許 江，程 亮，彭守建，周 斌，魏仁忠，楊海林，李奇賢

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展離不開能源的消耗。我國(guó)能源賦存體現(xiàn)出“缺氣、少油、相對(duì)富煤”的特點(diǎn)，這意味著煤炭在未來相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間占我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)地位。我國(guó)在“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中明確指出，推動(dòng)煤炭生產(chǎn)向資源富集地區(qū)集中，由此可見，我國(guó)煤炭的開采深度將持續(xù)加深。隨著礦井開采深度的增加，煤層“三高一低”的特點(diǎn)越發(fā)凸顯，極易在采掘擾動(dòng)情況下發(fā)生煤與瓦斯突出事故。煤與瓦斯突出(簡(jiǎn)稱“突出”)表現(xiàn)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(duì)井下人員、設(shè)施造成強(qiáng)烈的沖擊動(dòng)力災(zāi)害。

目前已有研究成果表明，突出是在煤的物理力學(xué)性質(zhì)、瓦斯壓力和地應(yīng)力這3個(gè)主要因素綜合作用下發(fā)生的。眾多學(xué)者對(duì)該3類因素展開了深入研究。但由于煤礦現(xiàn)場(chǎng)突出的劇烈性、強(qiáng)破壞性，很難對(duì)其進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。因此，物理模擬和數(shù)值模擬已成為探究突出災(zāi)害的最有效手段。張慶賀等探究了不同強(qiáng)度含瓦斯型煤對(duì)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(duì)突出的影響。唐巨鵬等、朱立凱等分別采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬方式探究了不同瓦斯壓力和不同地應(yīng)力條件下的突出發(fā)生、發(fā)展過程。高魁等、秦恒潔等開展了不同應(yīng)力條件下的突出試驗(yàn)，并對(duì)受載含瓦斯煤體卸壓后的應(yīng)力分布與演化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

以上學(xué)者以預(yù)防突出發(fā)生為目的，從突出三要素入手重點(diǎn)對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了深入研究。然而，隨著煤礦向深部開采，地質(zhì)條件愈發(fā)復(fù)雜，以目前的研究成果無法完全杜絕突出的發(fā)生。因此，部分學(xué)者開始了對(duì)突出流體致災(zāi)方面的探究，意在指導(dǎo)煤礦合理設(shè)計(jì)井下防災(zāi)抗災(zāi)設(shè)施及突出災(zāi)害應(yīng)急搶險(xiǎn)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(shù)學(xué)模型。ZHOU等、王凱等利用試驗(yàn)結(jié)合數(shù)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(guī)律。JIN等研究了瓦斯解吸對(duì)突出流體的影響，并得到了煤粉流流型變化規(guī)律。李希建等通過不同瓦斯壓力、不同防突風(fēng)門底坎尺寸的突出試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，揭示了突出沖擊波穿越防突風(fēng)門孔洞時(shí)的能量耗散規(guī)律。孫東玲等建立了突出煤在巷道中的運(yùn)移數(shù)學(xué)模型，分析了突出過程中煤-瓦斯兩相流流動(dòng)的臨界狀態(tài)及其相關(guān)兩相流聲速理論。王凱等研究了突出煤粉粒徑對(duì)突出煤-瓦斯兩相流動(dòng)力特征的影響。文獻(xiàn)[30-32]探究了突出過程中巷道沖擊力的致災(zāi)特征，并發(fā)現(xiàn)煤粉流在巷道中二次加速現(xiàn)象。

突出煤-瓦斯兩相流在巷道內(nèi)運(yùn)移的本質(zhì)是瓦斯通過曳力作用帶動(dòng)煤粉運(yùn)動(dòng)。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(dòng)力學(xué)行為。因此，研究突出沖擊氣流的形成及運(yùn)移規(guī)律是明確突出動(dòng)力致災(zāi)機(jī)制的重點(diǎn)課題。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)突出沖擊氣流形成機(jī)理及運(yùn)移機(jī)制的研究很少，僅有少量的試驗(yàn)和初步理論分析。另外，由于突出氣流的瞬時(shí)性、強(qiáng)破壞性及其復(fù)雜性，使得很難獲得現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的突出氣流的真實(shí)流動(dòng)規(guī)律。為此，筆者利用自主研制的多場(chǎng)耦合大型煤礦災(zāi)害物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，得到了煤層瓦斯壓力和地應(yīng)力、巷道沖擊力的演化過程，并獲得了巷道內(nèi)沖擊氣流和煤粉流的運(yùn)動(dòng)特征。與此同時(shí)，結(jié)合試驗(yàn)分析以及流體力學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)等理論指導(dǎo)，建立突出沖擊氣流形成及運(yùn)移模型。筆者所得研究結(jié)果對(duì)認(rèn)識(shí)突出動(dòng)力致災(zāi)機(jī)制及在尚無法從源頭消除突出災(zāi)害的前提下的被動(dòng)防災(zāi)減災(zāi)措施的實(shí)施具有重要借鑒意義。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)是利用自主研發(fā)的多場(chǎng)耦合煤礦動(dòng)力災(zāi)害大型物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行的，如圖1所示。該系統(tǒng)由動(dòng)力系統(tǒng)、巷道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、注氣系統(tǒng)和高速攝像機(jī)等組成。動(dòng)力系統(tǒng)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(shí)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突出流體在巷道內(nèi)的致災(zāi)過程；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集煤-瓦斯兩相流作用下沖擊力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)采樣率為1 000 Hz；注氣系統(tǒng)通過流量計(jì)、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(jī)用于捕捉突出過程中巷道內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)特征，采樣率為2 000 Hz。

圖1 多場(chǎng)耦合煤礦災(zāi)害物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Multi-field coupling testing system for dynamic disaster in coal mine

1.2 試驗(yàn)煤樣

試驗(yàn)煤樣取自重慶市水江煤礦九井向斜西翼二疊系龍?zhí)督MK煤層，埋深為1 082 m。該礦屬于煤與瓦斯突出礦井，絕對(duì)瓦斯涌出量為9.51 m/min，相對(duì)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(shù)為1.53 m/(MPa·d)，煤層自燃傾向?qū)偃?jí)，不易發(fā)火但具有爆炸性。圖2為水江煤礦地質(zhì)構(gòu)造情況，礦區(qū)煤層傾角為30°～38°，傾向?yàn)?5°～133°。礦區(qū)西側(cè)存在F8，F(xiàn)9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(fā)育于二疊系地層中，將煤層錯(cuò)斷，斷距為60～280 m。

