周 斌，許 江，彭守建，閆發(fā)志，楊 威，程 亮，楊文健

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

世界煤炭產(chǎn)量在經(jīng)歷了連續(xù)3 a的下降后，于2017年再次上升了3.3%，這很大程度上取決于我國(guó)的煤炭產(chǎn)量增幅[1]。作為世界上最大的煤炭開(kāi)采國(guó)家，我國(guó)煤層的開(kāi)采深度每年增加10～50 m[2]。隨之而來(lái)的高地應(yīng)力、高瓦斯壓力、高地溫等環(huán)境均使得煤礦動(dòng)力災(zāi)害愈演愈烈[3-5]。

煤與瓦斯突出(以下簡(jiǎn)稱突出)作為煤炭安全高效開(kāi)采的主要威脅之一，長(zhǎng)期以來(lái)一直備受關(guān)注。1950年，我國(guó)吉林省遼源礦務(wù)局富國(guó)礦西二坑發(fā)生第一次突出事故后，錢(qián)鳴高指出研究突出災(zāi)害最有效的手段是物理模型法[6]。在之后的幾十年里，以蔣承林[7-8]、孟祥越[9]、鄧全峰[10]、蔡成功[11-12]、郭立穩(wěn)[13]和許江[14-15]等為代表的學(xué)者先后開(kāi)展了一維、二維、三維，由單一因素到多場(chǎng)耦合作用下的煤與瓦斯突出物理模擬試驗(yàn)，一定程度上還原了井下的突出過(guò)程，使得突出機(jī)理更加明朗。此外，金洪偉[16]利用有機(jī)玻璃密封容器開(kāi)展了簡(jiǎn)易的突出模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)重點(diǎn)分析了含瓦斯煤塊在突出暴露時(shí)的破壞規(guī)律，在此基礎(chǔ)上建立了相應(yīng)的突出數(shù)學(xué)模型。唐巨鵬等[17]利用自主研發(fā)的煤與瓦斯突出儀，開(kāi)展了軸壓、圍壓、孔隙壓三維應(yīng)力條件下的突出模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)論對(duì)于突出機(jī)制的認(rèn)識(shí)具有重要的意義。高魁等[18-19]基于相似模擬試驗(yàn)思想和地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研制了綜合考慮地應(yīng)力、瓦斯和煤體結(jié)構(gòu)的石門(mén)揭煤作用下突出試驗(yàn)裝置，利用該裝置研究了石門(mén)揭構(gòu)造煤過(guò)程中煤巖應(yīng)力的變化規(guī)律。張慶賀等[20-21]運(yùn)用氣固耦合方程和能量方程從力學(xué)角度和能量角度分別推導(dǎo)出了突出物理模擬實(shí)驗(yàn)的相似準(zhǔn)數(shù)，并分析了兩種方法的優(yōu)勢(shì)和不足。王漢鵬等[22-23]利用自主研發(fā)的基于CSIRO模型的突出模擬系統(tǒng)，開(kāi)展了瞬間揭露試驗(yàn)，分析了不同吸附性氣體對(duì)突出強(qiáng)度的影響。

誠(chéng)然，關(guān)于突出發(fā)生機(jī)制的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了大量的工作，但就突出過(guò)程中的煤層物理場(chǎng)參數(shù)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律及煤-瓦斯兩相流的動(dòng)力學(xué)演化特征研究相對(duì)較少。為此，筆者利用自主研發(fā)的多場(chǎng)耦合煤礦動(dòng)力災(zāi)害大型物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，針對(duì)中國(guó)重慶南川區(qū)水江煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司水江煤礦K1煤層回采工作面的實(shí)際情況，開(kāi)展了預(yù)定瓦斯壓力2.0 MPa下的突出試驗(yàn)，所得試驗(yàn)結(jié)果對(duì)突出機(jī)理和致災(zāi)機(jī)理的認(rèn)識(shí)具有一定的借鑒意義。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)選用自主研發(fā)的多場(chǎng)耦合煤礦動(dòng)力災(zāi)害大型物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)完成(圖1)。該系統(tǒng)主要由動(dòng)力系統(tǒng)和巷道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。其中，動(dòng)力系統(tǒng)主要用于真實(shí)再現(xiàn)深部煤層的受力狀態(tài)和瓦斯賦存狀態(tài)，其由多場(chǎng)耦合控制加載系統(tǒng)、試件箱體和注氣子系統(tǒng)組成。巷道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由多級(jí)泄壓裝置、直通巷道及可視化組件等組成。

