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)國家重點實驗室,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)雜的動力現(xiàn)象，突出過程也極具突發(fā)性和危險性，因此，通過現(xiàn)場觀測和收集數(shù)據(jù)來研究突出機(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)生突出事故時監(jiān)測到鉆孔瓦斯壓力、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題。目前，突出過程中瓦斯、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)問題時常需要簡化數(shù)學(xué)模型和設(shè)定邊界條件。且由于突出問題的復(fù)雜性，還不能完全依賴?yán)碚摲治龌驍?shù)值模擬來研究突出機(jī)制。近年來，物理模擬實驗成為研究突出機(jī)制等相關(guān)問題最行之有效的方法。國內(nèi)、專家學(xué)者針對不同的研究目標(biāo)，相繼研發(fā)了不同功能的突出物理模擬實驗系統(tǒng)，并開展了不同條件下的突出模擬實驗，獲得了相關(guān)研究成果，對進(jìn)一步探究突出過程中各階段作用機(jī)理具有重要意義[1]。

鄧全封等[2]基于綜合假說設(shè)計了一套小尺度一維突出模擬實驗設(shè)備，并用無任何添加劑的突出層焦煤作為試驗材料進(jìn)行了石門揭煤突出模擬實驗。蔣承林和俞啟香[3]提出了球殼失穩(wěn)假說，并利用自行設(shè)計的一維突出模擬裝置對其進(jìn)行了驗證。孟祥躍等[4]自主研發(fā)了一套模擬突出的二維實驗裝置，并進(jìn)行了一系列突出模擬實驗。劉明舉等[5]利用搭建的一維突出模擬裝置，研究了突出模擬實驗過程中溫度的變化規(guī)律。蔡成功[6]依據(jù)相似理論，構(gòu)建了三維突出模擬實驗平臺，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[7]自主研制了一套大型二維突出模擬試驗臺；2009 年[8]，其團(tuán)隊對試驗臺進(jìn)行了改進(jìn)，進(jìn)一步加強了實驗系統(tǒng)的密封性和提高了型煤壓制效率；2013 年[9]，其團(tuán)隊研制了一套大型多場耦合煤礦動力災(zāi)害模擬試驗系統(tǒng)，使得試驗過程中應(yīng)力分布情況與現(xiàn)場更為接近；2019 年[10]，增加了網(wǎng)絡(luò)巷道監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測突出過程中巷道內(nèi)包括氣壓、溫度、煤粉運移速度等多物理場參數(shù)變化規(guī)律。顏愛華和徐濤[11]利用設(shè)計的突出模擬裝置，研究了不同吸附性氣體對突出強度的影響。陳永超[12]依據(jù)相似準(zhǔn)則設(shè)計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)計的突出模擬實驗臺對其進(jìn)行了相似模擬實驗，分析了石門揭煤過程中“構(gòu)造包體”存在時地應(yīng)力場和瓦斯壓力場的演化規(guī)律。高魁等[14]基于相似理論和地質(zhì)力學(xué)模型在實驗室搭建了大型石門揭煤的煤與瓦斯突出試驗平臺，并開展了石門揭構(gòu)造軟煤的相似模擬試驗。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突出的影響。歐建春等[16]利用自主研發(fā)的突出模擬實驗系統(tǒng)，研究了突出過程中煤體破裂的演化規(guī)律。周愛桃等[17]利用自行設(shè)計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態(tài)破壞模擬實驗設(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驗。唐巨鵬等[19]以型煤為研究對象，利用自主研制的三維突出模擬實驗儀，進(jìn)行了煤層埋深-600 m、三維應(yīng)力條件下的突出模擬實驗。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驗系統(tǒng)，研究了突出過程中地應(yīng)力場和瓦斯壓力場的演化規(guī)律。郭品坤等[21]根據(jù)相似原理設(shè)計了一套真三軸突出模擬實驗系統(tǒng)，研究了突出發(fā)展過程中煤體層裂發(fā)展機(jī)制。王漢鵬等[22]基于綜合作用假說和CSIRO 模型，研制了一套突出模擬試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(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驗裝置，對2 個典型突出案例進(jìn)行相似模擬實驗。李慧等[24]利用自主研制的三維加載突出模擬實驗裝置，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驗。尹光志等[25]自主研發(fā)了一套多功能真三軸多場耦合煤礦動力災(zāi)害大型模擬試驗系統(tǒng)，該裝置能夠真實地模擬煤礦井下煤、巖體所處的三向不等的應(yīng)力環(huán)境，可實現(xiàn)對復(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)計了一套帶模擬管道的突出模擬實驗裝置，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驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠開展多種地質(zhì)構(gòu)造條件下煤、巖變形破壞模擬實驗。李文睿等[28]設(shè)計了一套考慮動靜加載的突出模擬試驗設(shè)備，該設(shè)備能夠模擬靜載荷和動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)動的三維突出模擬試驗系統(tǒng)，并進(jìn)行了不同瓦斯壓力條件下的突出模擬試驗。中煤科工集團(tuán)重慶研究院[30]設(shè)計了一套帶有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)巷道系統(tǒng)的突出動力效應(yīng)模擬系統(tǒng)，研究了突出過程中煤粉-瓦斯兩相流運移規(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力災(zāi)害模擬實驗系統(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[32]首先以綜合假說和CSIRO 模型為理論依據(jù)，建立了同時考慮力學(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系統(tǒng)，該系統(tǒng)攻克了對突出機(jī)理定量化研究的難題，成功開展了全球首次大尺度真三維煤與瓦斯突出物理模擬試驗，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驗系統(tǒng)，并以河南龍山煤礦為工程背景開展了突出模擬實驗。

