蔣安飛，孫東玲，劉延保，楊雪林，曹 偈，戴林超

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

我國煤炭資源賦存條件復(fù)雜，95%以上的煤礦為地下開采。煤與瓦斯突出(以下簡(jiǎn)稱突出)是煤礦地下作業(yè)過程中遇到的最嚴(yán)重的、具有極大破壞性的瓦斯災(zāi)害之一，其特征是在極短時(shí)間內(nèi)(一般為幾秒或數(shù)十秒)，由煤、巖層內(nèi)向采場(chǎng)空間拋出大量的煤炭(巖塊)，并涌出大量的瓦斯氣體(CH4、CO2)。突出事故發(fā)生時(shí)所產(chǎn)生的高速瓦斯流(含煤粉或巖粉)能夠摧毀井下巷道設(shè)施，破壞礦井通風(fēng)系統(tǒng)，甚至造成風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，對(duì)井下作業(yè)人員的安全是一個(gè)嚴(yán)重的威脅[1]。

為了有效防治煤與瓦斯突出災(zāi)害，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)煤與瓦斯突出的機(jī)理[2-3]，以及防突技術(shù)[4-5]方面進(jìn)行了大量的研究工作。由于突出機(jī)理的復(fù)雜性及目前防突技術(shù)的局限性，在礦井重特大事故中，突出事故起數(shù)和死亡人數(shù)占瓦斯事故總起數(shù)和總死亡人數(shù)的比例居高不下，突出事故仍然是我國煤礦企業(yè)在生產(chǎn)過程中所面臨的重大安全問題[6]。因此，針對(duì)現(xiàn)有的研究成果不能完全杜絕煤與瓦斯突出災(zāi)害的發(fā)生，深入研究煤與瓦斯突出發(fā)生后，巷道內(nèi)粉煤—瓦斯兩相流的致災(zāi)特征就顯得很有必要[7-8]。煤與瓦斯突出受多種因素影響，包括瓦斯壓力、圍巖應(yīng)力及煤的物理力學(xué)性質(zhì)等[9-11]。通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，探討煤粉粒徑對(duì)突出沖擊波傳播特征的影響，以期為礦井制訂合理可靠的安全防災(zāi)抗災(zāi)系統(tǒng)提供理論指導(dǎo)。

1 煤與瓦斯突出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

依據(jù)相似準(zhǔn)則，自主研發(fā)了一套突出粉煤—瓦斯兩相流模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括充氣系統(tǒng)、高壓密封罐體、巷道模擬系統(tǒng)、突出泄壓裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等[12]。

圖1 突出粉煤—瓦斯兩相流模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1)充氣系統(tǒng)。充氣系統(tǒng)由高壓氣瓶(CO2和空氣)、壓力表、減壓閥、高壓氣管、三通閥、真空泵和軟膠管等組成。

2)高壓密封罐體。高壓密封罐體用于模擬突出腔體，口小腔大，使用304不銹鋼制作，罐體內(nèi)徑為20 cm，長(zhǎng)度為30 cm，厚度為2 cm，耐壓強(qiáng)度為 5 MPa，可充裝顆粒煤粉約10 kg。罐體上設(shè)計(jì)有傳感器接頭，用來監(jiān)測(cè)充氣過程的壓力變化。

3)巷道模擬系統(tǒng)。模擬巷道采用高透光率的亞克力材料制作。模擬巷道內(nèi)部直徑100 mm，厚度為20 mm，設(shè)計(jì)耐壓強(qiáng)度為2 MPa。模擬巷道每節(jié)長(zhǎng)為1.0 m，共8節(jié)，放置于固定支架上。每節(jié)巷道兩端采用法蘭接頭連接，為保證實(shí)驗(yàn)過程中的氣密性，接頭處用橡膠伺服圈通過加壓密封。

4)突出泄壓裝置。本次實(shí)驗(yàn)采用氣動(dòng)電磁閥來實(shí)現(xiàn)快速突出，定制的耐壓強(qiáng)度為2 MPa。閥體一端與高壓密封罐體通過法蘭連接，另一端通過法蘭與透明巷道系統(tǒng)連接。當(dāng)高壓密封罐體內(nèi)的CO2氣體被充分吸附24 h且壓力穩(wěn)定后，通過開關(guān)控制閥體打開，從而實(shí)現(xiàn)瞬間泄壓。

5)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本次實(shí)驗(yàn)在巷道模擬系統(tǒng)上安裝了8個(gè)沖擊波超壓傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于采集實(shí)驗(yàn)過程中氣體壓力等參數(shù)。