1.2 煤樣基本情況

試驗(yàn)煤樣取自重慶南川區(qū)水江煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司水江煤礦K1煤層。圖2為該礦地質(zhì)賦存情況，礦區(qū)西側(cè)存在兩斷層F8及F9，斷層間距僅為160 m，斷距60～280 m。礦區(qū)F8斷層離K1煤層較遠(yuǎn)，K1煤層處于F9斷層上盤(pán)。目前所采煤層埋深1 082 m，近年來(lái)瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果顯示該礦屬于突出礦井。所取煤樣的基礎(chǔ)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)流程如圖3所示。將煤樣分層裝入試件箱中，并在箱體預(yù)定位置埋設(shè)相應(yīng)的氣壓及溫度傳感器，隨后，試件在10.0 MPa的壓力下成型并穩(wěn)壓1 h，待箱體裝滿后，密封試件箱并以多級(jí)泄壓裝置為鏈接環(huán)節(jié)，組裝巷道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及動(dòng)力系統(tǒng)。在檢查氣密性完好后，抽真空4 h，再往箱體里面注入突出氣體，直至吸附平衡達(dá)到預(yù)定瓦斯壓力(2.0 MPa)。當(dāng)瓦斯壓力達(dá)到預(yù)定值后，加載地應(yīng)力(表2)。隨后調(diào)節(jié)多級(jí)泄壓裝置并啟動(dòng)突出。

圖1 多場(chǎng)耦合煤礦災(zāi)害物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Multi-field coupling testing system for dynamic disaster in coal mine

表1 煤樣基礎(chǔ)參數(shù)
Table 1 Basic parameters of coal sample

煤層工業(yè)分析/%水分灰分揮發(fā)分固定碳硫分/%真密度/(t·m-3)吸附常數(shù)ab堅(jiān)固性系數(shù)瓦斯放散初速度/(mL·s-1)瓦斯含量/(m3·t-1)K10.3023.9412.9062.864.581.4512.401.660.596.004.75

圖2 水江煤礦地質(zhì)概況Fig.2 Geological survey of Shuijiang Coal Mine

圖3 試驗(yàn)流程Fig.3 Flow chart of experiment

需要說(shuō)明的是，經(jīng)計(jì)算，原型與模型的幾何比(CL)為11.5，容重比(Cγ)為1.04，由此得到的地應(yīng)力比尺(Cσ=CLCγ)為12.0[24]。根據(jù)垂直地應(yīng)力[25]的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式

σv=γH

其中，σv為煤層所受垂直地應(yīng)力，MPa;γ為上覆巖層平均容重，取22.18 kN/m3;H為煤層埋深，取1 082 m。結(jié)合地應(yīng)力比尺，可得垂直應(yīng)力為2.0 MPa。

根據(jù)謝和平等[26]的研究成果，應(yīng)力過(guò)渡區(qū)和集中區(qū)的集中系數(shù)分別為1.5和2.0。最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力之比在大多數(shù)情況下為0.4～0.8[27]，本文選擇0.6。綜上，得到如表2所示地應(yīng)力加載方案。

表2 地應(yīng)力加載方案
Table 2 Geo-stress loading scheme MPa

瓦斯壓力垂直應(yīng)力σ11σ12σ13σ14水平應(yīng)力1σ2水平應(yīng)力2σ31σ32σ33σ342.02.03.04.01.02.01.21.82.40.6

