煤與瓦斯突出過(guò)程中煤層及巷道溫度時(shí)空演化規(guī)律

張超林，王奕博，王恩元，宋 爽，曾 偉，王培仲，蒲靜軒

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

煤與瓦斯突出（簡(jiǎn)稱突出）是煤炭開采過(guò)程中一種復(fù)雜的動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象[1-2]，會(huì)瞬間向巷道、開采工作面等采掘空間噴出大量的煤和瓦斯[3-4]，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。近年來(lái)，隨著煤礦開采深度和強(qiáng)度不斷增加，地應(yīng)力與瓦斯壓力不斷增大，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，突出災(zāi)害強(qiáng)度、頻次的威脅愈加嚴(yán)重，突出防治工作仍任重道遠(yuǎn)[5-6]。煤與瓦斯突出過(guò)程復(fù)雜、影響因素眾多，至今仍沒(méi)有形成可以解釋所有突出現(xiàn)象的理論體系，是導(dǎo)致突出事故頻發(fā)的根本原因[7-8]。煤與瓦斯突出過(guò)程中煤體溫度會(huì)隨瓦斯解吸、含瓦斯煤的噴出而發(fā)生變化，同時(shí)與瓦斯壓力、地應(yīng)力和煤體力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，因此，研究突出過(guò)程中煤層及巷道溫度的演化規(guī)律，對(duì)于認(rèn)識(shí)突出發(fā)生機(jī)理、預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出、指導(dǎo)防災(zāi)避災(zāi)具有重要的價(jià)值和意義[9-11]。煤與瓦斯突出具有瞬間發(fā)動(dòng)、危害性強(qiáng)、影響范圍廣等特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控突出發(fā)生發(fā)展過(guò)程，也難以有效監(jiān)測(cè)煤層或巷道溫度的實(shí)時(shí)變化。為此，學(xué)者們多采用物理模擬、數(shù)值模擬和理論分析等方法來(lái)研究突出演化過(guò)程及溫度變化規(guī)律。許江等[12]利用多場(chǎng)耦合煤礦動(dòng)力災(zāi)害物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，開展了氣-固耦合條件下的煤與瓦斯突出物理模擬試驗(yàn)，研究表明突出過(guò)程為熱力學(xué)多變過(guò)程，煤體溫度降低是由游離瓦斯膨脹做功和吸附瓦斯解吸造成的；郝天軒等[13]利用COMSOL 軟件對(duì)含瓦斯煤體的單軸加載過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，主要對(duì)不同瓦斯壓力狀態(tài)下的煤體受壓后表面的溫度變化規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明溫度的下降速率隨著時(shí)間推移呈減緩狀態(tài)；李東等[14]利用沁水盆地大寧煤礦的原生煤和構(gòu)造煤系列等溫吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到溫度-壓力-吸附之間的相互關(guān)系，證實(shí)吸附過(guò)程是放熱過(guò)程；劉志祥等[15]系統(tǒng)地闡述了吸附熱產(chǎn)生的微觀機(jī)理,得到了基于玻爾茲曼分布的兩能態(tài)模型,并推導(dǎo)出相應(yīng)的吸附熱計(jì)算公式，引入德布羅意平均熱波長(zhǎng)后,得到了朗繆爾單分子層模型吸附熱的近似計(jì)算公式；郭立穩(wěn)等[16]在實(shí)驗(yàn)室對(duì)吸附過(guò)程中煤的溫度變化量進(jìn)行研究，結(jié)果表明吸附的瓦斯壓力越大，即瓦斯吸附量越大，吸附過(guò)程放出的熱量越大；牛國(guó)慶等[17]研究了煤樣在吸附和解吸過(guò)程中的溫度變化情況，發(fā)現(xiàn)解吸后煤樣溫度的下降量與吸附時(shí)氣體壓力呈正相關(guān)；于寶海等[18]針對(duì)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)問(wèn)題, 對(duì)煤層釋放瓦斯膨脹能進(jìn)行了深入研究，根據(jù)瓦斯膨脹能基本計(jì)算方法，以煤層瓦斯流動(dòng)壓力場(chǎng)分布規(guī)律為基礎(chǔ)，分別建立了煤壁釋放瓦斯膨脹能和鉆孔釋放瓦斯膨脹能理論方程式。

