楊培君，謝雄剛，任建軍，尚延龍，羅香瑩

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.興義民族師范學(xué)院 物理與工程技術(shù)學(xué)院，貴州 興義 562400)

0 引言

煤與瓦斯突出作為礦山安全生產(chǎn)的重大威脅之一，是瓦斯壓力和地應(yīng)力等多因素復(fù)雜系統(tǒng)作用的礦山動(dòng)力災(zāi)害[1]。在突出發(fā)生的極短時(shí)間內(nèi)從突出點(diǎn)噴出大量的煤粒和膨脹瓦斯，形成超高壓突出沖擊波嚴(yán)重沖擊采掘空間人員及設(shè)施[2]。突出事故大多突發(fā)性強(qiáng)和預(yù)見性差，目前無(wú)法完全消除，因此，應(yīng)對(duì)突出災(zāi)害的發(fā)生應(yīng)該大力發(fā)展抑制突出災(zāi)害沖擊范圍擴(kuò)大化的技術(shù)和先進(jìn)的裝備。故在巷道安裝擋板裝置，把礦井突出傳播能量作為一種不期望的意外能量，增大沖擊波傳播阻力，轉(zhuǎn)移和消耗部分突出能量，人為削弱突出沖擊波的傳播能量，盡可能將礦井突出沖擊波傳播能量人為加速衰減至安全閾值之內(nèi)，有效減小突出沖擊波的傳播距離和破壞范圍，減少其傷害煤礦作業(yè)人員和設(shè)備設(shè)施及避免礦井風(fēng)流災(zāi)變。為此諸多專家學(xué)者在理論研究和實(shí)驗(yàn)論證方面進(jìn)行了大量的研究。關(guān)于抑制突出沖擊波傳播技術(shù)及裝置的研究，文獻(xiàn)[3-7]對(duì)巖粉棚、金屬絲網(wǎng)、多孔泡沫鐵鎳金屬、水袋和泡沫陶瓷等阻隔削弱技術(shù)及裝置進(jìn)行了研究，對(duì)沖擊波能量削弱至安全閾值有一定的作用。李重情等[8]自行設(shè)計(jì)附設(shè)空腔條件下的大型圓管瓦斯爆炸試驗(yàn)系統(tǒng)，研究當(dāng)長(zhǎng)徑比大于臨界長(zhǎng)徑比時(shí)，空腔對(duì)峰值超壓具有明顯消減作用;Eisenreich等[9]設(shè)計(jì)了一套由凱夫拉材料構(gòu)成的布置激波管道中的雙氣囊管道封堵裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道通路的柔性封堵;張延煒等[10]研究柔性障礙物對(duì)甲烷空氣爆炸波的激勵(lì)效應(yīng);司劍峰等[11]進(jìn)行氣泡帷幕對(duì)沖擊波的衰減效果分析;時(shí)本軍等[12]研究巷道中的腔體對(duì)沖擊波傳播的影響特性。

以上學(xué)者主要進(jìn)行了封堵技術(shù)對(duì)突出沖擊波能量的削弱效果研究，但考慮突出沖擊波波面能量巨大以及金屬絲網(wǎng)等帶來(lái)的巷道阻力增加和日常維護(hù)工作量增加等問(wèn)題，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用“以柔克剛”的哲學(xué)思想，設(shè)計(jì)附設(shè)擋板緩沖條件下煤與瓦斯突出試驗(yàn)系統(tǒng)，并開展突出沖擊波在擋板緩沖吸能條件下的傳播特征研究和數(shù)值分析。研究結(jié)果對(duì)人為加速突出沖擊波衰減至無(wú)災(zāi)害等級(jí)有一定的參考價(jià)值。

1 擋板緩沖下突出沖擊波傳播特征分析

煤與瓦斯突出的發(fā)生過(guò)程[13]如圖1所示，地應(yīng)力和瓦斯壓力等共同作用下煤層瞬間噴出大量的煤粉和高壓瓦斯混合氣流，高壓混合氣流向巷道穩(wěn)定氣流瞬間膨脹解吸，沖擊壓縮巷道穩(wěn)定氣流，形成突出沖擊波，在煤粉和高壓瓦斯混合氣流區(qū)、氣流壓縮區(qū)和擋板約束下的區(qū)域，研究突出沖擊波的突出能量如何傳播[14]，在宏觀上，突出沖擊波是高溫、高壓、高密度帶有巨大能量的曲面[15]。

x—煤粉和瓦斯混合氣流長(zhǎng)度；Δx—波陣面寬度圖1 煤與瓦斯突出發(fā)生過(guò)程示意Fig.1 Schematic of coal and gas outburst stage

