煤與瓦斯突出沖擊氣流數值模擬研究

左文哲 ，譙永剛 ，華 杰 ，秦鵬飛 ，王海杰

（1.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024；2.山西襄垣七一新發煤業有限公司，山西 襄垣 046299；3.山西黃土坡鑫運煤業有限公司，山西 長治 046500）

隨著礦井開采向深部發展，煤層煤與瓦斯突出（簡稱“突出”）危險性愈發增大，突出表現為氣流攜帶大量破碎煤由煤層向采掘巷道噴出，所形成的高速瓦斯氣流、沖擊波及高速破碎煤對井下人員造成強烈的沖擊動力傷害[1]，同時高濃度瓦斯極短時間內充滿巷道，極易造成人員窒息及瓦斯爆炸。因此，研究突出沖擊氣流的形成及運移規律是明確突出動力致災機制的重點課題[2-3]。

由于無法實時監測突出的發展和傳播過程，許多學者采用物理模擬和數值模擬的方法開展了突出機理的實驗研究[4-7]。孫東玲等[8]利用自主研發的設備，探究了煤與瓦斯突出過程中煤-瓦斯兩相流在巷道內的運移規律；許江等[9]利用自主研發的設備，探究了突出沖擊氣流兩相流在T 型巷道中的運移規律；高佳星等[10]、吳愛軍等[11]、張建方等[12]建立了沖擊氣流運移數學模型；王凱等[13]、劉星魁等[14]進行了沖擊氣流在直角巷運移的數值模擬研究。

巷道的長度往往大于數百米，基于試驗難以探尋突出過程中沖擊氣流在整個巷道內的運移規律。為此，運用數值模擬的方法，基于事故現場突出孔洞及巷道的實際情況，運用COMSOL 高馬赫流動及濃物質傳遞模塊，模擬了突出過程中沖擊氣流速度場、壓力場、沖擊力場、濃度場等分布規律；為礦井煤與瓦斯突出災害防護與控制提供理論支撐。

1 數值模擬幾何模型和模型參數

突出的能量來源主要為高壓瓦斯[15]，當前方煤體破碎，高壓瓦斯暴露在工作面的大氣壓力之下，在巨大的壓力差之下，壓力瞬間釋放，靜壓迅速轉換為動壓，形成高速沖擊氣流?；诖?，主要從沖擊氣流角度出發，探究突出過程中沖擊氣流的致災機理，忽略煤粉顆粒對沖擊氣流的影響，開展了單向流數值模擬研究。貴州省黔西南州安龍縣廣隆煤礦“12·16”重大煤與瓦斯突出事故現場巷道斷面為矩形，寬4.2 m、高2.6 m，設計長度510 m, 突出孔洞寬0.54 m，瓦斯壓力為0.374 MPa。由于事故的突發性，無法獲取事故發生過程中突出沖擊氣流的具體數據。因此，基于事故現場實際情況構造了二維數值分析模型，模型巷道長200 m，寬4 m，突出孔洞呈漏斗狀，具有口小腔大的特征[16]，口部寬0.5 m，入口設置在煤層，寬1.2 m。突出幾何模型及網格劃分如圖1。

圖1 突出幾何模型及網格劃分Fig.1 Outburst geometry and meshing

數值模擬壓力入口以突出物理模擬試驗模型中測試得到的壓力變化曲線為基礎[6]，壁面均采用無滑移邊界，出口流動條件設置為亞音速流動，巷道壓力設置為標準大氣壓。數值模擬參數為：①入口初始壓：0.35 MPa；②初始溫度：273.15 K；③熱傳導率：0.033 6 W/（m·K）；④比氣體常數：518.27 J/（kg·K）；⑤比熱率：1.4；⑥動力黏度系數：1.08×10-5Pa/s；⑦甲 烷 摩 爾 質 量：0.016 kg/mol；⑧巷道空氣摩爾質量：0.029 kg/mol。

模擬分為2 個步驟，①利用高馬赫流模塊計算得到突出沖擊氣流在巷道內的速度、壓力、沖擊力等變化規律；②利用濃物質傳遞模塊計算得到巷道內瓦斯濃度和體積分數變化規律。

2 模擬結果

2.1 突出氣流速度及壓力

突出后沖擊氣流速度分布云圖如圖2，突出后沖擊氣流壓力分布云圖如圖3，巷道中軸線上沖擊氣流速度分布曲線如圖4。

圖2 突出后沖擊氣流速度分布云圖Fig.2 Cloud map of impact airflow velocity distribution after outburst