為了獲得突出過(guò)程中煤層及巷道內(nèi)的多物理場(chǎng)參數(shù)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，在煤樣及巷道的不同斷面布置了相應(yīng)的傳感器，如圖4所示。其中，煤層內(nèi)共布置了36個(gè)瓦斯壓力傳感器和16個(gè)溫度傳感器，分別位于4個(gè)不同的斷面內(nèi)，每個(gè)斷面均布置9個(gè)氣壓傳感器和4個(gè)溫度傳感器。如，第1斷面氣壓傳感器編號(hào):P1～P9，溫度傳感器編號(hào):T1～T4。在第2斷面中，與1斷面相對(duì)應(yīng)的位置，氣壓傳感器編號(hào)依次為:P10～P18，溫度傳感器編號(hào):P5～P8。第3，第4斷面類似。斷面由1至4依次位于卸壓區(qū)(σ14和σ13)、應(yīng)力集中區(qū)(σ13和σ33)、過(guò)渡區(qū)(σ12和σ32)和原巖應(yīng)力區(qū)(σ11和σ31)。

圖4 傳感器布置示意Fig.4 Schematic diagram of sensor layout

巷道內(nèi)布置了12個(gè)沖擊力傳感器及6個(gè)溫度傳感器。另外，在距突出口2 444，4 444，6 444，8 444，10 444，12 444 mm各布置了1個(gè)半球型攝像機(jī)，用以捕捉突出過(guò)程中兩相流的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 突出煤-瓦斯兩相流形態(tài)

突出過(guò)程中出現(xiàn)的大量煤粉流一方面會(huì)淹沒(méi)井下工作人員，同時(shí)由于其具有較高的運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)直接對(duì)人員及設(shè)備造成傷害[28-29]。為了更加精確的量化固相煤粉的運(yùn)動(dòng)速度，根據(jù)巷道拍攝的煤粉運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)煤粉的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行了一種新的描述。

對(duì)于任意RGB彩色圖像而言，其每個(gè)像素點(diǎn)均由紅、綠、藍(lán)3種顏色組成。如圖5所示，每種顏色被賦予數(shù)值0～255，將其加權(quán)轉(zhuǎn)換后，則可得到相應(yīng)的灰度值。黑色對(duì)應(yīng)的灰度值為0，而白色則對(duì)應(yīng)的灰度值為255。根據(jù)所拍攝圖片的總灰度值來(lái)反應(yīng)固相煤粉在巷道中的運(yùn)動(dòng)情況。

圖5 灰度圖像轉(zhuǎn)換示意Fig.5 Conversion diagram of gray scale image

其具體過(guò)程如下:

Ggray=0.298 9R+0.587 0G+0.114 0B

式中，Ggray為某一像素的灰度值;R，G，B分別為像素對(duì)應(yīng)的紅/綠/藍(lán)色彩值。

式中，Ggrayt為圖片總灰度值;n為圖片總像素個(gè)數(shù)。

n=LpxWpx

式中，Lpx為圖片像素長(zhǎng);Wpx為圖片像素寬。

以灰度值的變化間接反映煤粉相的運(yùn)動(dòng)特征，該方法立足的依據(jù)有:

(1)煤粉為黑色，其對(duì)應(yīng)的灰度值最低(為0)；

(2)同一攝像機(jī)記錄的圖像灰度值越低，意味著該視野范圍內(nèi)的煤粉越多；

(3)當(dāng)煤粉充斥整個(gè)巷道時(shí)，同一攝像機(jī)記錄的圖像灰度值將達(dá)到最低點(diǎn)；

(4)當(dāng)煤粉開(kāi)始沉降，停止搬運(yùn)作用時(shí)，攝像機(jī)視野范圍將變亮，灰度值將增大；

(5)同一攝像機(jī)記錄的圖像灰度值變化越快，意味巷道內(nèi)的煤粉充填/沉降越快。

圖6(a)～(f)分別為突出過(guò)程中距突出口2 444，4 444，6 444，8 444，10 444，12 444 mm處所拍攝的煤粉運(yùn)動(dòng)情況。由圖6(a)可知，突出啟動(dòng)后，在前0.1 s突出煤粉移動(dòng)速度陡增，表現(xiàn)為圖像總灰度值驟降。隨后，在0.32～0.88 s，總灰度值穩(wěn)定在較低水平，0.88 s以后總灰度值出現(xiàn)上升，說(shuō)明此時(shí)的煤粉固相空隙度已經(jīng)減弱，視野變亮?？偦叶戎瞪仙罠4后(2.96 s)，再次下降，說(shuō)明氣固兩相流中的固相容積又一次增大，同時(shí)也表明來(lái)流中的煤粉明顯增多，及突出過(guò)程中煤粉的運(yùn)動(dòng)存在振發(fā)特性。對(duì)比圖6(b)，在距工作面4 444 mm處，同樣也存在類似的現(xiàn)象。

