魏連江，李 勝，魏宗康，王夢薇

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引 言

煤與瓦斯突出災(zāi)害是當(dāng)前威脅礦井安全生產(chǎn)最為嚴(yán)重的動力災(zāi)害之一［1］。 煤與瓦斯突出會破壞通風(fēng)系統(tǒng)，導(dǎo)致井下局部地區(qū)瓦斯?jié)舛瘸?，進而可能引發(fā)瓦斯爆炸等二次災(zāi)害［2］。 因此，煤與瓦斯突出造成的危害不僅局限于本身，更大的威脅來自于災(zāi)變后礦井瓦斯超限所引發(fā)的瓦斯爆炸等二次災(zāi)害，而煤與瓦斯突出對通風(fēng)系統(tǒng)的影響是煤與瓦斯突出引發(fā)二次災(zāi)害的重要一環(huán)。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在煤與瓦斯突出機理、預(yù)測預(yù)報技術(shù)及突出防治安全工程技術(shù)等方面的研究取得了很大進展［3-5］，特別是在防突技術(shù)和管理方面開展了大量的科學(xué)試驗研究和現(xiàn)場試驗工作，基本形成了一套防突技術(shù)和管理體系［6-7］。 由于煤與瓦斯突出問題極為復(fù)雜，現(xiàn)有防治手段尚不能完全避免煤與瓦斯突出災(zāi)害的發(fā)生。 因此，研究煤與瓦斯突出對通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律對于認(rèn)識突出災(zāi)變時期礦井通風(fēng)系統(tǒng)災(zāi)變機理以及瓦斯爆炸等二次災(zāi)害防控機制具有重要意義。 目前，研究人員主要通過試驗研究和數(shù)值模擬的方式研究煤與瓦斯突出對通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律。 由于煤與瓦斯突出試驗難以在煤礦井下開展［8］，研究人員一般通過搭建煤與瓦斯突出模擬試驗系統(tǒng)來開展試驗研究。 煤與瓦斯突出模擬試驗系統(tǒng)基于相似準(zhǔn)則［9-12］，一般由高壓試驗腔體、非均布加載系統(tǒng)、突出誘導(dǎo)裝置、抽真空及充氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成［13-15］，部分試驗系統(tǒng)還包括模擬巷道、高速攝像系統(tǒng)［16］和溫控系統(tǒng)［17］。 雖然研究人員在煤與瓦斯突出對通風(fēng)系統(tǒng)的影響這一研究領(lǐng)域取得了一定成果，但仍然存在不足。 筆者通過綜述煤與瓦斯突出對通風(fēng)系統(tǒng)的影響研究現(xiàn)狀，分析了存在的不足，為今后的進一步研究提供了借鑒。

1 沖擊波對通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律

煤與瓦斯突出會產(chǎn)生沖擊波，沖擊波對通風(fēng)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為沖擊波對通風(fēng)設(shè)備設(shè)施的破壞，沖擊波在巷道傳播過程中會逐漸衰減，最終喪失破壞能力。 沖擊波在傳播過程中能否破壞通風(fēng)設(shè)備設(shè)施取決于沖擊波破壞通風(fēng)設(shè)備設(shè)施的影響因素。沖擊波的衰減與沖擊波在巷道中的傳播規(guī)律有關(guān)，研究沖擊波在巷道中的傳播規(guī)律，能為確定沖擊波的影響范圍，以及影響范圍內(nèi)通風(fēng)設(shè)施遭到?jīng)_擊波破壞的時間及嚴(yán)重程度提供依據(jù)。

1.1 沖擊波破壞通風(fēng)設(shè)備設(shè)施的影響因素

沖擊波在傳播過程中對通風(fēng)設(shè)備設(shè)施的破壞程度與沖擊波超壓、單位沖量、作用時間和構(gòu)筑物固有周期等因素有關(guān)［18］。 目前研究人員主要研究了沖擊波超壓與通風(fēng)設(shè)備設(shè)施破壞程度之間的關(guān)系，其他影響因素與通風(fēng)設(shè)備設(shè)施破壞程度之間的關(guān)系有待進一步研究。 部分通風(fēng)設(shè)備設(shè)施破壞程度與沖擊波超壓之間的關(guān)系見表1［2］。

