煤與瓦斯突出沖擊氣流形成及傳播規律

許 江，程 亮，彭守建，周 斌，魏仁忠，楊海林，李奇賢

(1.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

國家經濟快速發展離不開能源的消耗。我國能源賦存體現出“缺氣、少油、相對富煤”的特點，這意味著煤炭在未來相當長時間占我國能源結構的主導地位。我國在“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要中明確指出，推動煤炭生產向資源富集地區集中，由此可見，我國煤炭的開采深度將持續加深。隨著礦井開采深度的增加，煤層“三高一低”的特點越發凸顯，極易在采掘擾動情況下發生煤與瓦斯突出事故。煤與瓦斯突出(簡稱“突出”)表現為突出氣流攜帶大量煤體由煤層向采掘巷道空間噴射出，形成沖擊氣流、沖擊波、煤-瓦斯兩相流等對井下人員、設施造成強烈的沖擊動力災害。

目前已有研究成果表明，突出是在煤的物理力學性質、瓦斯壓力和地應力這3個主要因素綜合作用下發生的。眾多學者對該3類因素展開了深入研究。但由于煤礦現場突出的劇烈性、強破壞性，很難對其進行有效的監測。因此，物理模擬和數值模擬已成為探究突出災害的最有效手段。張慶賀等探究了不同強度含瓦斯型煤對突出的影響。王漢鵬等利用不同氣體的吸附能力大小探究了吸附瓦斯含量對突出的影響。唐巨鵬等、朱立凱等分別采用試驗和數值模擬方式探究了不同瓦斯壓力和不同地應力條件下的突出發生、發展過程。高魁等、秦恒潔等開展了不同應力條件下的突出試驗，并對受載含瓦斯煤體卸壓后的應力分布與演化規律進行了數值模擬研究。

以上學者以預防突出發生為目的，從突出三要素入手重點對其機理進行了深入研究。然而，隨著煤礦向深部開采，地質條件愈發復雜，以目前的研究成果無法完全杜絕突出的發生。因此，部分學者開始了對突出流體致災方面的探究，意在指導煤礦合理設計井下防災抗災設施及突出災害應急搶險方案。程五一等探討了沖擊波的形成，并建立了突出沖擊波傳播數學模型。ZHOU等、王凱等利用試驗結合數值模擬的方式，探究了突出沖擊波在不同巷道布置下的傳播規律。JIN等研究了瓦斯解吸對突出流體的影響，并得到了煤粉流流型變化規律。李希建等通過不同瓦斯壓力、不同防突風門底坎尺寸的突出試驗和數值模擬研究，揭示了突出沖擊波穿越防突風門孔洞時的能量耗散規律。孫東玲等建立了突出煤在巷道中的運移數學模型，分析了突出過程中煤-瓦斯兩相流流動的臨界狀態及其相關兩相流聲速理論。王凱等研究了突出煤粉粒徑對突出煤-瓦斯兩相流動力特征的影響。文獻[30-32]探究了突出過程中巷道沖擊力的致災特征，并發現煤粉流在巷道中二次加速現象。

突出煤-瓦斯兩相流在巷道內運移的本質是瓦斯通過曳力作用帶動煤粉運動。由瓦斯形成的沖擊氣流一定程度上直接決定著突出煤-瓦斯兩相流的沖擊動力學行為。因此，研究突出沖擊氣流的形成及運移規律是明確突出動力致災機制的重點課題。目前，國內外有關突出沖擊氣流形成機理及運移機制的研究很少，僅有少量的試驗和初步理論分析。另外，由于突出氣流的瞬時性、強破壞性及其復雜性，使得很難獲得現場實測的突出氣流的真實流動規律。為此，筆者利用自主研制的多場耦合大型煤礦災害物理模擬試驗系統，得到了煤層瓦斯壓力和地應力、巷道沖擊力的演化過程，并獲得了巷道內沖擊氣流和煤粉流的運動特征。與此同時，結合試驗分析以及流體力學、氣體動力學等理論指導，建立突出沖擊氣流形成及運移模型。筆者所得研究結果對認識突出動力致災機制及在尚無法從源頭消除突出災害的前提下的被動防災減災措施的實施具有重要借鑒意義。