圖2 水江煤礦地質(zhì)構(gòu)造Fig.2 Geological structure of Shuijiang Coal Mine

1.3 試驗(yàn)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(dòng)力學(xué)行為。再者，突出煤粉流的運(yùn)動(dòng)完全借助于氣相(煤層瓦斯)曳力。因此，突出致災(zāi)特性的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注突出氣流的形成機(jī)理與流動(dòng)規(guī)律。為真實(shí)還原工作面前方煤層的應(yīng)力分布狀態(tài)，將其由工作面向煤層深部分別劃分為卸壓區(qū)(和)、應(yīng)力集中區(qū)(和)、過渡區(qū)(和)和原巖應(yīng)力區(qū)(和)等4個(gè)應(yīng)力區(qū)域，地應(yīng)力加載方案詳見表1，各參數(shù)的設(shè)定方法詳見文獻(xiàn)[35]。同時(shí)，設(shè)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(nèi)瓦斯壓力下降規(guī)律、巷道內(nèi)沖擊氣流和煤粉的運(yùn)動(dòng)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(dòng)規(guī)律。

表1 地應(yīng)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(jí)爆破片組成。突出啟動(dòng)時(shí)，向其內(nèi)部快速充入氣體沖破巷道一側(cè)爆破片，使其壓力瞬間降為大氣壓。而煤層一側(cè)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(shí)現(xiàn)快速卸壓。圖3為傳感器布置示意，煤層內(nèi)共布置12個(gè)氣壓傳感器，其中，卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)分別布置5個(gè)氣壓傳感器；過渡區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)分別布置1個(gè)氣壓傳感器。重點(diǎn)關(guān)注突出孔洞附近區(qū)域壓降規(guī)律。巷道內(nèi)共布置6個(gè)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(gè)斷面上各布置3個(gè)沖擊力傳感器。傳感器具體位置及其編號(hào)如圖3所示。另外，在巷道外，斷面之間架設(shè)1個(gè)高速攝像機(jī)，用于捕捉突出過程中煤-瓦斯兩相流的運(yùn)動(dòng)特征。

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

1.4 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)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(yù)設(shè)位置安裝氣壓傳感器。煤樣配制過程及其配比詳見文獻(xiàn)[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(nèi)注入突出氣體(出于試驗(yàn)安全考慮，采用CO氣體)至預(yù)設(shè)瓦斯壓力。當(dāng)煤層瓦斯達(dá)到吸附平衡狀態(tài)時(shí)開始加載三向地應(yīng)力至預(yù)設(shè)值。而后開啟并調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、安裝高速攝像機(jī)。在準(zhǔn)備工作完備無誤情況下開啟泄爆裝置誘導(dǎo)突出，完成瞬間泄爆。

圖4 試驗(yàn)流程Fig.4 Flow chart of experiment

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 煤層瓦斯壓力演化規(guī)律

圖5為突出過程中不同區(qū)域內(nèi)煤層瓦斯壓力的演化過程。由圖5(a)可知，突出啟動(dòng)后，卸壓區(qū)的瓦斯壓力下降過程呈現(xiàn)出5個(gè)明顯的階段性起伏，分別標(biāo)注為C1～C5。C1階段中，縱向方向上和測(cè)點(diǎn)瓦斯壓力出現(xiàn)回升，漲幅分別為16.2%和23.0%。C2階段中，測(cè)點(diǎn)瓦斯壓力開始與，同步出現(xiàn)階段性回升，且幅度近似。從C3階段開始，卸壓區(qū)所有測(cè)點(diǎn)的瓦斯壓力皆同步出現(xiàn)階段性起伏現(xiàn)象。胡千庭等認(rèn)為突出過程是呈間歇式發(fā)展的。ZHOU等在前期的研究成果中重點(diǎn)討論了突出過程中的回升現(xiàn)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(gè)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(dá)到聲速時(shí)，產(chǎn)生了壅塞現(xiàn)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(qū)內(nèi)，縱向(，)的瓦斯壓力下降速率快于橫向(，)，測(cè)點(diǎn)瓦斯壓力在0.08 s內(nèi)由2.0 MPa下降至1.231 MPa，下降率高達(dá)9.61 MPa/s。而后隨著突出的發(fā)展，各測(cè)點(diǎn)瓦斯壓力下降率趨于一致，且下降率逐漸減緩。

圖5(b)為應(yīng)力集中區(qū)瓦斯壓力演化曲線。類似地，在該區(qū)域內(nèi)瓦斯壓力下降過程呈現(xiàn)出2個(gè)明顯的階段性起伏，且漲幅均不高。突出過程中，卸壓區(qū)內(nèi)近突出口煤粉被拋出，形成突出孔洞。應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)由于瓦斯壓力梯度的存在，煤層內(nèi)吸附瓦斯持續(xù)解吸，向突出孔洞匯集。但隨著突出的發(fā)展，瓦斯壓力的下降，突出孔洞內(nèi)瓦斯氣流不足以帶動(dòng)煤粉向巷道內(nèi)噴射出，大量煤粉堆積在突出口內(nèi)形成封閉空間，從而致使應(yīng)力集中區(qū)的瓦斯壓力小幅度回升。當(dāng)瓦斯壓力梯度足夠沖破突出口處堵塞的煤粉時(shí)，再次發(fā)生突出，瓦斯壓力再次降低。因此，應(yīng)力集中區(qū)瓦斯壓力回升現(xiàn)象與卸壓區(qū)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(cè)瓦斯壓力下降速率明顯快于左側(cè)。說明在突出過程中，煤層內(nèi)部孔隙裂隙發(fā)育在右側(cè)和下側(cè)較為充分，從而致使該處瓦斯壓力下降較快。

對(duì)于過渡區(qū)(圖5(c))，也存在回升現(xiàn)象，但該現(xiàn)象已經(jīng)不再明顯。突出中后期，當(dāng)煤體支撐壓力達(dá)到地應(yīng)力水平時(shí)，煤體內(nèi)部孔隙裂隙被壓密，致使瓦斯壓力有小幅度升高。當(dāng)?shù)貞?yīng)力進(jìn)一步增加時(shí)，煤體再次破碎，使得瓦斯壓力再次下降。對(duì)于原巖應(yīng)力區(qū)(圖5(d)),該處距突出孔洞較遠(yuǎn)，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(yīng)力演化規(guī)律

