速采集器和高速成像系统组成。该系统结构与材料的设计具有稳定性好、压力分布规律测量精确等特点。王凯等11基于相似理论自主研制了突出粉煤瓦斯两相流模拟试验系统，系统包括突出腔体、突出控制箱、试验巷道、数据采集系统和抽真空注气设备、高速摄像系统和纹影系统等部分。其中纹影系统用于分析透明介质中的非均匀性流场,纹影系统的纹影图像能够反映折射率的一阶导数场。因此该试验系统在测试突出冲击波波阵面以及突出气流压力等方面具有明显优势。加载模块渗流模块巷道模块试件腔体诱突模块采集模块整体图图1多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统9Fig.1Multi-functionaltestsystemforcoalandgasoutburstsimulation9为了更加真实模拟煤矿现场巷道布置情况，一些连接复杂网络巷道的突出模拟试验系统相继被研发。许江等12自主研发的多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟试验系统包括动力源系统、巷道网络系统数据采集系统、充气系统和泄压装置等结构，如图 2 所示。该试验系统设计的关键在于巷道网络系2023年第8期煤炭科学技术第51卷130统通过扩口段与动力系统连接，主要包括直通巷道、十字通巷道、摄像头、传感器及传感器支架等结构，巷道内部断面尺寸为400mm400mm，系统能布置为多种巷道网络形态。巷道网络系统的各种结构管道和可视化组件能够捕获煤与瓦斯突出两相流冲击破坏动力特性参数。文光才团队13设计的煤与瓦斯突出动力效应模拟试验系统主要包括动力系统、充气系统、管道系统、数据采集系统、除尘系统五大系统。该试验系统的管道系统为“H”型结构，动力系统的突出口与 20.0m 长的主巷道相连并后接除尘系统，主巷 11.0m 位置处连接 2.7m 长的联络巷，联络巷连接的 20.0m 支巷与主巷平行，如图 3 所示。利用该结构的设计能够较好地探究煤与瓦斯突出对于除主巷道以外的联络巷和支巷的影响情况。动力系统数据采集系统巷道网络系统图2多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟试验系统12Fig.2Multi-fieldcoupledcoalminedynamicdisasterlarge-scalephysicalsimulationtestsystem12除尘系统巷道模拟系统数据传感器突出激发装置突出腔体充气管路图3煤与瓦斯突出动力效应模拟试验系统13Fig.3Coalandgasoutburstdynamiceffectsimulationtestsystem13可以看出，煤与瓦斯突出两相流物理模拟试验装置主要包括煤与瓦斯突出动力发生装置、巷道系统和数据采集系统 3 部分组成，不同试验装置的区别和特色主要在于煤样的加压成型、渗透性的测试、诱突装置的改进以及巷道的可视化和网格化设计等。同时，试验装置的研发也逐渐从模拟煤矿井下较为单一的巷道情形向模拟多场耦合条件下的复杂网络巷道布置过渡。2突出两相流运移规律研究进展2.1突出煤粉流运移分布规律煤体的失稳、破碎和抛出是突出过程中的典型动力现象。刘伟14认为当煤体中的应力达到屈服极限时，煤体产生裂纹，不仅导致煤体强度下降，同时软弱煤碎裂产生的破碎面会增加煤的比表面积，使得大量吸附瓦斯解吸，为煤体的破碎和抛出提供条件。突出后煤粉流在巷道内的运移速度是衡量突出冲击破坏性的重要参数。张超林等9设计的煤与瓦斯突出物理模拟试验，结合可视化巷道并利用图像处理法计算得到突出煤粉在巷道内的运移速度，结果表明突出发生后煤粉流速度高达 40.0m/s，并快速向巷道内运移，随着运移距离的增加会出现 4 次再加速过程，但总体上仍然呈现逐渐降低的趋势，如图 4 所示。周斌等15基于突出物理模拟试验研究指出，煤与瓦斯突出过程中固相煤粉流的运动情况可以由巷道煤粉流灰度变化情况很好地反映，并发现煤粉在突出过程中存在振发特性及二次加速的特征。