煤與瓦斯突出對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響研究現(xiàn)狀及展望

魏連江，李 勝，魏宗康，王夢(mèng)薇

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引 言

煤與瓦斯突出災(zāi)害是當(dāng)前威脅礦井安全生產(chǎn)最為嚴(yán)重的動(dòng)力災(zāi)害之一［1］。 煤與瓦斯突出會(huì)破壞通風(fēng)系統(tǒng)，導(dǎo)致井下局部地區(qū)瓦斯?jié)舛瘸?，進(jìn)而可能引發(fā)瓦斯爆炸等二次災(zāi)害［2］。 因此，煤與瓦斯突出造成的危害不僅局限于本身，更大的威脅來(lái)自于災(zāi)變后礦井瓦斯超限所引發(fā)的瓦斯爆炸等二次災(zāi)害，而煤與瓦斯突出對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響是煤與瓦斯突出引發(fā)二次災(zāi)害的重要一環(huán)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在煤與瓦斯突出機(jī)理、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)及突出防治安全工程技術(shù)等方面的研究取得了很大進(jìn)展［3-5］，特別是在防突技術(shù)和管理方面開(kāi)展了大量的科學(xué)試驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作，基本形成了一套防突技術(shù)和管理體系［6-7］。 由于煤與瓦斯突出問(wèn)題極為復(fù)雜，現(xiàn)有防治手段尚不能完全避免煤與瓦斯突出災(zāi)害的發(fā)生。 因此，研究煤與瓦斯突出對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律對(duì)于認(rèn)識(shí)突出災(zāi)變時(shí)期礦井通風(fēng)系統(tǒng)災(zāi)變機(jī)理以及瓦斯爆炸等二次災(zāi)害防控機(jī)制具有重要意義。 目前，研究人員主要通過(guò)試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的方式研究煤與瓦斯突出對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律。 由于煤與瓦斯突出試驗(yàn)難以在煤礦井下開(kāi)展［8］，研究人員一般通過(guò)搭建煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)開(kāi)展試驗(yàn)研究。 煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)系統(tǒng)基于相似準(zhǔn)則［9-12］，一般由高壓試驗(yàn)腔體、非均布加載系統(tǒng)、突出誘導(dǎo)裝置、抽真空及充氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成［13-15］，部分試驗(yàn)系統(tǒng)還包括模擬巷道、高速攝像系統(tǒng)［16］和溫控系統(tǒng)［17］。 雖然研究人員在煤與瓦斯突出對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響這一研究領(lǐng)域取得了一定成果，但仍然存在不足。 筆者通過(guò)綜述煤與瓦斯突出對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響研究現(xiàn)狀，分析了存在的不足，為今后的進(jìn)一步研究提供了借鑒。

1 沖擊波對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律

煤與瓦斯突出會(huì)產(chǎn)生沖擊波，沖擊波對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為沖擊波對(duì)通風(fēng)設(shè)備設(shè)施的破壞，沖擊波在巷道傳播過(guò)程中會(huì)逐漸衰減，最終喪失破壞能力。 沖擊波在傳播過(guò)程中能否破壞通風(fēng)設(shè)備設(shè)施取決于沖擊波破壞通風(fēng)設(shè)備設(shè)施的影響因素。沖擊波的衰減與沖擊波在巷道中的傳播規(guī)律有關(guān)，研究沖擊波在巷道中的傳播規(guī)律，能為確定沖擊波的影響范圍，以及影響范圍內(nèi)通風(fēng)設(shè)施遭到?jīng)_擊波破壞的時(shí)間及嚴(yán)重程度提供依據(jù)。

1.1 沖擊波破壞通風(fēng)設(shè)備設(shè)施的影響因素

沖擊波在傳播過(guò)程中對(duì)通風(fēng)設(shè)備設(shè)施的破壞程度與沖擊波超壓、單位沖量、作用時(shí)間和構(gòu)筑物固有周期等因素有關(guān)［18］。 目前研究人員主要研究了沖擊波超壓與通風(fēng)設(shè)備設(shè)施破壞程度之間的關(guān)系，其他影響因素與通風(fēng)設(shè)備設(shè)施破壞程度之間的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。 部分通風(fēng)設(shè)備設(shè)施破壞程度與沖擊波超壓之間的關(guān)系見(jiàn)表1［2］。

