气固活塞流形成的研究：对煤与瓦斯突出过程中煤岩破坏的新的深刻见解
摘要：对地下采矿中煤与瓦斯突出过程中煤岩破坏的研究具有重要意义。由于煤球壳失效理论、煤破碎和煤粉气力输送理论、煤与瓦斯突出的流态和传送机理已经被研究过，本文的结论是：在煤与瓦斯突出的发展阶段，前面的突出物逐渐暴露在空气中，后面的突出物中的瓦斯梯度作为往复的高压气刀来切割喷出的煤粉，因此形成了高气固比且低速的活塞流。通过参考其他研究人员的实验结果以及场爆发（field outbursts）的数据记录，我们可以用密相活塞流气力输送理论对破浪式的煤粉分布和音爆得出合理的解释，该理论可以反向证实活塞流存在的可能。
关键词：突出气刀，碎裂，气力输送，突出流速
1.概述
1.1气固突出流态的研究
煤与瓦斯突出是一个动态破坏过程，可能涉及突然喷出的数千吨煤和岩石以及大量的瓦斯在短时间内进入有限的地下作业空间。不同于常见的挤压或煤（岩）滑动最明显的特征是气体对粉碎煤炭运输的重要作用。一般煤挤压或滑动是由地壳应力或煤的重量控制的，而气体的作用几乎不存在。因此，爆发通常是剧烈的，并且导致更长的喷射距离[40]。他们通常具有以下特征：
Ⅰ. 突出中蕴含这大量能量，这些能量可以很轻易地使数千吨的煤或岩石喷出。文献记录的最大的突出事故是发生在俄罗斯的顿涅茨克煤田加加林煤矿，喷出了14,500吨煤。大规模的突出很容易填满整个道路，并且可能导致意外的死亡事故。
Ⅱ. 时间短。爆发从刚开始到结束仅持续数十秒。
Ⅲ. 大量的煤粉存在于煤堆的上部区域或边缘。 胡从几个爆发中获得了颗粒分布，其包括高达53.8％的煤粉小于100mu;m。
在过去150年中，基于爆发的集体数据和实验结果，研究人员提出了几种模型来描述爆发。 这些理论主要是建立在爆发驱动力的观点上，包括气体驱动，应力驱动，化学驱动和联合效应驱动等假说，原位应力，开采应力，气体压力，气体含量，解吸速率，吸附容量，粒度，煤强度，煤渗透性，特殊地质结构等因素被认为对爆裂的发生产生影响。 上述理论试图就爆发的一个特殊的特征给出一个令人信服的解释，但没有解释整个爆发。 因此，它们都不是非常可靠的[2,4,5,12,23,28,34,41]。
关于爆发的气 - 固流动状态，现存的有限的实验结果表明其爆发通常被认为是爆炸。人们认为，爆发导致这种显着破坏的原因是在爆发前面存在空气冲击波，其通过急速的煤-气混合物流动的压缩形成[6,11,34,35, 44,45]。Sun et al.[31]认为气-固流的最快速度是临界状态下的声速。此外，他指出，在中梁山爆发声中发出的响声是因为流速达到声速，不能更快。这个临界状态类似于阻塞程序，可以阻止爆发以及大量的噪声。总的来说，以前的分析都是在最初的印象下，爆发的破坏具有相当大的力量和大规模的影响。因此，大流速似乎更可能和可接受。使用简单的喷射模型来描述煤气流的输送，限制为物体在其移动时仅能经受推力一次，因此必须需要大量动能以满足这种大质量的输送需求。然而，从气动输送理论，我们知道大质量的流动可以使用持续的高压在慢慢完成。此外，喷射力不仅施加一次，而且是间歇的，并且从运输的开始到结束推动煤。先前关于爆发流的研究只集中在运输，没有考虑爆发如何形成和发展，并且忽略爆发煤的碎裂。因此，有必要了解煤气流动输送和流动状态如何与爆发的产生机理相关。
1.2 气力输送的分类
气力输送是用于使用强气体力将固体颗粒通过限制管道输送的过程，通常分为两种状态：稀相输送和密相输送。表征这两种状态的主要指数是固气比（每体积输送的固体质量），气体速度和压力损失。 虽然有价值，但这些参数仅向特定输送系统提供侧面描述，并且不能确定准确的流动状态。 因此，提出具有定量指标的分类比较困难，在密相和稀相之间不存在精确的分界线。