504030201001234567煤粉流速度/(ms1)运移距离/m图4煤粉运移速度沿巷道的变化规律9Fig.4Variationlawofcoalpowdermigrationvelocityalongroadway9刘义等10在研究突出煤粉在巷道内的分布情况时发现，突出口附近的煤粉的质量分布较少，而巷道中部突出煤粉的质量分布较大，两者分别占突出煤粉质量的 30%和 60%，前者多为小粒径，后者粒径分布范围较广。许江等16也得出类似结论：沿着突出巷道，煤粉质量呈先增加后减小再增大的趋势，处于巷道中后部的突出煤粉质量占比最高；煤粉以粒径小于 0.150mm 的煤粉为主且破碎程度较高。孙东玲等17试验发现，煤粉堆积高度在突出巷道中呈现先增大后减小的分布规律(图 5)。曹偈等18进行了低气压条件下煤与瓦斯突出试验，发现突出煤粉流张超林等：煤与瓦斯突出两相流运移规律研究进展2023年第8期131的运移大体上经过加速、减速和沉降 3 个阶段。金侃19通对突出两相流结构、运动特征等进行研究，将煤粉流运动过程划分为初期的加速阶段、中期的稳定输运阶段和末期的速度衰减 3 个不同阶段；同时采用 DEM-CFD 方法对突出煤体的碰撞、破碎和粉化特点进行了研究，认为突出过程中巷道内主要存在高频低速的颗粒间碰撞和低频高速的颗粒壁面间碰撞 2 种碰撞粉化形式。王锐等20利用 PFC3D流固耦合理论，模拟再现了煤与瓦斯突出过程中煤粉的堆积过程，实现了对单个煤粉颗粒运移轨迹的追踪。ZHANG21基于新表面理论，研究了突出煤体的破碎分布规律，并建立了煤体破碎程度与突出强度的定量关系。2520151050246810121416182022煤粉堆积厚度/mm距突出口距离/m1 号观测点9 号观测点图5突出巷道煤粉堆积分布特征17Fig.5Distributioncharacteristicsofpulverizedcoalaccumula-tioninoutburstroadway172.2突出冲击波演化规律在井下煤与瓦斯突出过程中，瞬间涌出的大量煤和瓦斯必然会压缩巷道气体，导致冲击波的产生。王凯等22-23认为井下突出发生的瞬间，高应力区域的煤体发生卸载、破碎，吸附状态的瓦斯大量解吸，高压瓦斯作用于破碎的煤体，并携带其涌入巷道空间中，冲击压缩原巷道内空气导致突出冲击气流的形成。苗法田等24指出，当处于临界状态之下或处于低度未完全膨胀状态的煤瓦斯两相流从孔洞中喷出时,巷道空间中的流体完全膨胀后速度相对较低，其产生的冲击波超压值相对较小；当处于高度或超高度未完全膨胀状态的流体在巷道空间中发生膨胀时，基于足够大的巷道空间，流体将急剧加速并可能产生强冲击波。程五一等25根据煤与瓦斯突出后产生动力效应的现象，讨论了突出冲击波如何形成及其结构如何，认为煤与瓦斯突出冲击波与炸药、挥发性气体爆炸产生的冲击波波形差异较大，属于不同类型的冲击波。张超林等9试验发现突出过程中，巷道内空气受压缩会产生多道以正相压和负相压交替向前传播的冲击波，在巷道中部冲击波超压达到峰值 15.41kPa（图 6），并计算得出冲击波阵面速度峰值为 361.76m/s，远大于煤粉流运移速度，且超前于粉煤瓦斯两相流以超声速传播。刘义等10，26研究得出，对于瓦斯流产生的冲击气流，随着距突出口距离的增大，气流超压峰值衰减速度会增加，气流超压峰值减小（图 7）；同时发现突出后冲击气流会出现压力迅速上升，达到峰值后下降的现象，且压力上升速率大于衰减速率。曹偈等18认为，试验中由于突出会产生瓦斯流，并会伴随有冲击气流，出现巷道内距离突出口越远，超压峰值出现时间越延后，超压值越小的现象，说明冲击波超压峰值基本沿巷道呈衰减趋势。杨雪林13通过理论分析和物理模拟，建立了突出冲击波超压预测模型，发现冲击波超压峰值随传播距离呈幂函数衰减。OTUONYE27利用 MacCormack 显式有限差分法模拟了突出后瓦斯气流和冲击波在巷道内的传播过程，发现冲击波传播速度超前于瓦斯气流。