表1 通風(fēng)設(shè)備設(shè)施破壞程度與沖擊波超壓之間的關(guān)系Table 1 Relationship between damage degree of ventilation facility and shock wave overpressure

1.2 沖擊波的傳播規(guī)律

沖擊波在傳播過(guò)程中，沖擊波波陣面后會(huì)出現(xiàn)一段沖擊氣流區(qū)域（空氣壓縮區(qū)），此區(qū)域后面則是煤-瓦斯混合流區(qū)域［2，19-20］。 研究表明，沖擊波剛產(chǎn)生時(shí)，其傳播速度高于聲音的傳播速度［21］。 沖擊波在巷道傳播過(guò)程中，隨傳播距離的增加而衰減，波速逐步下降，最后衰減成為波速與聲速相等的普通壓力波［21］。 沖擊波的衰減規(guī)律與巷道截面面積等有關(guān)。 文獻(xiàn)［22］認(rèn)為沖擊波的傳播過(guò)程中遵循動(dòng)量守恒和質(zhì)量守恒，并由此推出了沖擊波超壓ΔP隨距離衰減公式

式中：k 為氣體壓縮系數(shù)；S 為巷道截面面積，m2；EP0為煤與瓦斯突出釋放出來(lái)的總能量；x 為沖擊波傳播距離，m。

文獻(xiàn)［2］研究了沖擊波在直巷、拐彎巷道和變截面巷道中的定量衰減規(guī)律，并通過(guò)突出模擬試驗(yàn)觀察了沖擊波在分岔巷道中的傳播特征，發(fā)現(xiàn)當(dāng)突出沖擊氣流在分岔巷道中傳播時(shí)，因?yàn)闆_擊氣流的反射和繞射作用，將會(huì)在分岔處產(chǎn)生紊亂的超壓分布場(chǎng)，外壁面會(huì)形成局部的高壓區(qū)和局部的低壓區(qū)，而隨著分岔角度的增大，主巷道內(nèi)通過(guò)的沖擊波的超壓與支巷道內(nèi)通過(guò)的沖擊波的超壓比也會(huì)增大。目前，煤與瓦斯突出產(chǎn)生的沖擊波在分岔巷道中的規(guī)律有待定量研究。

2 突出瓦斯對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律

突出瓦斯對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在瓦斯風(fēng)壓誘導(dǎo)礦井風(fēng)流災(zāi)變。 瓦斯在巷道的運(yùn)移過(guò)程中，由于瓦斯的濃度比空氣小，高濃度瓦斯涌入風(fēng)流后會(huì)引起風(fēng)流密度變化，在有高差的巷道內(nèi)形成瓦斯風(fēng)壓。 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中分支i 的瓦斯風(fēng)壓［2］可表示為

由于瓦斯風(fēng)壓的形成與瓦斯在巷道中的運(yùn)移有關(guān)，下面從瓦斯在巷道中的運(yùn)移規(guī)律以及瓦斯風(fēng)壓誘導(dǎo)礦井風(fēng)流災(zāi)變2 個(gè)方面闡述突出瓦斯對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律。

2.1 突出瓦斯在巷道中的運(yùn)移規(guī)律

煤與瓦斯突出發(fā)生后，瓦斯在突出源動(dòng)力作用下做輻射流動(dòng)。 突出動(dòng)力效應(yīng)影響消失后，突出源還會(huì)不斷地涌出瓦斯，瓦斯在自然風(fēng)壓或自然風(fēng)壓與風(fēng)機(jī)的共同作用下在巷道內(nèi)運(yùn)移［23］。 目前研究人員主要對(duì)突出動(dòng)力影響消失后的瓦斯運(yùn)移規(guī)律展開(kāi)了定量研究，楊守國(guó)［24］認(rèn)為研究該階段的瓦斯在巷道中的運(yùn)移可以將其看成紊流一維縱向移流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；李成武［25］認(rèn)為研究瓦斯運(yùn)移過(guò)程應(yīng)綜合考慮隨風(fēng)移動(dòng)和分子擴(kuò)散兩部分因素的影響，并根據(jù)質(zhì)量守恒定律，推導(dǎo)出一維瓦斯運(yùn)移擴(kuò)散方程

