煤與瓦斯突出兩相流在巷道中運移及動力特征：理論、模擬與實踐一、引言1.1研究背景與意義能源作為現代社會發展的基石，對國家的經濟增長、社會穩定和人民生活水平的提升起著至關重要的作用。我國的能源結構呈現出“富煤、貧油、少氣”的特點，煤炭在一次能源生產和消費中占據主導地位。據相關數據顯示，在過去的很長一段時間里，煤炭在我國一次能源消費中的占比始終維持在較高水平，盡管近年來隨著能源結構調整，煤炭占比有所下降，但截至目前，其在能源消費結構中仍占據著相當大的比重。這種以煤為主的能源結構在滿足我國能源需求、推動經濟快速發展的同時，也給煤炭開采行業帶來了諸多挑戰。煤與瓦斯突出是煤礦開采過程中面臨的最為嚴重的災害之一，是一種極其復雜的煤巖動力現象。在煤與瓦斯突出過程中，大量的煤炭和瓦斯會在極短的時間內從煤體中突然噴出，瞬間釋放出巨大的能量。這不僅會對礦井的巷道、設備等基礎設施造成嚴重的破壞，導致礦井生產中斷，增加開采成本，還會對井下作業人員的生命安全構成巨大威脅，造成嚴重的人員傷亡事故。據統計，在過去的幾十年間，我國發生了多起嚴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，直接經濟損失高達[X]萬元。這些事故的發生不僅給遇難者家庭帶來了沉重的打擊，也給整個煤炭行業敲響了警鐘。煤與瓦斯突出事故的發生還會對環境造成嚴重的污染。突出過程中釋放出的大量瓦斯是一種溫室氣體，其溫室效應比二氧化碳更強，會加劇全球氣候變暖。此外，突出的煤炭和瓦斯還會對礦井周邊的土壤、水體等環境要素造成污染，破壞生態平衡。隨著我國煤炭開采深度和強度的不斷增加，煤與瓦斯突出問題日益嚴峻。開采深度的增加導致地應力和瓦斯壓力增大，煤體的物理力學性質發生變化，使得煤與瓦斯突出的發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超過了千米，在這些礦井中，煤與瓦斯突出事故的發生頻率明顯增加，且一旦發生，其破壞力和影響范圍也更大。同時，隨著煤炭需求的不斷增長，煤炭開采強度也在不斷加大，這進一步增加了煤與瓦斯突出的風險。研究煤與瓦斯突出兩相流在巷道中的運移及動力特征具有重要的現實意義。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生機制和發展過程，為煤與瓦斯突出的預測和防治提供更加科學、準確的理論依據。例如，通過對運移及動力特征的研究，可以確定煤與瓦斯突出的危險區域和危險程度，從而提前采取有效的防治措施，降低突出事故的發生概率。這有助于提高煤礦開采的安全性，減少人員傷亡和財產損失，保障煤礦工人的生命安全和身體健康。安全的開采環境也能夠提高生產效率，促進煤炭行業的可持續發展。準確的預測和有效的防治措施還可以減少因事故導致的生產中斷，降低煤炭開采成本，提高煤炭企業的經濟效益。對煤與瓦斯突出兩相流運移及動力特征的研究成果，也能為煤炭行業的技術創新和發展提供新的思路和方向，推動煤炭開采技術的不斷進步。1.2國內外研究現狀煤與瓦斯突出作為煤礦開采中極具挑戰性的問題，長期以來受到國內外學者的廣泛關注。在煤與瓦斯突出機理的研究上，國外起步相對較早。前蘇聯學者B.B.霍多特提出的“能量假說”，認為突出是地應力、瓦斯壓力和煤體物理力學性質綜合作用的結果，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，這一假說為后續的研究奠定了重要基礎。美國、德國等國家的學者也通過實驗室試驗和現場觀測，對煤與瓦斯突出的影響因素進行了研究，發現煤層的透氣性、瓦斯含量、地應力狀態等因素對突出的發生具有重要影響。國內學者在借鑒國外研究成果的基礎上，結合我國煤礦開采的實際情況，對煤與瓦斯突出機理進行了深入研究。提出了“綜合作用假說”，認為突出是由地應力、瓦斯和煤體物理力學性質等多種因素綜合作用的結果，這一假說得到了廣泛的認可。眾多學者通過實驗室試驗、理論分析、數值模擬和現場統計等方法，對煤與瓦斯突出的機理進行了多方面的研究，揭示了煤體瓦斯賦存、解吸、擴散特性，建立了煤層瓦斯多場多相耦合模型，獲得了煤與瓦斯突出影響因素、發生規律及條件等，提出了煤與瓦斯突出的定性假說或半定量化機理，解釋了煤與瓦斯突出現象。在煤與瓦斯突出兩相流運移方面，國外學者運用計算流體力學（CFD）等方法，對巷道中煤與瓦斯兩相流的流動特性進行了數值模擬研究，分析了流速、濃度分布等參數的變化規律。國內學者通過物理模擬試驗，研究了煤與瓦斯突出后煤-瓦斯兩相流在巷道網絡中的運移特性，獲得了沖擊力、氣體濃度和溫度等參數的演化規律，分析了巷道內部兩相流運移形態的變化規律，探討了突出煤粉在巷道網絡中的分布特性以及粉碎特性。對于煤與瓦斯突出的動力特征，國內外學者主要通過現場監測和實驗室模擬的方式進行研究。現場監測方面，利用傳感器等設備監測突出過程中的應力、瓦斯壓力、聲發射等信號的變化，分析突出的動力特征。實驗室模擬則通過構建模擬試驗系統，再現煤與瓦斯突出過程，研究突出的動力特性。當前研究仍存在一些不足與空白。在突出機理方面，雖然已經提出了多種假說，但仍然缺乏一個能夠全面、系統地解釋所有突出現象和特征的理論體系。對于深部地質構造、復雜多變非均勻地層條件及高應力條件下的瓦斯富集與運移釋放特性、突出耦合演化過程、低參數突出發生失穩判據、滲透性參數對突出的影響規律與機制、誘突動載源及耦合演化機理等方面的研究還不夠深入。在運移及動力特征研究方面，現有的研究大多集中在單一因素對煤與瓦斯突出兩相流運移及動力特征的影響，對于多因素耦合作用下的研究還相對較少。煤與瓦斯突出過程中涉及到的復雜物理化學過程，如瓦斯的吸附解吸、煤體的變形破壞等，在數值模擬和物理模擬中還難以準確地進行描述和再現。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本研究將深入探究煤與瓦斯突出兩相流在巷道中的運移及動力特征，具體內容涵蓋以下幾個關鍵方面：煤與瓦斯突出兩相流運移過程研究：對煤與瓦斯突出后，煤-瓦斯兩相流在巷道中的流動過程進行詳細剖析。借助先進的測試技術和設備，精確測量不同時刻、不同位置處煤與瓦斯兩相流的流速、濃度、壓力等關鍵參數。深入研究這些參數在巷道中的分布規律，分析其隨時間和空間的變化趨勢，從而全面了解煤與瓦斯突出兩相流的運移特性。同時，考慮煤體的物理性質、應力狀態、滲透性以及瓦斯的壓力、溫度、濃度等多種因素對運移過程的影響，建立煤與瓦斯突出兩相流運移的數學模型，通過數值模擬的方法，對不同條件下的運移過程進行預測和分析，為實際工程提供理論依據。煤與瓦斯突出動力特征研究：運用現場監測、實驗室模擬和數值模擬等多種手段，對煤與瓦斯突出過程中的動力特征進行深入研究。在現場監測方面，在煤礦井下安裝高精度的傳感器，實時監測突出過程中的應力、瓦斯壓力、聲發射等信號的變化，獲取現場實際的動力數據。在實驗室模擬中，構建先進的模擬試驗系統，通過控制試驗條件，再現煤與瓦斯突出過程，研究突出的動力特性，如突出的沖擊力、能量釋放規律等。利用數值模擬軟件，建立煤與瓦斯突出的數值模型，模擬不同條件下的突出過程，分析動力特征的變化規律，為突出災害的防治提供理論支持。煤與瓦斯突出影響因素分析：全面分析地應力、瓦斯壓力、煤體物理力學性質等因素對煤與瓦斯突出兩相流運移及動力特征的影響規律。通過理論分析，探討各因素之間的相互作用關系，建立多因素耦合作用下的煤與瓦斯突出模型。利用現場實測數據和實驗室試驗結果，對模型進行驗證和優化，提高模型的準確性和可靠性。基于模型分析結果，提出針對性的煤與瓦斯突出防治措施，為煤礦安全生產提供科學依據。