2 煤樣制備

實(shí)驗(yàn)所用煤樣取自重慶逢春煤礦M8煤層 380 m 水平N2石門。從井下工作面采取到新鮮煤樣后，立即運(yùn)至地面并送至實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)進(jìn)行破碎篩分處理，得到3.0～<10.0、1.0～<3.0、0.5～<1.0 mm共3種粒徑的實(shí)驗(yàn)煤樣。

3 實(shí)驗(yàn)方案

主要研究煤粉粒徑對(duì)煤與瓦斯突出沖擊波傳播特征的影響，出于安全考慮，實(shí)驗(yàn)氣體選用CO2代替CH4。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)填料。將破碎好的粒徑3.0～<10.0 mm煤樣提前裝入突出腔體內(nèi)，然后使用螺栓和墊片依次將突出泄壓裝置、巷道模擬系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按順序組裝。

2)充氣。先用真空泵連接氣管將高壓腔體內(nèi)的空氣抽出，設(shè)計(jì)抽真空時(shí)間為6 h，然后調(diào)試好腔體上的氣壓傳感器，由充氣系統(tǒng)向高壓腔體內(nèi)充入 0.1 MPa 的CO2，觀察氣壓傳感器的讀數(shù)變化，確保突出腔體不漏氣；然后繼續(xù)向突出腔體內(nèi)充入高壓CO2，使腔體上的氣壓傳感器讀數(shù)穩(wěn)定在0.3 MPa，關(guān)閉充氣系統(tǒng)。

3)泄壓。連接氣瓶和氣動(dòng)電磁閥，設(shè)定泄壓時(shí)供氣壓力為0.6 MPa。檢查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和各傳感器連接情況。待突出腔體內(nèi)壓力穩(wěn)定后，便可打開開關(guān)泄壓。

4)整理。待突出結(jié)束后，保存好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，清理巷道中的突出煤粉，以便進(jìn)行下次實(shí)驗(yàn)。

5)重復(fù)。重復(fù)步驟1)至4)，分別進(jìn)行突出煤粉粒徑為1.0～<3.0、0.5～<1.0 mm的突出實(shí)驗(yàn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 煤粉粒徑對(duì)突出沖擊波超壓的影響

不同煤粉粒徑、CO2壓力0.3 MPa條件下巷道不同位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)沖擊波波形圖如圖2～4所示，巷道不同位置突出沖擊波超壓數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 粒徑為3.0～<10.0 mm時(shí)巷道不同位置突出沖擊波波形圖

圖3 粒徑為1.0～<3.0 mm時(shí)巷道不同位置突出沖擊波波形圖

圖4 粒徑為0.5～<1.0 mm時(shí)巷道不同位置突出沖擊波波形圖

表1 巷道不同位置突出沖擊波超壓

由圖2～4可以看出，該條件下巷道內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力呈現(xiàn)正相、負(fù)相交替脈動(dòng)式發(fā)展。這主要是因?yàn)楫?dāng)突出腔體內(nèi)的高壓氣體進(jìn)入巷道后會(huì)發(fā)生劇烈膨脹，瞬間壓縮巷道內(nèi)的空氣，產(chǎn)生沖擊波，沖擊波與空氣交界面為沖擊波陣面，波陣面超壓經(jīng)過監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生峰值超壓，隨后迅速衰減；在巷道與突出煤粉的雙重摩擦力作用下，波陣面超壓進(jìn)一步衰減，被壓縮的空氣進(jìn)一步膨脹，當(dāng)被壓縮的空氣膨脹到壓力值和大氣壓力值一樣時(shí)，被壓縮的空氣由于慣性作用繼續(xù)膨脹，從而產(chǎn)生負(fù)壓。

由表1可以看出，當(dāng)煤粉粒徑為3.0～<10.0、1.0～<3.0、0.5～<1.0 mm時(shí)，產(chǎn)生的沖擊波正相超壓峰值分別為12.40、4.70、4.70 kPa，產(chǎn)生的沖擊波負(fù)相超壓峰值分別為-11.55、-6.09、-4.39 kPa，最大值出現(xiàn)在第一或第二測(cè)點(diǎn)，沖擊波超壓峰值隨煤粉粒徑的增大而增大。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，沖擊波在巷道產(chǎn)生的沖擊波超壓Δp可由下式確定：

(1)