式中：C 為瓦斯體積分?jǐn)?shù)，%；t 為監(jiān)測(cè)時(shí)間，s；u 為巷道平均風(fēng)速，m／s；x1為監(jiān)測(cè)點(diǎn)距突出源的位置，m；Dm為瓦斯分子擴(kuò)散系數(shù)；J 為由生物、物理、化學(xué)等變化而引起的單位時(shí)間和單位體積內(nèi)瓦斯的變化量。

設(shè)高濃度瓦斯生成量為M，在不考慮生物、物理、化學(xué)等變化而引起的瓦斯含量變化的情況下，由菲克第二定律［26］，得出一維運(yùn)移擴(kuò)散下瓦斯?jié)舛确植紴?/p>

式中：C（x1，t） 為x1位置處t 時(shí)刻的瓦斯體積分?jǐn)?shù)，%；Dt為紊流擴(kuò)散系數(shù)。

李成武等［25］通過(guò)選擇起爆黑火藥瞬間產(chǎn)生氣體源代替煤與瓦斯突出氣體源，來(lái)模擬煤與瓦斯突出后瓦斯運(yùn)移擴(kuò)散，驗(yàn)證了式（6）、式（7）的可靠性，但由于試驗(yàn)藥量和監(jiān)測(cè)距離有限，試驗(yàn)擬合的瓦斯生成量M 與位置x1之間的關(guān)系式不能完全代表井下實(shí)際情況，需根據(jù)井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)一步考察和修正。

周愛(ài)桃［2］認(rèn)為瓦斯的運(yùn)移過(guò)程是一種紊流的平移、彌散和擴(kuò)散的疊加，并根據(jù)質(zhì)量守恒定律、Fick 第一定律以及Bossinesq 假設(shè)，結(jié)合井巷實(shí)際情況，推導(dǎo)出井巷中瓦斯?jié)舛葟浬⒛Ｐ?/p>

2.2 瓦斯風(fēng)壓誘導(dǎo)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流災(zāi)變規(guī)律

由于瓦斯風(fēng)壓與巷道高差有關(guān)，所以當(dāng)傾斜或垂直井巷中風(fēng)流方向不同時(shí)，瓦斯風(fēng)壓對(duì)風(fēng)流造成的影響不同：當(dāng)分支為上行通風(fēng)時(shí)，分支產(chǎn)生的瓦斯風(fēng)壓與風(fēng)機(jī)作用方向一致，分支的風(fēng)量將趨于增大，而與其并聯(lián)的旁側(cè)分支的風(fēng)量則趨于減小，當(dāng)瓦斯風(fēng)壓達(dá)到某個(gè)臨界值的時(shí)候，與其并聯(lián)的旁側(cè)分支就可能出現(xiàn)風(fēng)流停滯甚至反向，瓦斯也會(huì)隨之進(jìn)入旁側(cè)分支；當(dāng)分支為下行通風(fēng)時(shí)，分支瓦斯風(fēng)壓的作用方向與風(fēng)機(jī)作用方向相反，阻礙通風(fēng)，分支的風(fēng)量減小，而與其并聯(lián)的旁側(cè)分支的風(fēng)量增加，當(dāng)瓦斯風(fēng)壓達(dá)到某臨界值時(shí)，分支中的風(fēng)流就可能出現(xiàn)停滯，甚至反向，瓦斯可能隨之進(jìn)入其他用風(fēng)地點(diǎn)［2］。 馮玉鳳等［28］通過(guò)理論推導(dǎo)，認(rèn)為影響上行風(fēng)巷道風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的因素不僅包括空氣與甲烷的密度差、巷道的高差、通風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)壓，還包括初始風(fēng)速、巷道斷面積、分支的風(fēng)阻和巷道長(zhǎng)度，但沒(méi)有通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步研究上述因素與巷道風(fēng)流逆轉(zhuǎn)之間的關(guān)系。 王凱等［29］對(duì)瓦斯風(fēng)壓引起上行通風(fēng)旁側(cè)分支風(fēng)流逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)旁側(cè)分支風(fēng)阻的增大會(huì)減小旁側(cè)分支風(fēng)速的變化范圍及瓦斯排出的速率，但不影響瓦斯流入旁側(cè)分支的速率，并通過(guò)試驗(yàn)研究了并聯(lián)下行通風(fēng)巷道瓦斯風(fēng)壓誘致風(fēng)流紊亂的規(guī)律［30］，發(fā)現(xiàn)瓦斯風(fēng)壓會(huì)造成并聯(lián)下行通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)流的復(fù)雜變化，使并聯(lián)巷道中的瓦斯隨風(fēng)流往復(fù)運(yùn)動(dòng)，然后基于振動(dòng)理論分析試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為某條分支巷道風(fēng)阻的增大有助于保持其并聯(lián)分支的風(fēng)流穩(wěn)定，但不利于本分支瓦斯的順利排出。

