許 江，魏仁忠，程 亮，彭守建，楊海林

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶 400044；2.重慶大學(xué) 復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶 400044)

0 引 言

煤炭是一種不可或缺的能源，在我國的能源消費中處于主導(dǎo)地位。然而，隨著開采深度的增加，復(fù)雜的地質(zhì)條件及多樣的煤層賦存條件增大了煤與瓦斯突出事故發(fā)生的頻率[1]。突出發(fā)生時突出流體具有極大的破壞性，嚴(yán)重制約著礦井的安全生產(chǎn)[2-3]。因此，研究突出流體多物理場參數(shù)在密閉管道內(nèi)的動態(tài)響應(yīng)對礦井的防災(zāi)減災(zāi)具有一定的指導(dǎo)作用。

近年來，國內(nèi)外研究人員在突出流體運移規(guī)律及其動力致災(zāi)方面已取得了一定研究成果。吳愛軍等[4-5]通過開展煤與瓦斯突出模擬試驗，揭示了沖擊波的形成原因，建立了沖擊波在煤巖體中的一維傳播模型，并根據(jù)應(yīng)力波理論分析了沖擊波的傳播規(guī)律。王凱等[6]利用流體力學(xué)、空氣動力學(xué)理論建立了突出沖擊波在變截面巷道中傳播的數(shù)學(xué)模型，得出了沖擊波衰減與截面積變化率之間的變化規(guī)律，并通過開展變截面巷道沖擊波試驗探究了沖擊波在變截面巷道中的傳播規(guī)律。張建方等[7]依據(jù)沖擊波理論認(rèn)為突出沖擊波屬于弱沖擊波，其傳播衰減與初始能量、傳播距離、巷道摩擦阻力特性等因素有關(guān)。OTUONYE等[8]利用MacCormack顯示有限差分法建立了煤與瓦斯瞬時突出巷道內(nèi)瓦斯流動模型，分別在時間和空間上給出了混合速度、密度和氣體濃度的分布。魏建平等[9]利用自主設(shè)計的試驗系統(tǒng)，得出了突出沖擊波在直線和拐彎巷道中的傳播規(guī)律。王凱等[10-11]利用自主研制的突出煤-瓦斯兩相流模擬試驗系統(tǒng)進行了不同煤粉粒徑配比的突出試驗，重點研究了突出氣流沖擊力、激波波陣面?zhèn)鞑ァ⒚悍蹧_擊等參數(shù)，得出氣體沖擊波速度遠(yuǎn)大于煤粉運動速度。許江等[12]、程亮等[13]通過開展不同瓦斯壓力作用條件下的突出物理模擬試驗，研究了突出氣-固兩相流的沖擊力及其運動特征，得出沖擊力大小與瓦斯壓力無明顯線性關(guān)系，且峰值沖擊力在巷道中部出現(xiàn)陡增現(xiàn)象。孫東玲等[14-15]、曹偈等[16]自主研發(fā)了煤與瓦斯突出動力效應(yīng)模擬試驗裝置，建立了一維情況下突出煤的運移數(shù)學(xué)模型，研究了突出煤顆粒運移距離與初始?xì)饬魉俣戎g的關(guān)系。周斌等[17]利用自主研發(fā)的多場耦合煤礦動力災(zāi)害大型物理模擬試驗系統(tǒng)，開展了突出過程中煤層及巷道內(nèi)的動態(tài)響應(yīng)試驗研究，得到了突出過程中煤層內(nèi)的瓦斯壓力和溫度以及巷道內(nèi)兩相流的運移形態(tài)、沖擊力和溫度的演化規(guī)律。胡勝勇等[18]基于氣固兩相流理論，通過編程計算綜掘工作面氣載粉塵的運移過程，研究了綜掘工作面氣固兩相流特性。ZHOU等[19-21]基于氣體膨脹能在突出發(fā)展階段的作用，提出了一種研究煤-瓦斯兩相流傳播特性的數(shù)值模擬方法，認(rèn)為兩相流中煤粉的體積分?jǐn)?shù)對突出激波的衰減有顯著的影響，并建立了直角交叉巷道、45°交叉巷道和135°交叉巷道的數(shù)值模擬模型，定性和定量地得出了突出激波和瓦斯流動的傳播衰減特征。

