煤與瓦斯突出沖擊動(dòng)力效應(yīng)及致災(zāi)特征模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制與應(yīng)用

楊雪林 ，文光才 ，孫海濤 ，曹 偈，王 波，戴林超，魯 俊

(1.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院,山西 太原 030024；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400037；3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 瓦斯研究分院,重慶 400037；4.深圳大學(xué) 深地科學(xué)與綠色能源研究院,廣東 深圳 518000)

煤與瓦斯突出是一種極其復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象，突出過(guò)程也極具突發(fā)性和危險(xiǎn)性，因此，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和收集數(shù)據(jù)來(lái)研究突出機(jī)制是非常困難的。目前，也只有1977-11-04 在中梁山煤礦南井+290 m 水平南西二半抬高石門揭穿背斜西翼K10煤層發(fā)生突出事故時(shí)監(jiān)測(cè)到鉆孔瓦斯壓力、工作面回風(fēng)巷中瓦斯體積分?jǐn)?shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)，且這些數(shù)據(jù)并不完善，只能定性地反映一些突出問(wèn)題。目前，突出過(guò)程中瓦斯、地應(yīng)力和煤體力學(xué)性質(zhì)3 者的相互作用尚不明晰，在進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬解決相關(guān)問(wèn)題時(shí)常需要簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型和設(shè)定邊界條件。且由于突出問(wèn)題的復(fù)雜性，還不能完全依賴?yán)碚摲治龌驍?shù)值模擬來(lái)研究突出機(jī)制。近年來(lái)，物理模擬實(shí)驗(yàn)成為研究突出機(jī)制等相關(guān)問(wèn)題最行之有效的方法。國(guó)內(nèi)、專家學(xué)者針對(duì)不同的研究目標(biāo)，相繼研發(fā)了不同功能的突出物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并開(kāi)展了不同條件下的突出模擬實(shí)驗(yàn)，獲得了相關(guān)研究成果，對(duì)進(jìn)一步探究突出過(guò)程中各階段作用機(jī)理具有重要意義[1]。

鄧全封等[2]基于綜合假說(shuō)設(shè)計(jì)了一套小尺度一維突出模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并用無(wú)任何添加劑的突出層焦煤作為試驗(yàn)材料進(jìn)行了石門揭煤突出模擬實(shí)驗(yàn)。蔣承林和俞啟香[3]提出了球殼失穩(wěn)假說(shuō)，并利用自行設(shè)計(jì)的一維突出模擬裝置對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。孟祥躍等[4]自主研發(fā)了一套模擬突出的二維實(shí)驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了一系列突出模擬實(shí)驗(yàn)。劉明舉等[5]利用搭建的一維突出模擬裝置，研究了突出模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度的變化規(guī)律。蔡成功[6]依據(jù)相似理論，構(gòu)建了三維突出模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了突出3 要素之間的關(guān)系。重慶大學(xué)許江研究團(tuán)隊(duì)[7]自主研制了一套大型二維突出模擬試驗(yàn)臺(tái)；2009 年[8]，其團(tuán)隊(duì)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了改進(jìn)，進(jìn)一步加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的密封性和提高了型煤壓制效率；2013 年[9]，其團(tuán)隊(duì)研制了一套大型多場(chǎng)耦合煤礦動(dòng)力災(zāi)害模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，使得試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)力分布情況與現(xiàn)場(chǎng)更為接近；2019 年[10]，增加了網(wǎng)絡(luò)巷道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)突出過(guò)程中巷道內(nèi)包括氣壓、溫度、煤粉運(yùn)移速度等多物理場(chǎng)參數(shù)變化規(guī)律。顏愛(ài)華和徐濤[11]利用設(shè)計(jì)的突出模擬裝置，研究了不同吸附性氣體對(duì)突出強(qiáng)度的影響。陳永超[12]依據(jù)相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)了一套帶管道的突出模擬裝置，分析了影響突出沖擊波傳播的主要因素。張春華[13]利用設(shè)計(jì)的突出模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行了相似模擬實(shí)驗(yàn)，分析了石門揭煤過(guò)程中“構(gòu)造包體”存在時(shí)地應(yīng)力場(chǎng)和瓦斯壓力場(chǎng)的演化規(guī)律。高魁等[14]基于相似理論和地質(zhì)力學(xué)模型在實(shí)驗(yàn)室搭建了大型石門揭煤的煤與瓦斯突出試驗(yàn)平臺(tái)，并開(kāi)展了石門揭構(gòu)造軟煤的相似模擬試驗(yàn)。波蘭專家SOBCZYK[15]引入氣體應(yīng)力的概念，利用自主研發(fā)的突出模擬裝置，研究了氣體吸附性對(duì)突出的影響。歐建春等[16]利用自主研發(fā)的突出模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了突出過(guò)程中煤體破裂的演化規(guī)律。周愛(ài)桃等[17]利用自行設(shè)計(jì)的突出模擬裝置研究了不同通風(fēng)方式、不同類型巷道中突出沖擊氣流的衰減規(guī)律。袁瑞甫和李懷珍[18]自主研制了一套含瓦斯煤動(dòng)態(tài)破壞模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備能夠模擬不同煤層厚度和傾角條件下的突出模擬實(shí)驗(yàn)。唐巨鵬等[19]以型煤為研究對(duì)象，利用自主研制的三維突出模擬實(shí)驗(yàn)儀，進(jìn)行了煤層埋深-600 m、三維應(yīng)力條件下的突出模擬實(shí)驗(yàn)。王剛等[20]自主研制了一套考慮突出三要素的石門揭煤突出模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了突出過(guò)程中地應(yīng)力場(chǎng)和瓦斯壓力場(chǎng)的演化規(guī)律。郭品坤等[21]根據(jù)相似原理設(shè)計(jì)了一套真三軸突出模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了突出發(fā)展過(guò)程中煤體層裂發(fā)展機(jī)制。王漢鵬等[22]基于綜合作用假說(shuō)和CSIRO 模型，研制了一套突出模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體力學(xué)性質(zhì)的定量控制。聶百勝等[23]自主研發(fā)了一套大型的突出模擬實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)2 個(gè)典型突出案例進(jìn)行相似模擬實(shí)驗(yàn)。李慧等[24]利用自主研制的三維加載突出模擬實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行了不同初始瓦斯壓力、不同突出厚度和突出口徑的突出模擬實(shí)驗(yàn)。尹光志等[25]自主研發(fā)了一套多功能真三軸多場(chǎng)耦合煤礦動(dòng)力災(zāi)害大型模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，該裝置能夠真實(shí)地模擬煤礦井下煤、巖體所處的三向不等的應(yīng)力環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜應(yīng)力路徑下煤、巖體與瓦斯流-固耦合作用規(guī)律的研究。金侃等[26]依據(jù)相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)了一套帶模擬管道的突出模擬實(shí)驗(yàn)裝置，研究了突出煤粉-瓦斯兩相流的形成機(jī)制。盧義玉等[27]自主研發(fā)了一套大尺寸(2 060 mm×1 200 mm×1 200 mm)多功能突出物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠開(kāi)展多種地質(zhì)構(gòu)造條件下煤、巖變形破壞模擬實(shí)驗(yàn)。李文睿等[28]設(shè)計(jì)了一套考慮動(dòng)靜加載的突出模擬試驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備能夠模擬靜載荷和動(dòng)載荷共同作用下的突出現(xiàn)象。陳結(jié)等[29]自主研發(fā)了一套基于氣體驅(qū)動(dòng)的三維突出模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了不同瓦斯壓力條件下的突出模擬試驗(yàn)。中煤科工集團(tuán)重慶研究院[30]設(shè)計(jì)了一套帶有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)巷道系統(tǒng)的突出動(dòng)力效應(yīng)模擬系統(tǒng)，研究了突出過(guò)程中煤粉-瓦斯兩相流運(yùn)移規(guī)律。文光才等[31]自主研發(fā)了一套大尺寸高剛度深井煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠模擬1 000～1 500 m 深井煤層賦存應(yīng)力環(huán)境。袁亮研究團(tuán)隊(duì)[32]首先以綜合假說(shuō)和CSIRO 模型為理論依據(jù)，建立了同時(shí)考慮力學(xué)模型和能量模型的突出相似準(zhǔn)則，然后根據(jù)推導(dǎo)的突出相似準(zhǔn)則自主研發(fā)了一套大型真三維突出定量物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)攻克了對(duì)突出機(jī)理定量化研究的難題，成功開(kāi)展了全球首次大尺度真三維煤與瓦斯突出物理模擬試驗(yàn)，為突出機(jī)理定量化研究提供了新的方法。張超林等[33]基于模塊化思路研制了多功能煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并以河南龍山煤礦為工程背景開(kāi)展了突出模擬實(shí)驗(yàn)。