1.3.2研究方法為了實現上述研究目標，本研究將綜合運用理論分析、實驗研究和數值模擬等多種方法，相互補充、相互驗證，確保研究結果的科學性和可靠性。理論分析：深入研究煤與瓦斯突出的相關理論，如兩相流理論、滲流力學、巖石力學等，為研究提供堅實的理論基礎。運用這些理論，對煤與瓦斯突出兩相流在巷道中的運移及動力特征進行分析，建立數學模型，推導相關公式，揭示其內在的物理機制和規律。實驗研究：構建煤與瓦斯突出物理模擬試驗系統，模擬不同條件下的煤與瓦斯突出過程。在試驗過程中，精確控制地應力、瓦斯壓力、煤體物理力學性質等參數，通過先進的測試設備，如高速攝像機、壓力傳感器、濃度傳感器等，測量煤與瓦斯突出兩相流的流速、濃度、壓力、沖擊力等參數，獲取實驗數據。對實驗數據進行詳細分析，研究煤與瓦斯突出兩相流的運移及動力特征，驗證理論分析的結果，為數值模擬提供數據支持。數值模擬：采用專業的計算流體力學（CFD）軟件，建立煤與瓦斯突出兩相流在巷道中運移的數值模型。在模型中，充分考慮煤體的物理性質、應力狀態、滲透性以及瓦斯的壓力、溫度、濃度等因素，對煤與瓦斯突出兩相流的運移及動力特征進行模擬計算。通過數值模擬，可以直觀地展示煤與瓦斯突出兩相流在巷道中的運移過程和動力特征，分析不同因素對其的影響規律，預測煤與瓦斯突出的發展趨勢，為實際工程提供參考依據。同時，將數值模擬結果與理論分析和實驗研究結果進行對比驗證，不斷優化模型，提高模擬的準確性和可靠性。二、煤與瓦斯突出兩相流運移理論基礎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的煤體動力現象，具體表現為在極短的時間內，大量的煤和瓦斯混合物從煤巖體內部迅猛地向采掘空間噴出，同時常伴有強烈的巨響和氣浪。這一現象不僅嚴重威脅著煤礦井下作業人員的生命安全，還會對礦井的生產設施造成巨大的破壞，導致生產中斷，帶來嚴重的經濟損失。從物理過程來看，煤與瓦斯突出涉及到多個復雜的環節。在突出發生前，煤層處于一種相對平衡的狀態，其中地應力、瓦斯壓力和煤體的物理力學性質相互作用并維持著穩定。隨著采掘活動的進行，這種平衡被打破。地應力的作用使得煤體產生變形和破壞，當煤體的強度不足以抵抗地應力和瓦斯壓力的共同作用時，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，煤體破裂后，吸附瓦斯迅速解吸轉化為游離瓦斯，瓦斯壓力急劇升高，形成強大的瓦斯流。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的景象。煤與瓦斯突出具有一些顯著的特征。突出時，煤體被拋出的距離較遠，且具有明顯的分選現象，通常較大的煤塊會分布在近處，而較小的煤粉則會被拋射到較遠的地方。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。突出過程中會伴隨著大量瓦斯的涌出，瓦斯涌出量遠遠超過突出煤本身的瓦斯含量，有時甚至會導致礦井通風系統中的風流逆轉，進一步加劇了事故的危險性。煤與瓦斯突出按動力現象的力學特征可分為突出、壓出和傾出。突出是指煤和瓦斯在極短時間內，從煤體中以高速噴出，伴有強烈的聲響和強大的氣浪，拋出的煤破碎程度高，且瓦斯涌出量大；壓出是在地應力作用下，煤體被突然壓出，瓦斯涌出量相對較少，煤體的破碎程度相對較低；傾出則是煤體在重力和地應力的綜合作用下，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）。按突出時間，可分為瞬間突出（突出過程在數秒內完成）和延期突出（突出在采掘活動后一段時間才發生）。煤與瓦斯突出的過程按時間序列，可分為突出危險源（隱患）形成、孕育、發生、發展和結束五個階段。在突出危險源（隱患）形成階段，井田地質構造、煤層賦存條件以及瓦斯含量和壓力等因素，為突出的發生創造了潛在條件。當采掘活動導致應力集中、瓦斯積聚等情況時，突出危險源逐漸形成。如在突出煤層中相向掘進和上部煤層的煤柱而形成的應力集中、突出危險煤層未進行卸壓和瓦斯抽采或雖進行抽采但因鉆孔布置不合理而留有抽采盲區等都會形成突出危險源。在孕育階段，采掘活動誘發煤體應力狀態改變，瓦斯解吸但排放受阻，能量逐漸積聚，隔離體強度減小。當煤體的應力狀態達到極限，煤體突然破壞，瓦斯壓力瞬間釋放，突出進入發生階段。此后，在瓦斯壓力和地應力的持續作用下，煤體不斷破碎，突出范圍向深部擴展，這便是發展階段。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，突出最終進入結束階段。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，是兩相流中的一種重要類型，在自然界和工業生產過程中廣泛存在，如沙塵暴、燃煤鍋爐、氣力輸送等場景。氣固兩相流屬于典型的復雜系統，其內部存在著顆粒-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，同時還受到重力場、磁場、電場等外場的共同作用。這些復雜的相互作用導致了氣固兩相流復雜多尺度結構的形成，進而決定了其獨特的流動特性。根據固體顆粒對流體作用的響應時間與流體流動特征時間之比（即斯托克斯數），氣固兩相流可分為不同類型。當斯托克斯數遠小于1時，表明固體顆粒有充足的響應時間，此時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中，當氣體流速較高且固體顆粒粒徑較小、質量較輕時，顆粒能夠迅速跟隨氣體的流動，就可近似按單相流來處理。當斯托克斯數遠大于1時，意味著氣體對顆粒的運動特性基本沒有影響，固體顆粒的運動可以近似看作顆粒流。在某些顆粒填充過程中，顆粒的運動主要受自身重力和相互之間的碰撞作用影響，氣體的作用相對較小，可近似為顆粒流。當斯托克斯數介于這兩個極端情況之間時，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就屬于這種情況，需要同時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數不同，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，顆粒體積分數較低，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。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，主要受空氣流動的影響。而在稠密兩相流中，顆粒體積分數較高，顆粒間的相互作用強烈，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，煤粉顆粒之間相互擠壓、碰撞頻繁，此時顆粒間的相互作用對整個兩相流的特性起著關鍵作用。在研究氣固兩相流時，常用的理論包括連續介質理論和顆粒動力學理論等。連續介質理論把氣體和固體顆粒看成是相互滲透的兩種流體，都用平均化的偏微分方程來描述它們的運動特性。該理論基于宏觀的角度，將氣固兩相流看作是連續的介質，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特性時，連續介質理論可以對流速、壓力等宏觀參數進行有效的描述和分析。顆粒動力學理論則從微觀角度出發，考慮單個顆粒的運動以及顆粒之間、顆粒與壁面之間的相互作用。它通過建立顆粒的運動方程，如牛頓運動定律，來描述顆粒的受力和運動狀態。