以上學(xué)者在突出流體運移規(guī)律及其致災(zāi)領(lǐng)域多偏向于僅對單相氣體和沖擊波的研究，忽略了煤粉在突出流體運移過程中的作用，并且沒有對突出流體的組成及分布進行深入探討。同時，受裝置及監(jiān)測手段的影響，對突出過程中突出流體多物理場參數(shù)在巷道內(nèi)部的動態(tài)響應(yīng)試驗研究較少。因此，筆者利用自主研制的多場耦合煤礦動力災(zāi)害大型物理模擬試驗系統(tǒng)，開展突出流體在巷道中的運移規(guī)律模擬試驗，旨在分析突出過程中突出流體的運動特征，煤粉堆積情況，沖擊波陣面?zhèn)鞑ヒ?guī)律，靜壓和溫度響應(yīng)特征等，為井下防突設(shè)施的布置、災(zāi)后應(yīng)急救援措施的設(shè)計、技術(shù)控制災(zāi)害擴大防止次生災(zāi)害的發(fā)生等防災(zāi)減災(zāi)措施有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗方法

1.1 試驗系統(tǒng)

試驗采用自主研發(fā)的多場耦合煤礦動力災(zāi)害大型物理模擬試驗系統(tǒng)完成[22]，如圖1所示。該系統(tǒng)包括動力系統(tǒng)、巷道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)和泄壓裝置等裝置組成。動力系統(tǒng)能夠真實再現(xiàn)三軸應(yīng)力狀態(tài)下的煤層；巷道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠模擬突出過程中煤-瓦斯兩相流在巷道內(nèi)的運移過程；泄壓裝置連接動力系統(tǒng)和巷道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能實現(xiàn)瞬間泄爆，模擬突出的瞬時性；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括DEWE-43A多功能數(shù)據(jù)采集器、50通道動態(tài)信號采集器和圖像采集器。DEWE-43A多功能數(shù)據(jù)采集器主要用于靜壓數(shù)據(jù)的采集，采樣率高達(dá)20 000 Hz；50CH動態(tài)信號采集器用于溫度數(shù)據(jù)的采集，采樣率為1 Hz。

1.2 試驗方案

采用“弧形直角拐彎型”巷道布置方式，共8節(jié)巷道，每節(jié)巷道分A—A′，B—B′兩個斷面直線部分全長12.5 m，拐彎后全長3.5 m。以煤層氣壓力2.0 MPa為試驗初始條件，分析密閉管道內(nèi)突出煤-瓦斯兩相流多物理參數(shù)動態(tài)響應(yīng)特征。試驗共布置靜壓傳感器(壓阻式傳感器)7個、溫度傳感器(PT1000)16個，如圖1所示。(圖1中1-A1，1-B1，R1-B1等均為溫度傳感器編號，；P1～P7為靜壓傳感器編號其中，靜壓傳感器布置在巷道中部壁面，溫度傳感器布置在A—A′,B—B′斷面中心軸線處)另外，前5節(jié)巷道以及第8節(jié)巷道后皆安裝了高清攝像頭，方便觀測煤-瓦斯兩相流的運動特征。

圖1 多場耦合煤礦動力災(zāi)害大型物理模擬試驗系統(tǒng)

具體試驗步驟如下：①將原煤破碎，并按預(yù)定比例混合壓制成型[23]；②密封試件箱體，并通過泄壓裝置將其與巷道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接起來；③利用真空泵將試件箱體內(nèi)部壓力抽真空至-0.1 MPa；④充氣吸附，直至吸附平衡；⑤調(diào)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完備后觸發(fā)泄爆裝置，完成突出；⑥保存數(shù)據(jù)，完成煤粉收集。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 突出流體運動特征及煤粉堆積