1 試 驗

1.1 試驗設備

本試驗是利用自主研發的多場耦合煤礦動力災害大型物理模擬試驗系統進行的，如圖1所示。該系統由動力系統、巷道網絡系統、數據采集系統、注氣系統和高速攝像機等組成。動力系統由伺服加載裝置、試件箱體和主體承載支架等組成，能夠真實再現三軸應力狀態下的煤層；巷道網絡系統能夠模擬突出過程中突出流體在巷道內的致災過程；數據采集系統用于采集煤-瓦斯兩相流作用下沖擊力的試驗數據，試驗采樣率為1 000 Hz；注氣系統通過流量計、電磁閥和智能電子表控制向試件箱體注入突出氣體；高速攝像機用于捕捉突出過程中巷道內流體的運動特征，采樣率為2 000 Hz。

圖1 多場耦合煤礦災害物理模擬試驗系統Fig.1 Multi-field coupling testing system for dynamic disaster in coal mine

1.2 試驗煤樣

試驗煤樣取自重慶市水江煤礦九井向斜西翼二疊系龍潭組K煤層，埋深為1 082 m。該礦屬于煤與瓦斯突出礦井，絕對瓦斯涌出量為9.51 m/min，相對瓦斯涌出量為16.62 m/t，平均瓦斯含量為13.23 m/t，瓦斯壓力為1.25 MPa，煤層透氣性系數為1.53 m/(MPa·d)，煤層自燃傾向屬三級，不易發火但具有爆炸性。圖2為水江煤礦地質構造情況，礦區煤層傾角為30°～38°，傾向為95°～133°。礦區西側存在F8，F9逆斷層，兩斷層呈北北東向平行排列，走向北北東，傾向南東東，傾角50°～70°。兩斷層僅相距160 m，均發育于二疊系地層中，將煤層錯斷，斷距為60～280 m。

圖2 水江煤礦地質構造Fig.2 Geological structure of Shuijiang Coal Mine

1.3 試驗方案

煤層瓦斯作為突出的主要能量來源，其形成的沖擊氣流一定程度上直接決定著突出煤-瓦斯兩相流的沖擊動力學行為。再者，突出煤粉流的運動完全借助于氣相(煤層瓦斯)曳力。因此，突出致災特性的研究應重點關注突出氣流的形成機理與流動規律。為真實還原工作面前方煤層的應力分布狀態，將其由工作面向煤層深部分別劃分為卸壓區(和)、應力集中區(和)、過渡區(和)和原巖應力區(和)等4個應力區域，地應力加載方案詳見表1，各參數的設定方法詳見文獻[35]。同時，設定煤層瓦斯壓力為2.0 MPa，突出口徑為30 mm等初始條件，著重分析突出過程中煤層內瓦斯壓力下降規律、巷道內沖擊氣流和煤粉的運動特征以及煤-瓦斯兩相流沖擊力演化等方面，以便于深入探討沖擊氣流的形成與流動規律。

表1 地應力加載方案

煤層與巷道由泄爆裝置連接，泄爆裝置由夾持器和兩級爆破片組成。突出啟動時，向其內部快速充入氣體沖破巷道一側爆破片，使其壓力瞬間降為大氣壓。而煤層一側爆破片受煤層瓦斯壓力和外部壓力差影響，瞬間被沖破，從而實現快速卸壓。圖3為傳感器布置示意，煤層內共布置12個氣壓傳感器，其中，卸壓區和應力集中區分別布置5個氣壓傳感器；過渡區和原巖應力區分別布置1個氣壓傳感器。重點關注突出孔洞附近區域壓降規律。巷道內共布置6個沖擊力傳感器，在距突出口1 000 mm和2 000 mm處分別劃分為斷面和斷面，2個斷面上各布置3個沖擊力傳感器。傳感器具體位置及其編號如圖3所示。另外，在巷道外，斷面之間架設1個高速攝像機，用于捕捉突出過程中煤-瓦斯兩相流的運動特征。

圖3 傳感器布置示意Fig.3 Schematic diagram of sensor layout

1.4 試驗步驟

試驗流程如圖4所示。首先將配制好的煤樣分4次裝入試件箱體中壓制成型，成型壓力為10 MPa，并在預設位置安裝氣壓傳感器。煤樣配制過程及其配比詳見文獻[36]。隨后通過泄壓裝置連接試件箱體和巷道并檢查試件箱體氣密性。在氣密性完好的情況下開始抽真空，并于1 h后分階段向試件箱體內注入突出氣體(出于試驗安全考慮，采用CO氣體)至預設瓦斯壓力。當煤層瓦斯達到吸附平衡狀態時開始加載三向地應力至預設值。而后開啟并調節數據采集系統、安裝高速攝像機。在準備工作完備無誤情況下開啟泄爆裝置誘導突出，完成瞬間泄爆。