綜上所述，前人在煤層瓦斯吸附解吸及溫度變化方面開展了大量研究并取得了豐富成果，但缺乏對(duì)突出過(guò)程中煤體與巷道溫度的對(duì)比分析。為此，通過(guò)系統(tǒng)開展煤與瓦斯突出物理模擬試驗(yàn)，研究突出過(guò)程中煤層和巷道溫度演化規(guī)律，為探索煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)新方法和防控措施提供參考。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

多功能煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)系統(tǒng)[19]主要由試件腔體、加載模塊、滲流模塊、誘突模塊、巷道模塊和采集模塊組成，具有試件腔體密封壓力高、突出口打開速度快、可以記錄突出過(guò)程中煤層及巷道各參數(shù)變化等功能優(yōu)勢(shì)。

試件腔體直徑200 mm，長(zhǎng)700 mm，最大密封壓力10.0 MPa；巷道共10 段，每段直徑200 mm，長(zhǎng)1 000 mm，最大密封壓力3.0 MPa。溫度數(shù)據(jù)由JYDAM-PT100 模塊采集，采集頻率10 Hz，共安裝溫度傳感器11 個(gè)，分別位于試件腔體壁面（1 個(gè)，命名為T0，同時(shí)在相同位置安裝1 個(gè)壓力傳感器，命名p0）和每段巷道中部壁面（10 個(gè)，命名為T1、T2、…、T10）。煤樣取自發(fā)生過(guò)多次突出事故的河南省安陽(yáng)市龍山煤礦二1 煤層。龍山煤礦開采深度400～600 m 時(shí)瓦斯壓力為2.0 MPa 左右，然而始突深度僅為130 m，因此制定突出試驗(yàn)中煤層吸附瓦斯壓力分別為2.0、0.85、0.35 MPa。為保證試驗(yàn)的安全性，試驗(yàn)中使用與CH4具有相似吸附特性的惰性氣體CO2進(jìn)行突出試驗(yàn)[20]。每次試驗(yàn)向腔體內(nèi)裝入5 kg 備用煤樣[21]，抽真空2 h 至腔體氣壓接近-0.1 MPa，之后向腔體內(nèi)充入CO2至預(yù)定瓦斯壓力并保壓吸附24 h，然后打開爆破片，瞬間誘導(dǎo)突出。詳細(xì)試驗(yàn)步驟見參考文獻(xiàn)［19］，此處不再贅述。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 煤層溫度變化規(guī)律

瓦斯壓力2.0 MPa 條件下突出過(guò)程中煤層溫度和壓力變化曲線如圖1，不同瓦斯壓力條件下煤層溫度對(duì)比如圖2。

由圖1 可知：突出發(fā)生后，煤層壓力瞬間下降至大氣壓，而煤層溫度的變化則具有明顯的滯后性，同時(shí)呈現(xiàn)顯著的階段化演化特征，根據(jù)變化趨勢(shì)可劃分為3 個(gè)階段。①區(qū)域Ⅰ：煤體溫度急速下降階段，突出發(fā)生后13.2 s 內(nèi)迅速下降了0.56 ℃；②區(qū)域Ⅱ：煤體溫度快速升高階段，在13.2～107.2 s 內(nèi)升高了0.41 ℃；③區(qū)域Ⅲ：煤體溫度緩慢變化階段，在107.2 s 達(dá)到-0.15 ℃之后處于一個(gè)持續(xù)的較為穩(wěn)定的狀態(tài)。煤體內(nèi)存在大量的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)，使得煤體與瓦斯的熱交換面積較大、速度較快，可認(rèn)為煤體與瓦斯的溫度是一致的，同時(shí)煤層溫度變化量隨瓦斯解吸量的增加而增大。突出發(fā)生瞬間，煤體被破壞拋出、大量瓦斯隨之解吸，與此同時(shí)，游離瓦斯膨脹做功吸收熱量，導(dǎo)致煤層溫度急速下降。突出動(dòng)力現(xiàn)象終止之后，瓦斯的解吸量大幅度下降，吸收熱量變少，隨著巷道熱空氣的不斷涌入，煤層溫度停止下降并開始逐漸升高。溫度回升到一定值之后，煤體瓦斯仍在解吸，但解吸量很低，總體吸收的熱量與煤層與空氣中熱交換達(dá)到一定的平衡，隨著時(shí)間的推移，煤體溫度會(huì)緩慢升溫至環(huán)境溫度。