2.1.1 突出流體運動特征

突出啟動后，煤層中的氣流受瓦斯壓力和突出孔洞結(jié)構(gòu)影響，迅速向巷道空間噴射出，并通過曳力作用攜帶大量煤粉。

圖2a和圖2b分別為距煤層10.5 m和16 m處不同時刻拍攝到的圖像。對比圖2a、圖2b可發(fā)現(xiàn)，突出40 ms時，突出氣流已明顯運移至距煤層12.5 m處，該時刻煤-瓦斯兩相流并未到達(dá)距煤層10.5 m處。需要解釋的是，突出過程中，巷道的劇烈震動以及高速氣流攜帶試驗前巷道內(nèi)殘余煤粉運移皆可對巷道可視度有一定影響，以殘余煤粉運移位置作為氣流運移位置的參照來估算氣流速度，實際氣流速度則高于估算速度。由此可見，突出氣流速度快于突出煤-瓦斯兩相流運移速度，且氣流均速高于312.5 m/s。說明突出發(fā)生后，井下巷道內(nèi)人員及設(shè)施設(shè)備率先受到氣流的沖擊動力災(zāi)害，而后才受煤-瓦斯兩相流的動力致災(zāi)影響。另外，在突出320 ms時，煤-瓦斯兩相流已完全擴大至整個截面，說明其均速不低于32 m/s。而后在突出640 ms時，整個巷道空間皆處于煤-瓦斯兩相流階段。

圖2 突出流體運動特征

突出前期，由于氣流速度大于煤粉流速度，巷道內(nèi)呈現(xiàn)單相氣流運移狀態(tài)。隨著突出的發(fā)展，巷道內(nèi)從前到后逐漸演變成煤-瓦斯兩相流運移狀態(tài)。

因此，可將突出流體在巷道內(nèi)運移分為2個階段：單相氣流階段和煤-瓦斯兩相流階段。

2.1.2 突出強度及煤粉堆積特征

膨潤土鈉化改性試驗研究……………………………………………………………………………………………王明明（1.15）

自煤層起，將巷道空間由前到后劃分為25個區(qū)域，如圖3所示。突出結(jié)束后收集各區(qū)域堆積的煤粉并稱重，得出突出煤粉在巷道內(nèi)的質(zhì)量分布如圖4所示。巷道內(nèi)突出煤粉質(zhì)量總計58.234 kg，相對突出強度約為28.7%。由圖4可知，巷道內(nèi)突出煤粉的分布總體上呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，大部分煤粉堆積在弧形拐彎后，約占總質(zhì)量的51.1%。其中，20號和21號區(qū)域煤粉堆積相對較多，其質(zhì)量分別為8 295.1和9 126.3 g，分別約占總質(zhì)量的14.3%和15.7%；12號、14號和15號區(qū)域煤粉相對較少，其質(zhì)量分別為762.5、696.4和769.4 g。突出煤粉堆積呈現(xiàn)出兩頭多中間少的分布特征。分析認(rèn)為，突出前期，高壓瓦斯氣流通過曳力帶動煤體向巷道空間噴射出，呈射流狀，其內(nèi)聚能量大，可帶動煤體一直運移到巷道深處沉降堆積；突出后期，隨著突出能量的耗散，瓦斯氣流曳力逐漸減弱，煤體動能隨之減小，終止沉降在近突出口附近。同時，突出流體經(jīng)弧形拐彎后，流動方向的改變造成更多能量的消耗，降低了氣流搬運能力，從而導(dǎo)致煤粉多數(shù)堆積在弧形拐彎之后。