巷道內(nèi)相同位置測(cè)點(diǎn)的沖擊波超壓的大小取決于瓦斯膨脹能。泄壓瞬間，突出腔體釋放的瓦斯膨脹能主要來源包括兩部分：一部分來自游離瓦斯；另一部分來自解吸的吸附瓦斯。目前，對(duì)于吸附瓦斯解吸作用對(duì)煤與瓦斯突出的影響還沒有定論，存在較大爭(zhēng)議[14-15]。根據(jù)相關(guān)研究成果[16-17]，吸附瓦斯從煤體內(nèi)解吸出來是一個(gè)較為緩慢的過程，而等壓條件下游離瓦斯的釋放則要更加迅速。因此，從氣體動(dòng)力學(xué)的角度來看，煤與瓦斯突出初期形成的沖擊波應(yīng)該主要來源于煤體內(nèi)游離瓦斯的釋放膨脹。當(dāng)煤粉粒徑越大時(shí)，腔體內(nèi)煤粉間的孔隙越大，游離瓦斯含量越多，突出時(shí)釋放的瓦斯膨脹能越大，形成的沖擊波超壓也就越大。不同煤粉粒徑進(jìn)行突出模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)腔體內(nèi)瓦斯壓力變化曲線如圖5所示。

圖5 突出過程中腔體內(nèi)瓦斯壓力變化曲線

由圖5可以看出，煤粉粒徑越小，腔體內(nèi)完全泄壓所用的時(shí)間越長(zhǎng)，也就是說瓦斯釋放的速度相對(duì)越慢。這主要是由于煤粉粒徑越小，在腔體內(nèi)堆積時(shí)所產(chǎn)生的顆粒間的通道越小，泄壓時(shí)瓦斯氣流在顆粒間孔隙通道中流動(dòng)時(shí)所受到的阻力越大，因此瓦斯壓力下降相對(duì)緩慢。王凱等[18]研究表明，在突出發(fā)生時(shí)游離瓦斯可以最快、最直接的表現(xiàn)為突出動(dòng)力，而粒徑越小對(duì)游離瓦斯釋放形成的阻力越大，因此出現(xiàn)煤粉粒徑越小，形成突出沖擊波超壓峰值越小的現(xiàn)象。

4.2 煤粉粒徑對(duì)突出沖擊波傳播速度的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[19]，突出沖擊波傳播速度可由下式計(jì)算：

(2)

式中：v為突出沖擊波傳播速度，m/s；c0為空氣中的音速，取標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的音速340 m/s；Δp為入射超壓，MPa；pm為沖擊波未擾動(dòng)巷道中空氣的絕對(duì)壓力，取0.1 MPa；k為空氣壓縮系數(shù)，取1.4。

不同煤粉粒徑條件下巷道內(nèi)不同位置沖擊波傳播速度如表2所示。

表2 不同粒徑條件下突出沖擊波在巷道不同位置傳播速度

由表2可知，當(dāng)煤粉粒徑分別為3.0～<10.0、1.0～<3.0、0.5～<1.0 mm時(shí)，最大沖擊波速度出現(xiàn)在1#或2#測(cè)點(diǎn)，分別為358、347、347 m/s，其平均速度分別為353、345、344 m/s?？偟膩碚f，煤粉粒徑對(duì)突出沖擊波傳播速度的影響較小，但有隨粒徑減小而減小的趨勢(shì)。突出沖擊波的形成主要是由于腔體內(nèi)的高壓氣體瞬間涌入巷道，發(fā)生膨脹不斷壓縮巷道內(nèi)的空氣所致。但后期涌入巷道內(nèi)的粉煤—瓦斯兩相流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)沖擊波的傳播有一定影響。當(dāng)煤粉粒徑較大時(shí)，粉煤—瓦斯兩相流在巷道中多以分層流的形式運(yùn)動(dòng)。即氣流在巷道上方運(yùn)動(dòng)，而煤粉顆粒在巷道下方運(yùn)動(dòng)，煤粉顆粒對(duì)氣流的運(yùn)動(dòng)阻礙較小。而當(dāng)煤粉粒徑較小時(shí)，粉煤—瓦斯兩相流則多以混合流的形式運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，氣流一部分動(dòng)能要傳遞給煤粉顆粒，煤粉顆粒速度增大，但氣流速度減小[20]。

5 結(jié)論

1)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沖擊波超壓呈現(xiàn)正相與負(fù)相交替變化，脈動(dòng)式發(fā)展。

2)沖擊波超壓峰值與突出煤粉粒徑呈正相關(guān)關(guān)系，即突出腔體內(nèi)煤粉粒徑越大，巷道內(nèi)沖擊波超壓峰值越大；突出腔體內(nèi)煤粉粒徑越小，巷道內(nèi)沖擊波超壓峰值越小。

3)沖擊波傳播速度有隨煤粉粒徑減小而減小的趨勢(shì)，最大速度出現(xiàn)在離突出口最近的地方，說明沖擊波在沿巷道傳播過程中是不斷衰減的。