張超林，王奕博，王恩元，曾 偉，王培仲

(中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤炭作為我國基礎(chǔ)能源，自2016 年起產(chǎn)量連續(xù)增長，2021 年達到41.3 億t，創(chuàng)歷史新高[1]。2021 年，全國發(fā)生煤礦事故91 起，死亡178 人，同比下降26.0%和21.9%；其中，煤與瓦斯突出事故6 起，死亡24 人，同比增長200%和60%[2]。煤與瓦斯突出是一種異常復(fù)雜的煤礦動力災(zāi)害，發(fā)生時高壓瓦斯裹挾破碎煤體，由突出孔洞快速涌向巷道采掘空間，造成嚴(yán)重的人員傷亡和設(shè)施損壞[3-4]。近年來，隨著煤礦開采深度和強度不斷增加，地應(yīng)力與瓦斯壓力不斷增大，采場結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，突出災(zāi)害強度、頻次的威脅愈加嚴(yán)重，突出防治工作仍任重道遠[5-6]。煤與瓦斯突出過程復(fù)雜、影響因素眾多，至今仍沒有形成可以解釋所有突出現(xiàn)象的理論體系，是導(dǎo)致突出事故頻發(fā)且難以有效防控的根本原因[7-8]。

針對當(dāng)前突出機理仍然停留在定性解釋的綜合作用假說階段，探討煤與瓦斯突出過程中突出煤粉運移分布規(guī)律，對于進一步認(rèn)清突出機理、分析突出致災(zāi)規(guī)律、制定防災(zāi)減災(zāi)措施具有一定指導(dǎo)意義。王維忠等[9]開展了不同瓦斯壓力水平下煤與瓦斯突出模擬試驗，認(rèn)為瓦斯壓力作為突出發(fā)生動力的同時也對突出煤體起到一定的粉碎和拋出作用；許江等[10]模擬了石門揭煤誘發(fā)煤與瓦斯突出過程，發(fā)現(xiàn)石門揭煤面積越小，瓦斯對煤體的粉碎作用越低，突出強度也越小，表明石門揭煤面積會影響煤體的破斷失穩(wěn)和運移特性；邢躍強等[11]研究發(fā)現(xiàn)，突出煤體主要聚集在遠處區(qū)域，以小粒徑煤粉為主，呈梭形分布，中間有多條帶式間隔，吹掃作用明顯；唐巨鵬等[12]研究表明，突出煤粉分布具有波動特性，且受有效應(yīng)力影響顯著；張超林等[13]研究發(fā)現(xiàn)，突出煤體質(zhì)量及面密度整體上隨距突出口距離的增加而增大，地應(yīng)力集中程度越高，突出煤體的破碎程度越顯著，同時突出煤體的粒徑分布符合兩參數(shù)Weibull 分布模型。上述煤與瓦斯突出模擬試驗過程中，突出煤粉均直接涌向開放空間，忽略了巷道受限空間內(nèi)煤粉顆粒之間的摩擦、碰撞作用，和現(xiàn)場煤粉運移過程存在一定差異，研究結(jié)論是否具有普適性仍需進一步探討。

近年來，越來越多連接模擬巷道的煤與瓦斯突出試驗裝置被相繼研發(fā)，為研究突出煤粉在巷道內(nèi)運移和分布規(guī)律提供了有效手段[14-18]。孫東玲等[14]通過巷道可視化窗口觀測發(fā)現(xiàn)，突出后煤樣在巷道內(nèi)堆積高度隨遠離突出口呈下降趨勢，基于建立的煤顆粒運移模型，分析了突出煤顆粒運移距離與顆粒粒徑以及初始運動速度的關(guān)系；劉義等[15]試驗發(fā)現(xiàn)，突出煤粉在巷道前、中、后的質(zhì)量占比分別為33.7%、61.0%和5.3%，近似呈正態(tài)分布；許江等[16]開展了“L”型巷道布置條件下突出試驗研究，發(fā)現(xiàn)突出煤粉在巷道內(nèi)呈現(xiàn)出兩頭多中間少的分布特征，多數(shù)煤粉集中分布于拐彎后巷道；王亮[17]和金侃[18]系統(tǒng)分析了突出煤-瓦斯兩相流在巷道內(nèi)的運移規(guī)律和形成機制，認(rèn)為巷道內(nèi)煤粉流以懸浮流、分層流、沙丘流和栓流4 種流型為主?？芍?，上述研究多集中在突出煤粉在巷道內(nèi)的質(zhì)量分布和堆積高度特征，忽略了突出煤粉在巷道內(nèi)的動態(tài)運移過程及其粒徑分布規(guī)律。為此，本文利用自主研制的多功能煤與瓦斯突出模擬試驗系統(tǒng)，開展不同瓦斯壓力條件下的突出模擬試驗，分析突出煤粉在可視化巷道內(nèi)的運移形態(tài)、運移速度、質(zhì)量及粒徑分布特征，為煤礦現(xiàn)場防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 試驗系統(tǒng)與方案