觀察圖6(c)～(f)可知，由F1至F2，總灰度值降低，而在隨后的F2至F3階段，總灰度值會(huì)出現(xiàn)一次更加明顯的驟降。由此可知，固相煤粉在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，存在明顯的二次加速過(guò)程。JIN[30]和SUN[31]等也對(duì)突出過(guò)程中的煤粉運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了討論，但其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度起伏似乎并未引起學(xué)者的重視。事實(shí)上，煤粉的二次加速，意味著該處能量的集中，氣相曳力增加。另外，在距巷道較遠(yuǎn)處的畫(huà)面也同樣呈現(xiàn)出固相空隙度先增后減，再增再減的情況。因此，突出過(guò)程呈現(xiàn)出的振發(fā)特性能夠很好地在總灰度值的時(shí)程曲線上反映出來(lái)。

2.2 煤層瓦斯壓力演化規(guī)律

煤作為一種裂隙、孔隙雙重介質(zhì)，吸附大量瓦斯氣體，由于壓差釋放的瓦斯膨脹能是突出的主要能量來(lái)源，其不僅起到搬運(yùn)煤粉的作用，同時(shí)還會(huì)在氣力輸送過(guò)程中再次破壞煤粉顆粒[32-35]。胡千庭等[36]在突出后觀察到大量手捻無(wú)感的較細(xì)煤粉顆粒，事實(shí)上，僅在地應(yīng)力的作用下是無(wú)法將煤粉破碎到這一地步的。另外，就現(xiàn)有的突出防治手段而言，無(wú)論是開(kāi)采保護(hù)層、水力沖孔、水力壓裂、超前鉆孔預(yù)抽瓦斯等，都是在一定程度上達(dá)到了泄放瓦斯的作用。因此，分析研究突出過(guò)程中煤層內(nèi)的瓦斯壓力的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，對(duì)于認(rèn)識(shí)防突，治突的效果和機(jī)理都起到關(guān)鍵性的作用。

其中圖7(a)，(c)，(e)和(g)詮釋了突出過(guò)程中垂直應(yīng)力方向上的瓦斯壓力演化過(guò)程，圖7(b),(d),(f)和(h)則為水平應(yīng)力方向上的瓦斯壓力演化。

由圖7(a)可知，突出啟動(dòng)后，卸壓帶的瓦斯壓力變化呈現(xiàn)明顯的階段性起伏。瓦斯壓力首先迅速下降(S1階段)至1.2 MPa以下，在較短的時(shí)間內(nèi)回升至1.2 MPa(S2階段)。隨后，瓦斯壓力再次下降(S3階段)，但下降速度遠(yuǎn)不及前一階段，在經(jīng)歷又一次下降后，同樣下降速度會(huì)出現(xiàn)回升(S4階段)，如此反復(fù)，直至瓦斯壓力降低至0 MPa(S5階段)。許江等[15]曾在實(shí)驗(yàn)中觀察到了突出的脈沖特性，并將這一現(xiàn)象歸結(jié)為突出的振發(fā)特性。對(duì)比圖7(b)可知，在水平應(yīng)力方向上，瓦斯壓力下降同樣呈現(xiàn)階段性起伏。所不同的是，在后兩個(gè)階段(S5和S6)瓦斯壓力的下降速度更為平緩。對(duì)比應(yīng)力加載方案可知，試驗(yàn)過(guò)程中的垂直應(yīng)力設(shè)定大于水平應(yīng)力，由此可知，相同時(shí)間內(nèi)，隨著地應(yīng)力值的增大，突出過(guò)程中瓦斯壓力的下降速度和下降量均隨之增大。

