煤与瓦斯突出冲击气流数值模拟研究

左文哲 ，谯永刚 ，华 杰 ，秦鹏飞 ，王海杰

（1.太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原 030024；2.山西襄垣七一新发煤业有限公司，山西 襄垣 046299；3.山西黄土坡鑫运煤业有限公司，山西 长治 046500）

随着矿井开采向深部发展，煤层煤与瓦斯突出（简称“突出”）危险性愈发增大，突出表现为气流携带大量破碎煤由煤层向采掘巷道喷出，所形成的高速瓦斯气流、冲击波及高速破碎煤对井下人员造成强烈的冲击动力伤害[1]，同时高浓度瓦斯极短时间内充满巷道，极易造成人员窒息及瓦斯爆炸。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[2-3]。

由于无法实时监测突出的发展和传播过程，许多学者采用物理模拟和数值模拟的方法开展了突出机理的实验研究[4-7]。孙东玲等[8]利用自主研发的设备，探究了煤与瓦斯突出过程中煤-瓦斯两相流在巷道内的运移规律；许江等[9]利用自主研发的设备，探究了突出冲击气流两相流在T 型巷道中的运移规律；高佳星等[10]、吴爱军等[11]、张建方等[12]建立了冲击气流运移数学模型；王凯等[13]、刘星魁等[14]进行了冲击气流在直角巷运移的数值模拟研究。

巷道的长度往往大于数百米，基于试验难以探寻突出过程中冲击气流在整个巷道内的运移规律。为此，运用数值模拟的方法，基于事故现场突出孔洞及巷道的实际情况，运用COMSOL 高马赫流动及浓物质传递模块，模拟了突出过程中冲击气流速度场、压力场、冲击力场、浓度场等分布规律；为矿井煤与瓦斯突出灾害防护与控制提供理论支撑。

1 数值模拟几何模型和模型参数

突出的能量来源主要为高压瓦斯[15]，当前方煤体破碎，高压瓦斯暴露在工作面的大气压力之下，在巨大的压力差之下，压力瞬间释放，静压迅速转换为动压，形成高速冲击气流。基于此，主要从冲击气流角度出发，探究突出过程中冲击气流的致灾机理，忽略煤粉颗粒对冲击气流的影响，开展了单向流数值模拟研究。贵州省黔西南州安龙县广隆煤矿“12·16”重大煤与瓦斯突出事故现场巷道断面为矩形，宽4.2 m、高2.6 m，设计长度510 m, 突出孔洞宽0.54 m，瓦斯压力为0.374 MPa。由于事故的突发性，无法获取事故发生过程中突出冲击气流的具体数据。因此，基于事故现场实际情况构造了二维数值分析模型，模型巷道长200 m，宽4 m，突出孔洞呈漏斗状，具有口小腔大的特征[16]，口部宽0.5 m，入口设置在煤层，宽1.2 m。突出几何模型及网格划分如图1。

图1 突出几何模型及网格划分Fig.1 Outburst geometry and meshing

数值模拟压力入口以突出物理模拟试验模型中测试得到的压力变化曲线为基础[6]，壁面均采用无滑移边界，出口流动条件设置为亚音速流动，巷道压力设置为标准大气压。数值模拟参数为：①入口初始压：0.35 MPa；②初始温度：273.15 K；③热传导率：0.033 6 W/（m·K）；④比气体常数：518.27 J/（kg·K）；⑤比热率：1.4；⑥动力黏度系数：1.08×10-5Pa/s；⑦甲 烷 摩 尔 质 量：0.016 kg/mol；⑧巷道空气摩尔质量：0.029 kg/mol。

模拟分为2 个步骤，①利用高马赫流模块计算得到突出冲击气流在巷道内的速度、压力、冲击力等变化规律；②利用浓物质传递模块计算得到巷道内瓦斯浓度和体积分数变化规律。

2 模拟结果

2.1 突出气流速度及压力

突出后冲击气流速度分布云图如图2，突出后冲击气流压力分布云图如图3，巷道中轴线上冲击气流速度分布曲线如图4。

图2 突出后冲击气流速度分布云图Fig.2 Cloud map of impact airflow velocity distribution after outburst

