煤与瓦斯突出冲击气流形成及传播规律

许 江，程 亮，彭守建，周 斌，魏仁忠，杨海林，李奇贤

(1.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044；2.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

国家经济快速发展离不开能源的消耗。我国能源赋存体现出“缺气、少油、相对富煤”的特点，这意味着煤炭在未来相当长时间占我国能源结构的主导地位。我国在“十四五”规划和2035年远景目标纲要中明确指出，推动煤炭生产向资源富集地区集中，由此可见，我国煤炭的开采深度将持续加深。随着矿井开采深度的增加，煤层“三高一低”的特点越发凸显，极易在采掘扰动情况下发生煤与瓦斯突出事故。煤与瓦斯突出(简称“突出”)表现为突出气流携带大量煤体由煤层向采掘巷道空间喷射出，形成冲击气流、冲击波、煤-瓦斯两相流等对井下人员、设施造成强烈的冲击动力灾害。

目前已有研究成果表明，突出是在煤的物理力学性质、瓦斯压力和地应力这3个主要因素综合作用下发生的。众多学者对该3类因素展开了深入研究。但由于煤矿现场突出的剧烈性、强破坏性，很难对其进行有效的监测。因此，物理模拟和数值模拟已成为探究突出灾害的最有效手段。张庆贺等探究了不同强度含瓦斯型煤对突出的影响。王汉鹏等利用不同气体的吸附能力大小探究了吸附瓦斯含量对突出的影响。唐巨鹏等、朱立凯等分别采用试验和数值模拟方式探究了不同瓦斯压力和不同地应力条件下的突出发生、发展过程。高魁等、秦恒洁等开展了不同应力条件下的突出试验，并对受载含瓦斯煤体卸压后的应力分布与演化规律进行了数值模拟研究。

以上学者以预防突出发生为目的，从突出三要素入手重点对其机理进行了深入研究。然而，随着煤矿向深部开采，地质条件愈发复杂，以目前的研究成果无法完全杜绝突出的发生。因此，部分学者开始了对突出流体致灾方面的探究，意在指导煤矿合理设计井下防灾抗灾设施及突出灾害应急抢险方案。程五一等探讨了冲击波的形成，并建立了突出冲击波传播数学模型。ZHOU等、王凯等利用试验结合数值模拟的方式，探究了突出冲击波在不同巷道布置下的传播规律。JIN等研究了瓦斯解吸对突出流体的影响，并得到了煤粉流流型变化规律。李希建等通过不同瓦斯压力、不同防突风门底坎尺寸的突出试验和数值模拟研究，揭示了突出冲击波穿越防突风门孔洞时的能量耗散规律。孙东玲等建立了突出煤在巷道中的运移数学模型，分析了突出过程中煤-瓦斯两相流流动的临界状态及其相关两相流声速理论。王凯等研究了突出煤粉粒径对突出煤-瓦斯两相流动力特征的影响。文献[30-32]探究了突出过程中巷道冲击力的致灾特征，并发现煤粉流在巷道中二次加速现象。

突出煤-瓦斯两相流在巷道内运移的本质是瓦斯通过曳力作用带动煤粉运动。由瓦斯形成的冲击气流一定程度上直接决定着突出煤-瓦斯两相流的冲击动力学行为。因此，研究突出冲击气流的形成及运移规律是明确突出动力致灾机制的重点课题。目前，国内外有关突出冲击气流形成机理及运移机制的研究很少，仅有少量的试验和初步理论分析。另外，由于突出气流的瞬时性、强破坏性及其复杂性，使得很难获得现场实测的突出气流的真实流动规律。为此，笔者利用自主研制的多场耦合大型煤矿灾害物理模拟试验系统，得到了煤层瓦斯压力和地应力、巷道冲击力的演化过程，并获得了巷道内冲击气流和煤粉流的运动特征。与此同时，结合试验分析以及流体力学、气体动力学等理论指导，建立突出冲击气流形成及运移模型。笔者所得研究结果对认识突出动力致灾机制及在尚无法从源头消除突出灾害的前提下的被动防灾减灾措施的实施具有重要借鉴意义。