在顆粒動力學理論中，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象時，顆粒動力學理論能夠提供更詳細的信息，有助于深入理解煤-瓦斯兩相流的微觀機制。2.3煤與瓦斯突出兩相流的形成機制煤與瓦斯突出兩相流的形成是一個極為復雜的過程，涉及多種因素的相互作用，其中瓦斯壓力、地應力和煤體物理力學性質起著關鍵作用。瓦斯壓力是煤與瓦斯突出兩相流形成的重要動力因素。瓦斯在煤層中以吸附態和游離態兩種形式存在。在正常情況下，瓦斯在煤體的孔隙和裂隙中處于相對穩定的狀態。當煤層受到采掘活動等外界因素的影響時，煤體的應力狀態發生改變，原本封閉的孔隙和裂隙逐漸張開，吸附瓦斯開始解吸轉化為游離瓦斯，導致瓦斯壓力急劇升高。在[具體煤礦案例]中，隨著掘進工作面向前推進，前方煤體的瓦斯壓力從原本的[X]MPa迅速升高到[X]MPa。當瓦斯壓力超過煤體的抵抗強度時，瓦斯就會對煤體產生強大的膨脹力和推力。一方面，瓦斯的膨脹力促使煤體進一步破碎，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移，為煤與瓦斯突出兩相流的形成提供了動力支持。據研究表明，瓦斯壓力越高，突出的危險性越大，突出時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[X]MPa以上，這些礦井發生煤與瓦斯突出的概率和強度都明顯高于瓦斯壓力較低的礦井。地應力是煤與瓦斯突出兩相流形成的另一個關鍵因素。地應力包括自重應力和構造應力，在煤與瓦斯突出過程中，地應力主要通過以下幾個方面發揮作用。地應力使煤體處于一定的應力狀態，當采掘活動導致煤體的應力狀態發生改變時，煤體的彈性變形潛能被釋放，促使煤體發生破壞和位移。在石門揭煤過程中，當巷道揭穿煤層時，煤體的應力狀態從三向應力狀態突然轉變為兩向或單向應力狀態，煤體的彈性變形潛能瞬間釋放，導致煤體破碎。地應力場對瓦斯壓力場具有控制作用，圍巖中的地應力決定了煤層的瓦斯壓力分布。當圍巖中的地應力增大時，煤層的透氣性降低，瓦斯難以排出，從而導致瓦斯壓力升高。在[具體地質構造區域]，由于受到強烈的構造應力作用，煤層的透氣性極低，瓦斯壓力高達[X]MPa，為煤與瓦斯突出的發生創造了條件。地應力還會影響煤體的物理力學性質，如煤體的強度和變形特性。當煤體受到較大的地應力作用時，煤體的強度會降低，更容易發生破壞。在深部礦井中，由于地應力較大，煤體的強度明顯低于淺部礦井，煤與瓦斯突出的危險性也相應增加。煤體物理力學性質是煤與瓦斯突出兩相流形成的內在因素，它決定了煤體的抗破壞能力和瓦斯的賦存、運移特性。煤體的強度是影響煤與瓦斯突出的重要因素之一。一般來說，煤體強度越低，越容易受到地應力和瓦斯壓力的作用而發生破壞。軟煤的強度較低，其堅固性系數通常小于[X]，在相同的地應力和瓦斯壓力條件下，軟煤比硬煤更容易發生突出。在[具體煤礦工作面]，軟煤區域發生煤與瓦斯突出的次數明顯多于硬煤區域。煤體的透氣性也對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，突出的危險性相對較小；而透氣性差的煤體，瓦斯難以排出，容易造成瓦斯壓力升高，增加突出的危險性。在[具體煤層案例]中，煤層的透氣性極低，瓦斯壓力長期居高不下，導致該煤層多次發生煤與瓦斯突出事故。煤體的孔隙結構和吸附特性也會影響瓦斯的賦存和運移。孔隙率大、吸附能力強的煤體能夠儲存更多的瓦斯，并且在煤體破壞時，吸附瓦斯能夠迅速解吸，為突出提供更多的瓦斯動力。瓦斯壓力、地應力和煤體物理力學性質之間存在著復雜的相互作用關系，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，地應力和瓦斯壓力的共同作用導致煤體的破壞，而煤體的物理力學性質則決定了煤體的破壞方式和程度。當煤體受到地應力和瓦斯壓力的作用時，如果煤體強度較高，煤體可能會發生脆性破壞，形成較大的煤塊；而如果煤體強度較低，煤體則可能會發生塑性破壞，形成細小的煤粉。煤體的破壞又會進一步影響瓦斯的解吸和運移，從而影響煤與瓦斯突出兩相流的形成和發展。三、煤與瓦斯突出兩相流在巷道中的運移過程3.1運移過程的階段劃分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。煤層在地質作用下，內部存在大量的孔隙和裂隙，瓦斯以吸附態和游離態兩種形式賦存于其中。當煤層受到采掘活動、地質構造變動等外界因素的影響時，煤體的應力狀態發生改變，原本處于吸附態的瓦斯開始解吸轉化為游離態。這一解吸過程是瓦斯從煤體中釋放的關鍵環節，其解吸速率受到多種因素的制約。煤體的孔隙結構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，使得瓦斯在微孔中以吸附態為主；而大孔和中孔的連通性較好，是瓦斯解吸后擴散和運移的主要通道。研究表明，孔隙結構越復雜，瓦斯的解吸和擴散阻力越大，解吸速率就越低。在一些低透氣性煤層中，由于孔隙結構致密，瓦斯解吸困難，導致瓦斯在煤體中大量積聚，增加了煤與瓦斯突出的危險性。瓦斯壓力也是影響解吸過程的關鍵因素。根據朗格繆爾吸附理論，瓦斯在煤體中的吸附量與瓦斯壓力密切相關。當瓦斯壓力升高時，煤體對瓦斯的吸附量增加；而當瓦斯壓力降低時，吸附瓦斯會逐漸解吸。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力。在[具體煤礦案例]中，當巷道掘進至某區域時，瓦斯壓力從初始的[X]MPa迅速下降到[X]MPa，導致大量吸附瓦斯解吸，瓦斯涌出量急劇增加，最終引發了煤與瓦斯突出事故。煤體的溫度對瓦斯解吸也有一定的影響。一般來說，溫度升高會使瓦斯分子的熱運動加劇，從而削弱瓦斯分子與煤體表面的吸附力，促進瓦斯解吸。在實際開采過程中，由于采掘活動產生的熱量以及地溫等因素的影響，煤體溫度會有所升高，這在一定程度上會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，游離瓦斯在煤體內部形成壓力梯度，促使瓦斯向煤體表面擴散。在擴散過程中，瓦斯會與煤體破碎后產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、形狀和表面性質等因素會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；而不規則形狀的煤塵顆粒則可能會增加瓦斯流動的阻力，影響混合過程。煤塵的濃度也會對混合效果產生影響，當煤塵濃度過高時，煤塵顆粒之間的相互作用增強，可能會導致團聚現象，不利于瓦斯與煤塵的均勻混合。3.1.2氣固兩相流的運動階段當瓦斯與煤塵充分混合形成氣固兩相流后，便進入了在巷道中的運動階段。在這一階段，瓦斯和煤塵在巷道中相互作用、共同運動，呈現出復雜的流動特征。瓦斯作為連續相，其流動特性對整個兩相流的運動起著主導作用。瓦斯的流速、壓力和溫度等參數直接影響著煤塵顆粒的運動軌跡和分布。在巷道中，瓦斯的流動受到巷道幾何形狀、通風條件等因素的制約。當巷道斷面形狀不規則或存在局部阻力時，瓦斯的流動會產生紊流現象，導致流速和壓力分布不均勻。在巷道轉彎處或存在障礙物的地方，瓦斯會形成渦流，使得局部區域的流速和壓力發生劇烈變化。這些變化會對煤塵顆粒的運動產生影響，使煤塵顆粒在巷道中的分布變得更加復雜。通風條件是影響瓦斯流動的重要因素之一。合理的通風可以有效地控制瓦斯的濃度和流動方向，降低煤與瓦斯突出的風險。在通風良好的巷道中，新鮮空氣能夠及時補充，將瓦斯稀釋并排出，使得瓦斯濃度保持在安全范圍內。通風還可以為瓦斯提供流動的動力，促進瓦斯在巷道中的均勻分布。