图3 突出后冲击气流压力分布云图Fig.3 Cloud map of impact airflow pressure distribution after outburst

图4 巷道中轴线上冲击气流速度分布曲线Fig.4 Impact airflow velocity distribution curves on the central axis of roadway

如图2，突出0.02 s 时，高压瓦斯以亚音速进入突出孔洞，突出孔洞口径缩小，速度加快，在突出口附近压力迅速降低，转换为动压，速度进一步增大，形成超音速射流。

如图4，随着距离的增大，速度出现2 个峰值点，最高可达378.6 m/s，最低为312.3 m/s，平均速度为343.2 m/s。文献[17]中物理试验结果表明当初始压力为0.35 MPa 时，突出冲击气流速度最高可达349.9 m/s，最低为341.4 m/s，平均速度345.7 m/s。数值模拟结果与文献中物理实验结果基本吻合。突出0.05 s 时，因为射流压力的持续变化，射流形成周期性的膨胀波区和压缩波区域，射流在膨胀波区和压缩波区域出现反复的加速和减速的情况，速度出现多个峰值，同时前端冲击波区域气流速度最高可达61.2 m/s，因为前端气流是因为气压的改变而发展。

如图3，压力波的传播速度等同于当地音速，因此前端冲击波发展速度快于瓦斯冲击气流，但是气流流速远小于冲击气流，危险程度也小于冲击气流。同时可见因为巷道的干扰，在冲击气流前端靠近巷道的位置形成了局部回流区域。如图4，随着时间地发展，冲击气流末端速度呈下降趋势，突出0.2 s 时，随着距离的增大，射流区域速度呈现不规则的振荡衰减趋势，射流尾部速度降低至音速以下，发展为湍流并失稳，危险范围增大，但是速度大幅下降，危险程度降低。

突出冲击气流演化过程示意图如图5。

图5 突出冲击气流演化过程Fig.5 Evolution process of shock flow

如图5，高压瓦斯从突出孔洞以亚音速喷出，在孔洞附近因为孔洞缩小，速度开始剧增，在突出口附近，高压瓦斯与外界大气压接触，静压迅速转换为动压，速度剧增，超过音速，因此突出孔洞内冲击气流速度v1<突出孔口冲击气流速v2<音速vsound<突出孔口外冲击气流速度v3。因为外部大气压小于突出口瓦斯压力，所以此时发出膨胀波，而高速气体经过膨胀波，发生内折，膨胀波在射流边界反射，形成压缩波，高速瓦斯气流经过反射的压缩波区域，发生外折，反射后的压缩波在射流边界处反射，形成膨胀波。换而言之，瓦斯经过迅速膨胀，同时在自身惯性力的作用下，瞬间压力已经小于外界气压，在外界气压的作用下，瓦斯被向内部压缩。而之后，当瓦斯压力和巷道内压力相等时，在惯性力的作用下，瓦斯继续被压缩，之后瓦斯压力大于外部大气压，所以射流继续向外部膨胀，几次反复之后，射流尾部压力和大气压达到平衡或者速度降低至当地音速以下，射流发展为湍流，在巷道内无序运移，同时速度开始快速降低。

突出后冲击气流速度分布云图如图6。

图6 突出后冲击气流速度分布云图Fig.6 Cloud map of impact airflow velocity distribution after outburst

如图6：突出0.3 s 时，当射流尾部速度降至音速以下，射流转换为充分发展的湍流并在巷道内无序的运移，速度快速降低，冲击危险性降低；突出1.3 s 时，距突出口40 m 右侧巷道壁附近冲击气流速度高达141.3 m/s ，具有较高的冲击危险性；突出1.8 s 时，突出孔洞内压力快速降低，射流速度开始大幅下降，危险性大幅降低；突出3 s 时，入口及巷道整体速度趋近于0 m/s，此时可认为突出冲击气流停止。

2.2 突出气流冲击力

突出后气流冲击力分布云图如图7，巷道中轴线上气流冲击力分布曲线如图8。

图7 突出后气流冲击力分布云图Fig.7 Cloud map of impact force distribution of air flow after outburst