1 试 验

1.1 试验设备

本试验是利用自主研发的多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟试验系统进行的，如图1所示。该系统由动力系统、巷道网络系统、数据采集系统、注气系统和高速摄像机等组成。动力系统由伺服加载装置、试件箱体和主体承载支架等组成，能够真实再现三轴应力状态下的煤层；巷道网络系统能够模拟突出过程中突出流体在巷道内的致灾过程；数据采集系统用于采集煤-瓦斯两相流作用下冲击力的试验数据，试验采样率为1 000 Hz；注气系统通过流量计、电磁阀和智能电子表控制向试件箱体注入突出气体；高速摄像机用于捕捉突出过程中巷道内流体的运动特征，采样率为2 000 Hz。

图1 多场耦合煤矿灾害物理模拟试验系统Fig.1 Multi-field coupling testing system for dynamic disaster in coal mine

1.2 试验煤样

试验煤样取自重庆市水江煤矿九井向斜西翼二叠系龙潭组K煤层，埋深为1 082 m。该矿属于煤与瓦斯突出矿井，绝对瓦斯涌出量为9.51 m/min，相对瓦斯涌出量为16.62 m/t，平均瓦斯含量为13.23 m/t，瓦斯压力为1.25 MPa，煤层透气性系数为1.53 m/(MPa·d)，煤层自燃倾向属三级，不易发火但具有爆炸性。图2为水江煤矿地质构造情况，矿区煤层倾角为30°～38°，倾向为95°～133°。矿区西侧存在F8，F9逆断层，两断层呈北北东向平行排列，走向北北东，倾向南东东，倾角50°～70°。两断层仅相距160 m，均发育于二叠系地层中，将煤层错断，断距为60～280 m。

图2 水江煤矿地质构造Fig.2 Geological structure of Shuijiang Coal Mine

1.3 试验方案

煤层瓦斯作为突出的主要能量来源，其形成的冲击气流一定程度上直接决定着突出煤-瓦斯两相流的冲击动力学行为。再者，突出煤粉流的运动完全借助于气相(煤层瓦斯)曳力。因此，突出致灾特性的研究应重点关注突出气流的形成机理与流动规律。为真实还原工作面前方煤层的应力分布状态，将其由工作面向煤层深部分别划分为卸压区(和)、应力集中区(和)、过渡区(和)和原岩应力区(和)等4个应力区域，地应力加载方案详见表1，各参数的设定方法详见文献[35]。同时，设定煤层瓦斯压力为2.0 MPa，突出口径为30 mm等初始条件，着重分析突出过程中煤层内瓦斯压力下降规律、巷道内冲击气流和煤粉的运动特征以及煤-瓦斯两相流冲击力演化等方面，以便于深入探讨冲击气流的形成与流动规律。

表1 地应力加载方案

煤层与巷道由泄爆装置连接，泄爆装置由夹持器和两级爆破片组成。突出启动时，向其内部快速充入气体冲破巷道一侧爆破片，使其压力瞬间降为大气压。而煤层一侧爆破片受煤层瓦斯压力和外部压力差影响，瞬间被冲破，从而实现快速卸压。图3为传感器布置示意，煤层内共布置12个气压传感器，其中，卸压区和应力集中区分别布置5个气压传感器；过渡区和原岩应力区分别布置1个气压传感器。重点关注突出孔洞附近区域压降规律。巷道内共布置6个冲击力传感器，在距突出口1 000 mm和2 000 mm处分别划分为断面和断面，2个断面上各布置3个冲击力传感器。传感器具体位置及其编号如图3所示。另外，在巷道外，断面之间架设1个高速摄像机，用于捕捉突出过程中煤-瓦斯两相流的运动特征。

图3 传感器布置示意Fig.3 Schematic diagram of sensor layout

1.4 试验步骤

试验流程如图4所示。首先将配制好的煤样分4次装入试件箱体中压制成型，成型压力为10 MPa，并在预设位置安装气压传感器。煤样配制过程及其配比详见文献[36]。随后通过泄压装置连接试件箱体和巷道并检查试件箱体气密性。在气密性完好的情况下开始抽真空，并于1 h后分阶段向试件箱体内注入突出气体(出于试验安全考虑，采用CO气体)至预设瓦斯压力。当煤层瓦斯达到吸附平衡状态时开始加载三向地应力至预设值。而后开启并调节数据采集系统、安装高速摄像机。在准备工作完备无误情况下开启泄爆装置诱导突出，完成瞬间泄爆。