XUE28通过模拟巷道内气体流动过程，得出突出冲击波在长距离传播后继续衰减，此外它也会以直角衍射并被削弱，同时伴随着其压力的衰减，反射冲击冲击波超压/kPa20151050510152002004006008001 000时间/ms图6巷道中部冲击波超压随时间的变化规律9Fig.6Variationlawofshockwaveoverpressureinmiddleroadway9706050403020100冲击压力/kPa23456789101112运移距离/m图7管道不同位置处冲击气流峰值压力变化曲线10Fig.7Variationcurveofpeakpressureofimpingingairflowatdifferentpositionsofpipeline102023年第8期煤炭科学技术第51卷132波和入射冲击波的叠加将导致区域单位面积冲击波峰值超压增大。WANG29数值模拟发现，通过交叉口的冲击波和气流大部分会流入交叉口对面路段的巷道，小部分会流入路口下方的道路并出现湍流，冲击波在对交叉路口下方道路会对更大的分支处的反射和衍射产生影响。杨书召等7研究得出冲击波的衰减速度相对冲击气流衰减速度更快，由于突出能量没有补给，且存在巷道阻力等因素的作用，冲击混合气流速度会迅速衰减，因此存在极限伤害距离。2.3突出两相流影响因素煤与瓦斯突出两相流在巷道的运移规律受众多因素影响，主要有巷道结构、瓦斯压力、煤粉粒径、地应力和气体组分等。巷道结构方面，孙东玲等17开展了“H”型巷道布置条件下的突出两相流模拟试验，得出突出后煤粉主要在主巷堆积，且煤样堆积高度与距突出口距离呈负相关关系，同时分流作用会导致联络巷与支巷气体压力峰值有所降低，出现支巷气体压力经多次波动降为 0 的现象。许江等30-31开展了“T”型巷道布置条件下突出模拟试验，得出由于突出气流在分岔结构处会受到阻泄作用并以斜激波继续传播，单相气流阶段，分岔后支巷的冲击力就上升至最高值，且存在分岔后冲击力峰值高于分岔前的现象（图 8）。并进一步对比了“直角 L”型、“T”型及“圆弧 L”型 3 种巷道结构对突出流体冲击的影响规律，通过动力致灾毁伤等级分布云图（图 9）得到了尾部结构对直线段冲击力的影响表现为“直角 L”型“T”型“圆弧 L”型，且“圆弧 L”型和“T”型的动力致灾力度和致灾面积都小于“直角 L”型，因此得出弧形结构可使巷道内冲击致灾的力度降低、有效缩短冲击力的正压作用时间。刘星魁等32利用计算机模拟了直角拐弯和障碍物对冲击波影响，得出在拐角处冲击波压力会造成弹射，波阵面处会形成高、低压区，且产生漩涡区与加速区；而在障碍物附近，冲击波近湍流强度增大，且在第二障碍物附近二次加速，且冲击波强度会随着障碍物距离及数量的增大而减小。张超林等33-34开展了不同瓦斯压力条件下（0.35、0.85、2.0MPa）突出两相流试验，得出煤层瓦斯压力越大，突出煤粉运移速度越大、距离越远，突出煤粉粉碎率（突出煤粉中小于原始粒径煤粉质量占比）越高（图 10）；并且将煤粉流运移分为加速和减加速循环 2 个阶段，冲击波的传播分为加速、慢减速和快减速 3 个阶段，且瓦斯压力越大，最大冲击波阵面速度越大。程亮等35研究了不同瓦斯压力条件（1.0、1.5、2.0MPa）下的两相流冲击力及运动特征，发现随着瓦斯压力的增高，冲击力平均衰减系数逐渐降低，煤粉流速度峰值增大，同时煤粉流运移速度到达二次加速阶段的距离越短（图 11）。王亮36试验发现随着初始瓦斯压力的增大，波阵面压力和突出冲击波的传播速度增大，冲击压力和煤粉的运移速度也增大，并且增加比例与瓦斯压力增加的比例相仿。耿加波37认为气体压力较高时，由于两相流的喷射速度极高，突出两相流的移动接近于层流运动，因此煤粉的沉降更具规律性；并且随着瓦斯压力增大，会导致煤与瓦斯突出强度增强，突出后巷道内温度下降量变大，气体浓度增加量升高。蒋安飞等38试验发现冲击波超压特征值随着初始瓦斯压力的增大呈现对数递增的趋势，且冲击波超压在巷道前端衰减较慢，后端衰单相气流阶段两相流阶段80 160 240 320408060402002002020冲击力/kPaF9F10F11F12F13F1705001 0001 5002 000时间/ms图8分岔结构前后冲击力对比分析30Fig.8Comparativeanalysisofimpactforcebeforeandafterbi-furcationstructure30直角 L 型圆弧 L 型T 型五级五级五级三级三级三级三级三级四级四级一级一级二级四级一级70 60 50 40 30 20 10 0冲击力/kPa图9突出动力致灾毁伤等级分布31Fig.9Distributionofdamagegradecausedbydynamicdisasterofcoalandgasoutburst31张超林等：煤与瓦斯突出两相流运移规律研究进展2023年第8期133减加快。