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)測參數(shù)向多物理場多參數(shù)發(fā)展。突出模擬系統(tǒng)的不斷進(jìn)步使得實驗結(jié)果更貼近現(xiàn)場，為我國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)階段對突出機(jī)理的研究仍處于假說階段，還不能從根本上杜絕突出事故的發(fā)生。突出過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，在進(jìn)行突出預(yù)測時易低估災(zāi)害的影響范圍和危險性。因此，有必要設(shè)計一套考慮突出孔洞周圍卸壓區(qū)煤體瓦斯補給作用的突出模擬實驗系統(tǒng)，對突出發(fā)展過程中巷道內(nèi)突出沖擊波形成及傳播、煤-瓦斯兩相流運移及瓦斯逆流等動力學(xué)行為特征進(jìn)行實驗研究，為礦井突出災(zāi)變時期智能調(diào)風(fēng)、應(yīng)急響應(yīng)研究等提供支撐。

1 實驗系統(tǒng)研發(fā)目的及功能

該實驗系統(tǒng)對突出全過程進(jìn)行了適當(dāng)簡化，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程(即不考慮突出孕育過程)。該實驗系統(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，實驗系統(tǒng)主要由突出孔洞動力系統(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 實驗系統(tǒng)相似設(shè)計

2.1 相似準(zhǔn)則

為了使相似模擬實驗與現(xiàn)場情況盡可能一致，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、運動相似和動力相似3 個方面。

2.1.1 幾何相似

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

幾何相似主要保證模型與原型之間在形狀上相似，而在相似模擬實驗中保證模型與原型的幾何形狀完全相似是非常困難的，針對研究問題不同，可以先找出對研究目標(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移，其運動狀態(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)，無因次系數(shù)；ρ為瓦斯密度，kg/m3；L為瓦斯流經(jīng)巷道長度，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)研究內(nèi)容側(cè)重于瓦斯氣流在巷道內(nèi)的流動狀態(tài)時，則模擬實驗管道當(dāng)量直徑和長度應(yīng)盡可能與原型滿足一定的長度比例。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 運動相似

運動相似主要指研究對象原型和模型之間在對應(yīng)時刻和位置上速度(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間相似是保證運動相似的前提。

定義原型與模型的時間之比為時間比例尺δt，有

其中，tp、tm為原型和試驗?zāi)Ｐ偷臅r間，s。則對應(yīng)點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)點的速度，m/s；ap、am分別為原型和模型流體質(zhì)點的加速度，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度比例尺和時間比例尺間的關(guān)系。

2.1.3 動力相似

在保證模型幾何相似的前提下，為了保證運動相似，必須使模型和原型中流體質(zhì)點相應(yīng)時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，即動力相似。由此可知，幾何相似是流體動力學(xué)相似的前提，而動力相似則是主導(dǎo)原因，運動相似則是現(xiàn)象。原型與模型之間動力比例尺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，在相似模擬實驗中完全保證模型與原型的幾何形狀相似是非常困難的。突出強度一定程度上取決于腔體尺寸，腔體太小，試驗測試誤差大；腔體過大，試驗難度加大。適度的腔體尺寸應(yīng)與管道尺寸匹配。