图4 试验流程Fig.4 Flow chart of experiment

2 试验结果及分析

2.1 煤层瓦斯压力演化规律

图5为突出过程中不同区域内煤层瓦斯压力的演化过程。由图5(a)可知，突出启动后，卸压区的瓦斯压力下降过程呈现出5个明显的阶段性起伏，分别标注为C1～C5。C1阶段中，纵向方向上和测点瓦斯压力出现回升，涨幅分别为16.2%和23.0%。C2阶段中，测点瓦斯压力开始与，同步出现阶段性回升，且幅度近似。从C3阶段开始，卸压区所有测点的瓦斯压力皆同步出现阶段性起伏现象。胡千庭等认为突出过程是呈间歇式发展的。ZHOU等在前期的研究成果中重点讨论了突出过程中的回升现象，并称之为突出的脉冲特性。这种脉冲特性可能来源于2个方面的原因：其一，突出过程中，大量煤粉堆积在突出口附近，阻碍煤-瓦斯两相流的喷出，致使煤层瓦斯压力升高；其二，高速流体在突出口处达到声速时，产生了壅塞现象所引起的瓦斯压力升高。此外，值得注意的是，在突出前期卸压区内，纵向(，)的瓦斯压力下降速率快于横向(，)，测点瓦斯压力在0.08 s内由2.0 MPa下降至1.231 MPa，下降率高达9.61 MPa/s。而后随着突出的发展，各测点瓦斯压力下降率趋于一致，且下降率逐渐减缓。

图5(b)为应力集中区瓦斯压力演化曲线。类似地，在该区域内瓦斯压力下降过程呈现出2个明显的阶段性起伏，且涨幅均不高。突出过程中，卸压区内近突出口煤粉被抛出，形成突出孔洞。应力集中区内由于瓦斯压力梯度的存在，煤层内吸附瓦斯持续解吸，向突出孔洞汇集。但随着突出的发展，瓦斯压力的下降，突出孔洞内瓦斯气流不足以带动煤粉向巷道内喷射出，大量煤粉堆积在突出口内形成封闭空间，从而致使应力集中区的瓦斯压力小幅度回升。当瓦斯压力梯度足够冲破突出口处堵塞的煤粉时，再次发生突出，瓦斯压力再次降低。因此，应力集中区瓦斯压力回升现象与卸压区C4和C5同步。从下降速率角度，，和明显快于和。在水平方向上，右侧瓦斯压力下降速率明显快于左侧。说明在突出过程中，煤层内部孔隙裂隙发育在右侧和下侧较为充分，从而致使该处瓦斯压力下降较快。

对于过渡区(图5(c))，也存在回升现象，但该现象已经不再明显。突出中后期，当煤体支撑压力达到地应力水平时，煤体内部孔隙裂隙被压密，致使瓦斯压力有小幅度升高。当地应力进一步增加时，煤体再次破碎，使得瓦斯压力再次下降。对于原岩应力区(图5(d)),该处距突出孔洞较远，瓦斯压力下降类似于常见的解吸过程。

图5 煤层瓦斯压力演化过程Fig.5 Evolution process of coal seam gas pressure

2.2 煤层地应力演化规律

图6为突出过程中不同区域内煤层地应力的演化过程。由图6可知，突出过程中应力的变化主要集中在卸压区、应力集中区和过渡区。其中，，，，，，的应力最大下降量分别为0.85，0.30，3.31，1.92，1.44，0.61 MPa。由此可见，应力变化最大的是应力集中区，其次是过渡区。当然，从下降百分比的角度，卸压区中最大主应力下降了85%，该方向上的应力下降百分比最大。值得注意的是，煤与瓦斯突出过程中最大主应力(垂直应力)的下降量和下降百分比皆高于最小主应力(水平应力)。就卸压区而言，应力下降过程中出现了阶段性平稳或回升现象。其中，最大主应力在经历3次阶段性平稳或回升后迅速下降至0.15 MPa；最小主应力在经历2次阶段性平稳或回升后呈现缓慢增长的趋势。就应力集中区而言，存在与卸压区类似的现象，在下降过程中也有阶段性平稳或回升，并且在后期应力有缓慢增长的趋势。不同的是，该区域应力下降速率较快，最大主应力和最小主应力下降趋势近似，且阶段性平稳或回升现象的次数及持续时间较少。对于过渡区，最大主应力和最小主应力皆体现出先缓慢上升后迅速下降再回升的演化趋势。而就原岩应力区而言，其应力变化幅度较小，受突出扰动最弱。该区域最大主应力呈先缓慢上升后缓慢下降趋势，最小主应力则呈单一缓慢下降趋势。