表1 通風(fēng)設(shè)備設(shè)施破壞程度與沖擊波超壓之間的關(guān)系Table 1 Relationship between damage degree of ventilation facility and shock wave overpressure

1.2 沖擊波的傳播規(guī)律

沖擊波在傳播過程中，沖擊波波陣面后會出現(xiàn)一段沖擊氣流區(qū)域（空氣壓縮區(qū)），此區(qū)域后面則是煤-瓦斯混合流區(qū)域［2，19-20］。 研究表明，沖擊波剛產(chǎn)生時，其傳播速度高于聲音的傳播速度［21］。 沖擊波在巷道傳播過程中，隨傳播距離的增加而衰減，波速逐步下降，最后衰減成為波速與聲速相等的普通壓力波［21］。 沖擊波的衰減規(guī)律與巷道截面面積等有關(guān)。 文獻［22］認(rèn)為沖擊波的傳播過程中遵循動量守恒和質(zhì)量守恒，并由此推出了沖擊波超壓ΔP隨距離衰減公式

式中：k 為氣體壓縮系數(shù)；S 為巷道截面面積，m2；EP0為煤與瓦斯突出釋放出來的總能量；x 為沖擊波傳播距離，m。

文獻［2］研究了沖擊波在直巷、拐彎巷道和變截面巷道中的定量衰減規(guī)律，并通過突出模擬試驗觀察了沖擊波在分岔巷道中的傳播特征，發(fā)現(xiàn)當(dāng)突出沖擊氣流在分岔巷道中傳播時，因為沖擊氣流的反射和繞射作用，將會在分岔處產(chǎn)生紊亂的超壓分布場，外壁面會形成局部的高壓區(qū)和局部的低壓區(qū)，而隨著分岔角度的增大，主巷道內(nèi)通過的沖擊波的超壓與支巷道內(nèi)通過的沖擊波的超壓比也會增大。目前，煤與瓦斯突出產(chǎn)生的沖擊波在分岔巷道中的規(guī)律有待定量研究。

2 突出瓦斯對通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律

突出瓦斯對通風(fēng)系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在瓦斯風(fēng)壓誘導(dǎo)礦井風(fēng)流災(zāi)變。 瓦斯在巷道的運移過程中，由于瓦斯的濃度比空氣小，高濃度瓦斯涌入風(fēng)流后會引起風(fēng)流密度變化，在有高差的巷道內(nèi)形成瓦斯風(fēng)壓。 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中分支i 的瓦斯風(fēng)壓［2］可表示為

由于瓦斯風(fēng)壓的形成與瓦斯在巷道中的運移有關(guān)，下面從瓦斯在巷道中的運移規(guī)律以及瓦斯風(fēng)壓誘導(dǎo)礦井風(fēng)流災(zāi)變2 個方面闡述突出瓦斯對通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律。

2.1 突出瓦斯在巷道中的運移規(guī)律

煤與瓦斯突出發(fā)生后，瓦斯在突出源動力作用下做輻射流動。 突出動力效應(yīng)影響消失后，突出源還會不斷地涌出瓦斯，瓦斯在自然風(fēng)壓或自然風(fēng)壓與風(fēng)機的共同作用下在巷道內(nèi)運移［23］。 目前研究人員主要對突出動力影響消失后的瓦斯運移規(guī)律展開了定量研究，楊守國［24］認(rèn)為研究該階段的瓦斯在巷道中的運移可以將其看成紊流一維縱向移流擴散運動；李成武［25］認(rèn)為研究瓦斯運移過程應(yīng)綜合考慮隨風(fēng)移動和分子擴散兩部分因素的影響，并根據(jù)質(zhì)量守恒定律，推導(dǎo)出一維瓦斯運移擴散方程