幾何相似與動力相似是保證流體運動相似的基礎(chǔ)與前提，因而在選取動力相似準(zhǔn)則之前要確定模型的幾何相似比。井下實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。本次實驗選取直徑為150 mm 的圓形管模擬井下巷道，以10 m2的巷道斷面為實際工況，則模型的長度比例尺為

在幾何比例尺確定后主要考慮動力相似。動力相似主要有富魯?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)氣壓與井下實際巷道內(nèi)氣壓近似相等，因此為了真實反映井下實際突出動力效應(yīng)，首先考慮歐拉相似準(zhǔn)則，則要求模擬突出腔體與現(xiàn)場突出孔洞內(nèi)壓力相同，本次實驗瓦斯壓力為0.8 MPa，即模擬實驗腔體的瓦斯壓力與實際孔洞瓦斯壓力比同樣近似為1∶1。另一方面，突出強度是突出煤-瓦斯兩相流運移的結(jié)果，實驗選用煤樣與現(xiàn)場一致，加之瓦斯保持壓力一致，因此，不僅可保證模擬實驗中突出瓦斯速度與現(xiàn)場突出事故一致，還保證了突出強度一致。同時，馬赫數(shù)是柯西準(zhǔn)則中表征沖擊波速度的一個重要參數(shù)。根據(jù)空氣動力學(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)，稱為動力黏度，Pa·s；v為運動黏度系數(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 種氣體的運動黏度系數(shù)。實際井下，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，而相似模擬實驗中管道內(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)無關(guān)，流動進(jìn)入自動模化區(qū)，此時雷諾準(zhǔn)則失去作用，此時不必考慮模型的雷諾數(shù)與原型的雷諾數(shù)是否相等。因為原型和模型中的雷諾數(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?；瘏^(qū)，此時流動相似。

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)計了多起不同類型煤與瓦斯突出事故中孔洞的參數(shù)，見表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 煤與瓦斯突出動力效應(yīng)模擬實驗系統(tǒng)

3.1 突出孔洞動力系統(tǒng)

突出孔洞動力系統(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氣裝置(補氣罐)。

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)計為1 個主腔體和2 個附加腔體。附加腔體可通過法蘭與主腔體連接，實現(xiàn)不同體積孔洞的突出模擬實驗。

最終確定突出口直徑為150 mm (對應(yīng)于突出口高和寬)，主腔體直徑為300 mm (對應(yīng)突出孔洞內(nèi)部高和寬)，主腔體長度為450 mm(對應(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，長度均為150 mm。主腔體設(shè)計如圖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 個進(jìn)氣口，內(nèi)部均勻分布出氣孔。此結(jié)構(gòu)使得對突出腔體進(jìn)行 “面充氣”，使得充氣均勻、高效；另一方面在突出激發(fā)時，能夠使補氣罐內(nèi)的氣體向高壓腔體均勻“補氣”，其結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，內(nèi)部尺寸如圖4(b)所示。對高壓腔體和網(wǎng)絡(luò)巷道進(jìn)行氣密性和耐壓測試。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程。當(dāng)煤體未受到采掘擾動時，煤體處于受力平衡狀態(tài)，因此不會發(fā)生破壞；而當(dāng)采掘擾動破壞這種力學(xué)平衡時，煤體將發(fā)生失穩(wěn)破壞，此時突出被激發(fā)，儲存于煤體的彈性能和瓦斯膨脹能在極短時間內(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)。

在煤體拋出過程中，除了拋出煤體內(nèi)所儲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，突出過程中卸壓區(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并對突出做功，如圖5 所示。

圖5 突出模型簡化示意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)計腔體直徑300 mm，總長750 mm；突出口部分直徑150 mm，長度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)合該實驗裝置對該問題進(jìn)行簡化，可以認(rèn)為卸壓區(qū)煤體相當(dāng)于突出煤體的一個補充氣源。若補氣罐直徑為300 mm，則補氣罐長度約為700 mm，罐體用304 不銹鋼制造，補氣罐實物如圖6 所示。

