瓦斯壓力對煤與瓦斯突出沖擊波傳播的影響研究

蔣安飛，孫東玲，劉延保，曹 偈，楊雪林，戴林超

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013； 2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤與瓦斯突出(簡稱“突出”)是井下采掘過程中，在特定的條件下，破碎煤巖和高壓瓦斯從工作面瞬間涌入巷道空間的一種動力現象。突出發(fā)生時，涌入巷道內的煤巖和瓦斯會形成煤—瓦斯兩相流，并常伴有巨響及氣浪等現象，會造成巷道設施損毀，人員傷亡，嚴重時還可能引起瓦斯煤塵爆炸，導致更大規(guī)模的二次破壞[1-3]。從第一次有記錄的煤與瓦斯突出事故以來，國內外學者開展了大量的研究工作，包括理論分析、實驗研究及數值模擬，并且取得了豐碩的成果[4-6]。尤其是實驗研究成果，能夠直觀地反映煤與瓦斯突出的規(guī)律和特點。然而，現有的突出模擬實驗研究大多針對煤與瓦斯突出發(fā)生的條件、影響因素及煤與瓦斯突出之前的預測預報，對于突出發(fā)生后煤—瓦斯兩相流在巷道內的運動特點和致災特征缺乏深入的研究[7-9]。為此，筆者將以不同瓦斯壓力對煤與瓦斯突出沖擊波傳播的影響為切入點，深入研究突出后煤—瓦斯兩相流的致災機制，以期能夠進一步了解煤與瓦斯突出過程與機理，最終有效防治煤與瓦斯突出。

1 實驗系統構成

為了觀察研究煤與瓦斯突出后，沖擊波在巷道內的傳播規(guī)律，自主研發(fā)了一套突出煤—瓦斯兩相流模擬實驗系統，其由充氣系統、突出模擬腔體、突出泄壓裝置、實驗模擬巷道及數據采集系統等5個部分組成，如圖1所示。

P1、P2—氣壓傳感器；P3、P4、P5—沖擊波超壓傳感器。

1)充氣系統：由高壓空氣氣瓶、減壓閥及高壓充氣管等組成。

2)突出模擬腔體：由不銹鋼制成，內腔直徑為20 cm、長為30 cm。為了模擬突出口“口小腔大”的特點，在與突出泄壓裝置連接部分預留一個直徑為10 cm的開口，同時也作為裝煤口。突出腔體一次性裝煤量約為10 kg(破碎煤粒)，設計耐壓值為 5 MPa。

3)突出泄壓裝置：本次實驗采用風動閥來實現突出口的快速開啟。風動閥連接突出腔體與實驗巷道，由高壓空氣控制，當往突出腔體中加壓時，風動閥閉合；當突出腔體內的氣壓穩(wěn)定時，打開風動閥，實現煤—瓦斯兩相流快速突出。

4)實驗模擬巷道：采用高透光率、高強度的亞克力材料制成，設計管道內徑10 cm、壁厚2 cm，耐壓強度3 MPa左右，每節(jié)管道長1 m，一共 8節(jié)，每節(jié)管道之間用法蘭盤和墊片密封連接。

5)數據采集裝置：具有多通道快速采集功能。本次實驗主要用來采集突出發(fā)生后，管道內產生的沖擊波超壓值。

2 實驗設計

2.1 沖擊波超壓傳感器布置

實驗中，為了實時監(jiān)測突出腔體內的氣壓變化，在腔體上安裝了2個氣壓傳感器，分別距離突出口0.50、0.30 m，從遠到近分別命名為P1和P2。同時在模擬巷道的頂部按不同距離安裝有3個沖擊波超壓傳感器，與突出口的距離分別為0.65、3.90、6.90 m，從近到遠分別命名為P3、P4、P5(見圖1)。

2.2 高速攝像機布置

高速攝像機可以記錄突出發(fā)生后，煤—瓦斯兩相流在實驗巷道內的運動特征。布置在實驗巷道一側，距離突出口0.65 m，正對著P3傳感器。

2.3 實驗方案及步驟

本次實驗的目的是研究瓦斯壓力對煤與瓦斯突出沖擊波傳播的影響。考慮到突出腔體的密封性及安全性，確定采用空氣代替瓦斯作為實驗氣體，實驗氣體壓力分別為0.1、0.3、0.5 MPa。

