劉 義，石必明，張 煜，張雷林，馬衍坤，鐘 珍

(安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

隨著煤炭開(kāi)采深度的逐漸增加，煤與瓦斯突出事故發(fā)生頻率以及強(qiáng)度明顯增大，導(dǎo)致了大量的人員傷亡以及財(cái)產(chǎn)損失[1]。煤與瓦斯突出在極短的時(shí)間內(nèi)向井下拋出大量煤巖及瓦斯，其中煤-瓦斯構(gòu)成的兩相流能夠沿管道運(yùn)移數(shù)十至數(shù)百米不等，嚴(yán)重威脅著煤礦生產(chǎn)安全[2]。因此，研究煤與瓦斯突出兩相流在巷道中傳播規(guī)律及對(duì)風(fēng)流擾動(dòng)影響，對(duì)礦井防災(zāi)減災(zāi)有著重要意義。

為了探究煤與瓦斯突出氣流在井巷中運(yùn)移規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究[3-5]。王凱等[6]采用數(shù)值模擬方法和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了煤與瓦斯突出沖擊波在巷道內(nèi)的衰減規(guī)律；孫東玲等[7]建立了一維情況下突出煤在管道中的運(yùn)移數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得到突出煤運(yùn)移距離隨著初始?xì)饬魉俣仍龃蠖龃蟮囊?guī)律；張建方等[8]研究發(fā)現(xiàn)突出沖擊波屬于弱沖擊波，并且給出了突出沖擊波傳播規(guī)律的數(shù)學(xué)關(guān)系式；程亮等[9]研究了不同瓦斯壓力下的沖擊力在管道中的傳播規(guī)律以及煤-瓦斯兩相流運(yùn)動(dòng)特征；吳愛(ài)軍等[10]根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)理論分析了沖擊波沿巷道方向傳播規(guī)律，理論闡明了反射波和入射波在突出中的作用機(jī)理。

上述學(xué)者對(duì)煤與瓦斯突出兩相流運(yùn)移規(guī)律的研究多偏向于氣體沖擊或未綜合考慮煤粉分布、煤粉流動(dòng)狀態(tài)和煤粉速度之間關(guān)系。因此，本文利用自主研制的煤與瓦斯突出兩相流實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)，研究煤-瓦斯兩相流突出過(guò)程，分析得出兩相流沖擊壓力變化規(guī)律以及煤粉運(yùn)移分布規(guī)律，研究結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)煤礦井下安全防護(hù)有著一定的參考意義。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

自主研制的煤與瓦斯突出管道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，包含：煤與瓦斯突出發(fā)生裝置、管道系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及傳感器等。突出發(fā)生裝置由突出腔體、氣瓶及快速揭露裝置組成，其中突出腔體由型鋼制成，最大承壓5 MPa，腔體內(nèi)徑200 mm，長(zhǎng)度500 mm，壁厚10 mm，突出口徑40 mm?？焖俳衣堆b置由密封滑塊和連接撬棍構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)時(shí)利用撬棍打開(kāi)突出口密封滑塊，達(dá)到快速泄壓的目的。管道系統(tǒng)由直徑為200 mm，厚度為10 mm的透明亞克力材質(zhì)圓管構(gòu)成，圓管之間采用法蘭連接。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由多通道高速采集器、高速成像系統(tǒng)構(gòu)成，壓力傳感器選用四川拓普公司生產(chǎn)的KD2004系列壓電式壓力傳感器，量程0.5 kPa～1 MPa，靈敏度6 912 Pc/MPa，實(shí)驗(yàn)所用采樣頻率為5 kHz，高速成像系統(tǒng)選用IDT公司生產(chǎn)的Y7系列攝像機(jī)，照片拍攝速率為每秒2 500張。

圖1 煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意

1.2 實(shí)驗(yàn)方案及步驟

本文實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯棵悍?瓦斯耦合作用下煤與瓦斯突出動(dòng)力特征。由于地應(yīng)力對(duì)突出的影響主要集中在突出觸發(fā)前對(duì)煤體的破碎，從突出孔壁上剝落的煤殼(粉體)在高壓氣流的作用下不斷噴出并輸送到巷道空間，突出煤的噴出/輸送主要依賴于瓦斯能，因此對(duì)于突出煤氣流的研究，可以忽略地應(yīng)力的影響，并且實(shí)驗(yàn)也不需要三軸加載系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)煤樣采自淮南謝家集礦區(qū)望峰崗井田C13煤層，煤樣相關(guān)物理參數(shù)如表1所示，將其破碎為6～80目粒徑的粉煤備用，為保證實(shí)驗(yàn)安全，采用二氧化碳?xì)怏w替代煤礦瓦斯，由于中梁山煤礦突出實(shí)驗(yàn)中實(shí)測(cè)的瓦斯-粉煤流靜壓頭為0.3～0.6 MPa，確定實(shí)驗(yàn)突出裝置氣體平衡壓力為0.4 MPa。管道及傳感器布置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)管道總長(zhǎng)15 m，分別在距突出口3.6，7.6，9.6，11.6 m處布置超壓傳感器，并在前3個(gè)測(cè)點(diǎn)處同時(shí)架設(shè)攝像機(jī)。