圖6 補氣罐Fig.6 Supplemental gas tank

補氣罐(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)試驗機(jī)等實驗系統(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)峰值強度破壞時，單位時間流經(jīng)煤樣的瓦斯量Q1約為17.05 mL。由此，單位時間單位面積流過煤樣的瓦斯量q1為

實驗過程中，補氣罐通過5 個管路向突出腔體“補氣”。則單位時間內(nèi)補氣罐應(yīng)向突出腔體內(nèi)補充瓦斯量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度，mm；dc為突出口部分直徑，mm；l為突出口部分長度，mm。

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

式中，vg為補氣管路與突出腔體連接處氣體速度，m/s；ρg為補氣罐內(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需通過實驗獲得，一般地，若Δp<10 132.5 Pa 時[38]，可認(rèn)為氣體流動為不可壓縮流，假設(shè)為Δp=10 132.5 Pa，則vg=67.03 m/s。為了滿足突出過程中補氣量，補氣管內(nèi)徑d1需滿足：

求得補氣管路內(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。實驗過程中通過利用補氣管路連接補氣罐和突出腔體模擬突出時卸壓區(qū)瓦斯對突出孔洞的補給作用，如圖7 所示。

圖7 補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)裝置主要通過控制突出口的開啟來模擬突出的激發(fā)?？偨Y(jié)前人的研究，突出口開啟方式主要有薄膜、爆破片、機(jī)械(手動)擋板、電磁閥等幾個類型。為了滿足瞬時開啟和較好的密封性，僅有爆破片和電磁閥能夠滿足。為此，對爆破片和液控電磁閥進(jìn)行調(diào)研，其主要性能及參數(shù)見表2。電磁閥與爆破片均有較好的氣密性。但電磁閥開啟速度要比爆破片慢一個數(shù)量級。且在使用電磁閥時，由于介質(zhì)為煤-瓦斯混合物，噴出的煤粉必然對閥體造成磨損，使得氣密性越來越差，不利于實驗的開展。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-瓦斯兩相流運動狀態(tài)對突出災(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)來記錄突出過程。此外，為了獲取突出瓦斯的相關(guān)參數(shù)，在整個巷道網(wǎng)絡(luò)合理布置各種傳感器以采集突出過程中相關(guān)數(shù)據(jù)；試驗?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1.0 m，內(nèi)徑15 cm(對應(yīng)巷道的高和寬)，厚度為2 cm，抗壓2 MPa。巷道系統(tǒng)全長16.5 m。管道兩端設(shè)置法蘭，便于對巷道連接及拆卸，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。模擬試驗巷道先固定于支架，然后將支架固定于地面上，保證實驗裝置整體結(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)，因此該實驗系統(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)通過各種傳感器將實驗過程中突出動力系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)轉(zhuǎn)化成電流信號進(jìn)而通過操作界面反饋給實驗員，實驗員則根據(jù)信號通過突出控制系統(tǒng)來控制突出激發(fā)、充氣吸附等操作。同時，突出過程中管道中各物理參數(shù)又通過傳感器傳輸給數(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)的主要功能是實驗前反饋腔體參數(shù)信息和實驗過程中采集數(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 傳感器型號及參數(shù)Table 3 Sensor type and parameters

3.5 煤與瓦斯突出動力效應(yīng)模擬實驗系統(tǒng)總構(gòu)

實驗系統(tǒng)的模塊構(gòu)成及功能如圖10 所示。該實驗系統(tǒng)主要包括煤與瓦斯突出動力系統(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。煤與瓦斯突出動力系統(tǒng)主要包括突出孔洞動力系統(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)等實時監(jiān)控和檢測突出過程中的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)變化。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中心是實驗系統(tǒng)的核心，其一方面根據(jù)壓力信號控制突出模擬實驗的激發(fā)即動力系統(tǒng)的開啟，另一方面用于采集突出過程中巷道內(nèi)煤、瓦斯的數(shù)據(jù)，實驗系統(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 實驗系統(tǒng)布置示意Fig.11 Schematic diagram of experimental system layout

4 煤與瓦斯突出災(zāi)變演化過程模擬實驗

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。

實驗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，需要對實驗前煤體物理力學(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)行測定。相關(guān)參數(shù)見表4。