图8 巷道中轴线上气流冲击力分布曲线Fig.8 Airflow impact force distribution curves on the central axis of roadway

如图7：突出0.05 s 时，高速射流区域为高冲击危险区域，在突出口1.6 m 位置，冲击力高达246.3 kPa；突出0.1 s 时，气流冲击力随着与突出口距离的增大，呈现快速下降的趋势，距离突出口7.6 m 的冲击危险区域呈现失稳的趋势；突出0.15 s 之后，冲击力随与突出口距离的增大呈现振荡递减趋势，出现多个峰值点，且相较于速度降低趋势，冲击力降低趋势更加明显；突出0.2 s 时，冲击气流发展至巷道18.4 m 的位置，冲击力高达101.8 kPa，且由于湍流的不稳定性，巷道冲击气流危险区域也变得不稳定。

冲击力损伤人体等级见表1。巷道冲击危险区域演化云图如图9。

表1 冲击力损伤人体等级Table 1 Impact force damage to human body level

图9 突出后冲击危险区域分布云图Fig.9 Cloud map of distribution of impact hazard area after outburst

根据表1，将冲击力小于19.6 kPa 的区域设置为安全区域，即蓝色区域；将冲击力大于19.6 kPa小于49.0 kPa 的区域的设置为中度危险区域，即绿色区域；将冲击力大于49.0 kPa 的区域设置为重度危险区域，即红色区域。

如图9： 突出0.1 s 时，射流区域为重度危险区域，靠近巷道壁的区域为安全区域，同时压力波以音速在巷道内传播，压力波绝大部分区域为中度危险区域；突出0.2 s 时，射流尾部转换为湍流，由于湍流的不稳定性，尾部危险区域发生偏移，15 m 至20 m 处靠近巷道壁位置出现重度危险区域，但由于湍动能的耗散，冲击气流尾部危险性降低，转换为中度危险区域，同时冲击波向巷道深处发展；突出0.3 s 时，冲击气流重度危险区域范围达到最大值，冲击气流重度危险区域最大距离为27.9 m，同时冲击波向巷道内持续发展，但是危险区域逐渐减小，冲击危险性逐渐降低；突出0.5 s 时，突出孔洞压力降低，突出冲击力开始下降，冲击气流重度危险区域范围开始变小，但距突出口40 m 右侧巷道壁附近仍然存在高速冲击气流，具有较高的冲击危险性，由于湍流的不稳定性，冲击气流在巷道内无序运移，因此巷道前5～40 m 均可能成为冲击危险区域，但突出口5 m 距离内巷道两侧冲击力较小；突出1.7 s 时，冲击重度危险区域范围已经缩小至距离突出口3.6 m 的距离，中度危险区域缩小至距离突出口8.5 m 的距离，且整体向巷道壁偏移；突出2.3 s 时，巷道内气流冲击力已经降低至安全水平。

2.3 突出瓦斯气流传播规律

突出后瓦斯质量浓度分布云图如图10，突出后静压分布规律如图11，随着时间推移巷道中轴线上瓦斯体积分数分布曲线如图12。

图10 突出后瓦斯质量浓度分布云图Fig.10 Cloud map of gas mass concentration distribution after outburst

图11 突出后静压分布规律Fig.11 Static pressure distribution after outburst

图12 随着时间推移巷道中轴线上瓦斯体积分数分布曲线Fig.12 Gas volume fraction distribution curves on the central axis of roadway over time

如图10：突出0.15 s 时，高浓度瓦斯气流以射流的形式在巷道内快速发展，在突出口附近巷道左右两侧瓦斯浓度较低，此时瓦斯气流与巷道空气的混合主要靠对流；突出1 s 时，瓦斯气流向巷道深处快速发展，突出口附近巷道左右两侧也充满高浓度瓦斯；突出1.5 s 时，由于突出口压力及速度大幅下降，瓦斯对流速度开始快速下降；突出2.2 s 时，瓦斯扩散距离达到极大值，由于巷道前端出现负压区域（图11），最小静压为0.076 MPa，于是出现回流的现象，瓦斯气流前端与巷道空气进一步混合，爆炸危险性增大；突出3 s 时回流达到最大值，巷道前端压力经过回流，又大于巷道外侧压力，瓦斯气流继续向外侧发展；突出5 s 时，巷道内整体静压和速度趋于稳定，对流作用降低，扩散逐渐占主导地位，高浓度瓦斯最大扩散距离为133.6 m。