圖4 試驗流程Fig.4 Flow chart of experiment

2 試驗結果及分析

2.1 煤層瓦斯壓力演化規律

圖5為突出過程中不同區域內煤層瓦斯壓力的演化過程。由圖5(a)可知，突出啟動后，卸壓區的瓦斯壓力下降過程呈現出5個明顯的階段性起伏，分別標注為C1～C5。C1階段中，縱向方向上和測點瓦斯壓力出現回升，漲幅分別為16.2%和23.0%。C2階段中，測點瓦斯壓力開始與，同步出現階段性回升，且幅度近似。從C3階段開始，卸壓區所有測點的瓦斯壓力皆同步出現階段性起伏現象。胡千庭等認為突出過程是呈間歇式發展的。ZHOU等在前期的研究成果中重點討論了突出過程中的回升現象，并稱之為突出的脈沖特性。這種脈沖特性可能來源于2個方面的原因：其一，突出過程中，大量煤粉堆積在突出口附近，阻礙煤-瓦斯兩相流的噴出，致使煤層瓦斯壓力升高；其二，高速流體在突出口處達到聲速時，產生了壅塞現象所引起的瓦斯壓力升高。此外，值得注意的是，在突出前期卸壓區內，縱向(，)的瓦斯壓力下降速率快于橫向(，)，測點瓦斯壓力在0.08 s內由2.0 MPa下降至1.231 MPa，下降率高達9.61 MPa/s。而后隨著突出的發展，各測點瓦斯壓力下降率趨于一致，且下降率逐漸減緩。

圖5(b)為應力集中區瓦斯壓力演化曲線。類似地，在該區域內瓦斯壓力下降過程呈現出2個明顯的階段性起伏，且漲幅均不高。突出過程中，卸壓區內近突出口煤粉被拋出，形成突出孔洞。應力集中區內由于瓦斯壓力梯度的存在，煤層內吸附瓦斯持續解吸，向突出孔洞匯集。但隨著突出的發展，瓦斯壓力的下降，突出孔洞內瓦斯氣流不足以帶動煤粉向巷道內噴射出，大量煤粉堆積在突出口內形成封閉空間，從而致使應力集中區的瓦斯壓力小幅度回升。當瓦斯壓力梯度足夠沖破突出口處堵塞的煤粉時，再次發生突出，瓦斯壓力再次降低。因此，應力集中區瓦斯壓力回升現象與卸壓區C4和C5同步。從下降速率角度，，和明顯快于和。在水平方向上，右側瓦斯壓力下降速率明顯快于左側。說明在突出過程中，煤層內部孔隙裂隙發育在右側和下側較為充分，從而致使該處瓦斯壓力下降較快。

對于過渡區(圖5(c))，也存在回升現象，但該現象已經不再明顯。突出中后期，當煤體支撐壓力達到地應力水平時，煤體內部孔隙裂隙被壓密，致使瓦斯壓力有小幅度升高。當地應力進一步增加時，煤體再次破碎，使得瓦斯壓力再次下降。對于原巖應力區(圖5(d)),該處距突出孔洞較遠，瓦斯壓力下降類似于常見的解吸過程。

圖5 煤層瓦斯壓力演化過程Fig.5 Evolution process of coal seam gas pressure

2.2 煤層地應力演化規律

圖6為突出過程中不同區域內煤層地應力的演化過程。由圖6可知，突出過程中應力的變化主要集中在卸壓區、應力集中區和過渡區。其中，，，，，，的應力最大下降量分別為0.85，0.30，3.31，1.92，1.44，0.61 MPa。由此可見，應力變化最大的是應力集中區，其次是過渡區。當然，從下降百分比的角度，卸壓區中最大主應力下降了85%，該方向上的應力下降百分比最大。值得注意的是，煤與瓦斯突出過程中最大主應力(垂直應力)的下降量和下降百分比皆高于最小主應力(水平應力)。就卸壓區而言，應力下降過程中出現了階段性平穩或回升現象。其中，最大主應力在經歷3次階段性平穩或回升后迅速下降至0.15 MPa；最小主應力在經歷2次階段性平穩或回升后呈現緩慢增長的趨勢。就應力集中區而言，存在與卸壓區類似的現象，在下降過程中也有階段性平穩或回升，并且在后期應力有緩慢增長的趨勢。不同的是，該區域應力下降速率較快，最大主應力和最小主應力下降趨勢近似，且階段性平穩或回升現象的次數及持續時間較少。對于過渡區，最大主應力和最小主應力皆體現出先緩慢上升后迅速下降再回升的演化趨勢。而就原巖應力區而言，其應力變化幅度較小，受突出擾動最弱。該區域最大主應力呈先緩慢上升后緩慢下降趨勢，最小主應力則呈單一緩慢下降趨勢。