圖3 突出后沖擊氣流壓力分布云圖Fig.3 Cloud map of impact airflow pressure distribution after outburst

圖4 巷道中軸線上沖擊氣流速度分布曲線Fig.4 Impact airflow velocity distribution curves on the central axis of roadway

如圖2，突出0.02 s 時，高壓瓦斯以亞音速進入突出孔洞，突出孔洞口徑縮小，速度加快，在突出口附近壓力迅速降低，轉換為動壓，速度進一步增大，形成超音速射流。

如圖4，隨著距離的增大，速度出現2 個峰值點，最高可達378.6 m/s，最低為312.3 m/s，平均速度為343.2 m/s。文獻[17]中物理試驗結果表明當初始壓力為0.35 MPa 時，突出沖擊氣流速度最高可達349.9 m/s，最低為341.4 m/s，平均速度345.7 m/s。數值模擬結果與文獻中物理實驗結果基本吻合。突出0.05 s 時，因為射流壓力的持續變化，射流形成周期性的膨脹波區和壓縮波區域，射流在膨脹波區和壓縮波區域出現反復的加速和減速的情況，速度出現多個峰值，同時前端沖擊波區域氣流速度最高可達61.2 m/s，因為前端氣流是因為氣壓的改變而發展。

如圖3，壓力波的傳播速度等同于當地音速，因此前端沖擊波發展速度快于瓦斯沖擊氣流，但是氣流流速遠小于沖擊氣流，危險程度也小于沖擊氣流。同時可見因為巷道的干擾，在沖擊氣流前端靠近巷道的位置形成了局部回流區域。如圖4，隨著時間地發展，沖擊氣流末端速度呈下降趨勢，突出0.2 s 時，隨著距離的增大，射流區域速度呈現不規則的振蕩衰減趨勢，射流尾部速度降低至音速以下，發展為湍流并失穩，危險范圍增大，但是速度大幅下降，危險程度降低。

突出沖擊氣流演化過程示意圖如圖5。

圖5 突出沖擊氣流演化過程Fig.5 Evolution process of shock flow

如圖5，高壓瓦斯從突出孔洞以亞音速噴出，在孔洞附近因為孔洞縮小，速度開始劇增，在突出口附近，高壓瓦斯與外界大氣壓接觸，靜壓迅速轉換為動壓，速度劇增，超過音速，因此突出孔洞內沖擊氣流速度v1<突出孔口沖擊氣流速v2<音速vsound<突出孔口外沖擊氣流速度v3。因為外部大氣壓小于突出口瓦斯壓力，所以此時發出膨脹波，而高速氣體經過膨脹波，發生內折，膨脹波在射流邊界反射，形成壓縮波，高速瓦斯氣流經過反射的壓縮波區域，發生外折，反射后的壓縮波在射流邊界處反射，形成膨脹波。換而言之，瓦斯經過迅速膨脹，同時在自身慣性力的作用下，瞬間壓力已經小于外界氣壓，在外界氣壓的作用下，瓦斯被向內部壓縮。而之后，當瓦斯壓力和巷道內壓力相等時，在慣性力的作用下，瓦斯繼續被壓縮，之后瓦斯壓力大于外部大氣壓，所以射流繼續向外部膨脹，幾次反復之后，射流尾部壓力和大氣壓達到平衡或者速度降低至當地音速以下，射流發展為湍流，在巷道內無序運移，同時速度開始快速降低。

突出后沖擊氣流速度分布云圖如圖6。

圖6 突出后沖擊氣流速度分布云圖Fig.6 Cloud map of impact airflow velocity distribution after outburst

如圖6：突出0.3 s 時，當射流尾部速度降至音速以下，射流轉換為充分發展的湍流并在巷道內無序的運移，速度快速降低，沖擊危險性降低；突出1.3 s 時，距突出口40 m 右側巷道壁附近沖擊氣流速度高達141.3 m/s ，具有較高的沖擊危險性；突出1.8 s 時，突出孔洞內壓力快速降低，射流速度開始大幅下降，危險性大幅降低；突出3 s 時，入口及巷道整體速度趨近于0 m/s，此時可認為突出沖擊氣流停止。