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣分析

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)稱(chēng)取煤樣15 kg，向突出腔體內(nèi)填充煤樣直至裝滿，隨后將其進(jìn)行密封并檢查氣密性。

2)按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)連接管道系統(tǒng)并安裝壓力傳感器。

3)利用真空泵對(duì)腔體進(jìn)行抽真空脫氣處理。

4)通過(guò)氣瓶向腔體中通入CO2氣體至實(shí)驗(yàn)所需壓力，保持吸附24 h。

5)調(diào)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后打開(kāi)快速揭露裝置啟動(dòng)突出，突出結(jié)束后保存數(shù)據(jù)。

6)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后收集突出煤粉進(jìn)行整理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 突出兩相流沖擊氣流傳播特征

圖2為煤與瓦斯突出發(fā)生后管道內(nèi)不同位置處的沖擊氣流壓力變化曲線。表2為管道內(nèi)不同位置處氣流超壓峰值及衰減率。

表2 管道內(nèi)不同位置處氣流超壓峰值及衰減率

由圖2可知，突出啟動(dòng)后，測(cè)點(diǎn)處壓力快速上升，同時(shí)伴隨著煤粉打擊，壓力升高到峰值后再下降，4個(gè)測(cè)點(diǎn)處壓力上升速率均大于其衰減速率。在壓力衰減階段，各個(gè)測(cè)點(diǎn)壓力均未出現(xiàn)間歇式下降[11]，本文實(shí)驗(yàn)所采用的煤樣瓦斯放散初速度指標(biāo)較小，大量氣體在0～10 s內(nèi)已被快速釋放，因此巷道內(nèi)測(cè)點(diǎn)壓力為連續(xù)性變化。管道中突出沖擊氣流擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，可達(dá)4 s左右。這是由于本次實(shí)驗(yàn)采用40 mm突出口徑，在較小突出口徑的情況下，突出腔體內(nèi)壓力下降速率較低[12]，另外煤粉對(duì)瓦斯吸附性較好，煤樣內(nèi)充斥大量瓦斯氣體，突出啟動(dòng)后大量氣體向外噴出，二者綜合作用導(dǎo)致煤與瓦斯突出對(duì)管道內(nèi)空間造成較長(zhǎng)時(shí)間的影響。

圖2 管道內(nèi)不同位置處沖擊氣流壓力變化曲線

管道內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的壓力變化規(guī)律總體相似，但也存在著一些差異，具體表現(xiàn)如下：由圖2得出，突出后3.6，7.6，9.6，11.6 m處沖擊壓力到達(dá)峰值的時(shí)間分別為1.21，1.75，2.42，3.17 s?？梢钥闯觯嚯x突出口越遠(yuǎn)，峰值壓力出現(xiàn)的時(shí)間也越滯后。圖3為管道不同位置處沖擊氣流峰值壓力變化曲線。由表2和圖3得出，距突出口越遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)其氣流超壓峰值越小，距突出口7.6，9.6,11.6 m處的超壓衰減率分別為15.4%，40.7%，61.8%，可以看出氣流超壓峰值隨著距離的增大而衰減的更快。

圖3 管道不同位置處沖擊氣流峰值壓力變化曲線

2.2 突出煤粉運(yùn)移及分布特征

自突出口起，將管道系統(tǒng)每米劃分為1個(gè)區(qū)域并按照數(shù)字順序進(jìn)行編號(hào)，共劃分成15個(gè)區(qū)域，依據(jù)與突出口距離，由近及遠(yuǎn)，每5個(gè)區(qū)域分別分為前、中、后部，待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分別收集各區(qū)域煤粉并稱(chēng)重，結(jié)果如表3所示。將突出后各區(qū)域煤粉質(zhì)量繪制成如圖4所示。突出后，腔體中一共噴出3.12 kg煤粉，相對(duì)突出強(qiáng)度為20.8%。

表3 各分區(qū)煤粉質(zhì)量分布

圖4 管道內(nèi)不同區(qū)域煤粉質(zhì)量分布

圖5為管道各區(qū)域煤粉堆積分布特征，由圖4與圖5可以看出，模擬管道前部(靠近突出口部位)突出煤粉較少且多為小粒徑煤粉，其質(zhì)量為1.052 kg，占突出煤粉質(zhì)量的33.7%。中部突出的煤粉質(zhì)量分布最大，一共為1.9 kg，占突出煤粉總質(zhì)量的61%，其煤粉的粒徑分布范圍較廣。后部突出煤粉占比最小，僅占突出煤粉總質(zhì)量的5.3%，質(zhì)量為0.166 kg，但是管道后部多為較大粒徑的煤粉顆粒。