對(duì)于應(yīng)力集中區(qū)而言，由圖7(c)可知，當(dāng)突出激發(fā)的一瞬間，瓦斯壓力迅速下降至0.2 MPa。在第9秒時(shí)，P10和P18出現(xiàn)回升，隨后緩慢下降至0 MPa。突出過(guò)程中，卸壓區(qū)的煤體被拋出，形成突出孔洞。就空間位置而言，所形成的突出孔的體心位于巷道軸線上方，孔洞已延伸至煤層頂部，孔洞形狀類似于“口袋”型。由于瓦斯壓力梯度的存在，煤體內(nèi)的吸附氣體不斷解吸。與此同時(shí)，由于孔洞臨空面由三向力狀態(tài)變?yōu)閮上蚴芰顟B(tài)，煤壁持續(xù)破壞，進(jìn)而導(dǎo)致孔裂隙更加發(fā)育，瓦斯近一步解吸，同時(shí)瓦斯壓力繼續(xù)降低。當(dāng)煤體的支撐壓力能夠達(dá)到地應(yīng)力水平時(shí)，由于應(yīng)力的作用，孔裂隙被壓密，使得瓦斯壓力小幅上升。當(dāng)?shù)貞?yīng)力近一步增加時(shí)，煤體再次破壞，最終導(dǎo)致瓦斯壓力再次降低。圖7(d)也存在類似的現(xiàn)象。

圖6 突出煤運(yùn)動(dòng)圖像總灰度值變化過(guò)程Fig.6 Evolution of total gray value of image of outburst coal

圖7 煤層瓦斯壓力演化過(guò)程Fig.7 Evolution process of coalbed gas pressure

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知，當(dāng)瓦斯氣體從煤層中瞬間釋放時(shí)，經(jīng)過(guò)突出孔洞，其流動(dòng)速度會(huì)迅速增加，直至達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀伲S及產(chǎn)生“壅塞”現(xiàn)象，表現(xiàn)為流速和瓦斯壓力不再變化。由上述分析可知，煤體在地應(yīng)力的作用下持續(xù)破壞導(dǎo)致氣體的持續(xù)解吸，這時(shí)會(huì)使得突出孔洞內(nèi)積聚更多的瓦斯氣體。根據(jù)能量守恒，當(dāng)靜壓增加的同時(shí)，動(dòng)壓就會(huì)降低，因此突出流體的速度會(huì)逐漸降低，從而致使“壅塞”現(xiàn)象消失。直觀表現(xiàn)為圖7(a)的S2階段和S4階段及圖7(c)的S3階段消失。

對(duì)于應(yīng)力過(guò)渡區(qū)而言(圖7(e),(f))，也存在卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)的“壅塞”現(xiàn)象，但該現(xiàn)象已經(jīng)不再明顯。而對(duì)于原巖應(yīng)力區(qū)，由于距離突出孔洞較遠(yuǎn)，瓦斯壓力的下降表現(xiàn)為類似于常見(jiàn)的解吸過(guò)程。值得關(guān)注的是，與卸壓區(qū)類似，在垂直應(yīng)力方向上，瓦斯壓力的下降速度更快一些。另外，由圖7可知，第1斷面內(nèi)的瓦斯壓力在4～5 s內(nèi)降至0 MPa，而其它斷面內(nèi)的氣壓仍處于持續(xù)降低的過(guò)程，這在第3、第4斷面尤為明顯，由此可知，該突出過(guò)程在4 s后并未完全停止，只是由氣固兩相運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變?yōu)榱送咚箚蜗鄽怏w的解吸-流動(dòng)問(wèn)題。

需要說(shuō)明的是，在試件冷壓成型及劇烈的突出動(dòng)力現(xiàn)象影響下，部分測(cè)點(diǎn)傳感器損壞，造成了圖7中的部分測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)缺失，但試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)點(diǎn)眾多，在一定程度上，這并不影響數(shù)據(jù)的整體規(guī)律分析。