隨著技術(shù)裝備的進(jìn)步，突出模擬裝置由小尺度向大尺度發(fā)展，應(yīng)力加載方式由一維向三維發(fā)展，突出誘導(dǎo)方式多樣化，控制及監(jiān)測(cè)參數(shù)向多物理場(chǎng)多參數(shù)發(fā)展。突出模擬系統(tǒng)的不斷進(jìn)步使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更貼近現(xiàn)場(chǎng)，為我國(guó)乃至世界的突出防治工作做出了重大貢獻(xiàn)。盡管如此，現(xiàn)階段對(duì)突出機(jī)理的研究仍處于假說(shuō)階段，還不能從根本上杜絕突出事故的發(fā)生。突出過(guò)程中突出孔洞周圍卸壓區(qū)煤體瓦斯解吸、滲流并為突出的發(fā)展提供能量，但現(xiàn)有的突出模擬設(shè)備未考慮這一點(diǎn)，在進(jìn)行突出預(yù)測(cè)時(shí)易低估災(zāi)害的影響范圍和危險(xiǎn)性。因此，有必要設(shè)計(jì)一套考慮突出孔洞周圍卸壓區(qū)煤體瓦斯補(bǔ)給作用的突出模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)突出發(fā)展過(guò)程中巷道內(nèi)突出沖擊波形成及傳播、煤-瓦斯兩相流運(yùn)移及瓦斯逆流等動(dòng)力學(xué)行為特征進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為礦井突出災(zāi)變時(shí)期智能調(diào)風(fēng)、應(yīng)急響應(yīng)研究等提供支撐。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)目的及功能

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)突出全過(guò)程進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，主要模擬突出孔洞內(nèi)的破碎煤，突出激發(fā)后，在高壓瓦斯作用下由孔洞噴向采掘空間的過(guò)程(即不考慮突出孕育過(guò)程)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能：①模擬不同體積突出孔洞內(nèi)高壓瓦斯涌出、含瓦斯煤破碎、孔洞壁瓦斯涌出規(guī)律；②模擬突出的激發(fā)；③模擬巷道空間；④ 控制突出激發(fā)及采集相關(guān)數(shù)據(jù)。

因此，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由突出孔洞動(dòng)力系統(tǒng)(模擬突出孔洞的高壓密封腔體和模擬孔洞壁涌出的補(bǔ)氣裝置)、巷道模擬系統(tǒng)、突出激發(fā)裝置、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)等四大模塊構(gòu)成。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相似設(shè)計(jì)

2.1 相似準(zhǔn)則

為了使相似模擬實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)情況盡可能一致，一般地，要求相似模型與原型之間遵循相似準(zhǔn)則。一般包括幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似3 個(gè)方面。

2.1.1 幾何相似

幾何相似指實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型之間對(duì)應(yīng)特征長(zhǎng)度成固定比例，例如突出口直徑、模擬巷道長(zhǎng)度和半徑等均可作為模型的特征長(zhǎng)度，定義原型特征長(zhǎng)度Lp與模型特征長(zhǎng)度Lm之比為特征長(zhǎng)度比例尺δL，即

幾何相似主要保證模型與原型之間在形狀上相似，而在相似模擬實(shí)驗(yàn)中保證模型與原型的幾何形狀完全相似是非常困難的，針對(duì)研究問(wèn)題不同，可以先找出對(duì)研究目標(biāo)有重要影響的幾何因素，然后保證其與原型滿足一定的相似比。例如突出瓦斯氣流在巷道中運(yùn)移，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將受到巷道摩擦阻力的影響，如式(2)所示：

式中，hf為單位體積突出瓦斯流的能量損失，Pa；λ為沿程阻力系數(shù)，無(wú)因次系數(shù)；ρ為瓦斯密度，kg/m3；L為瓦斯流經(jīng)巷道長(zhǎng)度，m；d為圓形巷道直徑，或非圓形巷道的當(dāng)量直徑，m；v為斷面平均風(fēng)速，m/s。

因此，當(dāng)研究?jī)?nèi)容側(cè)重于瓦斯氣流在巷道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，則模擬實(shí)驗(yàn)管道當(dāng)量直徑和長(zhǎng)度應(yīng)盡可能與原型滿足一定的長(zhǎng)度比例。除此之外，根據(jù)式(3)和式(4)可以得出相應(yīng)的面積比例尺和體積比例尺。

式中，δA、δV為分別為面積比例尺和體積比例尺；Ap、Am為分別為原型和模型的面積，m2；Vp、Vm為分別為原型和模型的體積，m3。

2.1.2 運(yùn)動(dòng)相似

運(yùn)動(dòng)相似主要指研究對(duì)象原型和模型之間在對(duì)應(yīng)時(shí)刻和位置上速度(加速度)方向一致，且大小成一定比例。由速度和加速度的定義可知幾何相似和時(shí)間相似是保證運(yùn)動(dòng)相似的前提。

定義原型與模型的時(shí)間之比為時(shí)間比例尺δt，有

其中，tp、tm為原型和試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臅r(shí)間，s。則對(duì)應(yīng)點(diǎn)的速度和加速度的比例尺δu、δa分別為

式中，up、um分別為原型和模型流體質(zhì)點(diǎn)的速度，m/s；ap、am分別為原型和模型流體質(zhì)點(diǎn)的加速度，m/s2；δM為質(zhì)量比例尺。

由式(7)可得速度和加速度比例尺與長(zhǎng)度比例尺和時(shí)間比例尺間的關(guān)系。

2.1.3 動(dòng)力相似

在保證模型幾何相似的前提下，為了保證運(yùn)動(dòng)相似，必須使模型和原型中流體質(zhì)點(diǎn)相應(yīng)時(shí)刻所受的作用力大小一致且成一定比例。該作用力包括重力、表面力和慣性力等，即動(dòng)力相似。由此可知，幾何相似是流體動(dòng)力學(xué)相似的前提，而動(dòng)力相似則是主導(dǎo)原因，運(yùn)動(dòng)相似則是現(xiàn)象。原型與模型之間動(dòng)力比例尺δN可表示為