式中：C 為瓦斯體積分?jǐn)?shù)，%；t 為監(jiān)測時間，s；u 為巷道平均風(fēng)速，m／s；x1為監(jiān)測點距突出源的位置，m；Dm為瓦斯分子擴散系數(shù)；J 為由生物、物理、化學(xué)等變化而引起的單位時間和單位體積內(nèi)瓦斯的變化量。

設(shè)高濃度瓦斯生成量為M，在不考慮生物、物理、化學(xué)等變化而引起的瓦斯含量變化的情況下，由菲克第二定律［26］，得出一維運移擴散下瓦斯?jié)舛确植紴?/p>

式中：C（x1，t） 為x1位置處t 時刻的瓦斯體積分?jǐn)?shù)，%；Dt為紊流擴散系數(shù)。

李成武等［25］通過選擇起爆黑火藥瞬間產(chǎn)生氣體源代替煤與瓦斯突出氣體源，來模擬煤與瓦斯突出后瓦斯運移擴散，驗證了式（6）、式（7）的可靠性，但由于試驗藥量和監(jiān)測距離有限，試驗擬合的瓦斯生成量M 與位置x1之間的關(guān)系式不能完全代表井下實際情況，需根據(jù)井下實測數(shù)據(jù)對其進一步考察和修正。

周愛桃［2］認(rèn)為瓦斯的運移過程是一種紊流的平移、彌散和擴散的疊加，并根據(jù)質(zhì)量守恒定律、Fick 第一定律以及Bossinesq 假設(shè)，結(jié)合井巷實際情況，推導(dǎo)出井巷中瓦斯?jié)舛葟浬⒛Ｐ?/p>

2.2 瓦斯風(fēng)壓誘導(dǎo)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流災(zāi)變規(guī)律

由于瓦斯風(fēng)壓與巷道高差有關(guān)，所以當(dāng)傾斜或垂直井巷中風(fēng)流方向不同時，瓦斯風(fēng)壓對風(fēng)流造成的影響不同：當(dāng)分支為上行通風(fēng)時，分支產(chǎn)生的瓦斯風(fēng)壓與風(fēng)機作用方向一致，分支的風(fēng)量將趨于增大，而與其并聯(lián)的旁側(cè)分支的風(fēng)量則趨于減小，當(dāng)瓦斯風(fēng)壓達到某個臨界值的時候，與其并聯(lián)的旁側(cè)分支就可能出現(xiàn)風(fēng)流停滯甚至反向，瓦斯也會隨之進入旁側(cè)分支；當(dāng)分支為下行通風(fēng)時，分支瓦斯風(fēng)壓的作用方向與風(fēng)機作用方向相反，阻礙通風(fēng)，分支的風(fēng)量減小，而與其并聯(lián)的旁側(cè)分支的風(fēng)量增加，當(dāng)瓦斯風(fēng)壓達到某臨界值時，分支中的風(fēng)流就可能出現(xiàn)停滯，甚至反向，瓦斯可能隨之進入其他用風(fēng)地點［2］。 馮玉鳳等［28］通過理論推導(dǎo)，認(rèn)為影響上行風(fēng)巷道風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的因素不僅包括空氣與甲烷的密度差、巷道的高差、通風(fēng)機提供的風(fēng)壓，還包括初始風(fēng)速、巷道斷面積、分支的風(fēng)阻和巷道長度，但沒有通過試驗進一步研究上述因素與巷道風(fēng)流逆轉(zhuǎn)之間的關(guān)系。 王凱等［29］對瓦斯風(fēng)壓引起上行通風(fēng)旁側(cè)分支風(fēng)流逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)旁側(cè)分支風(fēng)阻的增大會減小旁側(cè)分支風(fēng)速的變化范圍及瓦斯排出的速率，但不影響瓦斯流入旁側(cè)分支的速率，并通過試驗研究了并聯(lián)下行通風(fēng)巷道瓦斯風(fēng)壓誘致風(fēng)流紊亂的規(guī)律［30］，發(fā)現(xiàn)瓦斯風(fēng)壓會造成并聯(lián)下行通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)流的復(fù)雜變化，使并聯(lián)巷道中的瓦斯隨風(fēng)流往復(fù)運動，然后基于振動理論分析試驗結(jié)果，認(rèn)為某條分支巷道風(fēng)阻的增大有助于保持其并聯(lián)分支的風(fēng)流穩(wěn)定，但不利于本分支瓦斯的順利排出。