圖6為突出過程中不同區(qū)域內(nèi)煤層地應(yīng)力的演化過程。由圖6可知，突出過程中應(yīng)力的變化主要集中在卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和過渡區(qū)。其中，，，，，，的應(yīng)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(yīng)力變化最大的是應(yīng)力集中區(qū)，其次是過渡區(qū)。當(dāng)然，從下降百分比的角度，卸壓區(qū)中最大主應(yīng)力下降了85%，該方向上的應(yīng)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(yīng)力(垂直應(yīng)力)的下降量和下降百分比皆高于最小主應(yīng)力(水平應(yīng)力)。就卸壓區(qū)而言，應(yīng)力下降過程中出現(xiàn)了階段性平穩(wěn)或回升現(xiàn)象。其中，最大主應(yīng)力在經(jīng)歷3次階段性平穩(wěn)或回升后迅速下降至0.15 MPa；最小主應(yīng)力在經(jīng)歷2次階段性平穩(wěn)或回升后呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。就應(yīng)力集中區(qū)而言，存在與卸壓區(qū)類似的現(xiàn)象，在下降過程中也有階段性平穩(wěn)或回升，并且在后期應(yīng)力有緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。不同的是，該區(qū)域應(yīng)力下降速率較快，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力下降趨勢(shì)近似，且階段性平穩(wěn)或回升現(xiàn)象的次數(shù)及持續(xù)時(shí)間較少。對(duì)于過渡區(qū)，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力皆體現(xiàn)出先緩慢上升后迅速下降再回升的演化趨勢(shì)。而就原巖應(yīng)力區(qū)而言，其應(yīng)力變化幅度較小，受突出擾動(dòng)最弱。該區(qū)域最大主應(yīng)力呈先緩慢上升后緩慢下降趨勢(shì)，最小主應(yīng)力則呈單一緩慢下降趨勢(shì)。

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

突出過程中應(yīng)力下降呈現(xiàn)出的階段性平穩(wěn)或回升現(xiàn)象說明該過程能量的釋放是分階段完成的。同時(shí)，在突出中后期，卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)、過渡區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)皆出現(xiàn)了應(yīng)力緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，說明突出過程中煤層內(nèi)部發(fā)生了應(yīng)力轉(zhuǎn)移，并于最后保持一個(gè)新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。此外，值得注意的是，應(yīng)力的響應(yīng)時(shí)間將隨煤層深部的發(fā)展而延后。

2.3 煤-瓦斯兩相流運(yùn)動(dòng)特征

圖7(a)間接得出了突出前2.5 ms內(nèi)沖擊氣流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。需要說明的是，在連接巷道時(shí)，筆者在突出口靠近巷道方向的中心軸線上放置了10個(gè)直徑為5 mm的泡沫球、5個(gè)直徑為10 mm的泡沫球、2個(gè)直徑為 20 mm的泡沫球以及1個(gè)直徑為40 mm的乒乓球。用泡沫球和乒乓球的運(yùn)動(dòng)速度間接表征起始時(shí)刻沖擊氣流的流動(dòng)速度。通過顆粒流動(dòng)力學(xué)可知，由于泡沫球和乒乓球的質(zhì)量極小，其速度直接取決于氣流對(duì)其的曳力作用，此時(shí)氣流速度應(yīng)大于顆粒流速度。因此，沖擊氣流表征速度小于真實(shí)值。在突出0.5 ms，有1個(gè)明顯的泡沫球軌跡出現(xiàn)，并運(yùn)移到標(biāo)準(zhǔn)刻度尺72 cm處。隨后在1.0 ms，該泡沫球運(yùn)移至86.6 cm處，同時(shí)，有更多的泡沫球軌跡出現(xiàn)。綜上，可通過第1例泡沫球運(yùn)移軌跡估算出其運(yùn)移速度約為292 m/s。在突出1.5 ms時(shí)，受破壞的乒乓球運(yùn)移至76 cm處，速度稍慢于更輕的泡沫球。在突出2.0 ms時(shí)，乒乓球運(yùn)移到89 cm處，可計(jì)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(fā)現(xiàn)后續(xù)的泡沫球速度有較大的減緩，此時(shí)在巷道內(nèi)部形成旋渦區(qū)。

沖擊氣流經(jīng)突出口進(jìn)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(dòng)為非定常紊流狀態(tài)。在管道截面突然擴(kuò)大的地方，由于慣性的作用，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是不可能突然轉(zhuǎn)彎的，因此，沖擊氣流在運(yùn)移一段距離后才占據(jù)整個(gè)巷道截面。在此之前，近突出口區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生許多旋渦，形成旋渦區(qū)。試驗(yàn)現(xiàn)象中，由于泡沫球質(zhì)量遠(yuǎn)小于乒乓球的質(zhì)量，其受氣流黏性力的影響大于所受的慣性力。因此導(dǎo)致部分泡沫球隨氣流進(jìn)入旋渦區(qū)，速度驟減。而乒乓球受慣性力影響持續(xù)向前運(yùn)移。

圖7(b)可直接觀察出煤粉流的運(yùn)動(dòng)特征。在突出20.5 ms時(shí)，煤粉流運(yùn)移至標(biāo)準(zhǔn)刻度尺74.5 cm處，呈現(xiàn)出圓弧形射流狀。隨后在21.0 ms和21.5 ms時(shí)分別運(yùn)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(qū)影響較大，部分細(xì)顆粒煤粉速度降低并向上運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致煤粉流流型體現(xiàn)不明顯。但可通過巷道內(nèi)泡沫碎片的可視度估算出煤粉流速度，呈持續(xù)下降的趨勢(shì)。

圖7 突出過程中煤-瓦斯兩相流運(yùn)動(dòng)特征Fig.7 Movement characteristics of coal-gas two-phase flow during outburst

綜上所述，沖擊氣流經(jīng)突出口進(jìn)入巷道空間后，其流速可高達(dá)300 m/s及以上，甚至可達(dá)到聲速-超聲速狀態(tài)，具有強(qiáng)烈的沖擊致災(zāi)特性。此時(shí)，沖擊氣流動(dòng)壓沖擊致災(zāi)十分劇烈，是人員傷亡、設(shè)施設(shè)備損壞的最初因素。煤粉流速度在突出氣流曳力的帶動(dòng)下可達(dá)70 m/s，呈圓弧形射流狀，對(duì)突出口附近巷道空間內(nèi)人員及設(shè)施也具有一定的沖擊損傷危害。由此可見，對(duì)突出過程中巷道內(nèi)流體的沖擊動(dòng)力學(xué)行為的研究是不可忽視的。此外，沖擊氣流速度遠(yuǎn)大于煤粉流速度，在突出瞬間存在氣流先行煤粉滯后的現(xiàn)象，將突出過程中巷道內(nèi)流體運(yùn)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(shí)包含沖擊氣流和煤粉流。