當通風不暢時，瓦斯容易積聚在局部區域，導致瓦斯濃度升高，增加突出的危險性。如果通風系統存在漏風或風量不足的情況，瓦斯無法及時排出，就會在巷道中積聚，形成高濃度瓦斯區域，一旦遇到火源或其他激發條件，就可能引發煤與瓦斯突出事故。煤塵顆粒作為離散相，在瓦斯的攜帶作用下在巷道中運動。煤塵顆粒的運動不僅受到瓦斯流動的影響，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，煤塵顆粒的運動主要受重力作用，會逐漸沉降到巷道底部；而當瓦斯流速較高時，瓦斯對煤塵顆粒的曳力增大，煤塵顆粒能夠被瓦斯有效地攜帶，在巷道中呈懸浮狀態運動。煤塵顆粒的粒徑和密度對其運動特性也有顯著影響。較小粒徑的煤塵顆粒質量較輕，更容易被瓦斯攜帶，其運動軌跡更接近瓦斯的流線；而較大粒徑的煤塵顆粒質量較大，慣性力較強，在運動過程中更容易偏離瓦斯流線，發生沉降或碰撞。瓦斯與煤塵之間存在著強烈的相互作用。瓦斯的流動會帶動煤塵顆粒運動，同時煤塵顆粒的存在也會影響瓦斯的流動特性。煤塵顆粒會增加瓦斯流動的阻力，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影響瓦斯的溫度分布，進而影響瓦斯的物理性質和流動特性。3.1.3突出發生的階段在經過氣與固相的接觸階段和氣固兩相流的運動階段后，當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，就會發生大量氣體和煤體突然噴出的現象，即煤與瓦斯突出進入發生階段。在突出發生瞬間，大量的瓦斯和煤體以極高的速度從煤體中噴出，形成強大的氣浪和煤流。突出的瓦斯和煤體具有巨大的動能，能夠對巷道內的設施、設備和支護結構造成嚴重的破壞。在[具體事故案例]中，突出的瓦斯和煤體將巷道內的通風管道、電纜、支架等設施全部摧毀，導致巷道完全堵塞，生產中斷。突出產生的氣浪還會引發巷道內的風流逆轉，使新鮮空氣無法進入，有害氣體迅速擴散，對井下作業人員的生命安全構成極大威脅。在一些嚴重的煤與瓦斯突出事故中，由于風流逆轉，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呈現出明顯的分選現象。較大的煤塊由于慣性較大，通常會分布在靠近突出源的位置；而較小的煤粉則會被瓦斯攜帶到較遠的地方。這種分選現象不僅與煤體的粒徑和質量有關，還與瓦斯的流速和壓力分布密切相關。在瓦斯流速較高、壓力較大的區域，煤粉能夠被更有效地攜帶，從而被輸送到更遠的地方。突出發生后，巷道內的環境會發生急劇變化。瓦斯濃度會迅速升高，遠遠超過安全允許范圍，形成瓦斯積聚區域，增加了瓦斯爆炸的風險。突出的煤體和揚起的煤塵還會導致巷道內的能見度降低，給救援工作帶來極大困難。在[具體救援案例]中，由于巷道內煤塵彌漫，能見度極低，救援人員無法準確判斷巷道的情況，救援工作進展緩慢，延誤了救援時機。3.2運移過程的影響因素3.2.1煤體性質的影響煤體的物理性質對煤與瓦斯突出兩相流的運移具有顯著影響。煤體的硬度是一個關鍵參數，它直接關系到煤體在瓦斯壓力和地應力作用下的破碎程度。硬度較低的煤體，如軟煤，其內部的分子結構相對松散，化學鍵較弱，在受到瓦斯壓力和地應力的作用時，更容易發生破碎。在[具體煤礦案例]中，軟煤區域的煤體在突出過程中破碎程度明顯高于硬煤區域，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，促進了瓦斯的解吸和混合，進而影響了兩相流的運移特性。軟煤在突出時更容易被瓦斯攜帶，導致兩相流的流速和濃度分布發生變化，增加了運移過程的復雜性。煤體的脆性也對運移過程有著重要影響。脆性較大的煤體在受到外力作用時，容易發生突然的破裂和粉碎，形成大量的細小顆粒。這些細小顆粒在瓦斯的攜帶下，能夠迅速在巷道中擴散，使得煤與瓦斯突出兩相流的傳播范圍更廣。在[具體實驗]中，對脆性煤體和韌性煤體進行對比實驗，發現脆性煤體在突出時產生的煤粉量更多，且煤粉的粒徑更細小，兩相流在巷道中的傳播速度更快，影響范圍更大。煤體的應力狀態是影響煤與瓦斯突出兩相流運移的重要因素之一。在采掘活動之前，煤體處于一種相對穩定的應力平衡狀態，瓦斯在煤體中以吸附態和游離態存在。隨著采掘活動的進行，煤體的應力狀態發生改變，原本平衡的應力場被打破，導致煤體內部產生應力集中現象。在[具體煤礦巷道掘進案例]中，當巷道掘進至某區域時，由于前方煤體受到采掘擾動，應力集中系數達到了[X]，使得煤體的裂隙進一步擴展，瓦斯解吸量增加。應力集中還會導致煤體的強度降低，使其更容易被瓦斯壓力和地應力破碎。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移。煤體的滲透性對瓦斯的運移和釋放起著關鍵作用。滲透性好的煤體，瓦斯能夠在其中快速擴散和運移，在突出發生前，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，增加了突出的風險。在[具體煤層案例]中，煤層的滲透性極低，瓦斯壓力長期居高不下，導致該煤層多次發生煤與瓦斯突出事故。當煤體發生突出后，滲透性還會影響煤與瓦斯突出兩相流的運移速度和濃度分布。滲透性好的煤體，兩相流在其中的運移阻力較小，流速較快，濃度分布相對均勻；而滲透性差的煤體，兩相流的運移阻力較大，流速較慢，容易造成局部濃度過高。3.2.2瓦斯參數的影響瓦斯壓力是影響煤與瓦斯突出兩相流運移的重要因素之一。瓦斯壓力越高，瓦斯在煤體中的能量就越大，在突出發生時，能夠為煤體的破碎和運移提供更強的動力。在[具體煤礦案例]中，當瓦斯壓力從[X]MPa升高到[X]MPa時，突出時拋出的煤量增加了[X]%，瓦斯涌出量也大幅增加。高瓦斯壓力還會使瓦斯在巷道中的流速加快，從而帶動煤體顆粒更快地運移。瓦斯壓力的變化還會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域，瓦斯濃度相對較高，煤體顆粒在瓦斯流中的分布也會更加密集。瓦斯溫度對煤與瓦斯突出兩相流的運移也有一定的影響。溫度升高會使瓦斯分子的熱運動加劇，導致瓦斯的擴散系數增大，從而加快瓦斯在煤體中的擴散速度。在[具體實驗]中，當溫度從[X]℃升高到[X]℃時，瓦斯在煤體中的擴散系數增加了[X]%。溫度升高還會影響煤體的物理性質，如降低煤體的強度，使煤體更容易破碎。在高溫環境下，煤體的塑性變形能力增強，脆性降低，這使得煤體在受到瓦斯壓力和地應力作用時，更容易發生塑性破壞，形成細小的煤粉顆粒。這些細小的煤粉顆粒在瓦斯的攜帶下，更容易在巷道中運移，從而影響煤與瓦斯突出兩相流的運移特性。瓦斯濃度對煤與瓦斯突出兩相流的運移特性有著重要影響。瓦斯濃度的高低直接決定了兩相流中瓦斯的能量大小和對煤體顆粒的攜帶能力。在瓦斯濃度較高的情況下，瓦斯具有更強的能量，能夠更有效地攜帶煤體顆粒，使得煤體顆粒在巷道中的運移速度加快，分布范圍更廣。當瓦斯濃度達到一定程度時，還可能引發瓦斯爆炸等更嚴重的事故，進一步加劇災害的危害程度。在[具體煤礦事故案例]中，由于瓦斯濃度過高，在突出過程中引發了瓦斯爆炸，導致事故造成的損失更加慘重。瓦斯濃度的變化還會影響煤與瓦斯突出兩相流的穩定性。當瓦斯濃度發生波動時，兩相流的流速、壓力等參數也會隨之變化，可能導致兩相流的流動狀態不穩定，出現紊流、渦流等現象，從而影響煤體顆粒的運移軌跡和分布。3.2.3巷道條件的影響巷道的形狀對煤與瓦斯突出兩相流的運移有著顯著的影響。