由圖2 可知：不同瓦斯壓力條件下突出后煤體溫度的變化規(guī)律相似，均呈現(xiàn)急速下降→快速升高→緩慢變化3 階段演化特征。3 次試驗(yàn)中（2.00、0.85、0.35 MPa）溫度下降量峰值分別為0.56、0.23、0.11 ℃，對(duì)應(yīng)時(shí)間分別為13.2、15.3、13.7 s。由于階段Ⅰ煤層溫度近似呈現(xiàn)線性變化，因此定義煤層溫度的下降量最大值與下降時(shí)間的比值為煤層溫度平均下降速率，可得3 次試驗(yàn)中煤層溫度平均下降速率分別為0.042、0.015、0.008 ℃/s?？梢姡S吸附瓦斯壓力的升高，煤層溫度下降量增加、下降速率增大，即煤層溫度下降量和平均下降速率均與瓦斯壓力呈正相關(guān)關(guān)系。分析認(rèn)為，隨著煤層吸附瓦斯壓力的增加，煤層中吸附和游離瓦斯量增大、煤層與巷道之間的壓力梯度升高，因此吸附瓦斯解吸量增加、解吸速率增大，游離瓦斯膨脹量增大，導(dǎo)致煤體溫度下降更快、下降量更大。

2.2 巷道溫度時(shí)空演化

瓦斯壓力2.0 MPa 條件下突出過(guò)程中巷道溫度演化如圖3（T10傳感器異常未采集到數(shù)據(jù)）。不同瓦斯壓力條件下突出過(guò)程中巷道溫度變化如圖4。

由圖3（a）可知：突出發(fā)生之后，巷道溫度出現(xiàn)短暫上升，隨后開始下降，最后緩慢回升至環(huán)境溫度。其中距突出口最近的巷道溫度（T1）在突出0.4 s后升高0.47 ℃，隨后在13.8 s 內(nèi)大幅下降了3.19℃。分析認(rèn)為，突出發(fā)生后，產(chǎn)生的沖擊波會(huì)以超聲速先于突出煤體傳播至突出口前方巷道，沖擊波強(qiáng)擾動(dòng)及其與巷道摩擦均會(huì)導(dǎo)致巷道溫度上升；隨著突出煤體和瓦斯涌入巷道，破碎煤體內(nèi)吸附瓦斯不斷解吸以及高壓瓦斯進(jìn)一步膨脹泄壓都會(huì)吸收大量的熱量，從而導(dǎo)致巷道內(nèi)溫度驟降；隨著突出的進(jìn)一步發(fā)展，突出動(dòng)力現(xiàn)象逐漸停止，此時(shí)巷道內(nèi)瓦斯解吸和膨脹作用減小，加之巷道內(nèi)外的熱交換效應(yīng)，使得巷道溫度逐漸回升并最終穩(wěn)定在環(huán)境溫度附近。由圖3（b）可知：突出過(guò)程中巷道溫度在空間分布上差異性顯著，突出前期靠近突出口的巷道溫度出現(xiàn)升高現(xiàn)象，遠(yuǎn)離突出口的巷道溫度則無(wú)明顯增加；突出過(guò)程中巷道溫度下降量峰值則隨著距突出口距離的增加而降低，第1 段巷道溫度（T1）下降量最大為3.19 ℃，第9 段巷道溫度（T9）下降量最小為0.59℃，僅占前者的18%，即和遠(yuǎn)處巷道溫度相比，突出口附近的第1 段巷道溫度上升幅度和下降峰值均為最大。突出之后，破碎煤體和瓦斯快速涌入巷道，向前運(yùn)動(dòng)過(guò)程中部分煤體沉降至巷道，瓦斯膨脹能也相應(yīng)降低，因此距突出口越遠(yuǎn)，巷道溫度變化越不明顯。