2.4 沖擊力演化規(guī)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(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，可瞬間造成人員傷亡并摧毀井下設(shè)施。因此，探究突出過程中巷道內(nèi)沖擊力演化規(guī)律對(duì)合理安排防突柵欄、避難硐室等設(shè)施的布置、如何制定有效的災(zāi)后應(yīng)急救援預(yù)案等有指導(dǎo)性作用。圖8為突出過程中巷道內(nèi)，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(dòng)后，巷道內(nèi)沖擊力先迅速上升至最高點(diǎn)，隨后呈波動(dòng)式下降趨勢(shì)。在距突出口1 000 mm處的斷面上，測(cè)點(diǎn)波動(dòng)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(yīng)最為劇烈，但強(qiáng)度不一定最大。即，，位置在突出過程中所測(cè)得的峰值沖擊力分別為122.0，405.6，46.0 kPa。整個(gè)斷面的各位置的峰值沖擊力相差較大，同時(shí)，，，位置的沖擊力局部演化趨勢(shì)大相徑庭。由此說明，突出過程中巷道內(nèi)各斷面所受沖擊力呈現(xiàn)不均勻性。在距突出口2 000 mm處的斷面上，測(cè)點(diǎn)在上升前有一小段負(fù)壓作用。，，位置在突出過程中所測(cè)得的峰值沖擊力分別為64.0，171.5，93.0 kPa，與斷面一樣，表現(xiàn)出受力不均勻特性。

對(duì)比，斷面可知，和的沖擊力對(duì)比和有大幅度減小，反而的沖擊力對(duì)比有小幅度上升。說明在近突出口區(qū)域，強(qiáng)沖擊力主要分布在巷道斷面的中心內(nèi)圈位置。而隨著流體的運(yùn)移，強(qiáng)沖擊力有從斷面中心內(nèi)部向外部擴(kuò)展的趨勢(shì)。分析認(rèn)為，當(dāng)突出流體經(jīng)過突出口向較大的巷道空間噴射時(shí)，由于慣性的作用，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是不可能突然轉(zhuǎn)彎的，流體呈射流狀。隨后，突出流體在運(yùn)移一段距離后才占據(jù)整個(gè)巷道斷面。而沖擊力的大小與流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)移緊密相連，因此，強(qiáng)沖擊力有從斷面中心內(nèi)部向外部擴(kuò)展的趨勢(shì)。

圖9給出了不同位置的沖擊力隨時(shí)刻的演化過程。由圖7煤粉流速度估算可知，前18 ms內(nèi)，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(yīng)特征。由圖9可知，在單相氣流階段，和等位置的沖擊力響應(yīng)較為微弱；位置沖擊力先下降至負(fù)壓狀態(tài)，隨后在8 ms時(shí)上升至225.0 kPa，而后再經(jīng)歷一次下降后上升；位置在經(jīng)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(shì)。由此可見，在單相氣流階段，巷道斷面部分區(qū)域出現(xiàn)了沖擊力陡增現(xiàn)象，同時(shí)，該現(xiàn)象對(duì)后一斷面產(chǎn)生影響，使其沖擊力處于負(fù)壓狀態(tài)。另外，斷面沖擊力分布不均勻特征也在該階段得以體現(xiàn)。

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(yùn)移理論分析

煤層瓦斯一方面作為突出的參與介質(zhì)，另一方面作為突出的主要能量來源，其對(duì)突出的致災(zāi)特性起到至關(guān)重要的作用。突出過程中產(chǎn)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(nèi)氣流速度和靜壓的分布特征、作用時(shí)間及其致災(zāi)范圍，從而合理安排防突風(fēng)門、防突柵欄、避難硐室等設(shè)施的布置，有益于減小沖擊災(zāi)害的損傷，對(duì)災(zāi)后應(yīng)急救援措施的設(shè)計(jì)、技術(shù)控制災(zāi)害的擴(kuò)大、防止次生災(zāi)害的發(fā)生等具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

3.1 沖擊氣流形成過程中氣流參數(shù)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(dòng)狀態(tài)。然而，各因素對(duì)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(shí)間較短，可忽略熱量的散失。同時(shí)，氣流與孔壁之間的摩擦主要是在緊貼孔壁的附面層內(nèi)。因此，就整個(gè)突出過程而言，該摩擦作用很小，可忽略不計(jì)。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(shè)在突出過程中氣體與外界無熱量和功的交換，不計(jì)氣體與孔壁的摩擦作用，且氣流流動(dòng)是一維定常的。由氣體動(dòng)力學(xué)理論可給出突出氣流的連續(xù)方程、動(dòng)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(qiáng)；為突出氣體絕熱指數(shù)；為突出氣體馬赫數(shù)；為突出氣體溫度。

(4)

(5)

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

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

由微分式(6)～(10)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣流是亞聲速流時(shí)(<1)，若增大截面面積，則必然引起壓強(qiáng)的增大、密度的增加、速度的減小、溫度的升高以及馬赫數(shù)的減??；當(dāng)氣流是超聲速流時(shí)(>1)，若增大截面面積，則必然引起壓強(qiáng)的減小、密度的減小、速度的增大、溫度的降低以及馬赫數(shù)的增大；當(dāng)氣流是聲速氣流時(shí)(=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(dòng)力學(xué)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(dá)到當(dāng)?shù)芈曀佟．?dāng)然，在最小截面處氣流是否達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀偃Q于管道進(jìn)出口處的壓強(qiáng)比值。