圖5 管道各區(qū)域煤粉堆積分布特征

突出煤粉在管道中分布呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，整體近似于正態(tài)分布。這是由于突出啟動(dòng)后，初期瓦斯具有較大的膨脹能[13]，攜帶煤粉能力強(qiáng)，瓦斯-煤粉兩相流從突出口內(nèi)以射流的形式噴出，以近似懸浮的狀態(tài)向前發(fā)展[14]，故管道前段煤粉分布較少。隨著管道的阻力，高壓瓦斯的能量被逐漸消耗，煤粉開(kāi)始減速下落并沉積下來(lái)，導(dǎo)致中段煤粉分布較多。而大顆粒煤粉在被瓦斯氣體攜帶運(yùn)動(dòng)時(shí)獲得較大的動(dòng)能，故被拋出更大的距離，分布在管道末端。

圖6～8為管道內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)處煤粉運(yùn)移圖像。由圖6可以看出，距突出口3.6 m處，煤粉存在著較為明顯的分層現(xiàn)象，上方為較為滯后的小粒徑煤粉，下方則是粒徑較大的煤粉。這是由于當(dāng)煤粉從突出口噴出后，較大顆粒的煤粉由于重力作用下沉在管道底部，細(xì)小煤粉由于更易受到空氣阻力影響而被吹散在管道上部并且滯后于下方煤粉流。由圖7可以看出，煤粉流在距突出口7.6 m處呈舌狀發(fā)育，無(wú)明顯分層現(xiàn)象，整體為均一狀，這是由于突出啟動(dòng)一段時(shí)間后，高壓瓦斯射流充分膨脹，驅(qū)動(dòng)著整個(gè)管道斷面的空氣向前運(yùn)動(dòng)，整個(gè)煤粉流充分混合，一起向前發(fā)展[15]。由圖8看出，在距突出口9.6 m處煤粉流主要為大顆粒為主，顆粒數(shù)較少，這可能是由于顆粒較大的煤粉能夠獲得更大動(dòng)能，而細(xì)小粒徑煤粉由于受到空氣阻力的作用而提前沉降[16]。

圖6 距突出口3.6 m處煤粉運(yùn)移圖像

圖7 距突出口7.6 m處煤粉運(yùn)移圖像

圖8 距突出口9.6 m處煤粉運(yùn)移圖像

將煤粉流初次出現(xiàn)在畫(huà)面最右側(cè)時(shí)刻定義為t=0 ms，畫(huà)面長(zhǎng)度為200 mm,利用圖像測(cè)速法[17]計(jì)算出每個(gè)測(cè)點(diǎn)速度并填入表4。表4為不同位置處煤粉速度與煤粉打擊壓力。由表4可知，在突出后隨著距離的增大，煤粉流速度呈現(xiàn)衰減的規(guī)律。

其中距離突出口3.6 m處，煤粉流速度最大，為25 m/s，隨著距突出口的距離的逐漸變遠(yuǎn)，煤粉流速度逐漸減小，在7.6 m處速度為21.74 m/s，衰減了約13%。當(dāng)煤粉流繼續(xù)向前發(fā)展，突出距離到達(dá)9.6 m時(shí)，由于瓦斯膨脹能的大量耗散，煤粉流速度大為降低，僅有13.89 m/s，較之7.6 m處衰減了36.1%。可以看出，隨著突出距離的逐漸增大，衰減的幅度也越來(lái)越大。

圖9為管道內(nèi)煤粉打擊壓力峰值與煤粉速度衰減曲線，可以看出煤粉打擊減弱的同時(shí)煤粉運(yùn)移速度也隨之減小。由表4和圖2可知，距離突出口3.6，7.6和9.6 m處存在著大量的煤粉打擊，煤粉沖擊壓力分別為293.8，199.1，55.5 kPa，煤粉打擊壓力衰減規(guī)律與沖擊氣流壓力衰減規(guī)律類(lèi)似，隨著距離突出口變大，煤粉開(kāi)始沉降，煤粉打擊力越弱。在距離突出口11.6 m處已監(jiān)測(cè)不到煤粉流打擊。

表4 不同位置處煤粉速度與煤粉打擊壓力

圖9 管道內(nèi)煤粉打擊壓力峰值與煤粉速度衰減曲線

3 結(jié)論

1)突出發(fā)生后，沖擊氣流壓力沿著管道逐漸衰減且隨著距突出口越遠(yuǎn)，其衰減幅度越大，沖擊氣流能夠持續(xù)對(duì)管道內(nèi)空氣造成擾動(dòng)。

2)煤粉流在突出前期存在分層現(xiàn)象，但會(huì)隨著突出的繼續(xù)發(fā)展而充分混合，突出末期煤粉流主要由大顆粒煤粉構(gòu)成。突出煤粉質(zhì)量在管道內(nèi)呈正態(tài)分布，管道前部及后部煤粉分布較少，中部沉積了大量的煤粉。煤粉流運(yùn)移速度與煤粉打擊壓力均沿著管道傳播逐漸衰減，二者有著相同的衰減趨勢(shì)。