2.2 突出氣流沖擊力

突出后氣流沖擊力分布云圖如圖7，巷道中軸線上氣流沖擊力分布曲線如圖8。

圖7 突出后氣流沖擊力分布云圖Fig.7 Cloud map of impact force distribution of air flow after outburst

圖8 巷道中軸線上氣流沖擊力分布曲線Fig.8 Airflow impact force distribution curves on the central axis of roadway

如圖7：突出0.05 s 時，高速射流區域為高沖擊危險區域，在突出口1.6 m 位置，沖擊力高達246.3 kPa；突出0.1 s 時，氣流沖擊力隨著與突出口距離的增大，呈現快速下降的趨勢，距離突出口7.6 m 的沖擊危險區域呈現失穩的趨勢；突出0.15 s 之后，沖擊力隨與突出口距離的增大呈現振蕩遞減趨勢，出現多個峰值點，且相較于速度降低趨勢，沖擊力降低趨勢更加明顯；突出0.2 s 時，沖擊氣流發展至巷道18.4 m 的位置，沖擊力高達101.8 kPa，且由于湍流的不穩定性，巷道沖擊氣流危險區域也變得不穩定。

沖擊力損傷人體等級見表1。巷道沖擊危險區域演化云圖如圖9。

表1 沖擊力損傷人體等級Table 1 Impact force damage to human body level

圖9 突出后沖擊危險區域分布云圖Fig.9 Cloud map of distribution of impact hazard area after outburst

根據表1，將沖擊力小于19.6 kPa 的區域設置為安全區域，即藍色區域；將沖擊力大于19.6 kPa小于49.0 kPa 的區域的設置為中度危險區域，即綠色區域；將沖擊力大于49.0 kPa 的區域設置為重度危險區域，即紅色區域。

如圖9： 突出0.1 s 時，射流區域為重度危險區域，靠近巷道壁的區域為安全區域，同時壓力波以音速在巷道內傳播，壓力波絕大部分區域為中度危險區域；突出0.2 s 時，射流尾部轉換為湍流，由于湍流的不穩定性，尾部危險區域發生偏移，15 m 至20 m 處靠近巷道壁位置出現重度危險區域，但由于湍動能的耗散，沖擊氣流尾部危險性降低，轉換為中度危險區域，同時沖擊波向巷道深處發展；突出0.3 s 時，沖擊氣流重度危險區域范圍達到最大值，沖擊氣流重度危險區域最大距離為27.9 m，同時沖擊波向巷道內持續發展，但是危險區域逐漸減小，沖擊危險性逐漸降低；突出0.5 s 時，突出孔洞壓力降低，突出沖擊力開始下降，沖擊氣流重度危險區域范圍開始變小，但距突出口40 m 右側巷道壁附近仍然存在高速沖擊氣流，具有較高的沖擊危險性，由于湍流的不穩定性，沖擊氣流在巷道內無序運移，因此巷道前5～40 m 均可能成為沖擊危險區域，但突出口5 m 距離內巷道兩側沖擊力較??；突出1.7 s 時，沖擊重度危險區域范圍已經縮小至距離突出口3.6 m 的距離，中度危險區域縮小至距離突出口8.5 m 的距離，且整體向巷道壁偏移；突出2.3 s 時，巷道內氣流沖擊力已經降低至安全水平。

2.3 突出瓦斯氣流傳播規律

突出后瓦斯質量濃度分布云圖如圖10，突出后靜壓分布規律如圖11，隨著時間推移巷道中軸線上瓦斯體積分數分布曲線如圖12。

圖10 突出后瓦斯質量濃度分布云圖Fig.10 Cloud map of gas mass concentration distribution after outburst

圖11 突出后靜壓分布規律Fig.11 Static pressure distribution after outburst

圖12 隨著時間推移巷道中軸線上瓦斯體積分數分布曲線Fig.12 Gas volume fraction distribution curves on the central axis of roadway over time