2.3 煤層溫度演化規(guī)律

突出過(guò)程中，瓦斯快速解吸，由此帶來(lái)的溫度變化可直接反應(yīng)在煤體的溫度變化上。再者，無(wú)論是“瓦斯包說(shuō)”，還是“構(gòu)造應(yīng)力說(shuō)”都認(rèn)為在突出煤體的前方存在瓦斯富集區(qū)，由于煤體的絕熱系數(shù)較低(約為0.186 J/(m·s·℃))，故一般將突出過(guò)程按照絕熱過(guò)程處理[37-38]。因此，若突出在孕育過(guò)程中，形成了瓦斯富集區(qū)，則該區(qū)域溫度必然和其他區(qū)域存在差異性。另外，突出過(guò)程的持續(xù)解吸是一個(gè)吸熱過(guò)程，同時(shí)，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程易知，瓦斯壓力和溫度成正比，當(dāng)瓦斯從煤體傾瀉而出時(shí)，必然導(dǎo)致煤層溫度的變化，因此，試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)了突出過(guò)程中的煤體溫度變化，以期從溫度場(chǎng)的演化角度認(rèn)識(shí)突出這一動(dòng)態(tài)過(guò)程。

圖8為突出過(guò)程中卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)、過(guò)渡區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)的煤層溫度變化情況。由圖8(a)可知，在初期，距離突出孔洞絕對(duì)距離較小的T2變化更加明顯，在31.9 s內(nèi)由35.0 ℃降至30.3 ℃，隨后，遠(yuǎn)離應(yīng)力加載方向的T3下降速度更快，在300 s內(nèi)，溫度下降量達(dá)到8.6 ℃。就同一空間位置的測(cè)點(diǎn)T2和T6而言，在300 s內(nèi)，T2點(diǎn)的溫度由35 ℃下降至27.5 ℃，下降量為7.5 ℃;而T6點(diǎn)的溫度由35 ℃下降至26.1 ℃，下降量達(dá)8.9 ℃，兩點(diǎn)的溫度變化差異性高達(dá)18.7%。由此可知，相較卸壓區(qū)而言，應(yīng)力集中區(qū)的溫度變化更為明顯。試驗(yàn)過(guò)程中，溫度持續(xù)降低的原因包括:其一，深部煤體(如第3，第4斷面)的持續(xù)解吸，導(dǎo)致的溫度降低而造成的熱傳導(dǎo);其二，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知，當(dāng)瓦斯壓力降低的同時(shí)，溫度也會(huì)降低，由于煤體的瓦斯壓力的持續(xù)下降導(dǎo)致的溫度持續(xù)降低而造成的熱傳導(dǎo)。

圖8 煤層溫度演化過(guò)程Fig.8 Evolution process of coalbed temperature

對(duì)于過(guò)渡區(qū)而言，突出過(guò)程煤層內(nèi)不同位置的變化過(guò)程幾乎一致，無(wú)明顯差異性。同樣的，就原巖應(yīng)力區(qū)而言，溫度變化量自上而下逐漸遞增，同時(shí)溫度變化速率也呈現(xiàn)出自上向下遞減的規(guī)律。由此可知，溫度的這種變化規(guī)律與氣壓的變化規(guī)律呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，即兩者在突出過(guò)程中的演化特征均隨地應(yīng)力的變化表現(xiàn)出相似規(guī)律。對(duì)于試驗(yàn)條件而言，垂直應(yīng)力的設(shè)定大于水平應(yīng)力，由此可以認(rèn)為，突出過(guò)程中，地應(yīng)力直接影響著瓦斯壓力的下降過(guò)程，同時(shí)間接影響著煤層溫度的變化，而氣壓的下降也會(huì)直接影響溫度的變化，即，溫度的變化一定程度上可以反映了地應(yīng)力作用及瓦斯壓力的變化情況。因此，煤體溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程在一定程度上能夠?yàn)橥怀龅念A(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)。

2.4 巷道內(nèi)沖擊力演化規(guī)律

突出過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力能夠瞬間摧毀井下的設(shè)備，并且造成人員傷亡。分析研究突出發(fā)生后巷道內(nèi)的沖擊力演化對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)至關(guān)重要。圖9為突出發(fā)生后距離工作面不同位置的沖擊力演化過(guò)程。