3 突出煤體對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律

突出煤體對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在突出煤體在巷道內(nèi)形成堆積，甚至阻塞巷道，掩埋通風(fēng)設(shè)施。 曹偈等［10］通過(guò)煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)研究了突出煤的運(yùn)移和堆積情況，發(fā)現(xiàn)巷道內(nèi)突出煤運(yùn)移大致經(jīng)歷3 個(gè)階段：加速階段、減速階段、沉降階段。突出煤體主要堆積在主巷中，聯(lián)絡(luò)巷有極少煤粉。突出口附近及主巷道尾部直角拐彎處有較多的塊狀煤體堆積。 唐巨鵬等［31］通過(guò)煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煤層深度與煤體的突出距離呈冪指數(shù)增加規(guī)律。 熊陽(yáng)濤等［32］基于煤與瓦斯突出綜合作用假說(shuō)，通過(guò)理論分析，針對(duì)突出強(qiáng)度較大和突出強(qiáng)度較小2 種情況分別建立了拋出煤體堆積面與拋出位置的函數(shù)關(guān)系式。

4 討 論

目前煤與瓦斯突出對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律研究存在的問(wèn)題主要分為以下4 個(gè)方面。

1）由于當(dāng)前煤與瓦斯突出沖擊波在分岔巷道中的傳播試驗(yàn)研究存在不足，存在試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏少以及未能研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)間定量關(guān)系的問(wèn)題，沖擊波在分岔巷道中的傳播規(guī)律有待展開(kāi)定量研究。

2）由于目前研究人員對(duì)通風(fēng)設(shè)備設(shè)施破壞程度的研究主要集中在沖擊波超壓與通風(fēng)設(shè)備設(shè)施破壞程度之間的關(guān)系，而且現(xiàn)階段煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)系統(tǒng)采用的模擬巷道由于尺寸原因基本沒(méi)有安裝真實(shí)的通風(fēng)設(shè)備設(shè)施，煤與瓦斯突出產(chǎn)生的沖擊波對(duì)通風(fēng)設(shè)備設(shè)施的破壞很難用試驗(yàn)進(jìn)行模擬，沖擊波單位沖量、作用時(shí)間和構(gòu)筑物固有周期等因素與通風(fēng)設(shè)備設(shè)施破壞程度之間的關(guān)系有待展開(kāi)定量研究。

3）由于目前模擬巷道當(dāng)中瓦斯氣體濃度監(jiān)測(cè)距離和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)目有限，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的巷道中各點(diǎn)瓦斯?jié)舛入S瓦斯運(yùn)移距離變化的衰減系數(shù)不能完全反應(yīng)煤礦井下真實(shí)情況。

4）目前研究人員對(duì)瓦斯風(fēng)壓誘導(dǎo)巷道風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的影響因素研究主要集中在對(duì)巷道風(fēng)阻的研究，而其他影響因素與巷道風(fēng)流逆轉(zhuǎn)之間的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

基于當(dāng)前研究存在的問(wèn)題，筆者從以下4 個(gè)方面探討解決途徑。

1）由于當(dāng)前用于模擬巷道網(wǎng)絡(luò)的管網(wǎng)系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)整管道組件的方式調(diào)整模擬巷道分岔角度，針對(duì)當(dāng)前沖擊波在分岔巷道中的定量傳播規(guī)律研究中存在的不足，可以通過(guò)調(diào)節(jié)模擬巷道分岔角度來(lái)獲取不同巷道分岔角度對(duì)應(yīng)的沖擊波參數(shù)，然后以大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析分岔角度與沖擊波參數(shù)之間的定量關(guān)系。