以下研究只針對(duì)沖擊波波陣面前后各物理量的變化狀態(tài)[16]，波陣面前后用壓力P、密度ρ、速度u描述。根據(jù)質(zhì)量和動(dòng)量的能量守恒關(guān)系[17]，得出如下波陣面前后氣流的平衡狀態(tài)方程為式(1)～(4)：

ρ1(u1-D)=ρ0(u0-D)

(1)

ρ1(u1-D)2+P1=ρ0(u0-D)2+P0

(2)

(3)

(4)

式中：P0，ρ0，u0，e0分別為波陣面即將到達(dá)區(qū)域的初始?jí)毫?KPa)、密度(kg·m-3)、速度(m·s-1)、內(nèi)能(J)；P1，ρ1，u1，e1為波陣面已穿過(guò)區(qū)域的壓力、密度、速度、內(nèi)能；D為波陣面的運(yùn)移速度，m/s，即突出沖擊波的傳播速度；e為沖擊波的內(nèi)能；γ為流體壓縮系數(shù)。

由式(1)～(4)聯(lián)立運(yùn)算可得沖擊波波陣面壓力P1和波陣面后氣流速度u1分別為式(5)和式(6)：

(5)

(6)

為便于對(duì)突出沖擊波傳播的理論分析研究，假設(shè)巷道為絕熱系統(tǒng)，沖擊波傳播過(guò)程與外界沒(méi)有能量交換，即沒(méi)有能量損失。壓縮氣流的氣體質(zhì)量匯聚在波陣面寬度之內(nèi)，忽略沖擊波與巷道壁面的反射和繞射效應(yīng)，即波陣面寬度內(nèi)的參數(shù)描述可參照波陣面后的參數(shù)描述。若巷道未擾動(dòng)區(qū)的氣流原始速度趨于零，則由波陣面寬度內(nèi)動(dòng)能和內(nèi)能能量方程得到?jīng)_擊波對(duì)波前穩(wěn)定氣流所做的功E為式(7)～(9)：

(7)

D=kxα-1

(8)

(9)

式中:Ek，Er分別為波陣面寬度內(nèi)流體的動(dòng)能和內(nèi)能，J；S0為巷道橫截面積，m2；α為波陣面寬度內(nèi)壓強(qiáng)與波后壓強(qiáng)的比值；k為待定常數(shù)；x為煤粉和瓦斯混合氣流階段長(zhǎng)度，m。

將式(8)和式(9)代入式(7)，可得沖擊波超壓ΔP衰減式為式(10)：

(10)

由此發(fā)現(xiàn)，突出沖擊波超壓的衰減與巷道橫截面積、沖擊波對(duì)波前穩(wěn)定氣流所做的功、煤粉和瓦斯混合氣流的運(yùn)移過(guò)程密切相關(guān)，沖擊波對(duì)穩(wěn)定氣流所做的功與突出強(qiáng)度和煤的普氏系數(shù)等參數(shù)有關(guān)。其中，巷道橫截面積變化是煤礦巷道普遍存在的，也是削弱沖擊波能量最有效的途徑，擋板裝置間歇性地減小了沖擊波傳播路徑上的巷道截面積，故加速了沖擊波超壓衰減的過(guò)程，突出沖擊波傳播路徑上巷道橫截面積由S0變?yōu)镾1時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)能量守恒關(guān)系式可得到?jīng)_擊波經(jīng)過(guò)擋板裝置時(shí)的超壓P2為式(11)[18]：

(11)

式中：S1為沖擊波衰減后傳播路徑截面積，m2。

參數(shù)P1由式(5)可直接得到，當(dāng)沖擊波到達(dá)擋板裝置斷面的單位面積內(nèi)，波陣面通過(guò)的巷道截面積變化比值越大，波陣面能量在單位面積內(nèi)強(qiáng)度增加，進(jìn)而反射一部分能量，當(dāng)波陣面穿過(guò)擋板裝置進(jìn)入巷道，準(zhǔn)備到達(dá)下一組擋板裝置的時(shí)間段內(nèi)，巷道截面積變化比值越大，波陣面能量逐漸減小。因此，波陣面能量在擋板裝置斷面單位面積內(nèi)間歇性的增加和減小，同時(shí)利用裝置與沖擊波之間的摩擦阻力、局部阻力和柔性緩沖作用等轉(zhuǎn)移和消耗部分突出能量，整體加快了沖擊波能量在更短路徑上的衰減速率。