图6 煤层地应力演化过程Fig.6 Evolution process of coal seam in-situ stress

突出过程中应力下降呈现出的阶段性平稳或回升现象说明该过程能量的释放是分阶段完成的。同时，在突出中后期，卸压区、应力集中区、过渡区和原岩应力区皆出现了应力缓慢增长的趋势，说明突出过程中煤层内部发生了应力转移，并于最后保持一个新的应力平衡状态。此外，值得注意的是，应力的响应时间将随煤层深部的发展而延后。

2.3 煤-瓦斯两相流运动特征

图7(a)间接得出了突出前2.5 ms内冲击气流的运动状态。需要说明的是，在连接巷道时，笔者在突出口靠近巷道方向的中心轴线上放置了10个直径为5 mm的泡沫球、5个直径为10 mm的泡沫球、2个直径为 20 mm的泡沫球以及1个直径为40 mm的乒乓球。用泡沫球和乒乓球的运动速度间接表征起始时刻冲击气流的流动速度。通过颗粒流动力学可知，由于泡沫球和乒乓球的质量极小，其速度直接取决于气流对其的曳力作用，此时气流速度应大于颗粒流速度。因此，冲击气流表征速度小于真实值。在突出0.5 ms，有1个明显的泡沫球轨迹出现，并运移到标准刻度尺72 cm处。随后在1.0 ms，该泡沫球运移至86.6 cm处，同时，有更多的泡沫球轨迹出现。综上，可通过第1例泡沫球运移轨迹估算出其运移速度约为292 m/s。在突出1.5 ms时，受破坏的乒乓球运移至76 cm处，速度稍慢于更轻的泡沫球。在突出2.0 ms时，乒乓球运移到89 cm处，可计算其速度约为260 m/s。值得注意的是，从2.0 ms到2.5 ms期间，观察发现后续的泡沫球速度有较大的减缓，此时在巷道内部形成旋涡区。

冲击气流经突出口进入巷道空间过程可近似看成气流由截面较小的管道流入截面较大的管道中，流动为非定常紊流状态。在管道截面突然扩大的地方，由于惯性的作用，流体质点的运动轨迹是不可能突然转弯的，因此，冲击气流在运移一段距离后才占据整个巷道截面。在此之前，近突出口区域内会产生许多旋涡，形成旋涡区。试验现象中，由于泡沫球质量远小于乒乓球的质量，其受气流黏性力的影响大于所受的惯性力。因此导致部分泡沫球随气流进入旋涡区，速度骤减。而乒乓球受惯性力影响持续向前运移。

图7(b)可直接观察出煤粉流的运动特征。在突出20.5 ms时，煤粉流运移至标准刻度尺74.5 cm处，呈现出圆弧形射流状。随后在21.0 ms和21.5 ms时分别运移至78 cm和81 cm处，煤粉流速度从70 m/s下降至60 m/s。自22.0 ms起，煤粉流受上部旋涡区影响较大，部分细颗粒煤粉速度降低并向上运动，导致煤粉流流型体现不明显。但可通过巷道内泡沫碎片的可视度估算出煤粉流速度，呈持续下降的趋势。

图7 突出过程中煤-瓦斯两相流运动特征Fig.7 Movement characteristics of coal-gas two-phase flow during outburst

综上所述，冲击气流经突出口进入巷道空间后，其流速可高达300 m/s及以上，甚至可达到声速-超声速状态，具有强烈的冲击致灾特性。此时，冲击气流动压冲击致灾十分剧烈，是人员伤亡、设施设备损坏的最初因素。煤粉流速度在突出气流曳力的带动下可达70 m/s，呈圆弧形射流状，对突出口附近巷道空间内人员及设施也具有一定的冲击损伤危害。由此可见，对突出过程中巷道内流体的冲击动力学行为的研究是不可忽视的。此外，冲击气流速度远大于煤粉流速度，在突出瞬间存在气流先行煤粉滞后的现象，将突出过程中巷道内流体运移分为单相气流阶段和煤-瓦斯两相流阶段，其中单相气流阶段仅包含冲击气流，而煤-瓦斯两相流阶段则同时包含冲击气流和煤粉流。