3.2 沖擊氣流形成模型

突出發(fā)生后，在煤層內(nèi)產(chǎn)生的不規(guī)則三維孔狀幾何結(jié)構(gòu)被稱為突出孔洞。陶云奇通過突出試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)突出孔洞大多呈不規(guī)則的口小腔大的梨形、橢圓形等形狀。郭臣業(yè)等分析了重慶某煤礦近30多年的突出數(shù)據(jù)，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(fā)現(xiàn)突出煤層由揭露口向內(nèi)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(xiàn)出“口小腔大”特征。因此，結(jié)合流體力學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)等理論，建立以拉伐爾噴管為基礎(chǔ)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(nèi)瓦斯氣體在高壓強(qiáng)差作用下向突出口運(yùn)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(shù)分析可知，此過程氣流速度不斷升高，并于突出口處達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀?；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(jìn)一步加速到超聲速流動(dòng)狀態(tài)，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(dòng)力學(xué)行為在巷道內(nèi)運(yùn)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(qiáng)差)、突出孔洞形態(tài)的影響較大，而沖擊氣流的運(yùn)移流動(dòng)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(fā)生瞬間，沖擊氣流以聲速或超聲速狀態(tài)進(jìn)入巷道并迅速膨脹，沖擊壓縮巷道內(nèi)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(nèi)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(dāng)多個(gè)壓縮波疊加時(shí)便形成一道更強(qiáng)的壓縮波，即沖擊波。

3.3 膨脹波和壓縮波的形成

突出發(fā)生后，受高瓦斯壓力梯度的影響，氣流在突出口內(nèi)處于超臨界流動(dòng)狀態(tài)，在出口截面上的氣流壓強(qiáng)大于巷道內(nèi)的氣體壓強(qiáng)，此時(shí)氣流未得到完全膨脹。因此，氣流從突出口噴出后會(huì)繼續(xù)膨脹，其速度持續(xù)增大成為超聲速氣流。一般情況下，在超聲速流場(chǎng)中，膨脹波和壓縮波是其特有的重要現(xiàn)象。當(dāng)氣流經(jīng)過每一道膨脹波或壓縮波時(shí)，其內(nèi)部參數(shù)必將發(fā)生微小變化，從而影響氣流的流動(dòng)狀態(tài)。

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(nèi)的運(yùn)移

當(dāng)氣流進(jìn)入巷道空間后，壁面截面突然變大，則可將其看成流經(jīng)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(huì)產(chǎn)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(dāng)沖擊氣流由①區(qū)經(jīng)過波和′進(jìn)入到②，③區(qū)后，交點(diǎn)之后將會(huì)形成一個(gè)楔形真空區(qū)，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(diǎn)必產(chǎn)生2道膨脹波與射流邊界和′′交于和′點(diǎn)。當(dāng)沖擊氣流由②，③區(qū)經(jīng)膨脹波進(jìn)入④區(qū)時(shí)，分別向上和向下轉(zhuǎn)折一個(gè)角度，使得④區(qū)內(nèi)氣流平行于軸向方向。但是，由于突出氣流再一次膨脹，④區(qū)內(nèi)氣流的靜壓將低于②，③區(qū)。因此，導(dǎo)致外界氣體壓縮射流，在射流中產(chǎn)生2道壓縮波和′。與膨脹波的相交同理，當(dāng)④區(qū)氣流經(jīng)過波和′進(jìn)入到⑤，⑥區(qū)后，交點(diǎn)之后將會(huì)形成一個(gè)錐形壓縮區(qū)，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(qiáng)。因此，在點(diǎn)必產(chǎn)生2道壓縮波與射流邊界和′′交于和′點(diǎn)。此后，從′截面開始，又將重復(fù)上述流動(dòng)過程。綜上可知，沖擊氣流從突出口噴出后在巷道空間內(nèi)呈射流狀，并且會(huì)在射流中周期性地出現(xiàn)膨脹波區(qū)和壓縮波區(qū)，同時(shí)射流截面會(huì)出現(xiàn)周期性地先擴(kuò)大后縮小現(xiàn)象，從而導(dǎo)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(dòng)過程中，由于氣體黏性的作用，氣流射入巷道未擾動(dòng)空間后，其逐漸與周圍氣體摻混，從而引起射流范圍逐漸擴(kuò)大，能量逐漸衰減。

圖12 沖擊氣流運(yùn)移流動(dòng)模型Fig.12 Migration flow model of outburst impact airflow

4 沖擊氣流形成及運(yùn)移的數(shù)值模擬

4.1 幾何模型及邊界條件

依據(jù)前述分析的沖擊氣流形成特點(diǎn)，結(jié)合試驗(yàn)中設(shè)備的真實(shí)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(zhǎng)3 m、寬0.4 m；煤層部分長(zhǎng)0.1 m；突出口長(zhǎng)0.3 m，寬30 mm；巷道空間由錐形擴(kuò)口和直巷組成，總長(zhǎng)2.6 m。