多功能煤與瓦斯突出模擬試驗系統(tǒng)(圖1[19])主要由試件腔體和五大模塊(加載模塊、滲流模塊、誘突模塊、巷道模塊和采集模塊)組成，具有試件腔體密封壓力高、突出口打開速度快、巷道可視化效果好、數(shù)據(jù)采集通道多等功能優(yōu)勢。試件腔體內(nèi)徑200 mm、長度700 mm，密封氣壓10.0 MPa；突出口直徑25、50、100 mm 可選，通過兩級爆破片串聯(lián)達到毫秒級誘突；每段巷道內(nèi)徑200 mm、長度1 m、透光率94%，共10 段，在巷道末端連接集塵袋，用于收集運移至巷道之外的煤粉。為實現(xiàn)突出煤粉在巷道內(nèi)全程可視化，結(jié)合空間分布，共布置3 處拍攝機位，1 號機位通過高速攝像機對前3 段巷道進行局部拍攝，分析煤粉運移形態(tài)；2 號機位通過廣角攝像機對前7 段巷道進行拍攝，分析煤粉運移速度；3 號機位通過廣角攝像機對全部巷道和集塵袋進行完整拍攝，進行整體分析。

圖1 多功能煤與瓦斯突出模擬試驗系統(tǒng)Fig.1 Multi-functional test system for coal and gas outburst simulation

研究表明，大部分煤與瓦斯突出都發(fā)生在構(gòu)造帶附近，構(gòu)造煤長期受地質(zhì)構(gòu)造擠壓破壞，強度極低，不僅易于突出，更是突出發(fā)展的一個必要條件[20-21]?？紤]到本文重點研究突出煤粉在巷道內(nèi)的運移和分布規(guī)律，因此，直接將煤粉裝入試件腔體進行吸附平衡后開展試驗，不再進行成型和地應(yīng)力加載。試驗煤樣取自河南龍山煤礦二1煤層2 102 工作面，在實驗室破碎篩分后，取質(zhì)量占比最大的0.85～1.7 mm 粒徑煤樣備用。本次共開展3 次煤與瓦斯突出試驗，突出口徑均選取50 mm，同時基于現(xiàn)場煤層瓦斯壓力1.89 MPa，3 次試驗吸附瓦斯壓力分別設(shè)為0.35、0.85、2.00 MPa，并以CO2代替CH4。每次試驗向試件腔體裝入5 000 g 備用煤樣，抽真空2.0 h 至腔體氣壓接近-0.1 MPa，隨后向試件腔體充入CO2并穩(wěn)定24 h 保證吸附平衡，然后快速向爆破空間充入CO2，兩級爆破片依次打開，瞬間誘發(fā)突出。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 突出煤粉運移形態(tài)

圖2 為吸附平衡壓力0.35 MPa 條件下突出煤粉在巷道內(nèi)運移過程。突出啟動前，巷道內(nèi)空氣處于未擾動狀態(tài)，爆破片打開瞬間，試件腔體內(nèi)煤粉暴露于大氣中，高壓瓦斯裹挾煤體快速運移至巷道，形成煤-瓦斯兩相流。高速運移的煤-瓦斯兩相流持續(xù)壓縮巷道內(nèi)空氣并產(chǎn)生壓縮波，多道壓縮波同向傳播最終形成沖擊波。盡管肉眼無法觀測沖擊波傳播過程，但由圖2b 可知，突出初期兩相流運移至巷道前端時，巷道末端的集塵袋已經(jīng)受沖擊鼓起，表明沖擊波的傳播速度遠大于兩相流運移速度。

圖2 0.35 MPa 條件下突出煤粉在巷道內(nèi)運移過程Fig.2 Migration process of outburst pulverized coal in roadway under the gas pressure of 0.35 MPa