突出后期，突出孔洞压力大幅降低，突出气流因为惯性力，继续向巷道内发展，因此孔洞附近出现负压的情况，巷道中部压力大于突出孔洞附近巷道的压力，于是出现回流的现象。回流速度较小，对设备及人体的危险性较小，但是会导致突出气流尾部高浓度瓦斯与巷道内空气大范围的对流从而加快混合，增大爆炸危险性。

如图12：突出2.2 s 时，因为突出起始阶段射流在巷道内局部运移，无法将巷道前端27.3 m 空气排空，于是巷道前端瓦斯体积分数呈现先降低再升高的趋势，体积分数最低为64.9%，巷道27.3 m 至71.3 m 位置，因为突出气流的冲击对流，瓦斯体积分数接近于100%；突出2.2 s 和5 s 时，瓦斯气流最大扩散距离相近，但是由于回流的影响，在巷道75.3～122.8 m 距离，第5 s 瓦斯体积分数相对2.2 s 瓦斯体积分数出现大幅波动且整体大幅下降，爆炸危险性增大。

由此可见，在煤与瓦斯突出发生之后，绝大部分突出冲击气流区域瓦斯体积分数远高于瓦斯爆炸浓度极限，同时绝大部分突出冲击气流区域有着极高的窒息危险性，在回流和扩散作用的影响下，高体积分数瓦斯会逐渐向巷道深部发展，瓦斯体积分数降低，爆炸危险区域扩大，爆炸危险性增大。因此在突出发生之后应该尽快做出应急措施，降低爆炸危险性。

3 讨 论

模拟了瓦斯压力为0.35 MPa 的煤与瓦斯突出过程中冲击气流的速度场、压力场、冲击力场、浓度场等分布规律。由模拟结果可知：煤与瓦斯突出气流冲击危险性一方面来自高速射流；一方面来自冲击波，即压力波；因此冲击危险性不仅要考虑突出气流冲击危险性，冲击波冲击危险性同样不可忽略。

不同瓦斯压力之下，突出气流的速度、冲击力、冲击波危险性仍有很大差异，但是由于湍流的耗散作用，突出气流理论上存在危险性极限范围，同样，不同突出压力、突出气流的时间也对突出瓦斯量有很大影响。突出发生后，巷道内的瓦斯不仅来源于突出过程中的瓦斯射流；突出停止之后，煤层和破碎的煤粉煤块中解吸的瓦斯同样不可忽略。

突出发生之后，巷道内瓦斯内浓度极高，高浓度区域较为集中，因此窒息危险性极大，同时爆炸危险性相对较低。本文旨在明确突出冲击气流和冲击波的致灾规律，从而合理安排防突栅栏等设置，并研究冲击瓦斯气流浓度传播规律，对灾后救援措施的设计、防止次生灾害的发生提供参考。

4 结 语

1）突出压力为0.35 MPa 时，突出冲击气流速度最大可达378.6 m/s，且因为射流压力大于环境压力，出现周期性的膨胀波区和压缩波区，射流尾部发展为湍流并失稳，速度大幅降低。

2）突出气流冲击力最高可达246.3 kPa，随距离的增大，呈不规则震荡递减趋势。巷道前5～40 m均可能成为冲击危险区域，巷道前5 m 巷道壁两侧冲击力较小。冲击波以音速在巷道内传播，随着时间地发展，冲击波危险区域逐渐减小，冲击危险性逐渐降低。

3）突出发生后，突出口附近的瓦斯浓度会随着突出气流的发展而快速上升，且绝大部分区域瓦斯体积分数远高于爆炸极限。由于突出后期巷道内压力差的存在，会出现回流的现象。