圖3 巷道突出煤粉分布的區(qū)域劃分

圖4 巷道突出煤粉質(zhì)量分布

2.2 靜壓響應(yīng)特征

2.2.1 巷道內(nèi)靜壓演化規(guī)律

圖5為突出流體運移過程中氣體壁面靜壓的演化。需要說明的是，在劇烈的突出動力現(xiàn)象影響下，靠近煤層的P1傳感器受到損壞，但不影響數(shù)據(jù)的整體規(guī)律分析。煤與瓦斯突出致災(zāi)過程可以看作是瓦斯帶動煤體劇烈運動致災(zāi)的過程，煤-瓦斯兩相流中氣體的運動狀態(tài)起到重要作用。值得注意的是，在突出流體運移過程中，靜壓是氣體運動狀態(tài)的一個重要表現(xiàn)形式。因此，從靜壓的演化規(guī)律中可體現(xiàn)出突出流體的運動特征，對于完善突出流體運移特征及其動力致災(zāi)特性的研究具有一定的參考價值。根據(jù)靜壓在不同時間段的響應(yīng)差異，將突出過程中靜壓的演化分為4個階段(圖5)。階段1處于突出前期，該時期內(nèi)突出流體由單相氣流階段過渡到煤-瓦斯兩相流階段；階段2、3處于突出中期，靜壓的演化完全受煤-瓦斯兩相流運移的影響；階段4處于突出后期，突出動力快速衰減，靜壓逐漸趨近于0。由階段1可知，突出前期各位置靜壓有兩個明顯的正壓作用區(qū)域，且其靜壓峰值皆高于隨后全部階段。在第一個正壓作用區(qū)域內(nèi)，靜壓的響應(yīng)時間隨距離的增加而推遲，響應(yīng)時間和距離呈正相關(guān)。P2～P7的靜壓峰值分別為2.98、2.71、2.72、2.48、2.54和2.79 kPa，呈現(xiàn)出先降低后升高的演化趨勢；在第二個正壓作用區(qū)域內(nèi)，靜壓的響應(yīng)時間與之前相反，即隨距離的增加而提前，表現(xiàn)為P7測點最先有反應(yīng)，隨后依次是P6、P5、P4、P3和P2。P2～P7的靜壓峰值分別為1.78、3.07、3.41、3.31、2.90、1.88 kPa，呈現(xiàn)出先增大后減小的演化趨勢，詳如圖6所示。

圖5 突出過程中巷道內(nèi)靜壓的演化

圖6 靜壓響應(yīng)時間和靜壓峰值隨靜壓傳感器至突出口距離的演化

結(jié)合氣體動力學(xué)理論分析可知，突出啟動后，瓦斯攜帶煤粉迅速向巷道空間噴射出，壓縮其內(nèi)原有空氣產(chǎn)生空氣壓縮氣流。壓縮氣流中有一系列壓縮波產(chǎn)生，當(dāng)壓縮波疊加在一起將形成一道強壓縮波，即空氣沖擊波[24]?？諝鉀_擊波沿巷道高速運移，使得巷道內(nèi)空氣介質(zhì)的物理參數(shù)發(fā)生“突躍”式變化，在沖擊波波陣面之后形成一段空氣壓縮區(qū)并沿巷道運移，最終導(dǎo)致巷道靜壓呈正壓分布狀態(tài)。在空氣壓縮區(qū)流經(jīng)弧形巷道過程中，受壓縮波的反射和折射的影響，于弧形拐彎處形成了復(fù)雜的壓縮波系，并向煤層方向傳播，使得靜壓從后向前響應(yīng)，呈正壓狀態(tài)。

由階段2、3可知，突出前中期在P4～P7間會產(chǎn)生間斷且穩(wěn)定的靜壓，每個測點的靜壓起伏趨勢近乎一致。但在突出中后期，靜壓的起伏趨勢開始表現(xiàn)出不同，相對較為混亂。值得注意的是，在0.5～1.6 s，僅P4～P7測點靜壓有反應(yīng)，且P4、P5、P6的值相對較大；在0.6～3.4 s，P1和P2測點的靜壓開始有反應(yīng)，并且P3和P4的值相對較大。該現(xiàn)象說明在突出前中期，煤-瓦斯兩相流呈射流狀，對近突出口區(qū)域影響不大。但，隨突出的發(fā)展，突出動力逐漸減弱，氣流在近突出口區(qū)域壓縮-膨脹，從而導(dǎo)致該區(qū)域靜壓的上升。