圖6 煤層地應力演化過程Fig.6 Evolution process of coal seam in-situ stress

突出過程中應力下降呈現出的階段性平穩或回升現象說明該過程能量的釋放是分階段完成的。同時，在突出中后期，卸壓區、應力集中區、過渡區和原巖應力區皆出現了應力緩慢增長的趨勢，說明突出過程中煤層內部發生了應力轉移，并于最后保持一個新的應力平衡狀態。此外，值得注意的是，應力的響應時間將隨煤層深部的發展而延后。

2.3 煤-瓦斯兩相流運動特征

圖7(a)間接得出了突出前2.5 ms內沖擊氣流的運動狀態。需要說明的是，在連接巷道時，筆者在突出口靠近巷道方向的中心軸線上放置了10個直徑為5 mm的泡沫球、5個直徑為10 mm的泡沫球、2個直徑為 20 mm的泡沫球以及1個直徑為40 mm的乒乓球。用泡沫球和乒乓球的運動速度間接表征起始時刻沖擊氣流的流動速度。通過顆粒流動力學可知，由于泡沫球和乒乓球的質量極小，其速度直接取決于氣流對其的曳力作用，此時氣流速度應大于顆粒流速度。因此，沖擊氣流表征速度小于真實值。在突出0.5 ms，有1個明顯的泡沫球軌跡出現，并運移到標準刻度尺72 cm處。隨后在1.0 ms，該泡沫球運移至86.6 cm處，同時，有更多的泡沫球軌跡出現。綜上，可通過第1例泡沫球運移軌跡估算出其運移速度約為292 m/s。在突出1.5 ms時，受破壞的乒乓球運移至76 cm處，速度稍慢于更輕的泡沫球。在突出2.0 ms時，乒乓球運移到89 cm處，可計算其速度約為260 m/s。值得注意的是，從2.0 ms到2.5 ms期間，觀察發現后續的泡沫球速度有較大的減緩，此時在巷道內部形成旋渦區。

沖擊氣流經突出口進入巷道空間過程可近似看成氣流由截面較小的管道流入截面較大的管道中，流動為非定常紊流狀態。在管道截面突然擴大的地方，由于慣性的作用，流體質點的運動軌跡是不可能突然轉彎的，因此，沖擊氣流在運移一段距離后才占據整個巷道截面。在此之前，近突出口區域內會產生許多旋渦，形成旋渦區。試驗現象中，由于泡沫球質量遠小于乒乓球的質量，其受氣流黏性力的影響大于所受的慣性力。因此導致部分泡沫球隨氣流進入旋渦區，速度驟減。而乒乓球受慣性力影響持續向前運移。

圖7(b)可直接觀察出煤粉流的運動特征。在突出20.5 ms時，煤粉流運移至標準刻度尺74.5 cm處，呈現出圓弧形射流狀。隨后在21.0 ms和21.5 ms時分別運移至78 cm和81 cm處，煤粉流速度從70 m/s下降至60 m/s。自22.0 ms起，煤粉流受上部旋渦區影響較大，部分細顆粒煤粉速度降低并向上運動，導致煤粉流流型體現不明顯。但可通過巷道內泡沫碎片的可視度估算出煤粉流速度，呈持續下降的趨勢。

圖7 突出過程中煤-瓦斯兩相流運動特征Fig.7 Movement characteristics of coal-gas two-phase flow during outburst

綜上所述，沖擊氣流經突出口進入巷道空間后，其流速可高達300 m/s及以上，甚至可達到聲速-超聲速狀態，具有強烈的沖擊致災特性。此時，沖擊氣流動壓沖擊致災十分劇烈，是人員傷亡、設施設備損壞的最初因素。煤粉流速度在突出氣流曳力的帶動下可達70 m/s，呈圓弧形射流狀，對突出口附近巷道空間內人員及設施也具有一定的沖擊損傷危害。由此可見，對突出過程中巷道內流體的沖擊動力學行為的研究是不可忽視的。此外，沖擊氣流速度遠大于煤粉流速度，在突出瞬間存在氣流先行煤粉滯后的現象，將突出過程中巷道內流體運移分為單相氣流階段和煤-瓦斯兩相流階段，其中單相氣流階段僅包含沖擊氣流，而煤-瓦斯兩相流階段則同時包含沖擊氣流和煤粉流。