為了進一步分析突出煤粉在巷道內(nèi)的運移形態(tài)，將高速攝像機拍攝的前3 段巷道視頻進行截圖，如圖3 和圖4 所示(第3 次試驗由于1 號機位高速攝像機操作失誤沒有抓拍到)。0.35 MPa 條件下，煤粉以射流狀從突出口噴出(運移時間t=50 ms)，隨后受高壓瓦斯的曳力作用持續(xù)向前運動。在突出發(fā)展過程中，煤顆粒受其表面內(nèi)外瓦斯壓力梯度作用及顆粒間的相互碰撞、摩擦作用，不斷粉碎成較小粒徑顆粒。由于煤顆粒運動加速度與其粒徑成反比[22]，因此，小粒徑煤粉速度提升快、跟隨瓦斯氣流運動能力強，始終位于兩相流的前端，并形成懸浮流(t=50 ms)。隨著煤粉流進一步向前運動，瓦斯氣流的攜帶作用減弱，懸浮流后面的大粒徑煤粉受重力影響逐漸下沉，先形成沙丘流，很快又演變?yōu)榉謱恿?t=110 ms)。突出后期，瓦斯氣流已無法拋出大量煤粉，但此時仍有源源不斷的吸附瓦斯被解吸出來，攜帶小粒徑煤粉進行低速懸浮運動，并充滿整個巷道(t=300 ms)。當(dāng)吸附瓦斯壓力增加至0.85 MPa 時，突出煤粉仍然以射流狀拋向巷道(t=10 ms)，但是很快形成栓流(t=20 ms)，并能長距離運移(t=100 ms)，不再出現(xiàn)明顯的沙丘流和分層流，表明在高瓦斯壓力條件下，瓦斯膨脹能增大，突出煤粉能有效克服重力和阻力形成栓流，快速向前運動并充滿整個巷道。但是在突出后期，巷道內(nèi)煤粉仍然以懸浮流為主(t=300 ms)。

圖3 0.35 MPa 條件下突出煤粉巷道內(nèi)運移形態(tài)Fig.3 Migration pattern of outburst pulverized coal in roadway under the gas pressure of 0.35 MPa

圖4 0.85 MPa 條件下突出煤粉巷道內(nèi)運移形態(tài)Fig.4 Migration pattern of outburst pulverized coal in roadway under the gas pressure of 0.85 MPa

2.2 突出煤粉運移速度

突出煤粉的運移速度會直接影響突出致災(zāi)能力，運移速度越大，沖擊破壞力越強，也更易掩埋人員、摧毀設(shè)備?；诳梢暬锏纼?yōu)勢，通過2 號機位拍攝得到前7 段巷道內(nèi)突出煤粉運移全過程，如圖5 所示，突出煤粉在300.06 ms 時刻即運移至第7 段巷道中部，粗略估算煤粉平均運移速度約為21.5 m/s。由上節(jié)分析可知，煤粉在巷道內(nèi)的運移過程經(jīng)歷多種形態(tài)變換，且不斷發(fā)生能量交換和轉(zhuǎn)移，因此，難以保持勻速運動。為了進一步得到突出煤粉在巷道內(nèi)全程運移速度，首先對視頻截圖中煤粉軌跡進行素描處理并確定煤粉與空氣分界面位置，然后以巷道長度作為距離參考，即可計算得到不同瓦斯壓力條件下煤粉運移速度，如圖6所示。

圖5 0.35 MPa 條件下煤粉在巷道內(nèi)運移視頻截圖Fig.5 Video screenshots of pulverized coal migration in roadway under the gas pressure of 0.35 MPa

由圖6 可知，煤粉在巷道的運動過程十分復(fù)雜，以0.35 MPa 條件為例，突出煤粉以射流狀噴出后獲得初始加速度，在0.62 m 加速至25.8 m/s，然后在1.40 m減速至20.0 m/s，隨后再次加速前進，在2.2 m 達到最高速度34.2 m/s，最后不斷呈現(xiàn)出“加速-減速”過程向前運移。對比可知，當(dāng)瓦斯壓力由0.35 MPa 增加至0.85、2.00 MPa 時，煤粉獲得的初始加速度逐漸增大，同時第1 次峰值出現(xiàn)的距離更遠、速度更大，分別為0.62、1.78、1.79 m 和25.8、44.2、59.5 m/s，全程最大速度也越大，分別為34.2、44.2、71.2 m/s，然而其“再加速”次數(shù)卻依次降低，分別為5、3、2 次。

圖6 不同瓦斯壓力條件下煤粉在巷道內(nèi)運移速度對比Fig.6 Comparison of pulverized coal migration velocity in roadway under different gas pressures