2.2.2 沖擊波陣面在靜壓中的響應(yīng)

突出過程中靜壓首次時間響應(yīng)間隔如圖7所示。突出發(fā)生過程中，巷道內(nèi)原有空氣受煤-瓦斯兩相流壓縮形成空氣壓縮氣流。壓縮氣流中有一系列壓縮波產(chǎn)生，當(dāng)壓縮波疊加在一起將形成一道強壓縮波，及空氣沖擊波。定義壓縮氣流與巷道未擾動區(qū)之間的分界面為沖擊波陣面。一般情況下，沖擊波陣面將位于壓縮氣流之前[25]，因此，以靜壓的響應(yīng)時間以及測點間的間距來表征沖擊波陣面的傳播速度。需要說明的是，靜壓的動態(tài)響應(yīng)頻率為20 000 Hz，響應(yīng)迅速，測試準(zhǔn)確。由圖5可知，P2～P7的靜壓響應(yīng)時間差分別為5.9、4.9、5.6、6.0 ms和4.25 ms，其之間距離分別為2、2、2、2和1.6 m。由此，可計算出沖擊波陣面的傳播速度分別為338.98、408.16、357.14、333.33和376.47 m/s，詳細(xì)見表1。波陣面?zhèn)鞑ニ俣仍赑3和P4測點之間最大，整體呈先增大后減小再增大的演化趨勢。

圖7 突出過程中靜壓首次時間響應(yīng)間隔

表1 沖擊波陣面的傳播速度

2.3 溫度響應(yīng)特征

2.3.1 巷道內(nèi)溫度隨時間的演化

突出過程中巷道內(nèi)不同位置溫度隨時間的演化如圖8所示。整體上看，巷道內(nèi)溫度隨突出的發(fā)展呈先迅速下降后緩慢回升的演化規(guī)律。值得注意的是，1-A1測點溫度在前4 s內(nèi)由16.60 ℃上升至17.65 ℃，而后于24 s時下降至14.25 ℃，呈現(xiàn)出先上升后下降再緩慢回升的演化規(guī)律。該現(xiàn)象說明煤-瓦斯兩相流進入巷道后壓縮原有空氣使得巷道內(nèi)溫度升高，并且在前4 s內(nèi)1-A1測點處氣體壓縮做功的影響高于煤層氣解吸后對流傳熱，從而導(dǎo)致溫度在突出啟動后短暫的升高。同時，進一步證實了空氣壓縮氣流的存在。突出過程中，瓦斯解吸和氣體膨脹均會導(dǎo)致巷道內(nèi)溫度的降低，相反，氣體壓縮則會導(dǎo)致巷道內(nèi)溫度的升高。由此可見，整個突出過程中，瓦斯解吸和氣體膨脹占主導(dǎo)地位。

由圖8可知，各個測點由前到后最低溫度分別為14.25、13.68、13.81、14.15、13.69、14.27、14.14、14.17、14.58、14.71、14.97、14.98、14.78、15.17、15.07和15.36 ℃，溫度下降量從整體而言，呈現(xiàn)出隨距離的增加而逐漸減小的趨勢。同時，前6節(jié)巷道溫度到達(dá)最低點的時間隨距離的增加而推遲。值得注意的是，除了第1節(jié)巷道外，其余巷道的A—A′斷面溫度下降量高于B—B′斷面，第1節(jié)巷道則反之。分析認(rèn)為，煤-瓦斯兩相流由煤層噴出后呈射流狀，在1-A1測點處氣體未完全膨脹，而在其之后膨脹做功，使得溫度進一步降低。