孙冬玲等39利用 Mixture 模型对临界流动理论进行了描述，发现不同入口压力条件下，突出两相流的运动状态也不同，且由于气、固相之间的松弛现象会导致两相流中声速远小于常温常压中空气声速。唐巨鹏等40建立了突出射流数值模型，得出瓦斯压力与突出能量间呈线性增加关系,与突出强度和瓦斯涌出量均呈幂指数增加关系。1009590858075706560010091.94.91.91.36.810.178.54.40.28.611.772.07.00.7原始0.350.852.00质量比/%压力/MPa煤粉粒径/mm00.0750.0750.1800.4250.8500.8501.7000.1800.425图10不同瓦斯压力条件下突出煤粉质量分布特征33Fig.10Particlesizedistributioncharacteristicsofoutburstpulverizedcoalunderdifferentgaspressure33403530252015105速度/(ms1)距离/m0246810121.0 MPa1.5 MPa2.0 MPa图11突出煤粉流运动速度分布35Fig.11Velocitydistributionofcoalandgasoutburstpulverizedcoalflow35蒋安飞等41开展了不同煤粉粒径条件（0.51.0，1.03.0，3.010.0mm）下的突出模拟试验，得出冲击波超压会随煤粉粒径的增大而上升，但冲击波传播速度与煤粉粒径呈负相关关系。王凯等11采用 4 种不同粒径的煤粉（00.075，0.0750.18，0.180.5，0.52mm）开展突出试验，得到了突出煤粉运移速度会随煤粉粒径的减小而增加（图 12）。王亮36通过控制试验中煤粉粒径的大小，得出突出冲击波波阵面和煤粉的各项动力参数、突出煤粉质量会随煤粉粒径的减小而增大。因此煤粉粒径对突出两相流的影响规律和机制仍需进一步深入探究。唐巨鹏等42-44利用自主研制的真三轴煤与瓦斯突出巷道模拟试验系统，开展了不同埋深（1000，1200，1400，1600，1800，2000m）下的突出模拟试验，得出埋深加大、地应力作用增强使煤粉突出的质量占比增大，导致煤粉在巷道内突出距离逐渐减小（图 13）；并且发现，随着埋深增加，地应力、瓦斯压力与突出强度和突出距离间均呈幂指数增加关系，而埋深的增加，同时也会使突出距离和突出强度增大，煤与瓦斯突出频度增加，但突出强度和破坏程度总体上仍呈趋于平缓的趋势。张超林45进行了深部采动应力影响下煤与瓦斯突出物理模拟试验，发现采动应力集中系数越大，相对突出强度越大，突出煤粉的分选作用越显著。0.52.0 mm0.180.50 mm0.0750.180 mm00.075 mm504540353025速度/(ms1)1 号2 号3 号4 号试验巷道图12煤粉粒径与煤粉运移速度关系11Fig.12Relationshipbetweencoalparticlesizeandcoalmigrationvelocity1150403020100煤粉质量占比/%03.453.456.456.459.459.4512.45 12.4515.45突出距离/m1 000 m1 200 m1 400 m1 600 m1 800 m2 000 m煤粉集中区图13不同模拟埋深下突出煤粉质量分布42Fig.13Qualitydistributionofoutburstpulverizedcoalunderdifferentsimulationdepths42金侃19通过采用不同气体介质（N2，CO2）开展突出粉煤瓦斯两相流试验，研究了吸附瓦斯快速解吸及不同种类气体对突出两相流的影响。