人们通常接受这样一种定性描述：K. Konrad [19]定义，当一个或多个横截面充满粉末时，它是密相流;否则，它是稀相流。对于一个特定的系统，随着气体流速的降低，气流将经历悬浮液流，分层流，沙丘流，塞流和阻塞等变化（如图1）[9,29]。当供应高速气体时，煤粉将均匀地浮在管道中，固气比相对较小。然后，当气体速度降低，直到它不能提供足够的功率吹动粉末时，在管道的底部将发生沉积，这导致分层流和有序的沙丘流。当速度再次降低时，煤粉将填充管道中的一个或多个横截面，形成几个固体塞，其可以通过气体压力向前推动，并且当其平滑地移动时，形成塞流。如果气体速度进一步降低到小于阻塞速度，则粉末流将停止并堵塞管道。随着速度的降低，随着稀相流变成浓相流，输送能力将显着增加。
1.3塞流的形成条件
从工程经验，为了实现粉末输送的高固体 - 气体比，需要保持低的气体速度，这可以容易地在活塞流中发现。对于理想的活塞流输送，最明显的特征是出现在管中由一定长度的气塞分隔开的固体塞。这些空气间隔通常需要人工高压气刀机在进行工业输送过程（图2）中辅助形成。人造气刀可以提高运输的效率和能力。当固体粉末喷射到管道中时，气刀通过一部分一部分地切割流体，并且利用高压而将固体推动[38]。因此，间歇气刀，高气体压力，低流速和连续高密度固体供应是稳定活塞流的基本条件。如果突出的煤-气体混合物以这种方式运输，则需要满足上述四个条件。
2.理论
2.1模型的建立以及基本假定
突出的气固流是沿管道输送的理想气力输送模型，如图3所示。在这种输送中，必须采用以下简化条件：
Ⅰ. 破碎和携带过程被假定为有序出现的两个独立的阶段。 破碎过程完全由地壳应力占主导，而承载力来自气体膨胀能。 在喷射之前，煤已经被地壳应力压碎，并且在运输期间不经历压碎过程。
Ⅱ. 其他能量，例如剩余的动能，热能损失和声能等均被忽略。
Ⅲ. 道路水平，无任何倾角。
Ⅳ. 在输送过程中塞流的密度保持恒定。
2.2 煤与瓦斯突出流动速度的计算
2.2.1 瓦斯流速
爆发是一个高度复杂的，富有变化的过程，不作简化几乎无法进行分析。大多数专家倾向于使用能量守恒方法来描述这个过程[10,13,18,21,33,36,43]。 煤的弹性能在这里被忽略，因为它只占总爆发能量的千分之几[43]，且煤在爆发的发展阶段主要由气体携带。 因此，能量转换可以表示如下：
W=W1=W2
上式中W是输送过程的总能量，单位是MJ；W1是气体膨胀的能量，单位是MJ；W2是气体提供的运输能量，单位是MJ。
在横截面为A的水平管中，输送固体所需的功率可以如下[8,19]：
其中Delta;P是输送的粉煤的总压降，MPa；ug是平均气体流速，m / s；A是道路横截面积，m2；mc和G分别是煤粉的质量和质量流量，kg和kg / s。
煤的承载能量可以表示如下[13]：
其中L是煤的运输长度，m；g是重力加速度，m2 / s；mu;表示摩擦系数；alpha;是道路的倾角。
当alpha;= 0时，即水平路面，表达式可以写成如下：
如果所有的流量参数在运输的开始和结束都是已知的，则流量的平均速度可以使用公式 （1），（2）和（4），如式 （5）如下：
2.2.2煤运动速度
煤层气输送（方程（6））可以满足大气保护关系：
其中Delta;mc和Delta;mg代表一个小元素的质量煤炭和煤气的运输量分别为kg； vc和vg代表相应的速度Delta;mc，喷射前Delta;mg分别为m / s；uc和ug分别表示喷射后相应的Delta;mc速度Delta;mg，m/s。
由于与煤相比，气体质量较小，气体的作用可以忽略，因此方程式 （6）可以写成如下：
其中rho;c是爆发前煤的表观密度，kg / m3; rho;是煤流的密度，kg / m3。 如果在爆发停止时巷道的横截面充满煤，则该密度可大致假设为煤的天然堆积密度。
然后，利用煤的破碎速度，突发煤流速可写成如下：
除上述方程之外，煤流速度也可以使用经验因子lambda;获得，经验因子lambda;在插塞流量（方程（9））的范围为0.4-1的范围内[38]。
2.3 爆发的气固比