2.4 冲击力演化规律

由上文可知，突出过程中无论是突出瞬间短暂的冲击气流及冲击波，还是随后冲击气流携带煤粉形成的煤-瓦斯两相流都能够产生强大的冲击力，可瞬间造成人员伤亡并摧毁井下设施。因此，探究突出过程中巷道内冲击力演化规律对合理安排防突栅栏、避难硐室等设施的布置、如何制定有效的灾后应急救援预案等有指导性作用。图8为突出过程中巷道内，两断面不同位置的冲击力演化。

图8 巷道冲击力演化过程Fig.8 Evolution process of the impact force in the roadway

由图8可知，突出启动后，巷道内冲击力先迅速上升至最高点，随后呈波动式下降趋势。在距突出口1 000 mm处的断面上，测点波动最为频繁，说明与突出口处于同一中心轴线上且距其较近的位置在突出过程中反应最为剧烈，但强度不一定最大。即，，位置在突出过程中所测得的峰值冲击力分别为122.0，405.6，46.0 kPa。整个断面的各位置的峰值冲击力相差较大，同时，，，位置的冲击力局部演化趋势大相径庭。由此说明，突出过程中巷道内各断面所受冲击力呈现不均匀性。在距突出口2 000 mm处的断面上，测点在上升前有一小段负压作用。，，位置在突出过程中所测得的峰值冲击力分别为64.0，171.5，93.0 kPa，与断面一样，表现出受力不均匀特性。

对比，断面可知，和的冲击力对比和有大幅度减小，反而的冲击力对比有小幅度上升。说明在近突出口区域，强冲击力主要分布在巷道断面的中心内圈位置。而随着流体的运移，强冲击力有从断面中心内部向外部扩展的趋势。分析认为，当突出流体经过突出口向较大的巷道空间喷射时，由于惯性的作用，流体质点的运动轨迹是不可能突然转弯的，流体呈射流状。随后，突出流体在运移一段距离后才占据整个巷道断面。而冲击力的大小与流体质点的运移紧密相连，因此，强冲击力有从断面中心内部向外部扩展的趋势。

图9给出了不同位置的冲击力随时刻的演化过程。由图7煤粉流速度估算可知，前18 ms内，断面仅受冲击气流影响，因此，图9可反映突出过程中单相气流阶段巷道冲击力的响应特征。由图9可知，在单相气流阶段，和等位置的冲击力响应较为微弱；位置冲击力先下降至负压状态，随后在8 ms时上升至225.0 kPa，而后再经历一次下降后上升；位置在经历过微小上升后下降至-73.5 kPa，而后缓慢上升；位置则呈先上升后下降的趋势。由此可见，在单相气流阶段，巷道断面部分区域出现了冲击力陡增现象，同时，该现象对后一断面产生影响，使其冲击力处于负压状态。另外，断面冲击力分布不均匀特征也在该阶段得以体现。

图9 不同位置冲击力的演化过程Fig.9 Evolution process of impact force at different positions in the roadway

3 冲击气流形成及其运移理论分析

煤层瓦斯一方面作为突出的参与介质，另一方面作为突出的主要能量来源，其对突出的致灾特性起到至关重要的作用。突出过程中产生的冲击气流和冲击波具有较大的破坏性。开展冲击气流的形成及其传播过程的研究，探究突出过程中巷道内气流速度和静压的分布特征、作用时间及其致灾范围，从而合理安排防突风门、防突栅栏、避难硐室等设施的布置，有益于减小冲击灾害的损伤，对灾后应急救援措施的设计、技术控制灾害的扩大、防止次生灾害的发生等具有实际的指导意义。