研究表明2023年第8期煤炭科学技术第51卷134突出发动瞬间，煤粉瓦斯流加速阶段受到煤中解吸的瓦斯与游离瓦斯共同作用，会使煤粉流速度增大；当煤粉瓦斯流处于稳定运输阶段时，煤中解吸的瓦斯为煤粉流运动提供动力，会进一步维持其高速运动状态，甚至出现自加速现象，因此吸附性越强的气体（CO2）对应的煤粉流运移速度也就越大（图 14）。高布桐等46利用 Fluent 软件建立了瓦斯逆流运移扩散模型，开展了煤与瓦斯突出气体逆流影响模式研究，发现在逆流过程中会出现浓度上升速度快、下降慢的现象，瓦斯逆流速度会随着风速增大而增大，同一位置或时刻的瓦斯浓度峰值会随风速的增大而减小，瓦斯涌出量增大会导致运移至同一位置的时间缩短、瓦斯浓度峰值增大（图 15），同时对群力煤矿“118”特别重大煤与瓦斯突出事故进行了案例分析。50403020100246810粉煤流运动速度/(ms1)抛出距离/m0.5 MPa CO20.5 MPa N2图14不同吸附气体对突出煤粉流运动速度的影响19Fig.14Effectofrapidgasdesorptiononthespeedofoutburstcoalflow19258风速/(ms1)0.200.150.100.050102030405060时间/s瓦斯浓度峰值/%图15不同风速同一时间瓦斯浓度峰值变化曲线46Fig.15Variationcurvesofgasconcentrationpeakatdifferentwindspeedsatthesametime463煤与瓦斯突出两相流研究特点及展望3.1现阶段突出两相流研究特点1）突出过程可视化。为了保证试验的安全性，早期的突出模拟巷道主要采用钢管焊接而成，无法直接观测巷道内两相流运移过程；为了克服以上缺点，现有的模拟巷道多由高强度、高透光亚克力材制成，实现了突出过程中两相流的可视化，为直观观测突出两相流运移过程及采集巷道两相流参数提供了条件。2）巷道结构复杂化。试验研究煤与瓦斯突出两相流离不开模拟巷道，巷道结构逐渐从单一的“直线”型结构逐渐过渡至复杂网络结构，如“H”型、“T”型、“直角 L”型、“圆弧 L”型等，为进一步模拟井下巷道真实布置情况、研究两相流传播衰减规律奠定基础。3）数据采集多元化。最初的突出试验装置没有模拟巷道，突出过程多为“开放式”，主要采集突出结束后煤粉的质量分布数据；随着试验装置的不断升级改造，实现了对突出过程中突出两相流的视频图像、压力、浓度、冲击力等数据进行实时动态采集，数据采集手段更加丰富、数据种类更加多元。4）影响因素全面化。影响煤与瓦斯突出两相流的因素较多，现有物理模拟试验研究除了考虑巷道结构外，还包括煤体性质（煤粉粒径）、瓦斯（瓦斯压力、气体组分）和地应力（地应力大小及分布）等方面，全面涵盖了“突出三要素”，基本实现了突出两相流影响因素的系统研究。5）研究手段多样化。随着工业技术的进步，煤与瓦斯突出两相流的研究逐渐从单纯的理论研究转向物理模拟试验研究，近年来进一步开发了不同的数值模拟软件和平台，实现了研究手段的多样化。由于煤与瓦斯突出的特殊性，目前仍以物理模拟试验手段为主，物理模拟研究结果不仅能证实理论推导，也能为数值模拟提供基础参数，三者相互补充、互为支撑。3.2煤与瓦斯突出两相流研究展望煤与瓦斯突出目前仍是煤矿生产中的主要灾害之一，煤矿安全形势依然严峻。经过众多学者多年来的研究，已基本掌握了煤与瓦斯突出两相流的传播致灾规律，有效指导了现场突出防控工作。结合突出两相流研究现状及现场实际需求，提出以下建议与展望。1）相似体系的建立和完善。相似准则是现场原型与试验模型转换的理论基础，相似材料是开展物理模拟试验的物质基础47-49。相似准则方面，由于煤与瓦斯突出过程的复杂性，目前突出物理模拟仍无法严格遵循相似原理，往往忽略次要因素从而对突出过程进行简化，主要考虑了几何相似性，在运动张超林等：煤与瓦斯突出两相流运移规律研究进展2023年第8期135相似和动力相似方面的相似程度不高，不能满足突出两相流运移规律的量化关系研究；相似材料方面，大尺度原煤获取难度大，仍以型煤试件为主，然而型煤试件制作过程中煤样孔隙结构、吸附特性及颗粒完整性均遭到不同程度的破坏，对于研究突出发生发展过程尤其是瓦斯的流动以及煤粉的运移、破碎和分布规律会产生较大影响。