2.4 沖擊力演化規律

由上文可知，突出過程中無論是突出瞬間短暫的沖擊氣流及沖擊波，還是隨后沖擊氣流攜帶煤粉形成的煤-瓦斯兩相流都能夠產生強大的沖擊力，可瞬間造成人員傷亡并摧毀井下設施。因此，探究突出過程中巷道內沖擊力演化規律對合理安排防突柵欄、避難硐室等設施的布置、如何制定有效的災后應急救援預案等有指導性作用。圖8為突出過程中巷道內，兩斷面不同位置的沖擊力演化。

圖8 巷道沖擊力演化過程Fig.8 Evolution process of the impact force in the roadway

由圖8可知，突出啟動后，巷道內沖擊力先迅速上升至最高點，隨后呈波動式下降趨勢。在距突出口1 000 mm處的斷面上，測點波動最為頻繁，說明與突出口處于同一中心軸線上且距其較近的位置在突出過程中反應最為劇烈，但強度不一定最大。即，，位置在突出過程中所測得的峰值沖擊力分別為122.0，405.6，46.0 kPa。整個斷面的各位置的峰值沖擊力相差較大，同時，，，位置的沖擊力局部演化趨勢大相徑庭。由此說明，突出過程中巷道內各斷面所受沖擊力呈現不均勻性。在距突出口2 000 mm處的斷面上，測點在上升前有一小段負壓作用。，，位置在突出過程中所測得的峰值沖擊力分別為64.0，171.5，93.0 kPa，與斷面一樣，表現出受力不均勻特性。

對比，斷面可知，和的沖擊力對比和有大幅度減小，反而的沖擊力對比有小幅度上升。說明在近突出口區域，強沖擊力主要分布在巷道斷面的中心內圈位置。而隨著流體的運移，強沖擊力有從斷面中心內部向外部擴展的趨勢。分析認為，當突出流體經過突出口向較大的巷道空間噴射時，由于慣性的作用，流體質點的運動軌跡是不可能突然轉彎的，流體呈射流狀。隨后，突出流體在運移一段距離后才占據整個巷道斷面。而沖擊力的大小與流體質點的運移緊密相連，因此，強沖擊力有從斷面中心內部向外部擴展的趨勢。

圖9給出了不同位置的沖擊力隨時刻的演化過程。由圖7煤粉流速度估算可知，前18 ms內，斷面僅受沖擊氣流影響，因此，圖9可反映突出過程中單相氣流階段巷道沖擊力的響應特征。由圖9可知，在單相氣流階段，和等位置的沖擊力響應較為微弱；位置沖擊力先下降至負壓狀態，隨后在8 ms時上升至225.0 kPa，而后再經歷一次下降后上升；位置在經歷過微小上升后下降至-73.5 kPa，而后緩慢上升；位置則呈先上升后下降的趨勢。由此可見，在單相氣流階段，巷道斷面部分區域出現了沖擊力陡增現象，同時，該現象對后一斷面產生影響，使其沖擊力處于負壓狀態。另外，斷面沖擊力分布不均勻特征也在該階段得以體現。

圖9 不同位置沖擊力的演化過程Fig.9 Evolution process of impact force at different positions in the roadway

3 沖擊氣流形成及其運移理論分析

煤層瓦斯一方面作為突出的參與介質，另一方面作為突出的主要能量來源，其對突出的致災特性起到至關重要的作用。突出過程中產生的沖擊氣流和沖擊波具有較大的破壞性。開展沖擊氣流的形成及其傳播過程的研究，探究突出過程中巷道內氣流速度和靜壓的分布特征、作用時間及其致災范圍，從而合理安排防突風門、防突柵欄、避難硐室等設施的布置，有益于減小沖擊災害的損傷，對災后應急救援措施的設計、技術控制災害的擴大、防止次生災害的發生等具有實際的指導意義。

3.1 沖擊氣流形成過程中氣流參數分析

突出過程中，突出孔洞截面面積變化、氣流與孔壁間的摩擦、熱量的交換等因素皆可影響沖擊氣流的流動狀態。然而，各因素對沖擊氣流的影響有著主次之分。由于氣流速度較快，與孔壁接觸時間較短，可忽略熱量的散失。同時，氣流與孔壁之間的摩擦主要是在緊貼孔壁的附面層內。因此，就整個突出過程而言，該摩擦作用很小，可忽略不計。由上述可知，煤與瓦斯突出沖擊氣流主要受截面面積變化的影響。