分析認(rèn)為，瓦斯壓力越高，突出時瓦斯膨脹能和氣壓梯度越大，射流煤粉獲得的初始加速度越大，第1 次加速運移的距離越遠，全程的速度峰值也越高。煤粉出現(xiàn)“再加速”現(xiàn)象有多方面原因，首先，突出本身是一個動態(tài)過程，具有陣發(fā)性；其次，突出煤粉由于在受限空間內(nèi)高速運移，不斷碰撞而粉碎成較小顆粒，質(zhì)量減小、阻力降低；同時，粉碎后煤顆粒解吸氣體速率加快，促進流體靜壓向動壓轉(zhuǎn)化，氣體曳力增強。而導(dǎo)致煤粉速度降低的原因主要是氣體曳力減小以及煤粉所受阻力增大，結(jié)合前文可知，在低瓦斯壓力條件下，煤粉運移以沙丘流和分層流為主，煤粉主要沉降在巷道底部，阻力較大；而在高瓦斯壓力條件下，煤粉運移以栓流為主，煤粉分散在整個巷道，阻力較小。因此，低瓦斯壓力條件下，煤粉受到阻力更大，加之氣體曳力較小，更易出現(xiàn)減速過程，且速度降低較為明顯。相應(yīng)地，高瓦斯壓力條件下，煤粉減速不明顯，始終處于高速運移狀態(tài)，“再加速”次數(shù)也相應(yīng)降低。

2.3 突出煤粉質(zhì)量分布特征

煤礦現(xiàn)場中，突出煤粉質(zhì)量和涌出瓦斯體積是衡量突出強度的關(guān)鍵指標(biāo)，也是突出強度分類的主要依據(jù)。實驗室條件下，難以確定瓦斯涌出量，因此，突出煤粉質(zhì)量便是反映突出強度的重要參數(shù)，同時考慮到實驗室與現(xiàn)場尺度差異問題，往往計算相對突出強度(RIO，突出煤粉質(zhì)量占試驗煤粉總質(zhì)量)進行分析。圖7 為不同瓦斯壓力條件下突出煤粉質(zhì)量分布圖，以0.35 MPa 條件為例，突出結(jié)束后，試件腔體殘余煤粉3 193.58 g，突出煤粉共計1 806.42 g，相對突出強度36.13%。突出煤粉中65.21%運移至集塵袋內(nèi)，34.79%沉降在巷道內(nèi)且主要分布于巷道中部，其中第5-第7 段巷道內(nèi)煤粉占比51.65%。

圖7 不同瓦斯壓力條件下突出煤粉質(zhì)量分布特征Fig.7 Mass distribution characteristics of outburst pulverized coal under different gas pressures

對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)瓦斯壓力從0.35 MPa 增加至0.85 MPa 時，相對突出強度由36.13%增大至52.39%，增幅45%；而當(dāng)瓦斯壓力進一步增加至2.00 MPa 時，相對突出強度增大至63.7%，增幅22%。表明相對突出強度隨瓦斯壓力的增加而增大，但增長趨勢逐漸減緩。同時，盡管突出煤粉質(zhì)量隨著瓦斯壓力的增加而增大，但是更多的煤粉運移至集塵袋內(nèi)，分別為1 177.96、1 965.84、2 776.24 g；相應(yīng)地，突出煤粉在巷道內(nèi)沉降比重分別從34.79% 下降至24.95% 和12.83%。前2次試驗無論是突出煤粉在巷道內(nèi)總質(zhì)量還是分布特征較為接近，而當(dāng)瓦斯壓力增加到2.00 MPa 時，巷道內(nèi)煤粉更多地分布于巷道末端，表明瓦斯壓力越大，突出煤粉的運移距離越遠。若試驗條件允許，應(yīng)進一步增加巷道長度，更加全面地研究突出煤粉在巷道內(nèi)的分布規(guī)律。

2.4 突出煤粉粒徑分布特征

突出煤體粉碎破壞是突出發(fā)展過程中必然存在的一個現(xiàn)象，其破碎程度將直接影響破碎煤體的瓦斯解吸能力[21,23]。突出煤體的粉碎效應(yīng)不僅在試驗中能觀察到，也在大量突出案例中得到了印證。為了分析突出煤體的粉碎效應(yīng)，將突出后的煤粉進行收集，并篩分為5 個不同粒徑區(qū)間，分別為：原始粒徑(0.850～1.700 mm)、大粒徑(0.425～0.850 mm)、中粒徑(0.180～0.425 mm)、小粒徑(0.075～0.180 mm)、極小粒徑(0～0.075 mm)，如圖8 所示。

圖8 不同瓦斯壓力條件下突出煤粉粒徑分布特征Fig.8 Particle size distribution characteristics of outburst pulverized coal under different gas pressures