3.1 冲击气流形成过程中气流参数分析

突出过程中，突出孔洞截面面积变化、气流与孔壁间的摩擦、热量的交换等因素皆可影响冲击气流的流动状态。然而，各因素对冲击气流的影响有着主次之分。由于气流速度较快，与孔壁接触时间较短，可忽略热量的散失。同时，气流与孔壁之间的摩擦主要是在紧贴孔壁的附面层内。因此，就整个突出过程而言，该摩擦作用很小，可忽略不计。由上述可知，煤与瓦斯突出冲击气流主要受截面面积变化的影响。

综上，笔者假设在突出过程中气体与外界无热量和功的交换，不计气体与孔壁的摩擦作用，且气流流动是一维定常的。由气体动力学理论可给出突出气流的连续方程、动量方程和能量方程的微分形式：

(1)

(2)

(3)

式中，为突出气体密度；为截面面积；为突出气体速度；为突出气体压强；为突出气体绝热指数；为突出气体马赫数；为突出气体温度。

(4)

(5)

若将d看作独立变量，则由式(1)～(5)可解出d，d，d,d以及d与d的关系，即

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

由微分式(6)～(10)可以发现，当气流是亚声速流时(<1)，若增大截面面积，则必然引起压强的增大、密度的增加、速度的减小、温度的升高以及马赫数的减小；当气流是超声速流时(>1)，若增大截面面积，则必然引起压强的减小、密度的减小、速度的增大、温度的降低以及马赫数的增大；当气流是声速气流时(=1)，若该处速度有变化，即d≠0，则d=0，该截面为临界截面。由气体动力学可知，临界截面一定是管道的最小截面，气流速度只能在最小截面处达到当地声速。当然，在最小截面处气流是否达到当地声速取决于管道进出口处的压强比值。

3.2 冲击气流形成模型

突出发生后，在煤层内产生的不规则三维孔状几何结构被称为突出孔洞。陶云奇通过突出试验发现突出孔洞大多呈不规则的口小腔大的梨形、椭圆形等形状。郭臣业等分析了重庆某煤矿近30多年的突出数据，得出了突出孔洞多位于巷道上方，具有“口袋”形状。张庆贺等发现突出煤层由揭露口向内呈口小腔大的粉碎破坏。胡千庭等将突出孔洞形状分为了口袋形、锥形和圆柱形3类。由此可见，突出孔洞主要表现出“口小腔大”特征。因此，结合流体力学、气体动力学等理论，建立以拉伐尔喷管为基础的冲击气流形成模型，如图10所示。模型由突出孔洞和巷道空间等2部分组成。

图10 冲击气流形成模型Fig.10 Formation model of outburst impact airflow

突出过程中，突出孔洞内瓦斯气体在高压强差作用下向突出口运移，形成亚声速流；随着突出孔洞截面面积不断减小，由上述气流参数分析可知，此过程气流速度不断升高，并于突出口处达到当地声速；随后由于巷道空间截面面积的突然增大，气流在向巷道喷射过程中进一步加速到超声速流动状态，具有一定冲击破坏特性，即形成冲击气流；冲击气流的冲击动力学行为在巷道内运移过程中受摩擦阻力影响逐渐衰减。冲击气流的形成受煤层瓦斯压力(高压强差)、突出孔洞形态的影响较大，而冲击气流的运移流动更多受巷道布置方式、巷道断面形状等因素的影响。值得注意的是，突出发生瞬间，冲击气流以声速或超声速状态进入巷道并迅速膨胀，冲击压缩巷道内原有的空气，使其压力、密度、温度等物理量突变，并形成一系列压缩波沿巷道传播。随着煤层内高压瓦斯不断向巷道空间膨胀做功，后面的压缩波可追上前面的压缩波并叠加在一起，当多个压缩波叠加时便形成一道更强的压缩波，即冲击波。

3.3 膨胀波和压缩波的形成

突出发生后，受高瓦斯压力梯度的影响，气流在突出口内处于超临界流动状态，在出口截面上的气流压强大于巷道内的气体压强，此时气流未得到完全膨胀。因此，气流从突出口喷出后会继续膨胀，其速度持续增大成为超声速气流。一般情况下，在超声速流场中，膨胀波和压缩波是其特有的重要现象。当气流经过每一道膨胀波或压缩波时，其内部参数必将发生微小变化，从而影响气流的流动状态。