2 擋板緩沖下煤與瓦斯突出試驗(yàn)

2.1 突出試驗(yàn)系統(tǒng)

擋板緩沖下煤與瓦斯突出試驗(yàn)系統(tǒng)可物理模擬出不同工況下突出的動(dòng)力發(fā)生過(guò)程和突出沖擊波在巷道的運(yùn)移過(guò)程，如圖2所示，該系統(tǒng)由突出動(dòng)力子系統(tǒng)、巷道運(yùn)移子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)組成。其中，突出動(dòng)力子系統(tǒng)由充氣裝置、突出腔體和快速卸壓裝置組成；巷道運(yùn)移子系統(tǒng)由截面均為200 mm、管壁厚為3 mm的方形鋼管組成；數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由高頻壓力沖擊波傳感器和多通道動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器組成。

圖2 煤與瓦斯突出試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic of coal and gas outburst test system

試驗(yàn)用氮?dú)馓娲怀雒簩又幸约淄楹投趸紴橹鞯幕旌蠚怏w作為突出動(dòng)力源氣體，突出腔體和快速卸壓裝置的耐壓強(qiáng)度達(dá)到5 MPa，突出腔體內(nèi)徑400 mm的圓筒狀，快速卸壓裝置材料為Q345鋼，突出腔體抽真空1 h后，打開連接氣瓶高壓管上的閥門向突出腔體內(nèi)充裝氮?dú)猓?.1 MPa為一階梯進(jìn)行階梯式充氣，直至壓力達(dá)到設(shè)定值并穩(wěn)定，關(guān)閉連接氣瓶的高壓管閥門，靜止30 s，用手動(dòng)的方式搬動(dòng)快速卸壓裝置，模擬啟動(dòng)突出。巷道運(yùn)移子系統(tǒng)中管道耐壓強(qiáng)度為4 MPa，且管道之間利用法蘭連接，法蘭上附加橡膠墊，保證管道的安裝和拆卸，并使管道有良好的氣密性。針對(duì)突出沖擊波頻率高和動(dòng)作反應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，選用TST-212 型高頻壓力傳感器，量程為0～6 MPa，多通道動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器采用8通道Blast-PRO型高速動(dòng)態(tài)采集儀器，采樣速度為4 MHz/0.25 μs，單程分辯率小于0.02%F·S。

2.2 試驗(yàn)方案

煤與瓦斯突出后沖擊波沿著“直線型”巷道傳播，傳感器和擋板裝置布置示意圖如圖3，巷道運(yùn)移子系統(tǒng)共有6節(jié)巷道組成，高頻壓力傳感器從突出口開始由近到遠(yuǎn)依次布置p1，p2，p3，p4共4個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中，p1號(hào)測(cè)點(diǎn)距離突出口1.5 m；p2，p3號(hào)測(cè)點(diǎn)位于第2，3節(jié)巷道中間位置；p4號(hào)測(cè)點(diǎn)位于第五節(jié)巷道中間；p2，p3，p4號(hào)測(cè)點(diǎn)距離巷道連接處均為1.0 m。

圖3 傳感器和擋板裝置布置示意Fig.3 Layout of sensor and back plate device

具體的試驗(yàn)步驟如下：

1)安裝調(diào)試試驗(yàn)系統(tǒng)的每個(gè)裝置，使得各設(shè)備處于待命工作狀態(tài)。

2)取得粒徑為0.15 mm的煤粉[19]，利用真空泵對(duì)突出腔體抽真空至負(fù)壓為0.1 MPa后，對(duì)突出腔體分別進(jìn)行充氣吸附至0.4，0.8 MPa的充氣壓力。

3)待突出腔體內(nèi)吸附平衡和壓力穩(wěn)定后，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，觸發(fā)突出發(fā)生，等待試驗(yàn)完成儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

煤與瓦斯突出發(fā)生瞬間，形成高壓瓦斯攜帶煤粉的超壓混合氣流，并沿著安裝擋板裝置的巷道傳播，打破原有巷道穩(wěn)定氣流的平衡狀態(tài)，使得巷道壓力發(fā)生突變，超壓氣流作用于各測(cè)點(diǎn)的沖擊力傳感器上，充氣壓力為0.4，0.8 MPa時(shí)p1，p2，p3，p4測(cè)點(diǎn)沖擊壓力隨時(shí)間的的變化曲線如圖4所示。通過(guò)圖4可以得到突出沖擊波在擋板約束下的傳播超壓演化規(guī)律如下：