2）針對(duì)當(dāng)前煤與瓦斯突出產(chǎn)生的沖擊波對(duì)通風(fēng)設(shè)備設(shè)施的破壞難以通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行模擬的實(shí)際情況，筆者建議采用2 種思路加強(qiáng)沖擊波對(duì)通風(fēng)設(shè)備設(shè)施破壞的試驗(yàn)研究：①通過(guò)借鑒當(dāng)前煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)系統(tǒng)采用的相似準(zhǔn)則，開(kāi)展井下通風(fēng)設(shè)備設(shè)施相似準(zhǔn)則研究，基于相似準(zhǔn)則研發(fā)通風(fēng)設(shè)備設(shè)施模型；②在現(xiàn)有的教學(xué)礦井中安裝通風(fēng)設(shè)備設(shè)施，開(kāi)展煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)，研究沖擊波對(duì)通風(fēng)設(shè)備設(shè)施破壞程度與其影響因素之間的關(guān)系，這樣既避免了煤礦井下難以開(kāi)展煤與瓦斯突出試驗(yàn)的問(wèn)題，又能最大程度地模擬真實(shí)煤礦井下環(huán)境，提高了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3）針對(duì)當(dāng)前模擬巷道中瓦斯氣體濃度監(jiān)測(cè)的不足，可以考慮將煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)重復(fù)多次，在每次試驗(yàn)中改變傳感器在模擬巷道中的布置位置，從而在傳感器數(shù)量相同的情況下增加試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，使巷道中各點(diǎn)瓦斯?jié)舛入S瓦斯運(yùn)移距離變化的衰減系數(shù)更加符合煤礦井下實(shí)際情況。

4）針對(duì)目前瓦斯風(fēng)壓誘導(dǎo)巷道風(fēng)流逆轉(zhuǎn)研究存在的不足，建議在加強(qiáng)巷道風(fēng)阻對(duì)瓦斯風(fēng)壓誘導(dǎo)巷道風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的影響研究同時(shí)，開(kāi)展其他影響因素與瓦斯風(fēng)壓誘導(dǎo)巷道風(fēng)流逆轉(zhuǎn)之間的關(guān)系研究，完善瓦斯風(fēng)壓誘導(dǎo)巷道風(fēng)流逆轉(zhuǎn)機(jī)理。

5 展 望

目前，國(guó)內(nèi)高瓦斯、突出礦井基本上都裝備了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［33］，但這些系統(tǒng)只能實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)到瓦斯?jié)舛鹊淖兓?，煤與瓦斯突出災(zāi)變時(shí)期輔助應(yīng)急決策能力存在不足，而煤與瓦斯突出對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律揭示了沖擊波動(dòng)力效應(yīng)與時(shí)間和傳播距離的關(guān)系、突出瓦斯?jié)舛扰c時(shí)間和位置的關(guān)系以及突出煤體在巷道內(nèi)堆積的規(guī)律。 因此，以煤與瓦斯突出對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律作為理論基礎(chǔ)，結(jié)合井下瓦斯、風(fēng)速等傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展煤與瓦斯突出通風(fēng)系統(tǒng)影響范圍的快速研判研究，從而提高煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在煤與瓦斯突出災(zāi)變時(shí)期的輔助應(yīng)急決策能力，這將有助于煤礦在煤與瓦斯突出災(zāi)變時(shí)期開(kāi)展井下應(yīng)急救援和人員疏散工作。

6 結(jié) 語(yǔ)

在分析煤與瓦斯突出對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)沖擊波和瓦斯對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)影響研究當(dāng)中存在的問(wèn)題，建議利用現(xiàn)有煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，改進(jìn)模擬試驗(yàn)方法，同時(shí)將現(xiàn)有的教學(xué)礦井引入煤與瓦斯突出對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響模擬試驗(yàn)，為完善煤與瓦斯突出對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律提供了借鑒。

此外，以煤與瓦斯突出對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響規(guī)律作為理論基礎(chǔ)，結(jié)合井下瓦斯、風(fēng)速等傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展煤與瓦斯突出通風(fēng)系統(tǒng)影響范圍快速研判的研究，有助于提高煤與瓦斯突出災(zāi)變時(shí)期的輔助應(yīng)急決策能力。