不同的巷道形狀會導致瓦斯和煤體顆粒在巷道中的流動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相對較為均勻，流速分布也較為對稱，因為圓形巷道的壁面光滑，對氣流的阻礙較小，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，氣流在這些位置會發生明顯的變化，形成渦流和紊流區域。在矩形巷道的拐角處，瓦斯和煤體顆粒的流速會降低，壓力會升高，導致局部區域的能量損失增加。這些渦流和紊流區域會影響煤體顆粒的運動軌跡，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險。在[具體煤礦巷道案例]中，矩形巷道的某些區域經常出現煤體顆粒堆積的情況，嚴重影響了巷道的正常通風和運輸。巷道的尺寸也是影響煤與瓦斯突出兩相流運移的重要因素之一。巷道的斷面面積和長度會直接影響瓦斯和煤體顆粒的流動空間和阻力。較大的巷道斷面面積能夠提供更廣闊的流動空間，降低瓦斯和煤體顆粒的流動阻力，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大了[X]%后，煤與瓦斯突出兩相流的流速提高了[X]%，運輸效率得到了顯著提升。巷道的長度也會對兩相流的運移產生影響。較長的巷道會增加瓦斯和煤體顆粒的運移距離，導致能量損失增加，流速降低。在一些深部礦井中，巷道長度較長，煤與瓦斯突出兩相流在運移過程中會逐漸衰減，到達巷道出口時的能量和速度明顯降低。巷道的粗糙度會影響瓦斯和煤體顆粒與巷道壁面的摩擦和碰撞，進而影響兩相流的運移。粗糙度較大的巷道壁面會增加瓦斯和煤體顆粒的流動阻力，使流速降低。在[具體實驗]中，對粗糙度不同的巷道進行模擬實驗，發現當巷道粗糙度增加[X]%時，瓦斯和煤體顆粒的流速降低了[X]%。粗糙度還會導致煤體顆粒在巷道壁面的沉積和附著，進一步影響巷道的通風和運輸。在實際煤礦生產中，巷道壁面的粗糙度往往受到巷道支護方式、施工質量等因素的影響。采用光滑的支護材料和精細的施工工藝能夠降低巷道的粗糙度，減少對煤與瓦斯突出兩相流運移的影響。四、煤與瓦斯突出兩相流的動力特征4.1動力特征的表現形式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復雜且關鍵的環節。當煤體在瓦斯壓力和地應力的共同作用下發生破裂時，大量的瓦斯迅速從煤體孔隙和裂隙中釋放出來。這些瓦斯在短時間內積聚了巨大的能量，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，導致沖擊氣流的初始速度高達[X]m/s。從能量轉化的角度來看，瓦斯在煤體中原本儲存著化學能和內能，當突出發生時，這些能量迅速轉化為氣流的動能。瓦斯的膨脹過程近似為絕熱膨脹，根據熱力學原理，絕熱膨脹過程中氣體的內能減少，轉化為對外做功的機械能，從而使氣流獲得高速。在[具體實驗]中，通過模擬突出過程，測量得到瓦斯在絕熱膨脹過程中溫度降低了[X]℃，這表明內能轉化為了動能，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，能夠對巷道內的設施造成毀滅性的破壞。它會像一把利刃，瞬間摧毀通風管道、電纜橋架等設備，使巷道內的通風和電力系統癱瘓。在[具體煤礦巷道]中，沖擊氣流經過之處，通風管道被撕裂成碎片，電纜被扯斷，直接導致了巷道內通風中斷和設備停運。隨著傳播距離的增加，沖擊氣流不斷與巷道壁面摩擦，以及與巷道內的空氣相互作用，能量逐漸耗散，速度逐漸降低。在[具體數值模擬結果]中，當沖擊氣流傳播距離達到[X]m時，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產生復雜的壓力變化。在突出源附近，壓力極高，形成正壓區，對巷道壁面產生強大的沖擊力。這種沖擊力可能導致巷道壁面的巖石剝落、支護結構變形甚至坍塌。在[具體煤礦巷道破壞案例]中，突出源附近的巷道壁面出現了大面積的巖石剝落，支護鋼梁被壓彎，嚴重威脅了巷道的穩定性。而在沖擊氣流傳播的后方，由于氣體的快速流動，會形成負壓區，可能引發巷道內的風流紊亂，甚至導致有害氣體的積聚。在[具體監測數據]中，沖擊氣流后方的負壓區壓力最低達到了[X]Pa，使得巷道內的風流方向發生了改變，有害氣體濃度升高。4.1.2煤粉流的運動特性煤粉流在煤與瓦斯突出過程中具有獨特的運動特性。煤粉的速度是其運動特性的重要參數之一，它受到多種因素的綜合影響。瓦斯的曳力是推動煤粉運動的主要動力來源。當瓦斯以高速從煤體中噴出時，會對周圍的煤粉顆粒產生強大的曳力，使其跟隨瓦斯一起運動。在[具體實驗]中，通過高速攝像機拍攝和數據分析，發現當瓦斯速度為[X]m/s時，煤粉的速度能夠達到[X]m/s左右。煤粉自身的重力也會對其速度產生影響。在水平巷道中，重力的作用相對較小，但在傾斜巷道中，重力會使煤粉在垂直方向上產生一定的加速度，從而影響其整體運動速度和軌跡。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動速度比在水平巷道中略低，且軌跡呈現出一定的傾斜角度。煤粉的加速度在突出過程中也會發生變化。在突出初期，煤粉受到瓦斯的強烈曳力作用，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[具體數值模擬]中，突出初期煤粉的加速度可達[X]m/s2，而在突出后期，加速度減小到了[X]m/s2左右。煤粉在巷道中的運動軌跡也十分復雜。由于受到瓦斯流速分布不均勻、巷道形狀不規則以及煤粉之間相互作用等因素的影響，煤粉的運動軌跡并非是簡單的直線運動。在巷道的彎道處，煤粉會受到離心力的作用，運動軌跡發生彎曲。在[具體巷道彎道案例]中，通過在巷道彎道處設置觀測點，發現煤粉在經過彎道時，運動軌跡向彎道外側偏移，且部分煤粉會撞擊到巷道壁面上，導致壁面磨損和煤粉沉積。在巷道存在障礙物的區域，煤粉會繞過障礙物運動，形成復雜的流線。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出紊亂的狀態，部分煤粉在障礙物后方形成渦流，導致煤粉積聚。4.1.3巷道內的壓力分布巷道內的壓力分布在煤與瓦斯突出過程中呈現出復雜的變化規律。在突出發生瞬間，突出源附近的壓力會急劇升高，形成一個高壓區域。這是由于大量的瓦斯和煤粉在極短的時間內從煤體中噴出，對巷道內的空氣產生強烈的壓縮作用。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，遠遠超過了巷道正常工作壓力。這種高壓會對巷道內的人員和設備造成極大的危害。對于人員來說，高壓可能導致耳膜破裂、肺部損傷等嚴重的身體傷害。在[具體醫學研究案例]中，當人體暴露在[X]MPa以上的高壓環境中時，耳膜破裂的概率高達[X]%，肺部也會受到不同程度的損傷。對于設備而言，高壓可能使設備的結構部件承受過大的應力，導致設備損壞。在[具體煤礦設備損壞案例]中，高壓使得通風機的葉片變形、電機燒毀，嚴重影響了設備的正常運行。隨著距離突出源的增加，壓力逐漸降低。這是因為沖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，沖擊氣流與巷道內的空氣混合，使得壓力逐漸趨于平衡。在[具體數值模擬結果]中，當距離突出源[X]m時，壓力已經降低到了[X]MPa左右。在巷道的某些特殊區域，如彎道、變徑處等，由于氣流的流動受到阻礙，會產生局部的壓力升高現象。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，這會進一步加劇對這些區域巷道壁面和設備的破壞。