式中，δρ為原型和模型之間的密度比例尺；Fp、Fm分別為原型和模型流體質(zhì)點(diǎn)受到的作用力，N；Mp、Mm分別為原型和模型流體的質(zhì)量，kg；ρp、ρm分別為原型和模型流體的密度，kg/m3。

2.2 相似準(zhǔn)數(shù)選取

突出孔洞原型本身具有多樣性，在相似模擬實(shí)驗(yàn)中完全保證模型與原型的幾何形狀相似是非常困難的。突出強(qiáng)度一定程度上取決于腔體尺寸，腔體太小，試驗(yàn)測(cè)試誤差大；腔體過(guò)大，試驗(yàn)難度加大。適度的腔體尺寸應(yīng)與管道尺寸匹配。

幾何相似與動(dòng)力相似是保證流體運(yùn)動(dòng)相似的基礎(chǔ)與前提，因而在選取動(dòng)力相似準(zhǔn)則之前要確定模型的幾何相似比。井下實(shí)際巷道多為矩形或梯形，但模擬的矩形或梯形巷道制作比較困難，承壓能力低、密封性差，所以模擬巷道多為斷面為圓形的管道。本次實(shí)驗(yàn)選取直徑為150 mm 的圓形管模擬井下巷道，以10 m2的巷道斷面為實(shí)際工況，則模型的長(zhǎng)度比例尺為

在幾何比例尺確定后主要考慮動(dòng)力相似。動(dòng)力相似主要有富魯?shù)孪嗨茰?zhǔn)則、雷諾準(zhǔn)則、歐拉準(zhǔn)則、柯西準(zhǔn)則、韋伯準(zhǔn)則和斯特勞哈爾準(zhǔn)則。其中富魯?shù)聹?zhǔn)則主要指原型與模型之間滿足重力相似；雷諾準(zhǔn)則指原型與模型間滿足黏性力相似；歐拉準(zhǔn)則指原型與模型間滿足壓力相似；韋伯準(zhǔn)則指原型與模型間滿足表面力相似；而斯特勞哈爾準(zhǔn)則指原型與模型間滿足當(dāng)?shù)貞T性力相似，又稱為非定常相似準(zhǔn)則，即欲使2種非定常流動(dòng)相似，則它們的斯特勞哈爾數(shù)必定相等。

模型中巷道內(nèi)氣壓與井下實(shí)際巷道內(nèi)氣壓近似相等，因此為了真實(shí)反映井下實(shí)際突出動(dòng)力效應(yīng)，首先考慮歐拉相似準(zhǔn)則，則要求模擬突出腔體與現(xiàn)場(chǎng)突出孔洞內(nèi)壓力相同，本次實(shí)驗(yàn)瓦斯壓力為0.8 MPa，即模擬實(shí)驗(yàn)腔體的瓦斯壓力與實(shí)際孔洞瓦斯壓力比同樣近似為1∶1。另一方面，突出強(qiáng)度是突出煤-瓦斯兩相流運(yùn)移的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)選用煤樣與現(xiàn)場(chǎng)一致，加之瓦斯保持壓力一致，因此，不僅可保證模擬實(shí)驗(yàn)中突出瓦斯速度與現(xiàn)場(chǎng)突出事故一致，還保證了突出強(qiáng)度一致。同時(shí)，馬赫數(shù)是柯西準(zhǔn)則中表征沖擊波速度的一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)理論，馬赫數(shù)(Ma)僅與氣流速度和當(dāng)?shù)芈曀儆嘘P(guān)，而當(dāng)?shù)芈曀賰H與擾動(dòng)傳播介質(zhì)(巷道內(nèi)空氣)的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。如前文所述，在模型滿足歐拉相似準(zhǔn)則的前提下，模型與原型瓦斯氣流速度相似比為1∶1，且模擬巷道中空氣介質(zhì)與井下巷道中空氣近似，因此可得模型與原型的馬赫數(shù)比為1∶1。此外，突出后瓦斯氣流在巷道中的流動(dòng)狀態(tài)主要用雷諾數(shù)(Re)判定，可由式(10)求得，即

式中，μ為與流體性質(zhì)有關(guān)的比例系數(shù)，稱為動(dòng)力黏度，Pa·s；v為運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)，m2/s；u為巷道內(nèi)氣體流速，m/s；d為巷道水力直徑，m。

常溫、常壓(101 325 Pa、20 ℃)下甲烷、空氣和二氧化碳的動(dòng)力黏度分別為1.34、1.40、1.28 μPa·s，再根據(jù)其相應(yīng)狀態(tài)下的密度可求出該3 種氣體的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)。實(shí)際井下，斷面面積為10 m2巷道的當(dāng)量直徑為3.57 m，而模擬管道的管徑為0.15 m，若按流體流速為1 m/s，則根據(jù)式(9)可求出實(shí)際井下甲烷、空氣和二氧化碳的雷諾數(shù)分別為1.75×106、3.15×106和3.9×106，而相似模擬實(shí)驗(yàn)中管道內(nèi)3 種氣體的雷諾數(shù)分別為73 529、132 353 和163 866，遠(yuǎn)大于紊流臨界雷諾數(shù)2 300。研究表明，在黏性流管中，當(dāng)雷諾數(shù)大到一定數(shù)值后，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)，流動(dòng)進(jìn)入自動(dòng)模化區(qū)，此時(shí)雷諾準(zhǔn)則失去作用，此時(shí)不必考慮模型的雷諾數(shù)與原型的雷諾數(shù)是否相等。因?yàn)樵秃湍Ｐ椭械睦字Z數(shù)均遠(yuǎn)大于紊流臨界值，且隨流體流速的增大，其值仍會(huì)不斷增大，所以盡管雷諾數(shù)不同，但原型和模型均已處于自動(dòng)模化區(qū)，此時(shí)流動(dòng)相似。

如前文所述，高壓密封腔體的尺寸應(yīng)與管道尺寸匹配，突出孔洞原型本身具有多樣性，筆者統(tǒng)計(jì)了多起不同類型煤與瓦斯突出事故中孔洞的參數(shù)，見(jiàn)表1。模擬管道直徑為150 mm，因此取高壓密封腔體突出口直徑為150 mm。

3 煤與瓦斯突出動(dòng)力效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3.1 突出孔洞動(dòng)力系統(tǒng)

突出孔洞動(dòng)力系統(tǒng)是模擬突出的發(fā)生裝置，主要包括模擬不同尺寸孔洞的高壓密封腔體(盛裝高壓瓦斯和破碎煤)、模擬突出后孔洞壁瓦斯涌出結(jié)構(gòu)及模擬突出后孔洞壁瓦斯涌出的補(bǔ)氣裝置(補(bǔ)氣罐)。

3.1.1 高壓密封腔體

表1 中突出孔洞直徑、孔洞寬度和孔洞深度的平均值比值為1∶2∶4。據(jù)此，可以將高壓密封腔體設(shè)計(jì)為1 個(gè)主腔體和2 個(gè)附加腔體。附加腔體可通過(guò)法蘭與主腔體連接，實(shí)現(xiàn)不同體積孔洞的突出模擬實(shí)驗(yàn)。

最終確定突出口直徑為150 mm (對(duì)應(yīng)于突出口高和寬)，主腔體直徑為300 mm (對(duì)應(yīng)突出孔洞內(nèi)部高和寬)，主腔體長(zhǎng)度為450 mm(對(duì)應(yīng)突出孔洞深度)，兩邊預(yù)留法蘭接口可分別與附加腔體和突出口控制裝置連接。主腔體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。附加腔體均為直徑為300 mm，長(zhǎng)度均為150 mm。主腔體設(shè)計(jì)如圖2 所示。高壓密封腔體采用304 不銹鋼制造，耐壓4 MPa，突出腔體實(shí)物如圖3 所示。