因此，煤与瓦斯突出两相流的研究仍需进一步建立更加完善的相似体系。2）突出两相流与通风系统共存互扰机制。煤与瓦斯突出发生后，突出两相流涌入巷道，对矿井通风系统造成严重影响，如：冲击波破坏通风设施、突出瓦斯诱导风流灾变、突出煤体堵塞巷道掩埋通风设施等50；与此同时，通风系统的变化和响应会反作用于突出两相流，如隔离风门在延缓两相流运移的同时也会阻碍突出后瓦斯流的排出，极易构成巷道滞留瓦斯源并导致瓦斯爆炸等二次灾害51。因此，应在研究突出两相流对矿井通风系统影响的基础上，进一步开展矿井风流紊乱、通风系统响应以及应急救援动作等对突出两相流的干扰和影响规律，揭示突出两相流与通风系统共存互扰机制，指导提高矿井通风系统应急抗灾能力，有效切断二次灾害传播链，减少突出发生造成的人员伤亡及财产损失。3）突出两相流多因素耦合致灾机理研究。近年来，众多学者开展了大量的煤与瓦斯突出两相流物理模拟试验研究，获得了不同因素（巷道结构、瓦斯压力、煤粉粒径、地应力和气体组分等）对突出两相流的影响规律。然而，煤与瓦斯突出的发生和发展是一个多因素共同作用、相互耦合的结果，目前多侧重单一因素条件下的突出两相流运移规律研究，且仍未完全揭示清楚突出两相流致灾机理。后续可进一步开展多因素耦合条件下的突出两相流传播衰减特征、突出两相流灾害链传递模式、突出两相流对人体的损伤规律及安全阈值等方面的研究。同时考虑到物理模拟试验周期较长，可在掌握单一因素影响下突出两相流运移规律的基础上，建立突出两相流运移模型，借助数值模拟等手段开展多因素耦合致灾规律相关研究。4）突出两相流“致灾防控一体化”研究。开展煤与瓦斯突出两相流研究的最终目的是防控煤与瓦斯突出、降低突出致灾后果，现阶段的研究多集中于突出两相流的运移致灾规律及其影响因素方面。因此，后续可基于突出两相流“致灾防控一体化”研究思路，在揭示突出两相流致灾机理的基础上，进一步研究突出两相流对井下“人员设备环境”的损毁情况52，同时结合安全管理、安全人机、职业健康等相关理论53，分析不同情形条件下采取不同技术手段和管理措施的防控效果，从而针对性的提出防灾避灾措施和应急救援预案，保障煤矿工人生命安全和煤炭高效生产。4结语1）物理模拟试验是当前研究煤与瓦斯突出两相流规律的主要手段，系统总结了不同煤与瓦斯突出两相流物理模拟试验装置特点，发现试验装置的研发逐渐从模拟煤矿井下较为单一的巷道情形向模拟多场耦合条件下的复杂网络巷道布置过渡。2）从理论分析、物理模拟、数值仿真等方面系统阐述了煤与瓦斯突出两相流研究进展，总结了突出煤粉流的运移速度、运移形态和堆积分布特征，以及突出冲击波的形成原因、传播速度和衰减规律，分析了巷道结构、瓦斯压力、煤粉粒径、地应力和气体组分等因素对突出两相流的影响和控制作用。3）现阶段煤与瓦斯突出两相流研究具有突出过程可视化、巷道结构复杂化、数据采集多元化、影响因素全面化、研究手段多样化等特点，未来可在加强物理模拟相似体系完善的基础上，进一步开展两相流与通风系统共存互扰机制、突出两相流多因素耦合致灾机理和突出两相流“致灾防控一体化”等方面的研究。参考文献(References)：国家统计局.中华人民共和国2022年国民经济和社会发展统计公报R.https:/ al.Spatial-temporaldistributionofoutburstaccidentsfrom2001to2020inChinaand suggestions for prevention and controlJ.Coal Geo-logy&Exploration,2021,49(4):134141.3张超林，彭守建，许江，等.煤与瓦斯突出过程中气压时空演化规律J.岩土力学，2017，38（1）：8190.ZHANGChaolin，PENGShoujian，XUJiang，et al.Temporospa-tial evolution of gas pressure during coal and gas outburstJ.RockandSoilMechanics，2017，38（1）：8190.4张超林，王培仲，王恩