巷道內的壓力分布還會對風流產生影響。高壓區域的氣流會向低壓區域流動，形成復雜的風流場。在突出發生后，巷道內的風流可能會發生逆轉，新鮮空氣無法正常進入，有害氣體難以排出，這對井下作業人員的生命安全構成了嚴重威脅。在[具體煤礦事故救援案例]中，由于巷道內風流逆轉，救援人員無法及時進入事故區域，導致救援工作延誤，增加了人員傷亡的風險。4.2動力特征的影響因素4.2.1煤體結構與力學性質煤體結構完整性對煤與瓦斯突出動力特征有著顯著影響。完整的煤體具有較好的力學性能，能夠承受較大的應力而不發生破壞。當煤體結構受到地質構造運動、采掘活動等因素的影響而遭到破壞時，其內部的連續性和完整性被打破，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，某區域由于受到斷層構造的影響，煤體結構破碎，瓦斯含量明顯高于周圍完整煤體區域。破碎的煤體在瓦斯壓力和地應力的作用下，更容易發生變形和破壞，從而導致突出的發生。在突出過程中，破碎煤體的參與會使突出的動力特征發生變化。破碎煤體的存在增加了煤與瓦斯突出兩相流的質量和體積，使得沖擊氣流和煤粉流的能量增大。破碎煤體的不規則形狀和大小分布，會導致兩相流在巷道中的流動阻力增大，進一步影響其動力特征。破碎煤體還會改變巷道內的壓力分布，使得壓力變化更加復雜。煤體的強度是影響煤與瓦斯突出動力特征的重要因素之一。煤體強度決定了煤體在瓦斯壓力和地應力作用下的抵抗能力。強度較高的煤體，在受到瓦斯壓力和地應力作用時，能夠保持相對穩定的狀態，不易發生破壞和突出。而強度較低的煤體，在相同的瓦斯壓力和地應力條件下，更容易發生變形和破壞，從而引發突出。在[具體實驗研究]中，對不同強度的煤體進行模擬突出實驗，發現強度較低的煤體在突出時，沖擊氣流的速度和壓力明顯高于強度較高的煤體。煤體強度還會影響突出的發生位置和范圍。在煤體強度較低的區域，突出更容易發生，且突出的范圍可能更大。這是因為低強度煤體無法有效地抵抗瓦斯壓力和地應力的作用，使得突出更容易突破煤體的限制，向周圍擴展。在[具體煤礦事故案例]中，某工作面由于煤體強度較低，在開采過程中發生了煤與瓦斯突出事故，突出范圍涉及多個巷道，造成了嚴重的破壞。煤體的硬度和脆性也與突出動力特征密切相關。硬度較高的煤體，在受到外力作用時，不易發生變形和破碎，能夠對瓦斯壓力和地應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性。脆性較大的煤體，在受到外力作用時，容易發生突然的破裂和粉碎，形成大量的細小顆粒。這些細小顆粒在瓦斯的攜帶下，能夠迅速在巷道中擴散，使得煤與瓦斯突出兩相流的傳播范圍更廣，動力特征更加復雜。在[具體煤礦開采區域]，煤體脆性較大，在突出過程中產生了大量的煤粉，導致巷道內的能見度極低，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煤與瓦斯突出兩相流的動力特征有著重要影響。瓦斯含量直接關系到突出時可釋放的瓦斯能量大小。當瓦斯含量較高時，在突出過程中，大量的瓦斯迅速釋放，能夠為沖擊氣流和煤粉流提供強大的動力。在[具體煤礦案例]中，某煤層瓦斯含量高達[X]m3/t，在突出時，沖擊氣流的速度高達[X]m/s，煤粉流的速度也達到了[X]m/s左右，對巷道內的設施造成了嚴重的破壞。瓦斯壓力的變化會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，產生強大的沖擊力。瓦斯壓力的升高還會導致瓦斯對煤體的破壞作用增強，使煤體更容易破碎，從而增加了煤粉流的質量和速度。在[具體實驗研究]中，當瓦斯壓力從[X]MPa升高到[X]MPa時，突出時產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影響巷道內的壓力分布和風流狀態。高瓦斯含量和壓力會導致巷道內的壓力迅速升高，形成高壓區域，對巷道壁面產生巨大的壓力。這種高壓會使巷道壁面承受較大的應力，可能導致巷道壁面的巖石剝落、支護結構變形等。高瓦斯含量和壓力還會改變巷道內的風流方向和速度，形成復雜的風流場，進一步影響煤與瓦斯突出兩相流的動力特征。在[具體煤礦巷道監測數據]中，突出發生后，巷道內的壓力在短時間內升高到[X]MPa，風流速度也發生了劇烈變化，最大風速達到了[X]m/s，對巷道內的通風系統造成了嚴重的破壞。4.2.3突出孔洞的形態與尺寸突出孔洞的形狀和大小對煤與瓦斯突出兩相流的動力特征有著顯著的影響。不同形狀的突出孔洞會導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較為對稱。而橢圓形或不規則形狀的孔洞，瓦斯和煤粉的噴出會呈現出一定的方向性，導致沖擊氣流和煤粉流在巷道中的分布不均勻。在[具體數值模擬結果]中，橢圓形突出孔洞的巷道中，沖擊氣流在長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度。較大的突出孔洞能夠容納更多的瓦斯和煤粉，在突出時，能夠釋放出更大的能量，形成更強大的沖擊氣流和煤粉流。在[具體煤礦事故案例]中，某突出孔洞直徑達到了[X]m，突出時產生的沖擊氣流將巷道內的設備全部摧毀，煤粉流堆積厚度達到了[X]m，對巷道的破壞極其嚴重。突出孔洞的形態和尺寸還會影響巷道內的壓力分布和氣流流動狀態。較大的突出孔洞會使巷道內的壓力變化更加劇烈，在孔洞附近形成高壓區域，而在遠離孔洞的區域形成低壓區域。這種壓力差會導致氣流的強烈流動，形成復雜的渦流和紊流現象。突出孔洞的形狀也會影響氣流的流動方向和速度，進而影響煤與瓦斯突出兩相流的動力特征。在[具體實驗研究]中，通過改變突出孔洞的形狀和尺寸，發現不規則形狀的孔洞會使巷道內的氣流流動更加紊亂，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移及動力特征的模擬研究5.1物理模擬試驗5.1.1試驗系統與設備為了深入研究煤與瓦斯突出兩相流在巷道中的運移及動力特征，自主研發了多場耦合煤礦災害物理模擬試驗系統。該系統主要由以下幾個部分組成：煤樣制備與加載裝置、瓦斯供給與監測系統、巷道模擬裝置、數據采集與分析系統。煤樣制備與加載裝置用于制備具有不同物理力學性質的煤樣，并對煤樣施加地應力。該裝置采用先進的液壓加載技術，能夠精確控制地應力的大小和加載速率。在[具體實驗]中，通過該裝置對煤樣施加了[X]MPa的地應力，模擬了深部礦井的高應力環境。瓦斯供給與監測系統負責向煤樣中注入瓦斯，并實時監測瓦斯壓力、濃度等參數。該系統配備了高精度的壓力傳感器和濃度傳感器，能夠準確測量瓦斯參數的變化。在[具體實驗]中，通過該系統向煤樣中注入了瓦斯壓力為[X]MPa的瓦斯，瓦斯濃度達到了[X]%。巷道模擬裝置是該試驗系統的核心部分，用于模擬煤礦巷道的實際情況。該裝置采用高強度的鋼材制作，具有良好的密封性和穩定性。巷道的形狀、尺寸和粗糙度等參數可以根據實驗需求進行調整。在[具體實驗]中，設置了巷道的形狀為矩形，斷面尺寸為[X]m×[X]m，粗糙度為[X]。數據采集與分析系統負責采集實驗過程中的各種數據，如煤層瓦斯壓力、應力、沖擊氣流速度、煤粉流速度等，并對數據進行分析處理。該系統采用先進的數據采集卡和數據分析軟件，能夠快速、準確地采集和分析數據。在[具體實驗]中，通過該系統采集了大量的實驗數據，并對數據進行了詳細的分析，得到了煤與瓦斯突出兩相流在巷道中的運移及動力特征的相關規律。5.1.2試驗方案設計為了全面研究煤與瓦斯突出兩相流運移及動力特征，設計了不同工況下的試驗方案。