圖1 突出主腔體Fig.1 Main outburst cavity

圖2 附加腔體Fig.2 Additional cavity

圖3 突出腔體實(shí)物Fig.3 Outburst cavity body object

3.1.2 模擬突出后孔洞壁瓦斯涌出結(jié)構(gòu)

為了模擬突出后突出孔洞壁的瓦斯向孔洞涌出，在高壓密封腔體充氣端設(shè)計(jì)充氣法蘭，其功能與“燃?xì)庠罨鹕w”類似。法蘭盤外緣設(shè)置4 個(gè)進(jìn)氣口，內(nèi)部均勻分布出氣孔。此結(jié)構(gòu)使得對(duì)突出腔體進(jìn)行 “面充氣”，使得充氣均勻、高效；另一方面在突出激發(fā)時(shí)，能夠使補(bǔ)氣罐內(nèi)的氣體向高壓腔體均勻“補(bǔ)氣”，其結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，內(nèi)部尺寸如圖4(b)所示。對(duì)高壓腔體和網(wǎng)絡(luò)巷道進(jìn)行氣密性和耐壓測(cè)試。高壓腔體在4 MPa氣壓條件下，3 h 壓降小于0.005 MPa。

3.1.3 補(bǔ)氣裝置

胡千庭和文光才[34]從力學(xué)的角度分析了煤與瓦斯突出的演化過(guò)程。當(dāng)煤體未受到采掘擾動(dòng)時(shí)，煤體處于受力平衡狀態(tài)，因此不會(huì)發(fā)生破壞；而當(dāng)采掘擾動(dòng)破壞這種力學(xué)平衡時(shí)，煤體將發(fā)生失穩(wěn)破壞，此時(shí)突出被激發(fā)，儲(chǔ)存于煤體的彈性能和瓦斯膨脹能在極短時(shí)間內(nèi)迅速釋放，使得失穩(wěn)破壞的煤體被拋出，形成突出孔洞，而在突出孔洞周圍形成卸壓區(qū)。

在煤體拋出過(guò)程中，除了拋出煤體內(nèi)所儲(chǔ)存的瓦斯膨脹能參與煤體拋出和進(jìn)一步破碎做功外，卸壓區(qū)煤體中積聚的瓦斯膨脹能也將參與突出做功[35]。也就是說(shuō)，突出過(guò)程中卸壓區(qū)煤體中的吸附瓦斯不斷解吸，并在瓦斯壓力梯度作用下由突出孔洞壁向突出煤體流動(dòng)并對(duì)突出做功，如圖5 所示。

圖5 突出模型簡(jiǎn)化示意Fig.5 Schematic of coal and gas outburst model

根據(jù)文獻(xiàn)[35]，卸壓區(qū)當(dāng)量半徑R與突出孔洞當(dāng)量半徑r之間的關(guān)系為

前文設(shè)計(jì)腔體直徑300 mm，總長(zhǎng)750 mm；突出口部分直徑150 mm，長(zhǎng)度120 mm。由此可求得其體積約為5.478 1×10-6m3，其球體當(dāng)量半徑為0.236 m。根據(jù)式(11)，可求得卸壓區(qū)半徑約為0.362 m，除突出腔體外卸壓區(qū)體積為0.143 694 m3。假設(shè)煤層瓦斯壓力為0.5 MPa，煤的孔隙率為8%，則卸壓區(qū)參與突出做功的游離瓦斯體積約為0.05 m3。結(jié)合該實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以認(rèn)為卸壓區(qū)煤體相當(dāng)于突出煤體的一個(gè)補(bǔ)充氣源。若補(bǔ)氣罐直徑為300 mm，則補(bǔ)氣罐長(zhǎng)度約為700 mm，罐體用304 不銹鋼制造，補(bǔ)氣罐實(shí)物如圖6 所示。

圖6 補(bǔ)氣罐Fig.6 Supplemental gas tank

補(bǔ)氣罐(模擬突出孔洞周圍卸壓區(qū))與突出腔體之間管路內(nèi)徑的確定與突出過(guò)程中卸壓區(qū)煤體瓦斯流向突出煤體的滲流速度有關(guān)。但在實(shí)際突出事故中，這一參數(shù)很難獲得。學(xué)者們[35]利用三軸滲透儀和力學(xué)試驗(yàn)機(jī)等實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，模擬地應(yīng)力作用下煤樣破壞前后瓦斯?jié)B流速度的變化情況，以此為依據(jù)來(lái)確定突出煤體失穩(wěn)破壞后卸壓區(qū)煤體瓦斯的滲流速度，進(jìn)而估算補(bǔ)氣管路的內(nèi)徑。

據(jù)文獻(xiàn)[36]，直徑?=50 mm、高度100 mm 的煤樣在0.25 MPa 瓦斯壓力條件下達(dá)峰值強(qiáng)度破壞時(shí)，單位時(shí)間流經(jīng)煤樣的瓦斯量Q1約為17.05 mL。由此，單位時(shí)間單位面積流過(guò)煤樣的瓦斯量q1為

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，補(bǔ)氣罐通過(guò)5 個(gè)管路向突出腔體“補(bǔ)氣”。則單位時(shí)間內(nèi)補(bǔ)氣罐應(yīng)向突出腔體內(nèi)補(bǔ)充瓦斯量q2應(yīng)為

式中，S為突出腔體包含煤體的表面積，m2，計(jì)算公式為

式中，D為突出腔體直徑，mm；Lc為突出腔體主體部分長(zhǎng)度，mm；dc為突出口部分直徑，mm；l為突出口部分長(zhǎng)度，mm。

假設(shè)補(bǔ)氣罐內(nèi)氣體壓力為p1，補(bǔ)氣管路與突出腔體連接處氣體壓力為p2。突出卸壓前補(bǔ)氣罐與突出腔體以及管路相當(dāng)于連通容器，此時(shí)p1=p2；突出啟動(dòng)后，突出腔體內(nèi)卸壓，此時(shí)p2

式中，vg為補(bǔ)氣管路與突出腔體連接處氣體速度，m/s；ρg為補(bǔ)氣罐內(nèi)壓力為p2條件下密度，kg/m3。

假設(shè)p2為0.25 MPa，則相應(yīng)CO2氣體密度為4.51 kg/m3；由于p2需通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，一般地，若Δp<10 132.5 Pa 時(shí)[38]，可認(rèn)為氣體流動(dòng)為不可壓縮流，假設(shè)為Δp=10 132.5 Pa，則vg=67.03 m/s。為了滿足突出過(guò)程中補(bǔ)氣量，補(bǔ)氣管內(nèi)徑d1需滿足：

求得補(bǔ)氣管路內(nèi)徑約為0.006 m，即6 mm。

此外，為了保證氣密性，采用“錐螺紋+密封墊”的方式連接管路和腔體。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)利用補(bǔ)氣管路連接補(bǔ)氣罐和突出腔體模擬突出時(shí)卸壓區(qū)瓦斯對(duì)突出孔洞的補(bǔ)給作用，如圖7 所示。

圖7 補(bǔ)氣管路與突出腔體連接情況Fig.7 Connection between gas supply pipeline and outburst chamber