筆者主要從沖擊氣流角度探究突出過程中動(dòng)力致災(zāi)效應(yīng)，忽略突出過程中煤粉顆粒對(duì)其影響，因此，開展了單相氣流數(shù)值模擬。入口設(shè)置在煤層，入口壓力為2.1節(jié)所得的卸壓區(qū)煤層瓦斯壓力曲線，溫度設(shè)置為303 K；壁面邊界條件設(shè)置為無滑移流動(dòng)；出口壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，其流動(dòng)條件為亞聲速-超聲速混合流動(dòng)；整個(gè)“煤層-突出口-巷道空間”內(nèi)部初始?xì)鈮簽橐粋€(gè)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(shí)，氣流經(jīng)突出口后形成超聲速?zèng)_擊氣流，在巷道內(nèi)呈現(xiàn)射流狀，形成高速射流區(qū)，同時(shí)，其前端氣流繼續(xù)膨脹至巷道邊緣。突出4 ms時(shí)，高速射流區(qū)持續(xù)擴(kuò)大，射流前端已形成平穩(wěn)運(yùn)移區(qū)，且在高速射流區(qū)和巷道壁面之間形成了2個(gè)明顯的旋渦區(qū)。值得注意的是，在高速射流區(qū)內(nèi)，沖擊氣流存在膨脹-壓縮現(xiàn)象，且已完成1次該循環(huán)。突出6 ms時(shí)，平穩(wěn)運(yùn)移區(qū)持續(xù)擴(kuò)大，高速射流區(qū)內(nèi)沖擊氣流的第2次膨脹-壓縮循環(huán)即將完成，在高速射流區(qū)和巷道壁面之間逐漸形成回流區(qū)，回流區(qū)與高速射流區(qū)分界面出現(xiàn)明顯的流速差，形成了強(qiáng)剪切層，同時(shí)，在強(qiáng)剪切層內(nèi)出現(xiàn)了渦旋。突出8 ms時(shí)，突出氣流運(yùn)移至出口處，第3次膨脹-壓縮循環(huán)已開始，并且在射流前端形成了橢圓形流速“真空區(qū)”。隨著突出的發(fā)展，高速射流區(qū)不斷擴(kuò)展至巷道末端，平穩(wěn)運(yùn)移區(qū)逐漸消失，最終形成4個(gè)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(yàn)。氣流在受突出口截面面積變化的影響后于巷道內(nèi)加速形成超聲速?zèng)_擊氣流；超聲速氣流運(yùn)移過程中受膨脹波和壓縮波的影響，在巷道空間內(nèi)呈射流狀，并且會(huì)在射流中周期性地出現(xiàn)膨脹波區(qū)和壓縮波區(qū)；在高速射流區(qū)和巷道壁面之間形成回流區(qū)，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(nèi)分布不均勻，從而導(dǎo)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(fā)現(xiàn)，突出20 ms內(nèi)煤層(0<<0.1 m)瓦斯壓力維持在較高水平。突出2 ms時(shí)，沖擊氣流自突出口噴出后，在巷道內(nèi)迅速膨脹并壓縮空間內(nèi)原有空氣，使其壓力、密度、溫度躍升，形成空氣壓縮區(qū)。在一系列壓縮波疊加后，于空氣壓縮區(qū)最前方形成了一道明顯的空氣沖擊波。與此同時(shí)，在高速射流區(qū)內(nèi)由于膨脹波的作用，形成了一個(gè)楔形真空區(qū)，呈負(fù)壓狀態(tài)。突出4 ms時(shí)，沖擊氣流受壓縮波影響，在楔形真空區(qū)后形成一個(gè)錐形壓縮區(qū)，呈正壓狀態(tài)。突出8 ms時(shí)，空氣壓縮區(qū)擴(kuò)大到巷道末端，2個(gè)真空區(qū)和2個(gè)壓縮區(qū)相間存在。此后，隨著沖擊氣流的運(yùn)移傳播，空氣壓縮區(qū)不斷減小，巷道內(nèi)產(chǎn)生更多的真空區(qū)和壓縮區(qū)。突出12～20 ms，首對(duì)真空-壓縮區(qū)內(nèi)，氣流靜壓值及其作用范圍變化不大，此后所有真空區(qū)作用范圍逐漸增大。對(duì)于第2個(gè)壓縮區(qū)，其靜壓值呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢(shì)，同樣地，隨后的壓縮區(qū)也有類似的規(guī)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(yàn)。沖擊氣流形成的過程中，未受擾動(dòng)的巷道空氣受到壓縮形成空氣沖擊波，沿巷道運(yùn)移傳播；超聲速氣流內(nèi)受膨脹波的影響會(huì)形成楔形真空區(qū)，此時(shí)該區(qū)域呈負(fù)壓狀態(tài)；超聲速氣流內(nèi)受壓縮波的影響會(huì)形成錐形壓縮區(qū)，此時(shí)該區(qū)域呈正壓狀態(tài)；空氣沖擊波后的巷道呈正壓狀態(tài)，高速射流區(qū)域內(nèi)的巷道以負(fù)壓為主。

5 結(jié) 論

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

(2)氣流經(jīng)突出口進(jìn)入巷道后形成高速?zèng)_擊氣流，其流速可高達(dá)300 m/s及以上；煤粉流速度在氣流曳力的帶動(dòng)下可達(dá)70 m/s，呈圓弧形射流狀。突出瞬間，沖擊氣流速度遠(yuǎn)大于煤粉流速度，存在氣流先行煤粉滯后的現(xiàn)象，將突出過程中巷道內(nèi)流體運(yùn)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(yīng)劇烈程度和其大小關(guān)系不顯著，且同一斷面受沖擊力大小呈現(xiàn)不均特征。在近突出口區(qū)域，強(qiáng)沖擊力主要分布在巷道斷面的中心內(nèi)圈，而隨距離的增加，強(qiáng)沖擊力有從斷面中心向外部擴(kuò)展的趨勢(shì)。在單相氣流階段，巷道斷面部分區(qū)域出現(xiàn)了沖擊力陡增現(xiàn)象，同時(shí)，該現(xiàn)象使后一斷面沖擊力處于負(fù)壓狀態(tài)。

(4)結(jié)合試驗(yàn)分析以及流體力學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)等理論指導(dǎo)，建立以拉伐爾噴管為基礎(chǔ)的沖擊氣流形成模型。氣流經(jīng)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(guān)聯(lián)。根據(jù)膨脹波-壓縮波的形成理論建立沖擊氣流在巷道內(nèi)的運(yùn)移模型。沖擊氣流在巷道內(nèi)呈射流狀，并且在射流中會(huì)周期性地出現(xiàn)膨脹波區(qū)和壓縮波區(qū)，同時(shí)射流截面會(huì)出現(xiàn)周期性地先擴(kuò)大后縮小現(xiàn)象，從而導(dǎo)致射流邊界上下起伏呈波紋狀。

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

[1] 袁亮. 深部采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控研究進(jìn)展[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2021,46(3):716-725.

YUAN Liang. Research progress of mining response and disaster prevention and control in deep coal mines [J]. Journal of China Coal Society,2021,46(3):716-725.

[2] 十三屆全國(guó)人大四次會(huì)議秘書處. 中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要[EB/OL].(2021-03-05) http://www.gov.cn/xinwen/2021-03/13/content_5592681.htm

[3] 袁亮. 煤礦典型動(dòng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)判識(shí)及監(jiān)控預(yù)警技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2020,45(5):1557-1566.

YUAN Liang. Research progress on risk identification,assess-ment,monitoring and early warning technologies of typical dynamic hazards in coal mines [J]. Journal of China Coal Society,2020,45(5):1557-1566.

[4] 張建國(guó),蘭天偉,王滿,等. 平頂山礦區(qū)深部礦井動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)方法與應(yīng)用[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2019,44(6):1698-1706.

值得說明的是，不管以什么形式存在，我國(guó)兜底條款一直在著作權(quán)法條文中。1990年《著作權(quán)法》在列舉了復(fù)制、表演、播放、展覽等作品使用方式之后還外加了“等方式”。2001年對(duì)《著作權(quán)法》進(jìn)行修改以后改為“應(yīng)當(dāng)由著作權(quán)人享有的其他權(quán)利”。2010年《著作權(quán)法》保留了這一表述。2012年3月，國(guó)家版權(quán)局在其官方網(wǎng)站公布的著作權(quán)法修改草案中也保留了該條款，這從側(cè)面反映出兜底條款的重要作用。

ZHANG Jianguo,LAN Tianwei,WANG Man,et al. Prediction method of deep mining dynamic disasters and its application in Pingdingshan mining area [J]. Journal of China Coal Society,2019,44(6):1698-1706.