4.2 實驗步驟

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，如圖12(b)所示。煤倉底部安設(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，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臺，振動一段時間后利用壓頭壓制，然后重復(fù)上述步驟直至腔體裝滿煤粉并壓制成型。振動臺根據(jù)突出腔體設(shè)計，振動頻率可調(diào)。振動臺周圍設(shè)置4 根鋼筋護(hù)欄，以保證振動過程中的安全性。圖13(a)為煤體振動過程，圖13(b)為壓制過后的煤樣。一般振動時間為30 min，人工壓實30 min，保壓質(zhì)量300 kg。壓制過后的煤樣能夠抵抗一定外力，但由于制備過程中不添加包括水在內(nèi)的任何物質(zhì)，因此強度較低，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)實驗要求組裝系統(tǒng)，包括組裝巷道、組裝突出動力系統(tǒng)、連接管路、布設(shè)傳感器等。組裝好的實驗系統(tǒng)如圖14 所示。補氣罐一端與充氣系統(tǒng)通過高壓管連接，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法蘭連接；突出口與模擬巷道通過法蘭連接。

4.2.3 充氣吸附

筆者選取CO2作為瓦斯的模擬氣體，可研究突出過程中解吸的瓦斯對突出的持續(xù)發(fā)展有作用。充氣前，所有人員撤離實驗現(xiàn)場，并于操作室通過突出控制系統(tǒng)來操作氣瓶的開啟，實現(xiàn)對高壓密封腔體的遠(yuǎn)程充氣。其次，氣瓶位置距實驗場地有一定的距離，能夠保證實驗過程中的安全性。高壓氣瓶柜及充氣管路如圖15 所示。充氣吸附時間不低于48 h，48 h后當(dāng)壓降每30 min 不高于0.005 MPa 時，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，對實驗現(xiàn)場周圍清場并布置警戒線，防止無關(guān)人員進(jìn)入現(xiàn)場。由于突出過程短暫，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)。通過突出控制系統(tǒng)對高壓密封腔體進(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。待實驗1 h 后可進(jìn)入實驗現(xiàn)場檢查實驗情況，并檢查傳感器等相關(guān)部件。

4.2.6 煤樣測量及清理

實驗結(jié)束后，根據(jù)實驗要求對突出煤進(jìn)行分段稱重、高度測量、粒度分析，并清理現(xiàn)場，為下次實驗做準(zhǔn)備。此外，實驗系統(tǒng)除塵方式在借鑒布袋倉頂除塵技術(shù)基礎(chǔ)上，采用在除塵裝置頂部設(shè)置布袋過濾的方式進(jìn)行除塵。由于試驗過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)動力裝置。

4.3 實驗條件及巷道、傳感器布置

本次實驗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7 210 mm(突出口距分岔口距離)，支巷長9 475 mm，主巷與支巷連接部分長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表5。本次實驗瓦斯壓力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 各傳感器相對位置Table 5 Specific location of each sensor

5 實驗結(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程，然后將視頻中圖片逐幀提取以獲得不同時刻管道內(nèi)突出動力現(xiàn)象，如圖17 所示。

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

在實驗過程中，突出發(fā)聲時伴隨一聲巨響，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，沖擊氣流擾動管道內(nèi)殘留煤粉，同時高速突出瓦斯氣流緊跟其后，根據(jù)動力效應(yīng)發(fā)生的位置距突出口的距離及時間，可以計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，而是呈下長上短的楔形，這是因為突出發(fā)生時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?，如圖17(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)運動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-瓦斯兩相流陣面運移距離和時間間隔，可計算出突出初期沖擊氣流和突出煤-瓦斯兩相流陣面的運動速度，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動速度隨距突出口距離的增加呈波動變化，但總體呈增加趨勢，突出煤-瓦斯兩相流陣面最大運動速度為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)歷解吸這一過程，且將很大一部分動能傳遞給煤粉顆粒將煤粉拋出，因此不能夠為先前釋放的瓦斯氣體提供動能，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能，煤粉做加速運動直至突出腔體內(nèi)瓦斯壓力降低到不能夠再為煤粉提供動能，煤粉開始做減速運動直至停止。