圖8 巷道內(nèi)不同位置溫度隨時間的演化

2.3.2 巷道內(nèi)溫度隨空間的演化

為了更直觀地反映突出過程中巷道內(nèi)溫度的演化規(guī)律，繪制不同時刻溫度沿巷道的分布規(guī)律如圖9所示。以突出啟動點為0時刻，選取0、10、20、30、40、50 s等時刻所對應(yīng)的6條曲線。由圖可以看出，當(dāng)突出10 s時，距突出口2 m處溫度下降最快，下降量為2.53 ℃；距突出口5～9 m的溫度下降速率快于3、4 m處；溫度下降速率并非嚴(yán)格遞減，溫度呈波動式分布。當(dāng)突出20 s時，整體溫度下降速率明顯減緩，距突出口2 m處溫度達(dá)最低點，為13.68 ℃。當(dāng)突出30 s時，距突出口1、2 m處溫度開始緩慢回升，6、9、15 m處溫度下降速率驟減。當(dāng)突出40～50 s時，整體變化很小，巷道最低溫度改為5 m處，溫度依舊處于波動式上升分布狀態(tài)。

圖9 巷道內(nèi)不同位置溫度隨空間的演化

突出過程中，一方面，瓦斯解吸吸收大量熱量，使得煤體及參與氣體溫度均下降；另一方面，瓦斯膨脹做功使煤體破碎并搬運其至巷道中運移傳播，氣流因氣體膨脹做功而溫度再次降低。突出啟動后短時間內(nèi)，瓦斯在巷道中以驅(qū)替運移為主[26]。近突出口區(qū)域，瓦斯驅(qū)替運移持續(xù)時間最長，巷道內(nèi)原空氣被置換的最徹底。因此，表現(xiàn)為溫度下降量從整體而言呈現(xiàn)出隨距離的增加而逐漸減小的趨勢。另外，煤-瓦斯兩相流運移過程中存在復(fù)雜的壓縮-膨脹波系，不僅有氣體膨脹的現(xiàn)象，同時還有氣體壓縮的現(xiàn)象。當(dāng)氣體壓縮時，氣流溫度應(yīng)相對升高，但此時低溫氣流的對流傳熱占主導(dǎo)地位，溫度會將持續(xù)降低。因此在該處會產(chǎn)生一個阻礙氣流溫度降低的機制，使溫度下降速率低于其他位置。綜上，突出過程中，巷道內(nèi)溫度呈波動式上升分布狀態(tài)，而并非單一上升分布。

3 突出流體在弧形直角拐彎巷道的運移規(guī)律

3.1 突出流體運移流動分析

煤與瓦斯突出的發(fā)生可分為孕育、啟動、發(fā)展、終止等4個階段[27]。同時，突出的發(fā)生也是能量的積蓄、儲備、突然釋放的過程。在采掘工作面正常運行中，巷道空氣流動處于一種未擾動狀態(tài)。但受開采擾動下煤層應(yīng)力發(fā)生重新分布，持續(xù)積聚能量，形成高能量積蓄區(qū)。在突出啟動、發(fā)展過程中，含瓦斯煤層內(nèi)所積聚的高額能量突然向工作面一側(cè)弱面釋放，瞬間形成了一個連接煤層高能量積蓄區(qū)和工作面的釋放通道[28]。煤層溫度受瓦斯解吸影響持續(xù)降低，受瓦斯壓力梯度作用，煤層內(nèi)形成高壓低溫氣流，并攜帶大量破碎煤體經(jīng)過該通道噴射進入巷道空間，在煤層內(nèi)形成口小腔大的突出孔洞[29]。在瓦斯攜帶煤體突然從煤層拋出過程中，如同一個巨大的活塞效應(yīng)，以極高的流速沖擊壓縮巷道內(nèi)原有的空氣，使之形成空氣壓縮氣流沿巷道運移?？諝鈮嚎s氣流內(nèi)的受壓氣體在運移過程中不斷壓縮下一相鄰空氣，形成一系列壓縮波，當(dāng)壓縮波疊加在一起將形成一道強壓縮波及空氣沖擊波[25]。在高壓瓦斯氣流帶動煤體運移過程中，煤體的運動主要受氣體曳力的影響，氣流速度將遠(yuǎn)高于煤粉流速度。因此，將出現(xiàn)高壓瓦斯氣流緊隨空氣壓縮氣流之后，再后是煤-瓦斯兩相流的現(xiàn)象[30]。突出發(fā)展過程中，突出孔洞內(nèi)瓦斯壓力驟降，將向煤層內(nèi)部產(chǎn)生巨大的抽吸作用，促使周圍煤層氣迅速解吸并向突出孔洞運移，煤層及巷道空間溫度持續(xù)下降。同時，在高瓦斯壓力梯度和高地應(yīng)力作用下，突出孔洞不斷擴大，從而導(dǎo)致不斷有煤-瓦斯兩相流形成并向巷道深部傳播[31]。

