煤炭学报

作者：吴雪, 陈世强, 陈方兴, 刘刚, 赵鹏涛,

关键词：采空区, 多孔介质, 液氮, 渗流相变, 多相流, 压损,

采空区煤自燃是煤矿热动力灾害之一，防治遗煤自燃发火的瓶颈是精准防灭火，其科学问题之一是液氮在采空区内流动损失及其快速预测方法。基于采空区多孔介质的结构，搭建采空区注液氮渗流相变压损试验平台，优选耐低温钙钠玻璃，形成多孔介质通道，开展渗流速度与填充粒径对液氮在多孔介质中渗流相变压损的研究，进一步利用数值仿真验证并拓展渗流速度对压损影响的数据组。结果表明：液氮在多孔介质管道中渗流时，由于重力和气化作用的影响，低温管道外壁出现上下分层润湿现象；其次，填充粒径由3 mm增加到6 mm，试验平台的多孔介质孔隙率由0.240 9增加到0.266 9，液氮在多孔介质通道中渗流相变，气化为氮气，体积增大，压强增大；在流体密度、黏度以及表面张力不变的情况下，随着渗流速度的增加，气液两相界面处毛细管力与黏性力相互作用，流体由牛顿流体向非牛顿流体转变，使得单位长度压损与渗流速度呈线性相关；此外，数值仿真所建模型的计算结果与试验相对误差不大于15%，且液氮的渗流速度从0.001 m/s增大到0.08 m/s时，单位长度压损与渗流速度线性拟合度为99%，进一步验证了试验结论的可靠性。所得结论揭示了液氮在多孔介质中渗流相变压损与渗流速度呈线性变化的规律，可为采空区精准防灭火提供理论依据。

来源：2025年第8期

《煤炭学报》期刊编辑部

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