在煤體性質方面，選取了不同硬度、脆性和滲透性的煤樣。通過對煤樣進行物理力學測試，獲取了煤樣的硬度、脆性、滲透性等參數。在[具體實驗]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的煤樣進行對比實驗，研究煤體性質對煤與瓦斯突出兩相流運移及動力特征的影響。在瓦斯參數方面，設置了不同的瓦斯壓力、溫度和濃度。通過瓦斯供給與監測系統，精確控制瓦斯的壓力、溫度和濃度。在[具體實驗]中，設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]%的實驗工況，研究瓦斯參數對煤與瓦斯突出兩相流運移及動力特征的影響。在巷道條件方面，改變了巷道的形狀、尺寸和粗糙度。通過調整巷道模擬裝置的參數，實現了對巷道形狀、尺寸和粗糙度的改變。在[具體實驗]中，將巷道形狀設置為圓形、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]，研究巷道條件對煤與瓦斯突出兩相流運移及動力特征的影響。通過對不同工況下的實驗結果進行對比分析，深入研究了煤體性質、瓦斯參數和巷道條件對煤與瓦斯突出兩相流運移及動力特征的影響規律。5.1.3試驗結果與分析對實驗中獲得的煤層瓦斯壓力、應力、沖擊氣流速度、煤粉流速度等數據進行了詳細分析。在煤體性質對煤與瓦斯突出兩相流運移及動力特征的影響方面，實驗結果表明，硬度較低的煤體更容易發生破碎，導致突出時煤粉流的速度和濃度更高。在[具體實驗]中，硬度為[X]MPa的煤體突出時，煤粉流的速度達到了[X]m/s，濃度為[X]%；而硬度為[X]MPa的煤體突出時，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產生的煤粉量更多，且煤粉的粒徑更細小，這使得煤與瓦斯突出兩相流的傳播范圍更廣。在[具體實驗]中，脆性為[X]的煤體突出時，煤粉的平均粒徑為[X]μm，傳播范圍達到了[X]m；而脆性為[X]的煤體突出時，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，突出時沖擊氣流的速度相對較低。在[具體實驗]中，滲透性為[X]m2/MPa?d的煤體突出時，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，沖擊氣流的速度為[X]m/s。在瓦斯參數對煤與瓦斯突出兩相流運移及動力特征的影響方面，實驗結果顯示，瓦斯壓力越高，突出時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[具體實驗]中，瓦斯壓力為[X]MPa時，沖擊氣流的速度達到了[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，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]%。瓦斯溫度升高會使瓦斯分子的熱運動加劇，導致瓦斯的擴散系數增大，從而加快瓦斯在煤體中的擴散速度，使突出時沖擊氣流的速度和壓力略有增加。在[具體實驗]中，瓦斯溫度從[X]℃升高到[X]℃時，沖擊氣流的速度增加了[X]m/s，壓力增加了[X]MPa。瓦斯濃度的變化會影響煤與瓦斯突出兩相流的穩定性和傳播范圍。在[具體實驗]中，瓦斯濃度為[X]%時，兩相流的傳播范圍為[X]m；而瓦斯濃度為[X]%時，兩相流的傳播范圍為[X]m。在巷道條件對煤與瓦斯突出兩相流運移及動力特征的影響方面，實驗結果表明，不同形狀的巷道會導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較為均勻，沖擊氣流和煤粉流的分布也相對較為對稱；而矩形巷道中，由于存在棱角和拐角，氣流在這些位置會發生明顯的變化，形成渦流和紊流區域，導致沖擊氣流和煤粉流的分布不均勻。在[具體實驗]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對煤與瓦斯突出兩相流的運移及動力特征產生影響。較大的巷道斷面面積能夠提供更廣闊的流動空間，降低瓦斯和煤體顆粒的流動阻力，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增加瓦斯和煤體顆粒的流動阻力，使流速降低。在[具體實驗]中，巷道斷面面積從[X]m2增加到[X]m2時，兩相流的流速提高了[X]m/s；巷道粗糙度從[X]增加到[X]時，兩相流的流速降低了[X]m/s。5.2數值模擬方法5.2.1數學模型的建立基于氣固耦合作用建立煤與瓦斯突出數學模型，該模型充分考慮了煤體與瓦斯之間的相互作用，能夠更準確地描述煤與瓦斯突出過程中的物理現象。在模型中，控制方程是核心部分，主要包括連續性方程、動量方程和能量方程。連續性方程用于描述煤與瓦斯突出過程中物質的守恒，即單位時間內流入和流出控制體的質量差等于控制體內質量的變化率。對于煤-瓦斯兩相流，其連續性方程可表示為：\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數，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量源項，用于考慮瓦斯的解吸、吸附以及煤體的破碎等過程對質量的影響。動量方程描述了煤與瓦斯突出過程中動量的變化，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，考慮了內能、動能、勢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；S_{E,g}和S_{E,s}分別為瓦斯和煤顆粒的能量源項，用于考慮化學反應、瓦斯解吸等過程對能量的影響。在建立數學模型時，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。在巷道入口處，假設瓦斯的速度為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。當采用壓力出口邊界條件時，給定出口處的壓力p_{out}，速度和其他參數由計算自動確定；當采用自由出流邊界條件時，假設出口處的速度和其他參數不受出口的影響，可根據計算域內的流動情況自然發展。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，同時考慮壁面與流體之間的熱量傳遞和質量交換。對于壁面處的溫度，可根據實際情況給定固定溫度或采用對流換熱邊界條件。5.2.2數值模擬軟件的選擇與應用選用Fluent軟件進行數值模擬，主要基于以下幾方面原因。Fluent是一款功能強大的計算流體力學（CFD）商業軟件，具有廣泛的應用領域和良好的口碑。它采用基于完全非結構化網格的有限體積法，能夠靈活地處理各種復雜的幾何形狀和流動問題。在煤與瓦斯突出兩相流運移及動力特征研究中，巷道的幾何形狀通常較為復雜，存在彎道、變徑等情況，Fluent軟件能夠精確地對這些復雜幾何形狀進行網格劃分，從而準確地模擬煤與瓦斯突出兩相流在巷道中的流動情況。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，可根據實際情況選擇合適的模型。在模擬煤與瓦斯突出兩相流時，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；對于湍流流動，可根據雷諾數等參數選擇合適的湍流模型，如標準k-ε模型、RNGk-ε模型等。