以突出沖擊波模型為基礎(chǔ)[7,25]，突出沖擊波模型如圖10所示?？紤]突出孔洞形貌特征、瓦斯流與煤粉流速度差異以及巷道形狀，再結(jié)合試驗將突出流體運移傳播過程劃分為單相氣流階段和煤-瓦斯兩相流階段，綜合建立突出流體運移模型如圖11所示。將巷道空間劃分為巷道未擾動區(qū)、沖擊波陣面、空氣壓縮區(qū)、瓦斯氣流區(qū)和煤-瓦斯兩相流區(qū)等5個部分。單相氣流階段指空氣壓縮區(qū)和瓦斯氣流區(qū)內(nèi)的氣流以及沖擊波陣面沿巷道運移傳播的過程；煤-瓦斯兩相流階段指瓦斯通過曳力帶動煤體運移傳播的過程。

圖10 突出沖擊波模型示意

圖11 突出流體運移模型示意

3.2 弧形直角拐彎處靜壓動態(tài)響應(yīng)

由上述可知，突出過程中流體的運移可分為單相氣流階段和煤-瓦斯兩相流階段，其中單相氣流階段包括沖擊波陣面、空氣壓縮氣流和瓦斯氣流的運移傳播。圖12為拐彎前后巷道靜壓P6、P7的演化，結(jié)合圖11分析可知，當(dāng)沖擊波陣面和空氣壓縮氣流從A—A′斷面運移至B—B′斷面時，由于速度極快，會使得兩斷面靜壓存在一個同步上升-下降的趨勢，形成首個正壓作用區(qū)域。此時，拐彎后P7靜壓峰值為2.79 kPa，大于拐彎前P6的靜壓峰值。分析認(rèn)為，在沖擊波陣面和空氣壓縮氣流流經(jīng)直角拐彎巷道過程中出現(xiàn)了壓縮波的再次疊加，從而導(dǎo)致靜壓的升高。當(dāng)瓦斯氣流從A—A′斷面運移至B—B′斷面時，P6、P7出現(xiàn)第2個波峰，其值分別為2.90和1.88 kPa，表現(xiàn)為衰減的趨勢。分析認(rèn)為，當(dāng)氣流運移過程中遇到拐彎巷道時，流動方向的改變造成了能量的損失，從而加快靜壓的衰減。當(dāng)煤-瓦斯兩相流從A—A′斷面運移至B—B′斷面時，靜壓值陡降，且拐彎前P6的靜壓大于拐彎后P7的靜壓，呈衰減趨勢。分析認(rèn)為，突出煤-瓦斯兩相流的固氣比大，極大地影響了氣體的流動狀態(tài)，從而導(dǎo)致靜壓的驟減。同時，當(dāng)煤-瓦斯兩相流運移過程中遇到拐彎巷道時，也存在能量的衰減，使得靜壓不斷減小。綜上所述，突出流體在流經(jīng)弧形直角拐彎巷道時會造成能量的損失，從而導(dǎo)致靜壓的降低。但沖擊波陣面和空氣壓縮氣流在流經(jīng)弧形直角拐彎巷道時也會產(chǎn)生壓縮波疊加現(xiàn)象，該現(xiàn)象會致使靜壓的升高。當(dāng)壓縮波疊加現(xiàn)象占主導(dǎo)時，靜壓升高；當(dāng)能量耗散占主導(dǎo)時，靜壓降低。