3.2 突出激發(fā)裝置

突出激發(fā)裝置主要通過(guò)控制突出口的開(kāi)啟來(lái)模擬突出的激發(fā)?？偨Y(jié)前人的研究，突出口開(kāi)啟方式主要有薄膜、爆破片、機(jī)械(手動(dòng))擋板、電磁閥等幾個(gè)類型。為了滿足瞬時(shí)開(kāi)啟和較好的密封性，僅有爆破片和電磁閥能夠滿足。為此，對(duì)爆破片和液控電磁閥進(jìn)行調(diào)研，其主要性能及參數(shù)見(jiàn)表2。電磁閥與爆破片均有較好的氣密性。但電磁閥開(kāi)啟速度要比爆破片慢一個(gè)數(shù)量級(jí)。且在使用電磁閥時(shí)，由于介質(zhì)為煤-瓦斯混合物，噴出的煤粉必然對(duì)閥體造成磨損，使得氣密性越來(lái)越差，不利于實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。因此，爆破片更為適用。

表2 爆破片和電磁閥主要性能及參數(shù)Table 2 Main performance and parameters of bursting disc and solenoid valve

3.3 巷道模擬系統(tǒng)

研究突出煤-瓦斯兩相流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)突出災(zāi)害的預(yù)警和防護(hù)都有重要意義。因此，使巷道透明化和可視化，再借助高速攝像機(jī)來(lái)記錄突出過(guò)程。此外，為了獲取突出瓦斯的相關(guān)參數(shù)，在整個(gè)巷道網(wǎng)絡(luò)合理布置各種傳感器以采集突出過(guò)程中相關(guān)數(shù)據(jù)；試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎脕喛肆χ茍A形管道作為模擬巷道，巷道模型整體呈“Y”型。管道節(jié)長(zhǎng)1.0 m，內(nèi)徑15 cm(對(duì)應(yīng)巷道的高和寬)，厚度為2 cm，抗壓2 MPa。巷道系統(tǒng)全長(zhǎng)16.5 m。管道兩端設(shè)置法蘭，便于對(duì)巷道連接及拆卸，法蘭盤上配備硅膠墊，具有較好的密封性。由于突出具有一定的動(dòng)力效應(yīng)，為了防止出現(xiàn)“炸膛”，“分岔口”部分用鋼制管道，連接支巷端夾角60°。根據(jù)試驗(yàn)要求，在模擬巷道的不同位置預(yù)留不同類型的傳感器接口。模擬試驗(yàn)巷道先固定于支架，然后將支架固定于地面上，保證實(shí)驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、拆裝方便。支巷末端可設(shè)置通風(fēng)機(jī)模擬供風(fēng)，因此該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還能夠模擬突出瓦斯逆轉(zhuǎn)風(fēng)流情況；另一條支巷模擬回風(fēng)巷，回風(fēng)巷末端與除塵系統(tǒng)連接以防止有害氣體或煤塵擴(kuò)散，巷道模擬系統(tǒng)如圖8 所示。

圖8 巷道模擬系統(tǒng)Fig.8 Roadway simulation system

3.4 數(shù)據(jù)采集與控制中心

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)各種傳感器將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中突出動(dòng)力系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)進(jìn)而通過(guò)操作界面反饋給實(shí)驗(yàn)員，實(shí)驗(yàn)員則根據(jù)信號(hào)通過(guò)突出控制系統(tǒng)來(lái)控制突出激發(fā)、充氣吸附等操作。同時(shí)，突出過(guò)程中管道中各物理參數(shù)又通過(guò)傳感器傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和回放?？刂葡到y(tǒng)主要作用是控制突出的激發(fā)與停止，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能是實(shí)驗(yàn)前反饋腔體參數(shù)信息和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集數(shù)據(jù)。

如圖9 所示，傳感器由左至右分別為氣壓傳感器、溫度傳感器和體積分?jǐn)?shù)傳感器，其具體參數(shù)見(jiàn)表3。

圖9 數(shù)據(jù)采集與控制中心Fig.9 Data acquisition and control center

表3 傳感器型號(hào)及參數(shù)Table 3 Sensor type and parameters

3.5 煤與瓦斯突出動(dòng)力效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總構(gòu)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模塊構(gòu)成及功能如圖10 所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括煤與瓦斯突出動(dòng)力系統(tǒng)、可視化巷道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)額數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中心。煤與瓦斯突出動(dòng)力系統(tǒng)主要包括突出孔洞動(dòng)力系統(tǒng)和突出激發(fā)裝置，其主要功能是模擬在地應(yīng)力作用下破壞后的碎煤與高壓瓦斯在孔洞內(nèi)的共存以及突出的激發(fā)。與動(dòng)力系統(tǒng)相連接的是可視化巷道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其主要用于模擬井下巷道，在巷道上布置各式各樣的傳感器及高速攝像機(jī)等實(shí)時(shí)監(jiān)控和檢測(cè)突出過(guò)程中的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)變化。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中心是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心，其一方面根據(jù)壓力信號(hào)控制突出模擬實(shí)驗(yàn)的激發(fā)即動(dòng)力系統(tǒng)的開(kāi)啟，另一方面用于采集突出過(guò)程中巷道內(nèi)煤、瓦斯的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖11 所示。

圖10 設(shè)備模塊構(gòu)成Fig.10 Equipment module composition

圖11 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置示意Fig.11 Schematic diagram of experimental system layout

4 煤與瓦斯突出災(zāi)變演化過(guò)程模擬實(shí)驗(yàn)

4.1 煤 樣

煤樣采自川煤集團(tuán)華榮能源龍灘煤電公司3114南綜采工作面K1煤層的全粒徑碎煤。龍灘煤礦井田內(nèi)K1煤層為突出煤層，煤層瓦斯含量5.09～14.35 m3/t，煤層平均瓦斯含量為9.55 m3/t，測(cè)得煤層最大瓦斯壓力為1.08 MPa，平均煤層透氣性系數(shù)為3.47 m2/(MPa2·d)，平均鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.023 8 d-1。龍灘煤礦井田內(nèi)K1煤層共發(fā)生15 次煤與瓦斯突出事故。

實(shí)驗(yàn)煤樣用華鎣龍灘煤礦3114 南綜采工作面K1煤層的全粒徑煤樣，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)前煤體物理力學(xué)性質(zhì)包括煤樣粒徑分布、吸附常數(shù)a、b、f等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4。

4.2 實(shí)驗(yàn)步驟

將從礦上采集的煤樣首先用GF101-3 電熱鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行烘干，烘箱如圖12(a)所示。煤樣烘干后放入自制煤倉(cāng)，如圖12(b)所示。煤倉(cāng)底部安設(shè)透氣金屬板用于盛裝煤樣，一側(cè)預(yù)留注氣口。CO2氣瓶連接注氣口，為安全起見(jiàn)，注氣壓力設(shè)置為0.1 MPa，其目的一方面為了使CO2氣體“置換”煤樣中殘留瓦斯，另一方面使煤樣“保鮮”。