3 突出煤體對通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律

突出煤體對通風(fēng)系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在突出煤體在巷道內(nèi)形成堆積，甚至阻塞巷道，掩埋通風(fēng)設(shè)施。 曹偈等［10］通過煤與瓦斯突出模擬試驗研究了突出煤的運移和堆積情況，發(fā)現(xiàn)巷道內(nèi)突出煤運移大致經(jīng)歷3 個階段：加速階段、減速階段、沉降階段。突出煤體主要堆積在主巷中，聯(lián)絡(luò)巷有極少煤粉。突出口附近及主巷道尾部直角拐彎處有較多的塊狀煤體堆積。 唐巨鵬等［31］通過煤與瓦斯突出模擬試驗，發(fā)現(xiàn)煤層深度與煤體的突出距離呈冪指數(shù)增加規(guī)律。 熊陽濤等［32］基于煤與瓦斯突出綜合作用假說，通過理論分析，針對突出強度較大和突出強度較小2 種情況分別建立了拋出煤體堆積面與拋出位置的函數(shù)關(guān)系式。

4 討 論

目前煤與瓦斯突出對通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律研究存在的問題主要分為以下4 個方面。

1）由于當(dāng)前煤與瓦斯突出沖擊波在分岔巷道中的傳播試驗研究存在不足，存在試驗數(shù)據(jù)偏少以及未能研究試驗數(shù)據(jù)間定量關(guān)系的問題，沖擊波在分岔巷道中的傳播規(guī)律有待展開定量研究。

2）由于目前研究人員對通風(fēng)設(shè)備設(shè)施破壞程度的研究主要集中在沖擊波超壓與通風(fēng)設(shè)備設(shè)施破壞程度之間的關(guān)系，而且現(xiàn)階段煤與瓦斯突出模擬試驗系統(tǒng)采用的模擬巷道由于尺寸原因基本沒有安裝真實的通風(fēng)設(shè)備設(shè)施，煤與瓦斯突出產(chǎn)生的沖擊波對通風(fēng)設(shè)備設(shè)施的破壞很難用試驗進行模擬，沖擊波單位沖量、作用時間和構(gòu)筑物固有周期等因素與通風(fēng)設(shè)備設(shè)施破壞程度之間的關(guān)系有待展開定量研究。

3）由于目前模擬巷道當(dāng)中瓦斯氣體濃度監(jiān)測距離和監(jiān)測點的數(shù)目有限，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合的巷道中各點瓦斯?jié)舛入S瓦斯運移距離變化的衰減系數(shù)不能完全反應(yīng)煤礦井下真實情況。

4）目前研究人員對瓦斯風(fēng)壓誘導(dǎo)巷道風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的影響因素研究主要集中在對巷道風(fēng)阻的研究，而其他影響因素與巷道風(fēng)流逆轉(zhuǎn)之間的關(guān)系有待進一步研究。

基于當(dāng)前研究存在的問題，筆者從以下4 個方面探討解決途徑。

1）由于當(dāng)前用于模擬巷道網(wǎng)絡(luò)的管網(wǎng)系統(tǒng)可以通過調(diào)整管道組件的方式調(diào)整模擬巷道分岔角度，針對當(dāng)前沖擊波在分岔巷道中的定量傳播規(guī)律研究中存在的不足，可以通過調(diào)節(jié)模擬巷道分岔角度來獲取不同巷道分岔角度對應(yīng)的沖擊波參數(shù)，然后以大量試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析分岔角度與沖擊波參數(shù)之間的定量關(guān)系。