[5] 潘一山. 煤與瓦斯突出、沖擊地壓復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害一體化研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2016,41(1):105-112.

PAN Yishan. Integrated study on compound dynamic disaster of coal-gas outburst and rockburst [J]. Journal of China Coal Society,2016,41(1):105-112.

[6] 唐巨鵬,郝娜,潘一山,等. 基于聲發(fā)射能量分析的煤與瓦斯突出前兆特征試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2021,40(1):31-42.

TANG Jupeng,HAO Na,PAN Yishan,et al. Experimental study on precursor characteristics of coal and gas outbursts based on acoustic emission energy analysis [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2021,40(1):31-42.

[7] 趙志強(qiáng),靳俊曉,申金超. 石門揭煤中煤體塑性區(qū)躍遷特征與誘突機(jī)制[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2019,38(2):343-352.

ZHAO Zhiqiang,JIN Junxiao,SHEN Jinchao. Promotion characteristics and induced outburst mechanisms of coal plastic zones in rock cross-cut coal uncovering [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2019,38(2):343-352.

XIAN Xuefu,GU Min,LI Xiaohong,et al. Excitation and occurrence conditions for coal and gas outburst [J]. Rock and Soil Mechanics,2009,30(3):577-581.

[9] 王漢鵬,李清川,袁亮,等. 煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)型煤相似材料研發(fā)與特性分析[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào),2018,35(6):1277-1283.

WANG Hanpeng,LI Qingchuan,YUAN Liang,et al. Similar material research and property analysis of coal briquette in coal and gas outburst simulation test [J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2018,35(6):1277-1283.

[10] 盧義玉,彭子燁,夏彬偉,等. 深部煤巖工程多功能物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)——煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2020,45(S1):272-283.

LU Yiyu,PENG Ziye,XIA Binwei,et al. Coal and gas outburst multi-functional physical model testing system of deep coal petrography engineering [J]. Journal of China Coal Society,2020,45(S1):272-283.

[11] 周世寧,何學(xué)秋. 煤和瓦斯突出機(jī)理的流變假說[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)報(bào),1990,19(2):1-8.

ZHOU Shining,HE Xueqiu. The rheological hypothesis of coal and gas outburst mechanism [J]. Journal of China University of Mining & Technology,1990,19(2):1-8.

[12] 高魁,喬國(guó)棟,劉澤功,等. 煤與瓦斯突出機(jī)理分類研究構(gòu)想及其應(yīng)用探討[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào),2019,36(5):1043-1051.

GAO Kui,QIAO Guodong,LIU Zegong,et al. On classification conception of coal and gas outburst mechanism and its application [J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2019,36(5):1043-1051.

[13] 張慶賀,李術(shù)才,王漢鵬,等. 不同強(qiáng)度含瓦斯型煤瞬間揭露致突特征及其影響機(jī)制[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào),2017,34(4):817-824.

ZHANG Qinghe,LI Shucai,WANG Hanpeng,et al. Influence mechanism and outburst characteristics during revealing different intensity coal containing gas [J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2017,34(4):817-824.

[14] 王漢鵬,張冰,袁亮,等. 吸附瓦斯含量對(duì)煤與瓦斯突出的影響與能量分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2017,36(10):2449-2456.

WANG Hanpeng,ZHANG Bing,YUAN Liang,et al. Influence of adsorption gas content on coal and gas outburst and energy analysis [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2017,36(10):2449-2456.

[15] 唐巨鵬,楊森林,王亞林,等. 地應(yīng)力和瓦斯壓力作用下深部煤與瓦斯突出試驗(yàn)[J]. 巖土力學(xué),2014,35(10):2769-2774.

TANG Jupeng,YANG Senlin,WANG Yalin,et al. Experiment of coal and gas outbursts under ground stress and gas pressure in deep mines [J]. Rock and Soil Mechanics,2014,35(10): 2769-2774.

[16] 朱立凱,楊天鴻,徐濤,等. 煤與瓦斯突出過程中地應(yīng)力、瓦斯壓力作用機(jī)理探討[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào),2018,35(5):1038-1044.

ZHU Likai,YANG Tianhong,XU Tao,et al. Explore the mechanism of ground stress and gas pressure in coal-gas outburst [J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2018,35(5):1038-1044.

[17] 高魁,劉澤功,劉健. 地應(yīng)力在石門揭構(gòu)造軟煤誘發(fā)煤與瓦斯突出中的作用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015,34(2):305-312.

GAO Kui,LIU Zegong,LIU Jian. Effect of geostress on coal and gas outburst in the uncovering tectonic soft coal by cross-cut [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2015,34(2):305-312.

[18] 秦恒潔,魏建平,李棟浩,等. 煤與瓦斯突出過程中地應(yīng)力作用機(jī)理研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2021,50(5):933-943.

QIN Hengjie,WEI Jianping,LI Donghao,et al. Research on the mechanism of in-situ stress in the process of coal and gas outburst [J]. Journal of China University of Mining & Technology,2021,50(5):933-943.

[19] 周愛桃. 瓦斯突出沖擊氣流傳播及誘導(dǎo)礦井風(fēng)流災(zāi)變規(guī)律研究[D]. 北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京),2012.

ZHOU Aitao. Research on propagation characteristics of shock wave and gas flow from gas outburst and induced catastrophe law of mine airflow [D]. Beijing: China University of Mining and Technology (Beijing),2012.

[20] 程五一,劉曉宇,王魁軍,等. 煤與瓦斯突出沖擊波陣面?zhèn)鞑ヒ?guī)律的研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2004,29(1):57-60.

CHENG Wuyi,LIU Xiaoyu,WANG Kuijun,et al. Study on regulation about shock-wave-front propagating for coal and gas outbursts[J]. Journal of China Coal Society,2004,29(1):57-60.

[21] ZHOU Aitao,ZHANG Meng,WANG Kai,et al. Airflow disturbance induced by coal mine outburst shock waves: A case study of a gas outburst disaster in China [J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2020，128：104262.