圖4 突出沖擊波在擋板約束下的傳播超壓變化曲線Fig.4 Overpressure variety curves of outburst shock wave propagation under back plate constrain

1)充氣壓力與沖擊波傳播超壓呈正相關(guān)關(guān)系，p1與p2測(cè)點(diǎn)之間超壓衰減系數(shù)小于p2與p3測(cè)點(diǎn)之間衰減系數(shù)，隨著沖擊波傳播遠(yuǎn)離突出腔體，超壓衰減系數(shù)是增大的，故沖擊波在傳播后期超壓衰減的更快。這與前人研究一致[20]。

2)充氣壓力為0.8 MPa時(shí)，p1，p2測(cè)點(diǎn)在3 200 ms附近出現(xiàn)明顯的回升現(xiàn)象，并且沖擊波能量是逐漸衰減的。突出發(fā)生時(shí)，擋板裝置的緩沖改變了突出氣流的傳播通道，并產(chǎn)生渦旋區(qū)和沖擊壓力的反射現(xiàn)象，重復(fù)作用于后端沖擊力傳感器上，導(dǎo)致沖擊力的回升，故各測(cè)點(diǎn)距離突出口的距離越遠(yuǎn)，沖擊力回升程度是逐漸減弱的。

3)各測(cè)點(diǎn)沖擊力峰值變化曲線如圖5所示。p2測(cè)點(diǎn)沖擊力峰值達(dá)到最大值為53 kPa，p3，p4測(cè)點(diǎn)隨著沖擊波能量的衰減和擋板裝置的緩沖反射作用，沖擊力峰值上下波動(dòng)逐漸減小。

圖5 沖擊力峰值變化曲線Fig.5 Peak value variety of impact force

4)p1，p2測(cè)點(diǎn)沖擊力峰值分別為38，53 kPa，p2測(cè)點(diǎn)沖擊力峰值大于p1測(cè)點(diǎn)沖擊力峰值，通過(guò)擋板裝置改變沖擊波傳播的巷道斷面的大小和擋板裝置的碰撞反射疊加和緩沖作用，使得p2測(cè)點(diǎn)區(qū)域沖擊波能量在單位面積上增大，但總體上突出沖擊波能量在巷道運(yùn)移系統(tǒng)中是隨著時(shí)間逐漸減弱的。

3 數(shù)值模擬

3.1 初始條件

為了研究擋板裝置的緩沖下礦井突出沖擊波的傳播規(guī)律，在物理試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究的主要內(nèi)容，簡(jiǎn)化物理試驗(yàn)系統(tǒng)的邊界條件，建立三維的沖擊波湍流模型，由于巷道邊界層黏性力主要限制流體的傳播，采用壁函數(shù)進(jìn)行壁處理，并將巷道尾端定義為壓力出口處，物理場(chǎng)接口采用RNGk-ε模型，流體域主要由突出腔體和巷道組成，其初始條件如表1所示。