2）針對當(dāng)前煤與瓦斯突出產(chǎn)生的沖擊波對通風(fēng)設(shè)備設(shè)施的破壞難以通過試驗進行模擬的實際情況，筆者建議采用2 種思路加強沖擊波對通風(fēng)設(shè)備設(shè)施破壞的試驗研究：①通過借鑒當(dāng)前煤與瓦斯突出模擬試驗系統(tǒng)采用的相似準(zhǔn)則，開展井下通風(fēng)設(shè)備設(shè)施相似準(zhǔn)則研究，基于相似準(zhǔn)則研發(fā)通風(fēng)設(shè)備設(shè)施模型；②在現(xiàn)有的教學(xué)礦井中安裝通風(fēng)設(shè)備設(shè)施，開展煤與瓦斯突出模擬試驗，研究沖擊波對通風(fēng)設(shè)備設(shè)施破壞程度與其影響因素之間的關(guān)系，這樣既避免了煤礦井下難以開展煤與瓦斯突出試驗的問題，又能最大程度地模擬真實煤礦井下環(huán)境，提高了試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3）針對當(dāng)前模擬巷道中瓦斯氣體濃度監(jiān)測的不足，可以考慮將煤與瓦斯突出模擬試驗重復(fù)多次，在每次試驗中改變傳感器在模擬巷道中的布置位置，從而在傳感器數(shù)量相同的情況下增加試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合井下實測數(shù)據(jù)，使巷道中各點瓦斯?jié)舛入S瓦斯運移距離變化的衰減系數(shù)更加符合煤礦井下實際情況。

4）針對目前瓦斯風(fēng)壓誘導(dǎo)巷道風(fēng)流逆轉(zhuǎn)研究存在的不足，建議在加強巷道風(fēng)阻對瓦斯風(fēng)壓誘導(dǎo)巷道風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的影響研究同時，開展其他影響因素與瓦斯風(fēng)壓誘導(dǎo)巷道風(fēng)流逆轉(zhuǎn)之間的關(guān)系研究，完善瓦斯風(fēng)壓誘導(dǎo)巷道風(fēng)流逆轉(zhuǎn)機理。

5 展 望

目前，國內(nèi)高瓦斯、突出礦井基本上都裝備了安全監(jiān)測系統(tǒng)［33］，但這些系統(tǒng)只能實時地監(jiān)測到瓦斯?jié)舛鹊淖兓?，煤與瓦斯突出災(zāi)變時期輔助應(yīng)急決策能力存在不足，而煤與瓦斯突出對通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律揭示了沖擊波動力效應(yīng)與時間和傳播距離的關(guān)系、突出瓦斯?jié)舛扰c時間和位置的關(guān)系以及突出煤體在巷道內(nèi)堆積的規(guī)律。 因此，以煤與瓦斯突出對通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律作為理論基礎(chǔ)，結(jié)合井下瓦斯、風(fēng)速等傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展煤與瓦斯突出通風(fēng)系統(tǒng)影響范圍的快速研判研究，從而提高煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)在煤與瓦斯突出災(zāi)變時期的輔助應(yīng)急決策能力，這將有助于煤礦在煤與瓦斯突出災(zāi)變時期開展井下應(yīng)急救援和人員疏散工作。

6 結(jié) 語

在分析煤與瓦斯突出對通風(fēng)系統(tǒng)的影響研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對沖擊波和瓦斯對通風(fēng)系統(tǒng)影響研究當(dāng)中存在的問題，建議利用現(xiàn)有煤與瓦斯突出模擬試驗系統(tǒng)，改進模擬試驗方法，同時將現(xiàn)有的教學(xué)礦井引入煤與瓦斯突出對通風(fēng)系統(tǒng)的影響模擬試驗，為完善煤與瓦斯突出對通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律提供了借鑒。

此外，以煤與瓦斯突出對通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律作為理論基礎(chǔ)，結(jié)合井下瓦斯、風(fēng)速等傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展煤與瓦斯突出通風(fēng)系統(tǒng)影響范圍快速研判的研究，有助于提高煤與瓦斯突出災(zāi)變時期的輔助應(yīng)急決策能力。