[22] ZHOU Aitao,ZAHNG Meng,WANG Kai,et al. Near-source characteristics of two-phase gas-solid outbursts in roadways [J].International Journal of Coal Science and Technology,2021,8(4):685-696.

[23] 王凱,周愛桃,魏高舉,等. 巷道截面變化對(duì)突出沖擊波傳播的影響[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2012,37(6):989-993.

WANG Kai,ZHOU Aitao,WEI Gaoju,et al. Influence of roadway cross-section variation on outburst shock wave propagation[J]. Journal of China Coal Society,2012,37(6):989-993.

[24] 王凱,周愛桃,張建方,等. 直角拐彎巷道中瓦斯突出沖擊氣流傳播特征研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,40(6):858-862.

WANG Kai,ZHOU Aitao,ZHANG Jianfang,et al. Study of the shock wave propagation and gas flow during a coal and gas outburst at the roadway with a right-angled bend[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2011,40(6):858-862.

[25] JIN Kan,CHENG Yuanping,REN Ting,et al. Experimental investigation on the formation and transport mechanism of outburst coal-gas flow: Implications for the role of gas desorption in the development stage of outburst [J].International Journal of Coal Geology,2018,194:45-58.

[26] 李希建,薛海騰,陳劉瑜,等. 突出沖擊波穿越門墻孔洞能量耗散規(guī)律及安全尺寸研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào),46(12):3934-3947.

LI Xijian,XUE Haiteng,CHEN Liuyu,et al. Research on energy dissipation law and safety sizes of outburst shock wave passing through hole in door wall [J]. Journal of China Coal Society:46(12):3934-3947.

[27] 孫東玲,曹偈,苗法田,等. 突出煤-瓦斯在巷道內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2018,43(10):2773-2779.

SUN Dongling,CAO Jie,MIAO Fatian,et al. Migration law of outburst coal and gas in roadway[J]. Journal of China Coal Society,2018,43(10):2773-2779.

[28] 孫東玲,胡千庭,苗法田. 煤與瓦斯突出過程中煤-瓦斯兩相流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2012,37(3):452-458.

SUN Dongling,HU Qianting,MIAO Fatian. Motion state of coal-gas flow in the process of outburst [J]. Journal of China Coal Society,2012,37(3):452-458.

[29] 王凱,王亮,杜鋒,等. 煤粉粒徑對(duì)突出瓦斯-煤粉動(dòng)力特征的影響[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2019,44(5):1369-1377.

WANG Kai,WANG Liang,DU Feng,et al. Influence of coal powder particle sizes on dynamic characteristics of coal and gas outburst[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(5):1369-1377.

[30] 許江,程亮,周斌,等. 突出過程中煤-瓦斯兩相流運(yùn)移的物理模擬研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2019,38(10):1945-1953.

XU Jiang,CHENG Liang,ZHOU Bin,et al. Physical simulation of coal-gas two-phase flow migration in coal and gas outburst [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2019,38(10):1945-1953.

[31] 程亮,許江,周斌,等. 不同瓦斯壓力對(duì)煤與瓦斯突出兩相流傳播規(guī)律的影響研究[J]. 巖土力學(xué),2020,41(8):2619-2626.

CHENG Liang,XU Jiang,ZHOU Bin,et al. The influence of different gas pressures on the propagation law of coal and gas outburst two-phase flow [J]. Rock and Soil Mechanics,2020,41(8):2619-2626.

[32] ZHOU Bin,XU Jiang,YAN Fazhi,et al. Effects of gas pressure on dynamic response of two-phase flow for coal-gas outburst [J]. Powder Technol,2021,377:55-69.

[33] ZHOU Bin,XU Jiang,PENG Shoujian,et al. Test system for the visualization of dynamic disasters and its application to coal and gas outburst [J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2019,122:104083.

[34] 王剛,武猛猛,王海洋,等. 基于能量平衡模型的煤與瓦斯突出影響因素的靈敏度分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015,34(2):238-248.

WANG Gang,WU Mengmeng,WANG Haiyang. Sensitivity analysis of factors affecting coal and gas outburst based on a energy equilibrium model [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2015,34(2):238-248.

[35] 周斌,許江,彭守建,等. 突出過程中煤層及巷道多物理場(chǎng)參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2020,45(4):1385-1397.

ZHOU Bin,XU Jiang,PENG Shoujian,et al. Dynamic response of coal seam and roadway during coal and gas outburst[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(4): 1385-1397.

[36] 許江,周斌,彭守建,等. 基于熱-流-固體系參數(shù)演變的煤與瓦斯突出能量演化[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2020,45(1):213-222.

XU Jiang,ZHOU Bin,PENG Shoujian,et al. Evolution of outburst energy based on development of heat-flow-solids parameters [J]. Journal of China Coal Society,2020,45(1):213-222.

[37] 胡千庭,周世寧,周心權(quán). 煤與瓦斯突出過程的力學(xué)作用機(jī)理[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2008,33(12):1368-1372.

HU Qianting,ZHOU Shining,ZHOU Xinquan. Mechanical mechanism of coal and gas outburst process [J]. Journal of China Coal Society,2008,33(12):1368-1372.

[38] ZHOU Bin,XU Jiang,PENG Shoujian,et al. Experimental analysis of

the dynamic effects of coal-gas outburst and a protean contraction and expansion flow model[J]. Natural Resources Research,2020,29:1617-1637.

[39] 潘錦珊,單鵬. 氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2011.

[40] 陶云奇. 含瓦斯煤THM耦合模型及煤與瓦斯突出模擬研究[D]. 重慶：重慶大學(xué),2009.

TAO Yunqi. Study on the gassy coal THM coupling model and coal and gas outburst simulation [D]. Chongqing：Chongqing University,2009.

[41] 郭臣業(yè),鮮學(xué)福,姚偉靜,等. 煤巖層斷裂破壞區(qū)與煤和瓦斯突出孔洞關(guān)系研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,39(6):802-807.

GUO Chenye,XIAN Xuefu,YAO Weijing. Relationship between the fracture zone and cave of coal or gas outburst caving in coal and rock seams [J]. Journal of China University of Mining & Technology,2010,39(6):802-807.

[42] 胡千庭. 煤與瓦斯突出的力學(xué)作用機(jī)理[M]. 北京：科學(xué)出版社,2013.

[43] 蔣承林. 煤壁突出孔洞的形成機(jī)理研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2000,19(2):225-228.

JIANG Chenglin. Study of forming mechanism of outburst hole [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2000,19(2):225-228.