擋板緩沖下煤與瓦斯突出沖擊波傳播減能機制研究*

楊培君，謝雄剛，任建軍，尚延龍，羅香瑩

(1.貴州大學 礦業(yè)學院，貴州 貴陽 550025；2.興義民族師范學院 物理與工程技術(shù)學院，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)力等多因素復雜系統(tǒng)作用的礦山動力災(zāi)害[1]。在突出發(fā)生的極短時間內(nèi)從突出點噴出大量的煤粒和膨脹瓦斯，形成超高壓突出沖擊波嚴重沖擊采掘空間人員及設(shè)施[2]。突出事故大多突發(fā)性強和預(yù)見性差，目前無法完全消除，因此，應(yīng)對突出災(zāi)害的發(fā)生應(yīng)該大力發(fā)展抑制突出災(zāi)害沖擊范圍擴大化的技術(shù)和先進的裝備。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)施及避免礦井風流災(zāi)變。為此諸多專家學者在理論研究和實驗論證方面進行了大量的研究。關(guān)于抑制突出沖擊波傳播技術(shù)及裝置的研究，文獻[3-7]對巖粉棚、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)及裝置進行了研究，對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)計附設(shè)空腔條件下的大型圓管瓦斯爆炸試驗系統(tǒng)，研究當長徑比大于臨界長徑比時，空腔對峰值超壓具有明顯消減作用;Eisenreich等[9]設(shè)計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，實現(xiàn)對管道通路的柔性封堵;張延煒等[10]研究柔性障礙物對甲烷空氣爆炸波的激勵效應(yīng);司劍峰等[11]進行氣泡帷幕對沖擊波的衰減效果分析;時本軍等[12]研究巷道中的腔體對沖擊波傳播的影響特性。

以上學者主要進行了封堵技術(shù)對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)等帶來的巷道阻力增加和日常維護工作量增加等問題，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用“以柔克剛”的哲學思想，設(shè)計附設(shè)擋板緩沖條件下煤與瓦斯突出試驗系統(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)果對人為加速突出沖擊波衰減至無災(zāi)害等級有一定的參考價值。

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度；Δx—波陣面寬度圖1 煤與瓦斯突出發(fā)生過程示意Fig.1 Schematic of coal and gas outburst stage

以下研究只針對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區(qū)域的初始壓力(KPa)、密度(kg·m-3)、速度(m·s-1)、內(nèi)能(J)；P1，ρ1，u1，e1為波陣面已穿過區(qū)域的壓力、密度、速度、內(nèi)能；D為波陣面的運移速度，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)，沖擊波傳播過程與外界沒有能量交換，即沒有能量損失。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。若巷道未擾動區(qū)的氣流原始速度趨于零，則由波陣面寬度內(nèi)動能和內(nèi)能能量方程得到?jīng)_擊波對波前穩(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)壓強與波后壓強的比值；k為待定常數(shù)；x為煤粉和瓦斯混合氣流階段長度，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、沖擊波對波前穩(wěn)定氣流所做的功、煤粉和瓦斯混合氣流的運移過程密切相關(guān)，沖擊波對穩(wěn)定氣流所做的功與突出強度和煤的普氏系數(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程，突出沖擊波傳播路徑上巷道橫截面積由S0變?yōu)镾1時，根據(jù)系統(tǒng)能量守恒關(guān)系式可得到?jīng)_擊波經(jīng)過擋板裝置時的超壓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，當沖擊波到達擋板裝置斷面的單位面積內(nèi)，波陣面通過的巷道截面積變化比值越大，波陣面能量在單位面積內(nèi)強度增加，進而反射一部分能量，當波陣面穿過擋板裝置進入巷道，準備到達下一組擋板裝置的時間段內(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

2.1 突出試驗系統(tǒng)

擋板緩沖下煤與瓦斯突出試驗系統(tǒng)可物理模擬出不同工況下突出的動力發(fā)生過程和突出沖擊波在巷道的運移過程，如圖2所示，該系統(tǒng)由突出動力子系統(tǒng)、巷道運移子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)組成。其中，突出動力子系統(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態(tài)數(shù)據(jù)采集器組成。