可見，突出發(fā)生后，原始粒徑煤粉均發(fā)生不同程度的粉碎，隨著瓦斯壓力的增加，突出煤粉粉碎率(突出煤粉中小于原始粒徑煤粉質(zhì)量占比)依次增大，分別為8.1%、21.5%和28.0%。且瓦斯壓力越大，煤粉粉碎的粒徑越小。當(dāng)煤粉粒徑小于臨界粒徑0.075 mm 時，煤的孔容和比表面積均出現(xiàn)“突增”、瓦斯解吸速度顯著提高[24-25]。然而，2.00 MPa 瓦斯壓力條件下突出煤粉中小于臨界粒徑的煤粉質(zhì)量占比僅為0.7%。由于本文試驗中，未對煤樣進行應(yīng)力加載，因此，煤體儲存能量以瓦斯膨脹能為主，在突出過程中作用于突出煤粉，并以不同形式進行釋放和轉(zhuǎn)移。結(jié)合突出煤粉粒徑分布統(tǒng)計數(shù)據(jù)，表明瓦斯壓力在一定程度上能對煤粉起到粉碎作用，但是粉碎到臨界粒徑的能力有限，無法徹底將煤粉吸附瓦斯完全快速釋放出來。

文獻[26] 基于新表面理論推導(dǎo)并提出一種表征突出煤粉破碎程度及分布特征的破碎指數(shù)(下式)，并基于試驗數(shù)據(jù)證明其與相對突出強度呈線性關(guān)系，有望用于突出預(yù)測工作。然而，該突出模擬試驗過程中，突出煤粉直接拋向開放空間，突出煤粉的破碎過程和現(xiàn)場存在差異。

式中：η為突出煤粉破碎指數(shù)，0～1；γi為原始煤粉中di～di+1粒徑區(qū)間煤粉質(zhì)量占比；Γi為突出煤粉中Di～Di+1粒徑區(qū)間煤粉質(zhì)量占比。

為此，將圖8 中突出煤粉粒徑分布試驗數(shù)據(jù)代入式(1)，計算得到3 次試驗中突出煤粉破碎指數(shù)分別為0.19、0.44 和0.56，并與圖7 中相對突出強度數(shù)據(jù)進行線性擬合，如圖9 所示?？梢?，在本文試驗條件下，突出煤粉破碎指數(shù)與相對突出強度依然具有較好的線性擬合關(guān)系，進一步證明了式(1)的有效性。

圖9 相對突出強度與破碎指數(shù)擬合結(jié)果Fig.9 Fitting results of RIO and fragmentation index η

3 結(jié) 論

a.在0.35 MPa 瓦斯壓力條件下，瓦斯膨脹能較小，突出煤粉在巷道內(nèi)運移形態(tài)以沙丘流和分層流為主；隨著瓦斯壓力的增加，瓦斯膨脹能增大，突出煤粉能有效克服重力和阻力影響并以栓流形態(tài)為主。突出后期，無論瓦斯壓力大小，緩慢解吸的瓦斯氣流均會攜帶小粒徑煤粉在整個巷道內(nèi)進行低速懸浮運動。

b.突出煤粉在巷道內(nèi)運移過程十分復(fù)雜，受突出陣發(fā)性、煤粉顆粒減小、吸附氣體解吸等多方面因素影響而出現(xiàn)“再加速”現(xiàn)象。0.35、0.85 和2.00 MPa瓦斯壓力條件下突出煤粉最大運移速度分別為34.2、44.2 和71.2 m/s。同時，瓦斯壓力越大，突出煤粉運移速度降低幅度越小、出現(xiàn)“再加速”次數(shù)越少。

c.煤層瓦斯壓力由0.35 MPa 增大至0.85和2.00 MPa時，突出煤粉質(zhì)量依次增加，對應(yīng)相對突出強度也由36.13%增大至52.39%和63.70%，且煤層瓦斯壓力越大，突出煤粉運移距離越遠，巷道末端集塵袋內(nèi)煤粉質(zhì)量占比越高，分別為65.21%、75.05%和87.17%。

d.突出結(jié)束后，原始粒徑煤粉均發(fā)生不同程度的粉碎作用，突出煤粉粉碎率隨瓦斯壓力的增大依次增加，分別為8.1%、21.5% 和28.0%。但是僅靠瓦斯作用將煤粉粉碎到臨界粒徑0.075 mm 以下的能力有限，無法徹底將煤粉吸附瓦斯完全快速釋放出來。同時發(fā)現(xiàn)，表征突出煤粉破碎程度及分布特征的破碎指數(shù)與相對突出強度具有較好的線性擬合關(guān)系。