具體實驗步驟如下：

1)將篩分好的煤樣(粒徑3～10 mm)裝入突出腔體內，并固定在實驗支架上，同時用螺栓和墊片將突出腔體與突出泄壓裝置連接、密封。

2)將實驗巷道與突出泄壓裝置連接，并使用法蘭盤和螺栓將剩余的巷道依次連接、密封，全部固定在實驗支架上，保證其穩(wěn)定性。

3)調試用于數據采集的氣壓傳感器和高速攝像機，保證其能正常工作。

4)向突出腔體內充入0.1 MPa的瓦斯，同時觀察突出腔體上2個氣壓傳感器讀數，確保突出腔體不漏氣，然后持續(xù)向突出腔體內充入高壓瓦斯，使其在0.1 MPa壓力下保持24 h以上。

5)突出實驗結束后，數據采集系統停止采集，復制數據，清理突出腔體和實驗巷道內的煤粉。

6)重復以上步驟，分別開展氣體壓力為0.3 MPa和0.5 MPa的實驗。

3 實驗結果及分析

3.1 突出陣面在煤體中的傳播

實驗氣體壓力為0.1 MPa時突出腔體上P1、P2傳感器測得的氣體壓力隨時間的變化曲線如圖2 所示。

(a)P1傳感器

(b)P2傳感器

由圖2可知，當突出啟動后，P1、P2傳感器上的壓力值迅速降低，從0.1 MPa到0 MPa整個過程只有200 ms左右，說明當失穩(wěn)煤體從煤壁上剝離下來之后，在瓦斯壓力作用下的拋出幾乎可以看作是瞬間的過程。同時驗證了突出泄壓裝置可實現快速打開，能夠滿足模擬突出過程的需求。靠近突出口的P2先卸壓，緊接著P1處的瓦斯壓力也開始下降，前后相差40 ms左右，表明突出啟動后，破碎煤粒在瓦斯壓力的作用下不斷被拋出突出孔洞，而突出陣面則以一定速度不斷地向突出腔體內部發(fā)展[10-11]。觀察P1、P2整個卸壓過程，還可以發(fā)現突出腔體內氣壓的減小并不是一個平滑的、單調遞減的過程，壓力在下降過程中會出現小幅度的升高，分析該現象出現的原因主要是突出腔體內的煤粒充填過于致密，使得顆粒間的瓦斯流動非常困難，阻礙了瓦斯的瞬間釋放，加之突出口具有“口小腔大”的特點，突出口進一步阻礙瓦斯釋放，導致腔體內的瓦斯壓力下降不是一個單調遞減的過程，隨著煤顆粒的不斷拋出，顆粒間瓦斯流動的阻礙消失，瓦斯得到了充分釋放，腔體上沖擊波超壓傳感器的讀數出現了輕微波動。

3.2 沖擊波在巷道內的傳播

實驗氣體壓力為0.1、0.3、0.5 MPa時P3、P4、P5傳感器測得的沖擊波超壓隨時間的變化曲線如圖3所示。

(a)氣體壓力0.1 MPa

(b)氣體壓力0.3 MPa

(c)氣體壓力0.5 MPa

從圖3可以看出，實驗巷道內產生的沖擊波超壓波形圖都呈現正壓相和負壓相交替變化的局面，在正壓相和負壓相之間來回震蕩后，最后穩(wěn)定在常壓。分析上述現象出現的原因是：突出口突然打開時，由于腔體內外巨大的壓差，腔體內的高壓瓦斯迅速從突出口向外膨脹，高壓瓦斯在沿著巷道向外膨脹的過程中，擠壓巷道內的空氣形成沖擊波，由于沖擊波是在有限的空間內產生的，沖擊波波陣面只能沿著巷道方向運動，當波陣面到達P3、P4、P5氣壓傳感器時，瞬間出現峰值；隨著突出的進行，沖擊波超壓在達到最大值后受能量損失的影響，峰值超壓迅速下降，形成正壓相，此時受壓縮空氣區(qū)還在不斷膨脹，進而導致受壓縮空氣區(qū)內的壓力不斷下降，當受壓縮空氣區(qū)內的壓力降低到和周圍大氣壓力相等時，受壓縮空氣區(qū)由于慣性的作用還在繼續(xù)膨脹，使得其內部壓力進一步降低，出現了負壓相。同時還可以發(fā)現整個氣壓的變化過程基本在1 s內完成，初始氣壓越高，則時間越短。說明突出發(fā)動后，瞬間形成的氣體沖擊波以極快的速度在巷道內傳播，對井下人員和生產設備造成嚴重的威脅。