表1 模型初始條件設(shè)置Table 1 Model initial condition setting

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

突出腔體充氣壓力0.8，0.4 MPa狀態(tài)下p1，p2，p3，p4測(cè)點(diǎn)沖擊波超壓隨時(shí)間變化曲線如圖6所示，由圖6可以得出，不同的充氣壓力在模擬突出后，其沖擊波壓力在巷道中的傳播特征表現(xiàn)以下2種形態(tài)，即充氣壓力為0.8 MPa時(shí)沖擊波全程傳播壓力明顯高于充氣壓力為0.4 MPa的狀態(tài)。由圖7可知整體沖擊波壓力衰減變化趨勢(shì)是一致的。圖6曲線采樣區(qū)間為0～0.08 s，由圖可知，在短時(shí)間內(nèi)沖擊波壓力急劇增大，存在突躍的現(xiàn)象，達(dá)到?jīng)_擊波傳播的壓力峰值后呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，且伴隨著一定的壓力回升現(xiàn)象，因?yàn)閾醢逖b置在整體加速?zèng)_擊波壓力的衰減過(guò)程的同時(shí)，其對(duì)沖擊波產(chǎn)生反射作用，產(chǎn)生反射波二次加速作用于觀測(cè)點(diǎn)，造成局部的壓力回升現(xiàn)象。由圖6(a)可以看出，突出發(fā)生后，離突出口最近的p1測(cè)點(diǎn)分別在充氣壓力為0.8，0.4 MPa的條件下，均在0.016 s達(dá)到壓力峰值，分別為134.11，120.14 kPa，然后隨著時(shí)間不斷衰減，并在0.055 s時(shí)反射波與入射波重疊，出現(xiàn)明顯的回升現(xiàn)象之后，加快了沖擊波壓力的衰減速率。圖6(b)為p2測(cè)點(diǎn)在0.011 0 s達(dá)到壓力峰值141.78 kPa，并在壓力衰減的過(guò)程中，由p2測(cè)點(diǎn)前擋板裝置的反射重疊和測(cè)點(diǎn)后的二次裝置的反射作用導(dǎo)致在0.024 s和0.049 s出現(xiàn)2次明顯的壓力回升現(xiàn)象，距離突出口較近局部能量較大，分別達(dá)到47.72，2.97 kPa的壓力值。通過(guò)圖7分析得到如下結(jié)論：

圖6 p1，p2，p3，p4測(cè)點(diǎn)沖擊波超壓隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Curve of shock wave overpressure at point p1,p2,p3 and p4 with time

圖7 沖擊力峰值對(duì)比分析Fig.7 Comparative analysis of impact force peak

1)在充氣壓力0.8 MPa時(shí)，p1～p4測(cè)點(diǎn)依次得到的壓力峰值為134.11，141.78，119.28，108.42 kPa，由圖7可知，充氣壓力為0.4 MPa時(shí)壓力衰減趨勢(shì)與0.8 MPa的變化趨勢(shì)是一致的，并在p2～p3測(cè)點(diǎn)之間壓力衰減程度最大，減幅達(dá)到15.9%。這與試驗(yàn)結(jié)果是一致的。

2)由圖7的沖擊力峰值對(duì)比分析得到，沖擊波在經(jīng)過(guò)第一組擋板裝置時(shí)橫截面積變小，導(dǎo)致沖擊波通過(guò)p2測(cè)點(diǎn)的局部能量是增大的，造成沖擊波在p2測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)壓力回升，總體能量是逐漸衰減的，這與試驗(yàn)壓力變化規(guī)律也是一致的。

3)模擬結(jié)果的數(shù)值明顯大于試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值，數(shù)值模擬的過(guò)程中對(duì)巷道模型的實(shí)際邊界條件等進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略高壓氣體在煤體上的能量損失和輸運(yùn)煤粉做功，故數(shù)值模擬得出的壓力值偏大于試驗(yàn)值，但總的沖擊波壓力變化趨勢(shì)是一致的，因此，數(shù)值模型計(jì)算證明試驗(yàn)結(jié)果是有合理性和可行性的。

4 結(jié)論

1)通過(guò)理論分析建立礦井突出沖擊波在擋板裝置緩沖下的傳播特征分析的數(shù)學(xué)模型，得出巷道沖擊波傳播過(guò)程中的超壓衰減影響因素，如巷道橫截面積和輸運(yùn)煤粉做功等影響因素，并得出具體的沖擊波在巷道中傳播的超壓值。

2)利用自主研發(fā)的削弱沖擊波傳播能量的擋板裝置，進(jìn)行突出沖擊波在安裝擋板裝置的直巷道中傳播的物理模擬試驗(yàn)，得出沖擊超壓在擋板裝置斷面前后局部性的增加，更短路徑上加快了沖擊波超壓的衰減，減小了沖擊波對(duì)設(shè)備和人員的破壞范圍，整體上削弱沖擊波傳播的總能量。

3)建立三維的沖擊波湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，模擬結(jié)果顯示：在0.8 MPa和0.4 MPa的充氣壓力下，得出明顯不同的沖擊波傳播超壓變化曲線，突出壓力直接決定著沖擊波在巷道中傳播超壓的大小，并得出擋板裝置斷面前后空間超壓的變化與試驗(yàn)結(jié)果是一致的。

4)基于理論數(shù)學(xué)分析，結(jié)合物理模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究在直巷道中布置擋板裝置緩沖突出沖擊波能量的變化過(guò)程，得出擋板裝置能有效地減小沖擊波傳播超壓，證明擋板裝置削弱沖擊波傳播能量是可行的。