圖18 煤與瓦斯突出沖擊過程Fig.18 Coal and gas outburst impact process

此外，在進(jìn)行實驗過程中，置于第6 節(jié)管道內(nèi)W1 號風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器(后簡稱“W1”)位置前的高速攝像機(jī)也拍攝到了突出沖擊過程，如圖19 所示。各類傳感器布置如圖16 所示，各傳感器間距見表5。由圖19 可以看出，10.4 ms 后，整體支架先劇烈晃動，且安裝于管道內(nèi)的W1 開始轉(zhuǎn)動，此時該處并未出現(xiàn)煤粉；22.9 ms 后風(fēng)速傳感器加速轉(zhuǎn)動，56.2 ms 后風(fēng)速傳感器繼續(xù)加速轉(zhuǎn)動甚至出現(xiàn)風(fēng)杯“重影”現(xiàn)象，足見傳感器轉(zhuǎn)動速度之快；160.2 ms 后管道內(nèi)開始泛起“白霧”，176.8 ms 后開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 后運動的煤粉淹沒傳感器。

圖19 煤與瓦斯突出沖擊過程 (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_擊波過后，沖擊氣流開始作用于W1，即風(fēng)速變化中的AB段，風(fēng)速在極短時間內(nèi)由0增至5.6 m/s；而BC段則為突出瓦斯氣流作用階段，2點時間間隔為163 ms，與圖18 中沖擊氣流作用時間(176.8 ms)接近，該結(jié)果一方面證明了上述分析的正確性，另一方面說明實驗中的“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)動速度與兩相流運動速度一致時，風(fēng)速傳感器保持一段時間的勻速轉(zhuǎn)動。隨著突出的終止，煤粉運動速度減小直至靜止，此階段兩相流阻礙傳感器的轉(zhuǎn)動使其停止。

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 突出過程中沖擊波超壓變化Fig.21 Variation of overpressure of shock wave

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

表6 沖擊波到各測點的平均速度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)部正對來流方向的沖擊波動壓傳感器采集到的沖擊波動壓變化情況。根據(jù)傳感器位置和出現(xiàn)峰值時間求得主巷內(nèi)沖擊波由S1 運動到S2 的平均速度為496.7 m/s，支巷L(fēng)1 內(nèi)沖擊波由S3 運動至S4 的平均速度為376.4 m/s。該計算結(jié)果與上文根據(jù)沖擊波速度數(shù)據(jù)計算的結(jié)果較為接近。

圖22 突出過程中沖擊波動壓變化Fig.22 Variation of dynamic pressure of shock wave

5.3 突出時期瓦斯涌出規(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，突出瓦斯運移方式包括“驅(qū)替”和“擴(kuò)散”。

圖24 突出災(zāi)變時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%，且長時間內(nèi)保持較高水平，說明突出瓦斯運移至c1 位置時驅(qū)替巷道內(nèi)原有空氣并占據(jù)該處整個巷道空間，使得該點瓦斯體積分?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)下降段時間較短。這是由于主巷內(nèi)無風(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驗造成“瓦斯逆流”現(xiàn)象。而實驗過程中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)下降段時間更短。

5.4 突出強度與突出煤分布特征

本次突出模擬實驗共拋出煤樣32.581 kg，突出腔體裝煤量為51 kg，相對突出強度為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，這與一般突出實驗中突出煤的自然堆積是不同的。但在現(xiàn)場事故調(diào)查過程中，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)眼可見孔隙和大于100 μm 的裂縫，構(gòu)成層流與紊流滲透同時存在的區(qū)域，是堅固與中等強度煤的破碎面。

由此可見，該實驗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，一方面，煤體孔隙和裂隙中的游離瓦斯在強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)煤體瓦斯補給作用的突出模擬實驗系統(tǒng)，并根據(jù)突出模型和瓦斯?jié)B流理論通過嚴(yán)格計算確定了補氣裝置的關(guān)鍵參數(shù)；該實驗系統(tǒng)主要包括：突出孔洞動力系統(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-瓦斯兩相流運移及瓦斯逆流等突出動力現(xiàn)象。

(2)利用高速攝像機(jī)直接觀測到突出沖擊波形成的整個過程。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。突出過程中伴隨極強的動力效應(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)隨時間變化存在“驟升期”和“緩慢下降期”，突出瓦斯在巷道內(nèi)運移方式主要包括“驅(qū)替”和“擴(kuò)散”。

(4)突出過程中，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)出較強的分選性。