图11 膨胀波与压缩波的形成Fig.11 Formation of expansion and compression waves

3.4 冲击气流在巷道内的运移

当气流进入巷道空间后，壁面截面突然变大，则可将其看成流经上下凸折面的过程，由上述的膨胀波形成理论可知，在突出口边缘的和′处，将会产生2组膨胀波束，分别用一道膨胀波和′来表示，如图12所示。当冲击气流由①区经过波和′进入到②，③区后，交点之后将会形成一个楔形真空区，在静压的作用下突出气流必须再次膨胀以填满此空间。因此，在点必产生2道膨胀波与射流边界和′′交于和′点。当冲击气流由②，③区经膨胀波进入④区时，分别向上和向下转折一个角度，使得④区内气流平行于轴向方向。但是，由于突出气流再一次膨胀，④区内气流的静压将低于②，③区。因此，导致外界气体压缩射流，在射流中产生2道压缩波和′。与膨胀波的相交同理，当④区气流经过波和′进入到⑤，⑥区后，交点之后将会形成一个锥形压缩区，在静压的作用下突出气流必须再次压缩以释放此空间压强。因此，在点必产生2道压缩波与射流边界和′′交于和′点。此后，从′截面开始，又将重复上述流动过程。综上可知，冲击气流从突出口喷出后在巷道空间内呈射流状，并且会在射流中周期性地出现膨胀波区和压缩波区，同时射流截面会出现周期性地先扩大后缩小现象，从而导致射流边界上下起伏呈波纹状。值得注意的是，在冲击气流流动过程中，由于气体黏性的作用，气流射入巷道未扰动空间后，其逐渐与周围气体掺混，从而引起射流范围逐渐扩大，能量逐渐衰减。

图12 冲击气流运移流动模型Fig.12 Migration flow model of outburst impact airflow

4 冲击气流形成及运移的数值模拟

4.1 几何模型及边界条件

依据前述分析的冲击气流形成特点，结合试验中设备的真实尺寸，建立“煤层-突出口-巷道空间”突出几何模型，如图13所示。模型整体长3 m、宽0.4 m；煤层部分长0.1 m；突出口长0.3 m，宽30 mm；巷道空间由锥形扩口和直巷组成，总长2.6 m。

笔者主要从冲击气流角度探究突出过程中动力致灾效应，忽略突出过程中煤粉颗粒对其影响，因此，开展了单相气流数值模拟。入口设置在煤层，入口压力为2.1节所得的卸压区煤层瓦斯压力曲线，温度设置为303 K；壁面边界条件设置为无滑移流动；出口压力设置为标准大气压，其流动条件为亚声速-超声速混合流动；整个“煤层-突出口-巷道空间”内部初始气压为一个大气压，温度为303 K。

图13 突出几何模型Fig.13 Geometric model of coal and gas outburst

4.2 冲击气流速度演变

图14为冲击气流速度的演化过程。突出2 ms时，气流经突出口后形成超声速冲击气流，在巷道内呈现射流状，形成高速射流区，同时，其前端气流继续膨胀至巷道边缘。突出4 ms时，高速射流区持续扩大，射流前端已形成平稳运移区，且在高速射流区和巷道壁面之间形成了2个明显的旋涡区。值得注意的是，在高速射流区内，冲击气流存在膨胀-压缩现象，且已完成1次该循环。突出6 ms时，平稳运移区持续扩大，高速射流区内冲击气流的第2次膨胀-压缩循环即将完成，在高速射流区和巷道壁面之间逐渐形成回流区，回流区与高速射流区分界面出现明显的流速差，形成了强剪切层，同时，在强剪切层内出现了涡旋。突出8 ms时，突出气流运移至出口处，第3次膨胀-压缩循环已开始，并且在射流前端形成了椭圆形流速“真空区”。随着突出的发展，高速射流区不断扩展至巷道末端，平稳运移区逐渐消失，最终形成4个完整的膨胀-压缩波系。

图14 冲击气流速度演变过程Fig.14 Impact airflow velocity evolution process

通过图14可以印证上文的理论及试验。气流在受突出口截面面积变化的影响后于巷道内加速形成超声速冲击气流；超声速气流运移过程中受膨胀波和压缩波的影响，在巷道空间内呈射流状，并且会在射流中周期性地出现膨胀波区和压缩波区；在高速射流区和巷道壁面之间形成回流区，有旋涡的存在；由于突出口后气流呈射流状，速度在巷道断面内分布不均匀，从而导致其受力具有不均匀特性。