圖12 拐彎前后巷道內(nèi)靜壓的演化

3.3 弧形直角拐彎處溫度動態(tài)響應(yīng)

弧形拐彎前后巷道內(nèi)溫度演化如圖13所示。將溫度下降過程劃分為快速下降、緩慢下降和逐步回升3個階段。由圖13可知，在階段1中，第6節(jié)巷道的溫度下降速率明顯快于拐彎后巷道；在階段2中，第6節(jié)巷道溫度和R1-B1溫度的下降速率已明顯減緩，但，R1-A1測點溫度下降速率依舊迅速，并于30 s時下降至15.0 ℃；在階段3中，R1-A1測點溫度下降速率開始減緩，同時，所有溫度皆有緩慢回升的趨勢。值得注意的是，拐彎后R1-A1測點溫度下降量高于第6節(jié)巷道。由文中3.1.2知，拐彎后突出煤粉堆積最多，因此，R1-A1測點受堆積煤粉氣體解吸影響較大。同時，由于巷道形狀的改變，在該區(qū)域形成了低溫氣體聚集區(qū)。兩者共同作用，最終導(dǎo)致拐彎后溫度下降量高于拐彎前。

圖13 拐彎前后巷道內(nèi)溫度的演化

4 結(jié) 論

1)突出過程中，沖擊波陣面的傳播速度呈先增大后減小再增大的演化趨勢，氣流速度快于煤-瓦斯兩相流運移速度，將突出流體運移傳播過程劃分為單相氣流和煤-瓦斯兩相流2個階段。建立突出流體運移模型，將巷道空間劃分為巷道未擾動區(qū)、沖擊波陣面、空氣壓縮區(qū)、瓦斯氣流區(qū)和煤-瓦斯兩相流區(qū)等五部分。突出煤粉在巷道內(nèi)堆積呈現(xiàn)出兩頭多中間少的分布特征，當(dāng)遇見弧形拐彎巷道時，受能量損失的影響，煤粉將集中分布于拐彎后巷道。

2)巷道靜壓在單相氣流階段動態(tài)響應(yīng)大；在煤-瓦斯兩相流階段靜壓值驟降。當(dāng)靜壓受空氣壓縮氣流影響時，靜壓峰值呈現(xiàn)出先降低后升高的演化趨勢，靜壓響應(yīng)時間隨距離的增加而推遲，在遇見弧形拐彎巷道后，靜壓峰值升高，波陣面?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，說明空氣壓縮氣流在流經(jīng)弧形直角拐彎巷道時產(chǎn)生壓縮波疊加現(xiàn)象；當(dāng)靜壓受瓦斯氣流影響時，靜壓峰值呈現(xiàn)出先增大后減小的演化趨勢，靜壓響應(yīng)時間隨距離的增加而提前，在遇見弧形拐彎巷道后，靜壓峰值受能量損失的影響而降低；當(dāng)靜壓受煤-瓦斯兩相流影響時，其值整體較低，反應(yīng)較為復(fù)雜。

3)巷道溫度受瓦斯解吸、對流傳熱、壓縮-膨脹做功等因素影響，具體呈先出迅速下降后緩慢回升的趨勢。近突出口區(qū)域溫度受壓縮做功影響，呈現(xiàn)先增大后下降的趨勢，且其最大下降量小于下一緊鄰區(qū)域。突出過程中，巷道內(nèi)溫度呈波動式上升分布狀態(tài)，部分區(qū)域存在一個阻礙巷道溫度降低的機制?；⌒喂諒澓笫芏逊e煤粉的氣體解吸影響，形成一個低溫氣體聚集區(qū)，從而導(dǎo)致該位置溫度下降量較大。