圖12 干燥箱和煤倉(cāng)Fig.12 Electric heating drying oven and coal sample bunker

4.2.1 裝煤與壓煤

將準(zhǔn)備好的全粒徑煤樣裝入突出腔體中，然后將突出腔體放置于振動(dòng)臺(tái)，振動(dòng)一段時(shí)間后利用壓頭壓制，然后重復(fù)上述步驟直至腔體裝滿煤粉并壓制成型。振動(dòng)臺(tái)根據(jù)突出腔體設(shè)計(jì)，振動(dòng)頻率可調(diào)。振動(dòng)臺(tái)周圍設(shè)置4 根鋼筋護(hù)欄，以保證振動(dòng)過(guò)程中的安全性。圖13(a)為煤體振動(dòng)過(guò)程，圖13(b)為壓制過(guò)后的煤樣。一般振動(dòng)時(shí)間為30 min，人工壓實(shí)30 min，保壓質(zhì)量300 kg。壓制過(guò)后的煤樣能夠抵抗一定外力，但由于制備過(guò)程中不添加包括水在內(nèi)的任何物質(zhì)，因此強(qiáng)度較低，可模擬地應(yīng)力作用后處于應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后煤體狀態(tài)。經(jīng)計(jì)算，壓制后煤樣孔隙率為5.49%。

圖13 煤樣壓制Fig.13 Coal sample molding

4.2.2 組裝系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求組裝系統(tǒng)，包括組裝巷道、組裝突出動(dòng)力系統(tǒng)、連接管路、布設(shè)傳感器等。組裝好的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖14 所示。補(bǔ)氣罐一端與充氣系統(tǒng)通過(guò)高壓管連接，另一端與突出腔體連接，突出腔體法蘭邊緣留設(shè)注氣口，可實(shí)現(xiàn)環(huán)向均勻充氣；突出腔體突出口與爆破片夾持器連接通過(guò)法蘭連接；突出口與模擬巷道通過(guò)法蘭連接。

4.2.3 充氣吸附

筆者選取CO2作為瓦斯的模擬氣體，可研究突出過(guò)程中解吸的瓦斯對(duì)突出的持續(xù)發(fā)展有作用。充氣前，所有人員撤離實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，并于操作室通過(guò)突出控制系統(tǒng)來(lái)操作氣瓶的開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓密封腔體的遠(yuǎn)程充氣。其次，氣瓶位置距實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有一定的距離，能夠保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的安全性。高壓氣瓶柜及充氣管路如圖15 所示。充氣吸附時(shí)間不低于48 h，48 h后當(dāng)壓降每30 min 不高于0.005 MPa 時(shí)，可默認(rèn)為吸附飽和。

圖15 充氣系統(tǒng)Fig.15 Gas inflation system

4.2.4 泄壓突出

泄壓突出前，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)周圍清場(chǎng)并布置警戒線，防止無(wú)關(guān)人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)。由于突出過(guò)程短暫，將采集系統(tǒng)調(diào)至高速采集模式以防止數(shù)據(jù)遺漏數(shù)據(jù)。通過(guò)突出控制系統(tǒng)對(duì)高壓密封腔體進(jìn)行快速充氣，直至完成泄爆。

4.2.5 數(shù)據(jù)采集

泄壓突出前，采集系統(tǒng)處于高速采集狀態(tài)，為了緩解高速采集給工作站帶來(lái)的內(nèi)存壓力，突出后10 min 后將采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至低速采集模式。待實(shí)驗(yàn)1 h 后可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)檢查實(shí)驗(yàn)情況，并檢查傳感器等相關(guān)部件。

4.2.6 煤樣測(cè)量及清理

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求對(duì)突出煤進(jìn)行分段稱重、高度測(cè)量、粒度分析，并清理現(xiàn)場(chǎng)，為下次實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。此外，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)除塵方式在借鑒布袋倉(cāng)頂除塵技術(shù)基礎(chǔ)上，采用在除塵裝置頂部設(shè)置布袋過(guò)濾的方式進(jìn)行除塵。由于試驗(yàn)過(guò)程中的突出氣流為沖擊性氣流，氣流沖擊力可克服除塵裝置自身阻力，不需再另外增設(shè)動(dòng)力裝置。

4.3 實(shí)驗(yàn)條件及巷道、傳感器布置

本次實(shí)驗(yàn)巷道及傳感器布置如圖16 所示。巷道布置呈“Y”型分布，主巷長(zhǎng)7 210 mm(突出口距分岔口距離)，支巷長(zhǎng)9 475 mm，主巷與支巷連接部分長(zhǎng)1 000 mm。支巷L(fēng)1 一端連接風(fēng)機(jī)，模擬進(jìn)風(fēng)巷；支巷L(fēng)2 連接除塵系統(tǒng)，模擬回風(fēng)巷。巷道壁布置不同傳感器，圖16 中P 表示氣壓傳感器、S 表示沖擊波動(dòng)壓傳感器、W 表示風(fēng)速傳感器、c 表示體積分?jǐn)?shù)傳感器。傳感器距突出口距離及各傳感器間距見(jiàn)表5。本次實(shí)驗(yàn)瓦斯壓力0.8 MPa，裝煤量51 kg，突出腔體僅用主腔體。

圖16 傳感器分布Fig.16 Sensors distribution

表5 各傳感器相對(duì)位置Table 5 Specific location of each sensor

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 巷道內(nèi)突出災(zāi)變演化規(guī)律

煤與瓦斯突出發(fā)生瞬間，伴隨著煤粉噴出及大量的瓦斯氣體涌出，在管道空間內(nèi)形成高速的煤粉-瓦斯氣固兩相流。為了研究突出后管道內(nèi)突出煤粉、瓦斯及空氣相互作用的動(dòng)力學(xué)特征，將高速攝像機(jī)置于突出口第1 節(jié)管道前以拍攝突出過(guò)程，然后將視頻中圖片逐幀提取以獲得不同時(shí)刻管道內(nèi)突出動(dòng)力現(xiàn)象，如圖17 所示。

圖17 煤-瓦斯兩相流運(yùn)移規(guī)律 (第1 節(jié)管道)Fig.17 Migration law of coal-gas two-phase flow (1st pipe)

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，突出發(fā)聲時(shí)伴隨一聲巨響，隨后看到大量煤粉從突出腔體拋向管道。從圖17(b)可以看出，突出發(fā)生1 ms 后管道內(nèi)形成空氣沖擊波，沖擊氣流擾動(dòng)管道內(nèi)殘留煤粉，同時(shí)高速突出瓦斯氣流緊跟其后，根據(jù)動(dòng)力效應(yīng)發(fā)生的位置距突出口的距離及時(shí)間，可以計(jì)算空氣沖擊波和突出瓦斯氣流傳播速度分別為468 m/s 和112 m/s；由圖17 可以看出，初期突出煤-瓦斯兩相流陣面并非平面，而是呈下長(zhǎng)上短的楔形，這是因?yàn)橥怀霭l(fā)生時(shí)在氣流作用下煤粉被拋出，但由于重力作用煤粉向下沉降，隨著腔體內(nèi)吸附態(tài)瓦斯不斷解吸，瓦斯膨脹能不斷釋放，氣流速度增加，在氣流浮力作用下更多的煤粉懸浮于管道上方，使得突出煤-瓦斯兩相流陣面逐漸變?yōu)槠矫妫鐖D17(f)等。隨著煤粉不斷被拋出，47 ms 后煤粉-瓦斯兩相流充滿整個(gè)管道，形成滿管流。然后隨著腔體內(nèi)瓦斯壓力不斷降低，使得涌出的瓦斯不足以繼續(xù)拋煤，而管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的煤粉在摩擦力和重力作用下逐漸減速并沉降。