4.3 冲击气流静压演变

图15为冲击气流静压的演化过程。由等值线可发现，突出20 ms内煤层(0<<0.1 m)瓦斯压力维持在较高水平。突出2 ms时，冲击气流自突出口喷出后，在巷道内迅速膨胀并压缩空间内原有空气，使其压力、密度、温度跃升，形成空气压缩区。在一系列压缩波叠加后，于空气压缩区最前方形成了一道明显的空气冲击波。与此同时，在高速射流区内由于膨胀波的作用，形成了一个楔形真空区，呈负压状态。突出4 ms时，冲击气流受压缩波影响，在楔形真空区后形成一个锥形压缩区，呈正压状态。突出8 ms时，空气压缩区扩大到巷道末端，2个真空区和2个压缩区相间存在。此后，随着冲击气流的运移传播，空气压缩区不断减小，巷道内产生更多的真空区和压缩区。突出12～20 ms，首对真空-压缩区内，气流静压值及其作用范围变化不大，此后所有真空区作用范围逐渐增大。对于第2个压缩区，其静压值呈现先减小后增大再减小的趋势，同样地，随后的压缩区也有类似的规律。

图15 冲击气流静压演变过程Fig.15 Static pressure evolution process

同样地，通过图15也可以印证上文的理论及试验。冲击气流形成的过程中，未受扰动的巷道空气受到压缩形成空气冲击波，沿巷道运移传播；超声速气流内受膨胀波的影响会形成楔形真空区，此时该区域呈负压状态；超声速气流内受压缩波的影响会形成锥形压缩区，此时该区域呈正压状态；空气冲击波后的巷道呈正压状态，高速射流区域内的巷道以负压为主。

5 结 论

(1)突出过程中，煤层瓦斯压力下降速率呈现由快到慢的趋势。根据不同位置瓦斯压力下降速率可推断出试验煤层内部孔隙裂隙的发育在右侧和下侧较为充分。在卸压区和应力集中区的下降过程中存在明显的阶段性回升现象，突显出突出过程中的脉冲特性。突出过程中，应力的变化主要集中在卸压区、应力集中区和过渡区，其中，最大主应力的下降量和下降百分比皆高于最小主应力。在应力下降过程中出现了阶段性平稳或回升现象，说明能量的释放是分阶段完成的。

(2)气流经突出口进入巷道后形成高速冲击气流，其流速可高达300 m/s及以上；煤粉流速度在气流曳力的带动下可达70 m/s，呈圆弧形射流状。突出瞬间，冲击气流速度远大于煤粉流速度，存在气流先行煤粉滞后的现象，将突出过程中巷道内流体运移分为单相气流阶段和煤-瓦斯两相流阶段。

(3)突出过程中，巷道冲击力反应剧烈程度和其大小关系不显著，且同一断面受冲击力大小呈现不均特征。在近突出口区域，强冲击力主要分布在巷道断面的中心内圈，而随距离的增加，强冲击力有从断面中心向外部扩展的趋势。在单相气流阶段，巷道断面部分区域出现了冲击力陡增现象，同时，该现象使后一断面冲击力处于负压状态。

(4)结合试验分析以及流体力学、气体动力学等理论指导，建立以拉伐尔喷管为基础的冲击气流形成模型。气流经突出孔洞加速成为超声速气流，冲击气流的形成与煤层瓦斯压力、突出孔洞形貌特征有直接关联。根据膨胀波-压缩波的形成理论建立冲击气流在巷道内的运移模型。冲击气流在巷道内呈射流状，并且在射流中会周期性地出现膨胀波区和压缩波区，同时射流截面会出现周期性地先扩大后缩小现象，从而导致射流边界上下起伏呈波纹状。

(5)冲击气流运移过程中可划分高速射流区、平稳运移区、回流区等区域，高速射流区和回流区之间有旋涡的存在；气流速度在巷道断面内分布不均匀，从而导致其受力具有不均匀特性；超声速气流内受膨胀波和压缩波的影响分别会形成楔形真空区和锥形压缩区；空气冲击波后的巷道呈正压状态，高速射流区域内的巷道以负压为主。

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