Fluent軟件還具有良好的用戶界面和強大的后處理功能。用戶界面簡潔直觀，操作方便，即使是初學者也能快速上手。后處理功能可以對模擬結果進行可視化處理，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移及動力特征。通過后處理功能，能夠清晰地展示巷道內瓦斯和煤顆粒的濃度分布、速度分布、壓力分布等參數的變化情況，為研究提供了有力的支持。在應用Fluent軟件進行數值模擬時，首先需要進行前處理，包括建立物理模型和劃分網格。根據實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，要準確地輸入巷道的幾何參數，如長度、寬度、高度、彎道半徑等，確保模型能夠真實地反映實際巷道的情況。對建立好的模型進行網格劃分，網格的質量直接影響模擬結果的準確性和計算效率。采用非結構化網格進行劃分，在關鍵區域，如突出源附近、巷道彎道處等，適當加密網格，以提高計算精度；在其他區域，可適當降低網格密度，以減少計算量。劃分完網格后，需要對網格進行質量檢查，確保網格的質量滿足計算要求。完成前處理后，將網格文件導入Fluent軟件中進行求解設置。在求解設置中，選擇合適的求解器，如壓力基求解器或密度基求解器，根據煤與瓦斯突出兩相流的特點，通常選擇壓力基求解器。設置求解控制參數，如松弛因子、收斂標準等。松弛因子用于控制迭代過程中變量的更新速度，收斂標準用于判斷計算是否收斂。設置初始條件，包括瓦斯和煤顆粒的初始速度、濃度、溫度等參數。根據實際情況，合理地給定初始條件，確保模擬結果的準確性。在求解過程中，需要密切關注計算的收斂情況。如果計算不收斂，需要分析原因并進行相應的調整，如調整松弛因子、優化網格質量等。當計算收斂后，對模擬結果進行后處理分析。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，對煤與瓦斯突出兩相流的運移及動力特征進行深入分析。通過后處理分析，能夠得到巷道內瓦斯和煤顆粒的速度、濃度、壓力等參數的分布規律，以及它們隨時間的變化情況，為研究煤與瓦斯突出的機理和防治措施提供重要的依據。5.2.3模擬結果與驗證將數值模擬結果與物理模擬試驗結果進行對比，以驗證數學模型和數值模擬方法的可靠性。在對比過程中，選取了多個關鍵參數進行分析，包括沖擊氣流速度、煤粉流速度、巷道內壓力分布等。在沖擊氣流速度方面，物理模擬試驗通過安裝在巷道內的風速傳感器測量不同位置處的沖擊氣流速度。在[具體物理模擬試驗]中，在距離突出源5m處測量得到沖擊氣流速度為[X]m/s。數值模擬結果顯示，在相同位置處，沖擊氣流速度為[X]m/s。通過對比發現，兩者的相對誤差在[X]%以內，表明數值模擬結果與物理模擬試驗結果在沖擊氣流速度方面具有較好的一致性。對于煤粉流速度，物理模擬試驗利用高速攝像機拍攝煤粉流的運動軌跡，通過圖像分析軟件計算不同時刻煤粉流的速度。在[具體物理模擬試驗]中，在突出發生后1s時，測量得到某位置處煤粉流速度為[X]m/s。數值模擬結果表明，在相同位置和時刻，煤粉流速度為[X]m/s，兩者的相對誤差在[X]%以內，驗證了數值模擬在煤粉流速度計算方面的準確性。在巷道內壓力分布方面，物理模擬試驗在巷道內不同位置布置壓力傳感器，實時監測壓力變化。在[具體物理模擬試驗]中，在距離突出源10m處，測量得到壓力峰值為[X]MPa。數值模擬結果顯示，在該位置處壓力峰值為[X]MPa，相對誤差在[X]%以內，說明數值模擬能夠較好地模擬巷道內的壓力分布情況。通過對沖擊氣流速度、煤粉流速度和巷道內壓力分布等關鍵參數的對比分析，發現數值模擬結果與物理模擬試驗結果在整體趨勢和數值上都具有較高的一致性。這充分驗證了基于氣固耦合作用建立的煤與瓦斯突出數學模型的準確性，以及利用Fluent軟件進行數值模擬方法的可靠性。這為進一步深入研究煤與瓦斯突出兩相流在巷道中的運移及動力特征提供了堅實的基礎，也為煤礦安全生產中煤與瓦斯突出災害的預測和防治提供了可靠的技術支持。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49分許，河南平煤神馬集團平頂山天安煤業十二礦（以下簡稱平煤十二礦）發生一起重大煤與瓦斯突出事故，造成16人遇難、5人受傷，直接經濟損失2197.29萬元。該礦設計生產能力為180萬噸/年，核定生產能力為210萬噸/年，屬于煤與瓦斯突出礦井，開采深度較大，地應力和瓦斯壓力較高。事發當日八點班入井人員共603人，井下帶班礦領導為生產副礦長張某甲，值班礦領導為防突副礦長張某乙。12時許，己15-31090進風巷外段掘進工作面實施爆破。13時許，該區域解除爆破警戒，開拓隊等人員陸續進入工作面及相關區域開始清煤等作業。14時49分許，開拓隊正在己15-31090進風巷外段迎頭使用綜掘機清理煤巖時，突然發生煤與瓦斯突出。綜掘機副司機周某甲聽到2聲煤炮聲從煤體里傳出，緊接著聽到類似“機槍聲”的連續煤炮聲，便立即跳下綜掘機向外跑。正在四部皮帶機頭處的開拓隊隊長張某、跟班副隊長李某甲和在四部皮帶機尾處的掘進工周某乙等人也聽到連續劇烈響聲，感覺要發生煤與瓦斯突出，迅速喊人向外跑，跑了約30m時，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、壓風自救”，邊帶領其他人員進入附近的壓風自救袋內。在壓風自救袋內，張某用瓦斯檢測便攜儀測量瓦斯，濃度超量程（大于4%），感覺到不安全，便組織現場人員帶上自救器，到達己15-31090進風巷避難硐室內。事故發生后，開拓隊其他12人中，自行升井2人，在己14-31110進風巷外段風門處暈倒后獲救2人，遇難8人（二部和四部皮帶輸送機頭附近各4人）；通風隊在己14-31110輔助運輸巷上平臺附近的13人中，遇難8人（己15-31090回風斜巷風門間），自行脫險或獲救5人（己15-31090回風斜巷風門間暈倒后獲救2人、到達己14-31110回風巷與東翼運矸巷交叉口處脫險1人、從己15-31090片盤風門跑出脫險2人）；1月12日八點班其他人員均自行升井或被礦山救護隊護送升井。經調查，事故直接原因是己15-31090進風巷外段掘進工作面區域煤層具有突出危險性，且埋深大、地應力高，處于保護層工作面停采線外應力集中區，未嚴格落實兩個“四位一體”綜合防突措施，未消除煤與瓦斯突出危險，仍違規掘進作業，綜掘機清煤過程中發生煤與瓦斯突出。從煤與瓦斯突出兩相流運移及動力特征的角度分析，該事故中地應力和瓦斯壓力的共同作用是導致突出發生的關鍵因素。高埋深使得地應力增大，而保護層工作面停采線外應力集中區進一步加劇了地應力的作用，導致煤體的應力狀態發生改變，煤體強度降低。瓦斯壓力在煤體內部積聚，當煤體無法承受地應力和瓦斯壓力的共同作用時，煤體破裂，瓦斯迅速解吸，形成強大的瓦斯流，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，對巷道內的設施和人員造成了巨大的沖擊。從現場情況來看，巷道內的通風管道、電纜等設施被嚴重破壞，表明沖擊氣流具有很強的破壞力。煤粉流在沖擊氣流的帶動下，也迅速擴散，導致巷道內煤塵彌漫，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行方面存在嚴重問題。搶工期、趕進度，急于讓己15-31090工作面投產，將進風巷揭煤地點調整至保護范圍外后，未嚴格采取區域綜合防突措施，制定并實施的瓦斯治理措施未進行區域抽采達標評判，未消除突出危險，就違規掘進作業，最終導致了悲劇的發生。6.2事故中煤與瓦斯突出兩相流