根據(jù)圖17 中突出瓦斯氣流和突出煤-瓦斯兩相流陣面運(yùn)移距離和時(shí)間間隔，可計(jì)算出突出初期沖擊氣流和突出煤-瓦斯兩相流陣面的運(yùn)動(dòng)速度，如圖18所示。由圖18 可以看出，突出初期突出瓦斯氣流速度隨距突出口距離的增加而減小，最大速度為112.6 m/s。突出煤-瓦斯兩相流陣面的運(yùn)動(dòng)速度隨距突出口距離的增加呈波動(dòng)變化，但總體呈增加趨勢(shì)，突出煤-瓦斯兩相流陣面最大運(yùn)動(dòng)速度為51.5 m/s。泄壓瞬間，腔體內(nèi)高壓瓦斯氣體首先從突出腔體內(nèi)噴向管道形成沖擊氣流，隨后涌出的瓦斯一方面需要經(jīng)歷解吸這一過(guò)程，且將很大一部分動(dòng)能傳遞給煤粉顆粒將煤粉拋出，因此不能夠?yàn)橄惹搬尫诺耐咚箽怏w提供動(dòng)能，導(dǎo)致突出瓦斯氣流的速度逐漸減小。隨著突出腔體內(nèi)高壓瓦斯的不斷涌出，在氣壓作用下煤粉由突出腔體拋向管道空間，且不斷地從瓦斯氣流中獲得動(dòng)能，煤粉做加速運(yùn)動(dòng)直至突出腔體內(nèi)瓦斯壓力降低到不能夠再為煤粉提供動(dòng)能，煤粉開(kāi)始做減速運(yùn)動(dòng)直至停止。

圖18 煤與瓦斯突出沖擊過(guò)程Fig.18 Coal and gas outburst impact process

此外，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，置于第6 節(jié)管道內(nèi)W1 號(hào)風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器(后簡(jiǎn)稱“W1”)位置前的高速攝像機(jī)也拍攝到了突出沖擊過(guò)程，如圖19 所示。各類傳感器布置如圖16 所示，各傳感器間距見(jiàn)表5。由圖19 可以看出，10.4 ms 后，整體支架先劇烈晃動(dòng)，且安裝于管道內(nèi)的W1 開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)該處并未出現(xiàn)煤粉；22.9 ms 后風(fēng)速傳感器加速轉(zhuǎn)動(dòng)，56.2 ms 后風(fēng)速傳感器繼續(xù)加速轉(zhuǎn)動(dòng)甚至出現(xiàn)風(fēng)杯“重影”現(xiàn)象，足見(jiàn)傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)速度之快；160.2 ms 后管道內(nèi)開(kāi)始泛起“白霧”，176.8 ms 后開(kāi)始有煤粉擊打到傳感器，189.3 ms后煤粉-瓦斯兩相流彌漫傳感器周圍空間，208 ms 后運(yùn)動(dòng)的煤粉淹沒(méi)傳感器。

圖19 煤與瓦斯突出沖擊過(guò)程 (第6 節(jié)管道)Fig.19 Coal and gas outburst impact process (6th pipe)

為了分析上述沖擊現(xiàn)象，將突出過(guò)程中風(fēng)速傳感器和相鄰氣壓傳感器所采集的數(shù)據(jù)繪制成圖。由于風(fēng)速傳感器和氣壓傳感器用同臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因此將其數(shù)據(jù)畫(huà)在同一坐標(biāo)以便于分析不同階段W1 所受到的力學(xué)作用，如圖20 所示。由圖20可以看出，盡管P4 距突出口相較于W1 較遠(yuǎn)，但其反應(yīng)快于W1，且采集到空氣沖擊波，沖擊波超壓峰值為30.4 kPa?？諝鉀_擊波過(guò)后，沖擊氣流開(kāi)始作用于W1，即風(fēng)速變化中的AB段，風(fēng)速在極短時(shí)間內(nèi)由0增至5.6 m/s；而B(niǎo)C段則為突出瓦斯氣流作用階段，2點(diǎn)時(shí)間間隔為163 ms，與圖18 中沖擊氣流作用時(shí)間(176.8 ms)接近，該結(jié)果一方面證明了上述分析的正確性，另一方面說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中的“白霧”即為突出瓦斯氣流；CD段為煤粉-瓦斯兩相流作用階段，由于兩相流的速度小于沖擊氣流的速度，因此風(fēng)速下降；DE階段，當(dāng)風(fēng)杯轉(zhuǎn)動(dòng)速度與兩相流運(yùn)動(dòng)速度一致時(shí)，風(fēng)速傳感器保持一段時(shí)間的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著突出的終止，煤粉運(yùn)動(dòng)速度減小直至靜止，此階段兩相流阻礙傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)使其停止。

圖20 沖擊波超壓和風(fēng)速變化Fig.20 Variation of shock wave overpressure and wind speed

5.2 突出沖擊波超壓演化規(guī)律

圖21 為突出發(fā)生后布置于管道壁面?zhèn)鞲衅鞑杉降臎_擊波超壓變化情況。

圖21 突出過(guò)程中沖擊波超壓變化Fig.21 Variation of overpressure of shock wave

前文通過(guò)對(duì)高速攝像視頻逐幀回放并根據(jù)圖16計(jì)算突出沖擊波速度為468 m/s。實(shí)驗(yàn)用高速攝像機(jī)幀率為1 000 幀/s，而沖擊波作用時(shí)間極短，因此存在時(shí)間上的誤差。氣壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用頻率較高，最大可達(dá)100 kHz，本次實(shí)驗(yàn)采樣頻率為10 kHz。根據(jù)各傳感器的相對(duì)位置及沖擊波超壓峰值的時(shí)間可計(jì)算沖擊波傳播速度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 沖擊波到各測(cè)點(diǎn)的平均速度Table 6 Average velocity of the shock wave to each measuring point

圖22 為突出發(fā)生后布置于管道內(nèi)部正對(duì)來(lái)流方向的沖擊波動(dòng)壓傳感器采集到的沖擊波動(dòng)壓變化情況。根據(jù)傳感器位置和出現(xiàn)峰值時(shí)間求得主巷內(nèi)沖擊波由S1 運(yùn)動(dòng)到S2 的平均速度為496.7 m/s，支巷L(fēng)1 內(nèi)沖擊波由S3 運(yùn)動(dòng)至S4 的平均速度為376.4 m/s。該計(jì)算結(jié)果與上文根據(jù)沖擊波速度數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果較為接近。

圖22 突出過(guò)程中沖擊波動(dòng)壓變化Fig.22 Variation of dynamic pressure of shock wave

5.3 突出時(shí)期瓦斯涌出規(guī)律

圖23 為突出發(fā)生后突出腔體內(nèi)瓦斯壓力變化規(guī)律。圖24 為突出災(zāi)變時(shí)期模擬巷道不同位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布情況。突出發(fā)生后巷道內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化存在“驟升期”和“緩慢下降期”。突出發(fā)生后，高壓瓦斯氣團(tuán)迅速占據(jù)巷道空間，驅(qū)替巷道原有空氣，瓦斯體積分?jǐn)?shù)迅速升至一定值；然后在壓差和體積分?jǐn)?shù)差的作用下，瓦斯逐漸擴(kuò)散，使得瓦斯體積分?jǐn)?shù)逐漸降低。由此可以看出，突出瓦斯運(yùn)移方式包括“驅(qū)替”和“擴(kuò)散”。

圖24 突出災(zāi)變時(shí)期模擬巷道不同位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布Fig.24 Distribution of gas concentration in different positions of simulated roadway during the outburst disaster period