綜上，筆者假設在突出過程中氣體與外界無熱量和功的交換，不計氣體與孔壁的摩擦作用，且氣流流動是一維定常的。由氣體動力學理論可給出突出氣流的連續方程、動量方程和能量方程的微分形式：

(1)

(2)

(3)

式中，為突出氣體密度；為截面面積；為突出氣體速度；為突出氣體壓強；為突出氣體絕熱指數；為突出氣體馬赫數；為突出氣體溫度。

(4)

(5)

若將d看作獨立變量，則由式(1)～(5)可解出d，d，d,d以及d與d的關系，即

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

由微分式(6)～(10)可以發現，當氣流是亞聲速流時(<1)，若增大截面面積，則必然引起壓強的增大、密度的增加、速度的減小、溫度的升高以及馬赫數的減小；當氣流是超聲速流時(>1)，若增大截面面積，則必然引起壓強的減小、密度的減小、速度的增大、溫度的降低以及馬赫數的增大；當氣流是聲速氣流時(=1)，若該處速度有變化，即d≠0，則d=0，該截面為臨界截面。由氣體動力學可知，臨界截面一定是管道的最小截面，氣流速度只能在最小截面處達到當地聲速。當然，在最小截面處氣流是否達到當地聲速取決于管道進出口處的壓強比值。

3.2 沖擊氣流形成模型

突出發生后，在煤層內產生的不規則三維孔狀幾何結構被稱為突出孔洞。陶云奇通過突出試驗發現突出孔洞大多呈不規則的口小腔大的梨形、橢圓形等形狀。郭臣業等分析了重慶某煤礦近30多年的突出數據，得出了突出孔洞多位于巷道上方，具有“口袋”形狀。張慶賀等發現突出煤層由揭露口向內呈口小腔大的粉碎破壞。胡千庭等將突出孔洞形狀分為了口袋形、錐形和圓柱形3類。由此可見，突出孔洞主要表現出“口小腔大”特征。因此，結合流體力學、氣體動力學等理論，建立以拉伐爾噴管為基礎的沖擊氣流形成模型，如圖10所示。模型由突出孔洞和巷道空間等2部分組成。

圖10 沖擊氣流形成模型Fig.10 Formation model of outburst impact airflow

突出過程中，突出孔洞內瓦斯氣體在高壓強差作用下向突出口運移，形成亞聲速流；隨著突出孔洞截面面積不斷減小，由上述氣流參數分析可知，此過程氣流速度不斷升高，并于突出口處達到當地聲速；隨后由于巷道空間截面面積的突然增大，氣流在向巷道噴射過程中進一步加速到超聲速流動狀態，具有一定沖擊破壞特性，即形成沖擊氣流；沖擊氣流的沖擊動力學行為在巷道內運移過程中受摩擦阻力影響逐漸衰減。沖擊氣流的形成受煤層瓦斯壓力(高壓強差)、突出孔洞形態的影響較大，而沖擊氣流的運移流動更多受巷道布置方式、巷道斷面形狀等因素的影響。值得注意的是，突出發生瞬間，沖擊氣流以聲速或超聲速狀態進入巷道并迅速膨脹，沖擊壓縮巷道內原有的空氣，使其壓力、密度、溫度等物理量突變，并形成一系列壓縮波沿巷道傳播。隨著煤層內高壓瓦斯不斷向巷道空間膨脹做功，后面的壓縮波可追上前面的壓縮波并疊加在一起，當多個壓縮波疊加時便形成一道更強的壓縮波，即沖擊波。

3.3 膨脹波和壓縮波的形成

突出發生后，受高瓦斯壓力梯度的影響，氣流在突出口內處于超臨界流動狀態，在出口截面上的氣流壓強大于巷道內的氣體壓強，此時氣流未得到完全膨脹。因此，氣流從突出口噴出后會繼續膨脹，其速度持續增大成為超聲速氣流。一般情況下，在超聲速流場中，膨脹波和壓縮波是其特有的重要現象。當氣流經過每一道膨脹波或壓縮波時，其內部參數必將發生微小變化，從而影響氣流的流動狀態。