將每個傳感器位置上沖擊波超壓的峰值定為該測點的特征值，根據突出沖擊波陣面?zhèn)鞑ニ俣裙絒12-13]計算得出各測點陣面?zhèn)鞑ニ俣龋浾碛嬎愕南嚓P數據如表1所示。

表1 不同氣體壓力下產生的沖擊波超壓特征值及陣面?zhèn)鞑ニ俣?/p>

由表1可以看出，各點測得的沖擊波陣面?zhèn)鞑ニ俣葹?40.6～360.5 m/s，進一步證實了實驗中測得的沖擊波超壓數據的可靠性。

通過表1可以發(fā)現2個規(guī)律：

1)規(guī)律一:沖擊波超壓隨瓦斯壓力的增大呈對數函數遞增關系。各測點的超壓峰值與瓦斯壓力大致符合公式y=Alnx+B(y為峰值超壓，kPa；x為瓦斯壓力，MPa；A、B為擬合系數)，擬合結果見表2。

表2 不同瓦斯壓力下沖擊波超壓擬合結果

沖擊波超壓隨瓦斯壓力的增大而增大，突出沖擊波的能量主要來源于煤體內部的瓦斯膨脹能，包括煤的吸附瓦斯膨脹能及游離瓦斯膨脹能，根據瓦斯膨脹能公式[14-15]可以得出突出前瓦斯壓力與瓦斯膨脹呈正相關關系:

(1)

式中：W為瓦斯的膨脹能，kJ；W0為噸煤瓦斯的膨脹能，kJ/t；G為突出的煤量，t；V0為噸煤瓦斯參與做功量，m3/t；n為絕熱指數，取1.25；p0為大氣壓力，取0.1 MPa；pc為突出前瓦斯壓力，MPa。

2)規(guī)律二:沖擊氣流沿巷道的傳播呈現不斷衰減的趨勢，前期衰減較為緩慢，后期衰減加快。

沖擊氣流平均衰減系數計算公式如下[16]:

kij=(Δpi/Δpj)/l

(2)

式中:kij為沖擊氣流由測點i到測點j的平均衰減系數;Δpi、Δpj分別為相鄰2個測點i和j的峰值超壓值，kPa；l為測點i到測點j之間的距離，m。

分別計算各測點沖擊氣流平均衰減系數，結果如表3所示。

表3 各測點的平均衰減系數

從表3中可以發(fā)現，沖擊氣流在巷道內的傳播過程中，后期的衰減系數要大于前期的衰減系數。出現這種現象主要由于瓦斯壓力膨脹所做的總功除了用于壓縮巷道內的空氣產生沖擊波外，還要用于搬運煤顆粒，為煤顆粒運移提供初始動能。當突出口打開后，在極大的壓力差作用下，瓦斯氣流速度瞬間達到峰值，瓦斯與煤顆粒之間的速度差產生的作用力拉動煤粉沿著管道加速，同時煤顆粒的增加反過來又阻礙了沖擊氣流的傳播，加上沖擊氣流沿著巷道傳播時與巷道壁面產生摩擦阻力，且在傳播過程中沒有能量進行補充，導致了沖擊氣流后期的衰減系數要大于前期的衰減系數。

4 結論

為分析瓦斯壓力對煤與瓦斯突出沖擊波傳播的影響，構建了一套突出煤—瓦斯兩相流模擬實驗系統，以不同瓦斯壓力為前提，開展了煤—瓦斯兩相流運移特征的模擬實驗，主要得出以下結論：

1)突出煤體內瓦斯壓力的下降具有由淺入深的特點，證實了突出陣面在煤體內部的傳播是一個逐漸推進的過程。

2)突出后，巷道內的沖擊波超壓呈現正壓相與負壓相交替變化的局面，沖擊波超壓隨瓦斯壓力的增大呈對數函數遞增趨勢。

3)沖擊氣流在巷道內的傳播是不斷衰減的過程，前期衰減比較慢，后期衰減速度加快。