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

試驗用氮氣替代突出煤層中以甲烷和二氧化碳為主的混合氣體作為突出動力源氣體，突出腔體和快速卸壓裝置的耐壓強度達到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)充裝氮氣，以0.1 MPa為一階梯進行階梯式充氣，直至壓力達到設(shè)定值并穩(wěn)定，關(guān)閉連接氣瓶的高壓管閥門，靜止30 s，用手動的方式搬動快速卸壓裝置，模擬啟動突出。巷道運移子系統(tǒng)中管道耐壓強度為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。針對突出沖擊波頻率高和動作反應(yīng)時間短等特點，選用TST-212 型高頻壓力傳感器，量程為0～6 MPa，多通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集器采用8通道Blast-PRO型高速動態(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依次布置p1，p2，p3，p4共4個測點，其中，p1號測點距離突出口1.5 m；p2，p3號測點位于第2，3節(jié)巷道中間位置；p4號測點位于第五節(jié)巷道中間；p2，p3，p4號測點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

具體的試驗步驟如下：

1)安裝調(diào)試試驗系統(tǒng)的每個裝置，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]，利用真空泵對突出腔體抽真空至負壓為0.1 MPa后，對突出腔體分別進行充氣吸附至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，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，觸發(fā)突出發(fā)生，等待試驗完成儲存數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析研究。

2.3 試驗結(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點的沖擊力傳感器上，充氣壓力為0.4，0.8 MPa時p1，p2，p3，p4測點沖擊壓力隨時間的的變化曲線如圖4所示。通過圖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測點之間超壓衰減系數(shù)小于p2與p3測點之間衰減系數(shù)，隨著沖擊波傳播遠離突出腔體，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，p1，p2測點在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，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，重復作用于后端沖擊力傳感器上，導致沖擊力的回升，故各測點距離突出口的距離越遠，沖擊力回升程度是逐漸減弱的。

3)各測點沖擊力峰值變化曲線如圖5所示。p2測點沖擊力峰值達到最大值為53 kPa，p3，p4測點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測點沖擊力峰值分別為38，53 kPa，p2測點沖擊力峰值大于p1測點沖擊力峰值，通過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測點區(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移系統(tǒng)中是隨著時間逐漸減弱的。

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，在物理試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究的主要內(nèi)容，簡化物理試驗系統(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)進行壁處理，并將巷道尾端定義為壓力出口處，物理場接口采用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測點沖擊波超壓隨時間變化曲線如圖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，在短時間內(nèi)沖擊波壓力急劇增大，存在突躍的現(xiàn)象，達到?jīng)_擊波傳播的壓力峰值后呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，且伴隨著一定的壓力回升現(xiàn)象，因為擋板裝置在整體加速沖擊波壓力的衰減過程的同時，其對沖擊波產(chǎn)生反射作用，產(chǎn)生反射波二次加速作用于觀測點，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測點分別在充氣壓力為0.8，0.4 MPa的條件下，均在0.016 s達到壓力峰值，分別為134.11，120.14 kPa，然后隨著時間不斷衰減，并在0.055 s時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測點在0.011 0 s達到壓力峰值141.78 kPa，并在壓力衰減的過程中，由p2測點前擋板裝置的反射重疊和測點后的二次裝置的反射作用導致在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，分別達到47.72，2.97 kPa的壓力值。通過圖7分析得到如下結(jié)論：

圖6 p1，p2，p3，p4測點沖擊波超壓隨時間變化曲線Fig.6 Curve of shock wave overpressure at point p1,p2,p3 and p4 with time

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

1)在充氣壓力0.8 MPa時，p1～p4測點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時壓力衰減趨勢與0.8 MPa的變化趨勢是一致的，并在p2～p3測點之間壓力衰減程度最大，減幅達到15.9%。這與試驗結(jié)果是一致的。

2)由圖7的沖擊力峰值對比分析得到，沖擊波在經(jīng)過第一組擋板裝置時橫截面積變小，導致沖擊波通過p2測點的局部能量是增大的，造成沖擊波在p2測點出現(xiàn)壓力回升，總體能量是逐漸衰減的，這與試驗壓力變化規(guī)律也是一致的。

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

4 結(jié)論

1)通過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)學模型，得出巷道沖擊波傳播過程中的超壓衰減影響因素，如巷道橫截面積和輸運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，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行數(shù)值模擬計算，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結(jié)果是一致的。

4)基于理論數(shù)學分析，結(jié)合物理模擬試驗和數(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。