圖24(a)、(b)為突出發(fā)生后主巷內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律。由圖24(a)、(b)可以看出，隨傳播距離增加，瓦斯體積分?jǐn)?shù)峰值不斷減小。突出發(fā)生后在c1位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大值高達(dá)100%，且長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持較高水平，說(shuō)明突出瓦斯運(yùn)移至c1 位置時(shí)驅(qū)替巷道內(nèi)原有空氣并占據(jù)該處整個(gè)巷道空間，使得該點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)驟升至100%。突出高壓瓦斯不斷膨脹，且突出孔洞內(nèi)煤體和巷道內(nèi)拋出煤持續(xù)解吸瓦斯，使得一段時(shí)間內(nèi)該處瓦斯體積分?jǐn)?shù)維持在較高水平。

圖24(c)為突出發(fā)生后支巷L(fēng)2(回風(fēng)巷)內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。與主巷內(nèi)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)相比，回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯的體積分?jǐn)?shù)下降段時(shí)間較短。這是由于主巷內(nèi)無(wú)風(fēng)流，瓦斯的體積分?jǐn)?shù)升高后，瓦斯以自由擴(kuò)散的方式運(yùn)移。而回風(fēng)巷內(nèi)，瓦斯在風(fēng)流作用下不斷稀釋并隨流擴(kuò)散，因此瓦斯的體積分?jǐn)?shù)能夠更快地恢復(fù)至初始狀態(tài)。

圖24(d)為突出發(fā)生后支巷L(fēng)1(進(jìn)風(fēng)巷)內(nèi)c6 位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律，表明本次突出模擬實(shí)驗(yàn)造成“瓦斯逆流”現(xiàn)象。而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中c7 和c8 傳感器采集到數(shù)據(jù)為0，表明突出瓦斯未運(yùn)移至c7 處，根據(jù)傳感器的位置(圖16、表5)，由此可以判斷此次逆流長(zhǎng)度在595～2 605 mm。由于進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)風(fēng)流為新鮮風(fēng)流，而回風(fēng)巷內(nèi)為污風(fēng)，因此相比主巷和回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化情況，進(jìn)風(fēng)巷體積分?jǐn)?shù)峰值較小，且瓦斯體積分?jǐn)?shù)下降段時(shí)間更短。

5.4 突出強(qiáng)度與突出煤分布特征

本次突出模擬實(shí)驗(yàn)共拋出煤樣32.581 kg，突出腔體裝煤量為51 kg，相對(duì)突出強(qiáng)度為63.9%。突出煤沿主巷分布特征如圖25 所示。由圖25 可以看出，突出煤沿主巷堆積高度與堆積質(zhì)量呈現(xiàn)一致性。由于分岔口的阻擋作用，大量突出煤堆積在分岔口附近，這與一般突出實(shí)驗(yàn)中突出煤的自然堆積是不同的。但在現(xiàn)場(chǎng)事故調(diào)查過(guò)程中，常根據(jù)該現(xiàn)象尋找突出口位置。

圖25 突出煤沿模擬主巷分布情況Fig.25 Distribution of outburst coal along the simulated main roadway

瓦斯在突出發(fā)生后不僅參與煤體的拋出，在拋出煤體的同時(shí)將煤體進(jìn)一步粉碎。圖26、27 分別為突出前、后煤樣粒徑分布。由圖26、27 可以看出，突出煤粒徑與原煤相比粒徑分布差異主要集中于0～500 μm，而最大粒徑分布差異主要集中于150～200 μm。另外，粒徑分布于150～200 μm 的煤粉占比隨著距離的增加而增加，表現(xiàn)出一定的分選性。

圖26 原煤粒徑分布Fig.26 Particle size distribution of coal samples

圖27 突出煤粒徑分布Fig.27 Particle size distribution of outburst coal

根據(jù)煤的力學(xué)與滲透性質(zhì)[39]，煤的孔隙主要包括：直徑小于0.01 μm 的超孔或微孔，是瓦斯的吸附容積；直徑為0.01～0.10 μm 的過(guò)渡孔，是瓦斯毛細(xì)凝結(jié)和擴(kuò)散區(qū)域；直徑為0.1～1.0 μm 的中孔，是瓦斯緩慢層流滲透區(qū)域；直徑為1.0～100 μm 的大孔，構(gòu)成劇烈層流滲透區(qū)域，是結(jié)構(gòu)高度破壞煤的破碎面；內(nèi)眼可見(jiàn)孔隙和大于100 μm 的裂縫，構(gòu)成層流與紊流滲透同時(shí)存在的區(qū)域，是堅(jiān)固與中等強(qiáng)度煤的破碎面。

由此可見(jiàn)，該實(shí)驗(yàn)條件下突出煤的破碎主要破壞了大于100 μm 裂縫的結(jié)構(gòu)面。突出發(fā)生時(shí)，一方面，煤體孔隙和裂隙中的游離瓦斯在強(qiáng)大的壓力梯度作用下破壞煤體。另一方面，吸附于微孔的瓦斯解吸，由微孔擴(kuò)散、滲流至孔、裂隙進(jìn)而在壓力梯度下造成煤體破壞。

6 結(jié)論

(1)基于相似理論，研發(fā)了一套考慮突出孔洞周圍卸壓區(qū)煤體瓦斯補(bǔ)給作用的突出模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并根據(jù)突出模型和瓦斯?jié)B流理論通過(guò)嚴(yán)格計(jì)算確定了補(bǔ)氣裝置的關(guān)鍵參數(shù)；該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括：突出孔洞動(dòng)力系統(tǒng)、突出激發(fā)裝置、巷道模擬系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與控制中心4 個(gè)模塊，能夠模擬巷道內(nèi)突出沖擊波形成和傳播、突出煤-瓦斯兩相流運(yùn)移及瓦斯逆流等突出動(dòng)力現(xiàn)象。

(2)利用高速攝像機(jī)直接觀測(cè)到突出沖擊波形成的整個(gè)過(guò)程。突出發(fā)生瞬間，在管道內(nèi)瞬間形成空氣沖擊波，后面依次出現(xiàn)的是沖擊氣流、突出瓦斯氣流和煤-瓦斯兩相流。且空氣沖擊波速度 >沖擊氣流速度 >突出瓦斯氣流速度 >突出煤-瓦斯兩相流陣面速度。瓦斯壓力為0.8 MPa 條件下4 者最大速度分別為546.5、496.7、112.6、51.5 m/s，并沿管道逐漸衰減。突出過(guò)程中伴隨極強(qiáng)的動(dòng)力效應(yīng)，可破壞設(shè)備或傳感器等。

(3)突出發(fā)生瞬間，高壓瓦斯從突出孔洞涌入巷道空間，造成瓦斯逆流現(xiàn)象。突出過(guò)程中突出孔洞內(nèi)瓦斯壓力呈指數(shù)下降。突出發(fā)生后巷道內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化存在“驟升期”和“緩慢下降期”，突出瓦斯在巷道內(nèi)運(yùn)移方式主要包括“驅(qū)替”和“擴(kuò)散”。

(4)突出過(guò)程中，部分瓦斯膨脹能轉(zhuǎn)化為煤體拋出功和破碎功。突出煤沿主巷堆積高度與堆積質(zhì)量呈現(xiàn)一致性。且突出煤中，粒徑分布于150～200 μm 的煤粉質(zhì)量占比隨著與突出口距離的增加而增加，表現(xiàn)出較強(qiáng)的分選性。