在距離工作面1 044 mm處，沖擊力在突出瞬間迅速上升至39.4 kPa。在隨后約1 300 ms內(nèi)呈不規(guī)則波動(dòng)，但其沖擊力值均穩(wěn)定在23 kPa以上。沖擊力的這種特性能夠反應(yīng)兩個(gè)問(wèn)題，即:突出兩相流在初始的1 300 ms內(nèi)呈現(xiàn)明顯的湍流脈動(dòng)特性，脈動(dòng)值在平均值附近波動(dòng)，另外，沖擊力平均值相對(duì)較高且維持在23 kPa以上。在1 715 ms時(shí)，沖擊力出現(xiàn)下降，隨后出現(xiàn)第2個(gè)波峰，但峰值已遠(yuǎn)不及首個(gè)峰值大，反應(yīng)了兩相流體的能量衰減及突出的振發(fā)特性。在巷道后續(xù)位置也可以觀察到同樣的現(xiàn)象，所不同的是，由于能量的衰減，流速的降低，脈動(dòng)值減弱的同時(shí)，第2個(gè)波峰的能量衰減至巷道末端已不再明顯。

對(duì)比圖9(a)～(k)可知，在距工作面1 044 mm處，其沖擊力峰值上升至39.4 kPa，隨后在2 044 mm處繼續(xù)上升至53.9 kPa。在3 044 mm和4 044 mm處峰值下降至約42.0 kPa，而在更遠(yuǎn)處的5 044 mm處沖擊力突躍至181 kPa。隨后會(huì)出現(xiàn)再次降低，而降低以后同樣在距工作面更遠(yuǎn)處會(huì)出現(xiàn)反復(fù)升降。沖擊力在距工作面不同位置的反復(fù)升降再一次印證了煤層內(nèi)的“壅塞”現(xiàn)象。再者，最大沖擊力出現(xiàn)在巷道5 044 mm處，隨后峰值沖擊力反復(fù)升降，但遠(yuǎn)離工作面一側(cè)的峰值已開(kāi)始逐漸減弱，如，在5 044 mm處沖擊力峰值為181 kPa，而在6 044 mm處經(jīng)歷一次降低后在7 044 mm處僅上升至127.4 kPa。

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)理論可知，當(dāng)瓦斯攜帶煤粉從突出口離開(kāi)時(shí)，可能出現(xiàn)兩種情況。若瓦斯還未達(dá)到聲速，巷道內(nèi)以弱擾動(dòng)為主，首先出現(xiàn)一道膨脹波，膨脹波以聲速傳播，因此永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)疊加現(xiàn)象，這也會(huì)導(dǎo)致巷道內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)壓擾動(dòng)。根據(jù)普朗特-邁耶流動(dòng)原理，緊隨膨脹波后會(huì)跟隨一道弱壓縮波，由于壓縮波的傳播疊加特性，會(huì)在離開(kāi)突出孔洞的一定位置持續(xù)疊加，直到形成一道較強(qiáng)的波，即為激波(沖擊波)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，首道激波出現(xiàn)在距工作面5 044 mm處。若當(dāng)流體速度達(dá)到聲速時(shí)，理論上離開(kāi)突出孔洞時(shí)，已經(jīng)會(huì)出現(xiàn)一道強(qiáng)沖擊波，但由于“壅塞”現(xiàn)象的存在，不會(huì)使得流體的傳播速度超過(guò)聲速，因此，該類強(qiáng)沖擊波不會(huì)出現(xiàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果也同樣可以知道，在距離工作面較近的位置，峰值沖擊力是相對(duì)較低的。由此可知，在被動(dòng)防災(zāi)方面，設(shè)法消除弱壓縮波的疊加，是削減突出兩相流沖擊力的主要途徑。

綜上，突出形成的煤-瓦斯兩相流在巷道內(nèi)的沖擊力演化過(guò)程存在如圖10所示的特征，即:自突出口起疊加，至巷道中間某一位置達(dá)到最強(qiáng)，隨后呈現(xiàn)階段性的升降衰減，強(qiáng)弱擾動(dòng)相間，直至能量衰減至0。