圖11 膨脹波與壓縮波的形成Fig.11 Formation of expansion and compression waves

3.4 沖擊氣流在巷道內的運移

當氣流進入巷道空間后，壁面截面突然變大，則可將其看成流經上下凸折面的過程，由上述的膨脹波形成理論可知，在突出口邊緣的和′處，將會產生2組膨脹波束，分別用一道膨脹波和′來表示，如圖12所示。當沖擊氣流由①區經過波和′進入到②，③區后，交點之后將會形成一個楔形真空區，在靜壓的作用下突出氣流必須再次膨脹以填滿此空間。因此，在點必產生2道膨脹波與射流邊界和′′交于和′點。當沖擊氣流由②，③區經膨脹波進入④區時，分別向上和向下轉折一個角度，使得④區內氣流平行于軸向方向。但是，由于突出氣流再一次膨脹，④區內氣流的靜壓將低于②，③區。因此，導致外界氣體壓縮射流，在射流中產生2道壓縮波和′。與膨脹波的相交同理，當④區氣流經過波和′進入到⑤，⑥區后，交點之后將會形成一個錐形壓縮區，在靜壓的作用下突出氣流必須再次壓縮以釋放此空間壓強。因此，在點必產生2道壓縮波與射流邊界和′′交于和′點。此后，從′截面開始，又將重復上述流動過程。綜上可知，沖擊氣流從突出口噴出后在巷道空間內呈射流狀，并且會在射流中周期性地出現膨脹波區和壓縮波區，同時射流截面會出現周期性地先擴大后縮小現象，從而導致射流邊界上下起伏呈波紋狀。值得注意的是，在沖擊氣流流動過程中，由于氣體黏性的作用，氣流射入巷道未擾動空間后，其逐漸與周圍氣體摻混，從而引起射流范圍逐漸擴大，能量逐漸衰減。

圖12 沖擊氣流運移流動模型Fig.12 Migration flow model of outburst impact airflow

4 沖擊氣流形成及運移的數值模擬

4.1 幾何模型及邊界條件

依據前述分析的沖擊氣流形成特點，結合試驗中設備的真實尺寸，建立“煤層-突出口-巷道空間”突出幾何模型，如圖13所示。模型整體長3 m、寬0.4 m；煤層部分長0.1 m；突出口長0.3 m，寬30 mm；巷道空間由錐形擴口和直巷組成，總長2.6 m。

筆者主要從沖擊氣流角度探究突出過程中動力致災效應，忽略突出過程中煤粉顆粒對其影響，因此，開展了單相氣流數值模擬。入口設置在煤層，入口壓力為2.1節所得的卸壓區煤層瓦斯壓力曲線，溫度設置為303 K；壁面邊界條件設置為無滑移流動；出口壓力設置為標準大氣壓，其流動條件為亞聲速-超聲速混合流動；整個“煤層-突出口-巷道空間”內部初始氣壓為一個大氣壓，溫度為303 K。

圖13 突出幾何模型Fig.13 Geometric model of coal and gas outburst

4.2 沖擊氣流速度演變

圖14為沖擊氣流速度的演化過程。突出2 ms時，氣流經突出口后形成超聲速沖擊氣流，在巷道內呈現射流狀，形成高速射流區，同時，其前端氣流繼續膨脹至巷道邊緣。突出4 ms時，高速射流區持續擴大，射流前端已形成平穩運移區，且在高速射流區和巷道壁面之間形成了2個明顯的旋渦區。值得注意的是，在高速射流區內，沖擊氣流存在膨脹-壓縮現象，且已完成1次該循環。突出6 ms時，平穩運移區持續擴大，高速射流區內沖擊氣流的第2次膨脹-壓縮循環即將完成，在高速射流區和巷道壁面之間逐漸形成回流區，回流區與高速射流區分界面出現明顯的流速差，形成了強剪切層，同時，在強剪切層內出現了渦旋。突出8 ms時，突出氣流運移至出口處，第3次膨脹-壓縮循環已開始，并且在射流前端形成了橢圓形流速“真空區”。隨著突出的發展，高速射流區不斷擴展至巷道末端，平穩運移區逐漸消失，最終形成4個完整的膨脹-壓縮波系。

圖14 沖擊氣流速度演變過程Fig.14 Impact airflow velocity evolution process

通過圖14可以印證上文的理論及試驗。氣流在受突出口截面面積變化的影響后于巷道內加速形成超聲速沖擊氣流；超聲速氣流運移過程中受膨脹波和壓縮波的影響，在巷道空間內呈射流狀，并且會在射流中周期性地出現膨脹波區和壓縮波區；在高速射流區和巷道壁面之間形成回流區，有旋渦的存在；由于突出口后氣流呈射流狀，速度在巷道斷面內分布不均勻，從而導致其受力具有不均勻特性。

