突出冲击动力传播多尺度模型及诱致井巷风流紊乱规律

More attention has been paid to mine airflow catastrophic induced by coal and gas outbursts, however, the propagation characteristics of outbursts shock waves in all the airways of mine ventilation as well as induced mine airflow disorder law are still not clear, existing studies only explain the propagation characteristics of outbursts shock waves near the location of outbursts as well as mine airflow disorder caused by gas ventilation pressure. In this study, combing with theoretical analysis, laboratory test and numerical simulation, multiscale model of outburst shock waves in all the airways of mine ventilation will be established, coupling solving method for outburst shock waves in the airways near the location of outbursts (3D model) and the airways far from the location of outbursts (1D model) will be proposed, the attenuation characteristics of outbursts shock waves in all airways of mine ventilation will be obtained, then transient ventilation model of the compressible airflow under the action of outburst shock waves will be established, the mechanism of mine airflow disorder induced by outburst shock waves will be clarified, and the mine airflow disorder law will be revealed, the results will have important theoretical and practical value for the safety design of coal and gas outburst and mine ventilation in the condition of disaster.

煤与瓦斯突出诱导矿井风流紊乱已成为研究的热点，然而，突出冲击动力在整个井巷风网传播特征及诱致风流紊乱规律尚不清楚，已有的研究适用于突出冲击动力在突出源周边井巷传播，以及瓦斯风压诱导的矿井风流紊乱规律。本课题拟通过理论分析、实验室试验和数值模拟等研究方法和手段，建立突出冲击动力在井巷传播特征的多尺度模型，提出耦合求解突出冲击动力在突出源周边井巷（三维计算模型）及离突出源较远其它井巷分支（一维计算模型）传播特征的方法，获得突出冲击动力在整个井巷风网内的衰减特征，并进一步建立突出冲击动力作用下井巷可压缩风流瞬态风网模型，阐明突出冲击动力诱致井巷风流紊乱机制，揭示突出冲击动力诱导井巷风流紊乱规律，研究结果对煤与瓦斯突出矿井安全防护设计、灾变通风等具有重要的理论意义与实际价值。

煤与瓦斯突出发生瞬间产生具有高压高速特征的冲击动力，不仅破坏矿井通风系统及设施，还可能诱发瓦斯爆炸等二次灾害的发生，因此研究突出冲击动力传播和致灾特征对矿井安全防护和抗灾系统设计、突出灾变通风以及突出事故应急预案的制定具有重要的理论指导意义。.采用理论分析、试验研究、数值模拟、案例验证等方法，分析了突出源周边井巷突出冲击动力三维传播机制，建立了突出冲击动力井巷全区域多尺度模型及耦合方法，明确了突出冲击动力诱致井巷风流紊乱机制，得到了突出冲击动力诱致井巷风流紊乱规律，并进行了案例分析验证，取得了以下成果：.（1）根据突出冲击气流流动控制方程，建立突出源周边井巷突出冲击动力煤粉瓦斯气固两相流模型；设置初边界条件，建立不同巷道类型的几何模型；运用FLUENT数值模拟研究冲击气流参数不同时间在突出巷道中的分布状况，计算不同巷道类型的突出衰减因子，得到煤粉瓦斯两相流在突出源周边的传播特征。.（2）提出突出源较远分支突出冲击动力简化方法，建立一维简化案例模型；运用Flowmaster软件验证并建立突出冲击动力井巷传播多尺度模型，应用MPCCI软件耦合求解突出冲击波压力、流量参数，建立突出冲击波传播的多维度耦合模拟平台；以九里山矿突出事故为研究对象，分析突出冲击动力在井巷分支中传播特征。 .（3）建立突出冲击气流非稳态运动微分方程组及突出冲击波传播关系式，理论分析突出冲击动力在井巷中的传播特征；根据单巷系统和复杂并联系统中突出冲击气流在不同充气压力下、不同风流状态下对井巷风流的作用，阐明诱致井巷风流紊乱机制。.（4）搭建突出冲击动力诱致井巷风流紊乱试验装置，开展模拟试验，得到突出冲击动力在井巷中传播特征及诱致风流紊乱规律，建立冲击波传播一维方程并运用Flowmaster软件解算，运用耦合方法进行衰减规律模拟，通过对比分析得到不同冲击超压、通风条件下井巷风流的灾变规律。.（5）以九里山矿煤与瓦斯突出案例为验证对象，通过实验研究、数值计算等手段，对突出过程中冲击气流初始能量、巷道不同位置处冲击波超压及冲击气流速度进行分析，研究结果与现场情况比较吻合，验证了项目研究成果的合理性。.