2.5 巷道內(nèi)溫度演化規(guī)律

獲得煤-瓦斯兩相流的固相傳播速度和氣固兩相的沖擊力后，若能獲得巷道內(nèi)的溫度變化情況，則可以嘗試從能量的角度去將煤層和巷道作為整體，去分析整個(gè)突出過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換問(wèn)題。由前述章節(jié)可知，突出過(guò)程中煤層內(nèi)的溫度一定程度可以作為考察突出這一動(dòng)力現(xiàn)象的重要指標(biāo)。同樣，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制了巷道不同位置在突出過(guò)程中的溫度變化情況，如圖11所示。

圖9 突出過(guò)程不同位置的沖擊力演化特征Fig.9 Impact force characteristics of different locations in the outburst process

圖10 突出過(guò)程中的擾動(dòng)疊加特征Fig.10 Disturbance superposition feature in the outburst process

突出過(guò)程中，在距工作面2 044 mm處的溫度最大下降量達(dá)2.9 ℃，隨著距離的增加，溫度下降量逐漸較小，至12 044 mm處僅為1.3 ℃。就溫度變化率而言，距離工作面較近處的明顯較高。另外，由圖6可知，雖然突出過(guò)程較短，僅持續(xù)4 s左右，但溫度下降時(shí)間卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于整個(gè)突出時(shí)間。由此可知，在當(dāng)兩相流停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，煤層內(nèi)的瓦斯依然在向巷道內(nèi)轉(zhuǎn)移，瓦斯氣體持續(xù)解吸，直到與巷道內(nèi)靜壓相同。至此，巷道內(nèi)的溫度降低可以歸結(jié)為2個(gè)原因，即:煤層內(nèi)的溫度降低導(dǎo)致的熱對(duì)流傳導(dǎo)，巷道內(nèi)的突出煤粉的持續(xù)解吸。

圖11 突出過(guò)程中巷道內(nèi)的溫度變化規(guī)律Fig.11 Temperature of different locations in the outburst process

普遍接受的完整的突出過(guò)程可劃分為4個(gè)階段，即:突出孕育階段、突出激發(fā)階段、突出發(fā)展階段和終止階段[30]。一般認(rèn)為突出的發(fā)展過(guò)程主要包括突出孔洞的形成、孔洞內(nèi)壁的失穩(wěn)剝離、煤-瓦斯兩相介質(zhì)傾出等階段。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，雖然后期瓦斯膨脹能削減已不足以將煤體拋出孔洞，但是依然有大量瓦斯氣體持續(xù)解吸，直觀表現(xiàn)在前述章節(jié)的瓦斯壓力下降及巷道溫度的持續(xù)降低。因此，筆者認(rèn)為突出的發(fā)展階段應(yīng)該包括單相瓦斯氣體的持續(xù)解吸和運(yùn)移。

3 結(jié) 論

(1)圖像總灰度值的變化情況能夠很好的反應(yīng)煤與瓦斯突出過(guò)程中固相煤粉流的運(yùn)動(dòng)情況，固相煤粉在突出過(guò)程中存在振發(fā)特性及二次加速特征。

(2)煤層瓦斯壓力下降過(guò)程中的“壅塞”現(xiàn)象是突出振發(fā)特性的本質(zhì)，地應(yīng)力值越大，瓦斯壓力和煤體溫度的下降速度越快。煤體溫度的變化與瓦斯壓力的變化存在一致性，煤體溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律可以為突出的防災(zāi)減災(zāi)提供新依據(jù)。

(3)煤與瓦斯突出啟動(dòng)后，巷道內(nèi)前期以弱擾動(dòng)為主，在距工作面5 044 mm才會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的疊加擾動(dòng)，隨后，擾動(dòng)呈現(xiàn)周期性升降，直至能量衰減至0。

(4)突出的發(fā)展階段主要包括突出孔洞的形成、孔洞內(nèi)壁的失穩(wěn)剝離、煤-瓦斯兩相介質(zhì)傾出、單相瓦斯氣體的持續(xù)解吸和運(yùn)移4個(gè)階段。