为了研究爆发中释放的气体，我们通常使用气体浓度开始上升到浓度恢复到原来水平的时刻的气体排放量。 这个持续时间可能持续数十小时甚至几天，而有效携带过程只能持续数十秒[20]。 因此，爆发中释放的气体主要是对爆发无贡献的气体。 在运输过程中，实际固体气体比明显大于收集的数据。
气体膨胀可以视为瞬时发生的绝热过程[10,33,39]，符合以下公式：
其中P1和V1分别为瓦斯压力和爆发前原煤的相应体积，MPa和m3；P0为道路气压，为0.1MPa；V0为0.1MPa，m3的相应体积；n是绝热系数，在这种情况下通常取为1.3。
气体膨胀能可写成如下：
通过引入方程 （1）和（4） （11），我们可以得到煤质量的实际固体气体比与有效气体体积的关系，如式 （12）如下：
3.结果
中梁山矿场爆发数据是中国文献中唯一详实而有价值的实验，其被后来的研究人员广泛研究[15,31,42] ，本文计算正是基于此数据。煤喷出量为817吨，排放气体38,540立方米，其包括未作用于爆发的气体。煤炭源自中国西南部的龙潭组，属于烹饪煤，含气量约为18.3m3/t。在爆发现场周围有几个断层和褶皱[30,25]。 整个过程持续了39秒，记录的最高气体排放率为1200立方米/分钟（显示器的记录极限），这个极限很容易被在爆发开始后几秒内的高浓度气体流量超过。 压力，温度，气体排放速度和声音的变化被记录在图4中。
爆发开始后约1.5-2秒，记录到气压降低，这表明煤碎裂是在气体膨胀前开始。高压气体将碎煤推开，形成压头为0.3-0.6MPa的流动。此外，在这个爆发中有几次声音被记录下来。 第一次发生的声音出现在1.5秒。 然后，在2.5秒，3.5秒和4.0秒时也发出声音。 从9秒到19.5秒，听到一阵强风吹来的声音，伴随着一连串碎裂的声音。
由于数据的悠久历史及其不可重复性，我们根据中梁山爆发的实际情况，从文献或经验中设定了以下参数。
通过将上述参数引入等式 （5），（8），（9）和（12），我们可以使用能量和质量守恒的方法获得中梁山爆发的流速及其固气比，如表2所示。 气/煤计算的最大流速为12.2 m / s，最大固气比为382 kg / m3。
4.分析和讨论
4.1爆发的物理气刀
Hodot [13]首先指出，爆发可以被认为是利用气体为动力的煤颗粒喷射过程，随后由Guan et al. [11]和Wang[34,35]等进行了几次喷射实验。如果这种喷射可以完成，则必须形成气体活塞，因此碎裂化速度需要大于气体压力的下降速度[13]。 当煤层的应力状况突然变化时，碎裂立即开始。 随着粒径的减小，煤的总表面积急剧增加。 高碎裂率扩大了气体压力可能影响的面积，并显着提高了气体的解吸速率。由此，气体活塞形成并向前推动前部的固体聚集体。
对于爆发煤的微元体，为了实现拉伸断裂，内外气体压差应满足以下关系：
P fminus;P0 ge;KIc
当压力梯度满足喷射煤的需求时，即等式 （13），将形成分离，并且随着气体压力的突然下降而喷射煤。 然后，来自其他区域的气体的涌入增加了压力，从而再次喷射煤。 通常，煤将以平行于爆发前沿的球形壳体弹出[17,18]。 球形壳体的厚度将随着气体梯度而呈现负相关，留下一系列断裂结构，如图1所示。 这种断裂结构都出现在Jiang [17]和Guo [12]进行的爆发实验中，这证实了气体压力的周期性动态变化的正确性。 类似地，煤塞前后的气压应符合公式 （13）。
从上述分析可以看出，爆发煤后面有一个气体活塞。 类似于活塞流中的气刀，该活塞是周期性的物理刀，其可以逐步地切割爆破煤，并沿着道路推动煤塞。 这种特征对于形成煤与瓦斯突出的活塞流是方便的。
4.2爆发的气体压力
气体压力是爆发的主要动力源。 有几个国家将其视为评估爆发风险的指标。 自20世纪70年
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