如圖10：突出0.15 s 時，高濃度瓦斯氣流以射流的形式在巷道內快速發展，在突出口附近巷道左右兩側瓦斯濃度較低，此時瓦斯氣流與巷道空氣的混合主要靠對流；突出1 s 時，瓦斯氣流向巷道深處快速發展，突出口附近巷道左右兩側也充滿高濃度瓦斯；突出1.5 s 時，由于突出口壓力及速度大幅下降，瓦斯對流速度開始快速下降；突出2.2 s 時，瓦斯擴散距離達到極大值，由于巷道前端出現負壓區域（圖11），最小靜壓為0.076 MPa，于是出現回流的現象，瓦斯氣流前端與巷道空氣進一步混合，爆炸危險性增大；突出3 s 時回流達到最大值，巷道前端壓力經過回流，又大于巷道外側壓力，瓦斯氣流繼續向外側發展；突出5 s 時，巷道內整體靜壓和速度趨于穩定，對流作用降低，擴散逐漸占主導地位，高濃度瓦斯最大擴散距離為133.6 m。

突出后期，突出孔洞壓力大幅降低，突出氣流因為慣性力，繼續向巷道內發展，因此孔洞附近出現負壓的情況，巷道中部壓力大于突出孔洞附近巷道的壓力，于是出現回流的現象?；亓魉俣容^小，對設備及人體的危險性較小，但是會導致突出氣流尾部高濃度瓦斯與巷道內空氣大范圍的對流從而加快混合，增大爆炸危險性。

如圖12：突出2.2 s 時，因為突出起始階段射流在巷道內局部運移，無法將巷道前端27.3 m 空氣排空，于是巷道前端瓦斯體積分數呈現先降低再升高的趨勢，體積分數最低為64.9%，巷道27.3 m 至71.3 m 位置，因為突出氣流的沖擊對流，瓦斯體積分數接近于100%；突出2.2 s 和5 s 時，瓦斯氣流最大擴散距離相近，但是由于回流的影響，在巷道75.3～122.8 m 距離，第5 s 瓦斯體積分數相對2.2 s 瓦斯體積分數出現大幅波動且整體大幅下降，爆炸危險性增大。

由此可見，在煤與瓦斯突出發生之后，絕大部分突出沖擊氣流區域瓦斯體積分數遠高于瓦斯爆炸濃度極限，同時絕大部分突出沖擊氣流區域有著極高的窒息危險性，在回流和擴散作用的影響下，高體積分數瓦斯會逐漸向巷道深部發展，瓦斯體積分數降低，爆炸危險區域擴大，爆炸危險性增大。因此在突出發生之后應該盡快做出應急措施，降低爆炸危險性。

3 討 論

模擬了瓦斯壓力為0.35 MPa 的煤與瓦斯突出過程中沖擊氣流的速度場、壓力場、沖擊力場、濃度場等分布規律。由模擬結果可知：煤與瓦斯突出氣流沖擊危險性一方面來自高速射流；一方面來自沖擊波，即壓力波；因此沖擊危險性不僅要考慮突出氣流沖擊危險性，沖擊波沖擊危險性同樣不可忽略。

不同瓦斯壓力之下，突出氣流的速度、沖擊力、沖擊波危險性仍有很大差異，但是由于湍流的耗散作用，突出氣流理論上存在危險性極限范圍，同樣，不同突出壓力、突出氣流的時間也對突出瓦斯量有很大影響。突出發生后，巷道內的瓦斯不僅來源于突出過程中的瓦斯射流；突出停止之后，煤層和破碎的煤粉煤塊中解吸的瓦斯同樣不可忽略。

突出發生之后，巷道內瓦斯內濃度極高，高濃度區域較為集中，因此窒息危險性極大，同時爆炸危險性相對較低。本文旨在明確突出沖擊氣流和沖擊波的致災規律，從而合理安排防突柵欄等設置，并研究沖擊瓦斯氣流濃度傳播規律，對災后救援措施的設計、防止次生災害的發生提供參考。

4 結 語

1）突出壓力為0.35 MPa 時，突出沖擊氣流速度最大可達378.6 m/s，且因為射流壓力大于環境壓力，出現周期性的膨脹波區和壓縮波區，射流尾部發展為湍流并失穩，速度大幅降低。

2）突出氣流沖擊力最高可達246.3 kPa，隨距離的增大，呈不規則震蕩遞減趨勢。巷道前5～40 m均可能成為沖擊危險區域，巷道前5 m 巷道壁兩側沖擊力較小。沖擊波以音速在巷道內傳播，隨著時間地發展，沖擊波危險區域逐漸減小，沖擊危險性逐漸降低。

3）突出發生后，突出口附近的瓦斯濃度會隨著突出氣流的發展而快速上升，且絕大部分區域瓦斯體積分數遠高于爆炸極限。由于突出后期巷道內壓力差的存在，會出現回流的現象。