4.3 沖擊氣流靜壓演變

圖15為沖擊氣流靜壓的演化過程。由等值線可發現，突出20 ms內煤層(0<<0.1 m)瓦斯壓力維持在較高水平。突出2 ms時，沖擊氣流自突出口噴出后，在巷道內迅速膨脹并壓縮空間內原有空氣，使其壓力、密度、溫度躍升，形成空氣壓縮區。在一系列壓縮波疊加后，于空氣壓縮區最前方形成了一道明顯的空氣沖擊波。與此同時，在高速射流區內由于膨脹波的作用，形成了一個楔形真空區，呈負壓狀態。突出4 ms時，沖擊氣流受壓縮波影響，在楔形真空區后形成一個錐形壓縮區，呈正壓狀態。突出8 ms時，空氣壓縮區擴大到巷道末端，2個真空區和2個壓縮區相間存在。此后，隨著沖擊氣流的運移傳播，空氣壓縮區不斷減小，巷道內產生更多的真空區和壓縮區。突出12～20 ms，首對真空-壓縮區內，氣流靜壓值及其作用范圍變化不大，此后所有真空區作用范圍逐漸增大。對于第2個壓縮區，其靜壓值呈現先減小后增大再減小的趨勢，同樣地，隨后的壓縮區也有類似的規律。

圖15 沖擊氣流靜壓演變過程Fig.15 Static pressure evolution process

同樣地，通過圖15也可以印證上文的理論及試驗。沖擊氣流形成的過程中，未受擾動的巷道空氣受到壓縮形成空氣沖擊波，沿巷道運移傳播；超聲速氣流內受膨脹波的影響會形成楔形真空區，此時該區域呈負壓狀態；超聲速氣流內受壓縮波的影響會形成錐形壓縮區，此時該區域呈正壓狀態；空氣沖擊波后的巷道呈正壓狀態，高速射流區域內的巷道以負壓為主。

5 結 論

(1)突出過程中，煤層瓦斯壓力下降速率呈現由快到慢的趨勢。根據不同位置瓦斯壓力下降速率可推斷出試驗煤層內部孔隙裂隙的發育在右側和下側較為充分。在卸壓區和應力集中區的下降過程中存在明顯的階段性回升現象，突顯出突出過程中的脈沖特性。突出過程中，應力的變化主要集中在卸壓區、應力集中區和過渡區，其中，最大主應力的下降量和下降百分比皆高于最小主應力。在應力下降過程中出現了階段性平穩或回升現象，說明能量的釋放是分階段完成的。

(2)氣流經突出口進入巷道后形成高速沖擊氣流，其流速可高達300 m/s及以上；煤粉流速度在氣流曳力的帶動下可達70 m/s，呈圓弧形射流狀。突出瞬間，沖擊氣流速度遠大于煤粉流速度，存在氣流先行煤粉滯后的現象，將突出過程中巷道內流體運移分為單相氣流階段和煤-瓦斯兩相流階段。

(3)突出過程中，巷道沖擊力反應劇烈程度和其大小關系不顯著，且同一斷面受沖擊力大小呈現不均特征。在近突出口區域，強沖擊力主要分布在巷道斷面的中心內圈，而隨距離的增加，強沖擊力有從斷面中心向外部擴展的趨勢。在單相氣流階段，巷道斷面部分區域出現了沖擊力陡增現象，同時，該現象使后一斷面沖擊力處于負壓狀態。

(4)結合試驗分析以及流體力學、氣體動力學等理論指導，建立以拉伐爾噴管為基礎的沖擊氣流形成模型。氣流經突出孔洞加速成為超聲速氣流，沖擊氣流的形成與煤層瓦斯壓力、突出孔洞形貌特征有直接關聯。根據膨脹波-壓縮波的形成理論建立沖擊氣流在巷道內的運移模型。沖擊氣流在巷道內呈射流狀，并且在射流中會周期性地出現膨脹波區和壓縮波區，同時射流截面會出現周期性地先擴大后縮小現象，從而導致射流邊界上下起伏呈波紋狀。

(5)沖擊氣流運移過程中可劃分高速射流區、平穩運移區、回流區等區域，高速射流區和回流區之間有旋渦的存在；氣流速度在巷道斷面內分布不均勻，從而導致其受力具有不均勻特性；超聲速氣流內受膨脹波和壓縮波的影響分別會形成楔形真空區和錐形壓縮區；空氣沖擊波后的巷道呈正壓狀態，高速射流區域內的巷道以負壓為主。

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