由圖4 可知：在低瓦斯壓力條件下（0.85、0.35 MPa），突出前期溫度的升高不明顯，表明此時(shí)沖擊波擾動(dòng)能力較弱；在巷道溫度下降階段，3 次試驗(yàn)中（2.00、0.85、0.35 MPa）巷道溫度下降量的峰值均在第1 段（T1）處，分別為3.19、2.41、1.09 ℃，對(duì)應(yīng)時(shí)間分別為13.8、12.8、11.6 s，可得巷道的溫度平均下降速率分別為0.249、0.188、0.094 ℃/s，與瓦斯壓力呈正相關(guān)；而第8 段巷道溫度（T8）下降量的峰值分別為1.06、0.25、0.33 ℃，對(duì)應(yīng)時(shí)間為24.0、34.4、38.0 s、溫度平均下降速率0.044、0.007、0.008 ℃/s。整體上，瓦斯壓力越大，巷道溫度下降量越大，但是低瓦斯壓力（0.85、0.35 MPa）對(duì)巷道后段溫度（T6～T9）的影響較弱。結(jié)合突出煤粉質(zhì)量分布特征可知，在低瓦斯壓力條件下，突出煤粉質(zhì)量較少，在巷道內(nèi)分布較為均勻；在高瓦斯壓力條件下，突出煤粉質(zhì)量多，且主要分布于巷道后段，因此巷道后段存在大量具有一定解吸能力的破碎煤體，從而導(dǎo)致巷道后段溫度下降仍較為明顯。

2.3 煤層和巷道溫度對(duì)比

分別選取巷道前、中、后段3 個(gè)特征位置處溫度（T1、T4、T9）和煤層溫度（T0）進(jìn)行分析，不同瓦斯壓力條件下突出過(guò)程中巷道和煤層溫度對(duì)比如圖5。

以吸附瓦斯壓力2.0 MPa 條件為例，一方面，突出發(fā)生后，煤層溫度呈現(xiàn)急速下降—快速升高—緩慢變化3 階段演化特征，巷道溫度總體上也呈現(xiàn)先降后升的演化趨勢(shì)；兩者均滯后于煤層氣壓變化，且最終都趨于環(huán)境溫度，同時(shí)下降量峰值時(shí)刻也較為一致。另一方面，突出過(guò)程中煤層溫度最大下降0.56 ℃，平均下降速率為0.042 ℃/s，而巷道溫度最大下降3.19 ℃，平均下降速率為0.249 ℃/s，分別是前者的5.7 倍和5.9 倍?？梢娡怀鲞^(guò)程中，煤層和巷道溫度在時(shí)間演化上具有整體相似性，但是在變化幅度上則具有顯著差異性。

分析可知，煤層溫度變化主要受控于試件腔體內(nèi)煤層吸附瓦斯的解吸和游離瓦斯的膨脹泄壓，而巷道溫度的演化同時(shí)受到拋出煤體解吸瓦斯、噴出瓦斯膨脹泄壓、沖擊波擾動(dòng)以及與環(huán)境熱交換等多種因素的共同影響。結(jié)合觀察的突出現(xiàn)象，突出發(fā)生后大量煤體拋入巷道，以分層流和沙丘流形態(tài)向前運(yùn)移，同時(shí)煤體顆粒之間、煤體與巷道均發(fā)生大量碰撞，逐漸形成更小顆粒的煤粉，在突出后期形成懸浮流形態(tài)并長(zhǎng)時(shí)間充滿整個(gè)巷道?？紤]到巷道溫度在突出后10 s 多仍然保持下降趨勢(shì)，而此時(shí)巷道瓦斯膨脹和沖擊波的影響較少，因此突出煤體在巷道內(nèi)的進(jìn)一步破碎并大量解吸瓦斯，是巷道溫度演化的主控因素，也是導(dǎo)致巷道溫度下降量大于煤層溫度下降量的主要原因。因此，可進(jìn)一步推測(cè)，煤礦現(xiàn)場(chǎng)突出動(dòng)力現(xiàn)象終止后的一段時(shí)間，突出煤粉仍然會(huì)持續(xù)解吸大量瓦斯，巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛瓤赡懿唤捣丛?，瓦斯危害風(fēng)險(xiǎn)依然很高。

3 結(jié) 論

1）突出發(fā)生后，煤層瓦斯壓力快速下降至大氣壓，煤層溫度演化具有一定的滯后性，呈現(xiàn)急速下降→快速升高→緩慢變化3 階段演化特征；隨吸附瓦斯壓力的升高，煤層溫度下降量增加、下降速率增大，3 次試驗(yàn)中（2.00、0.85、0.35 MPa）溫度下降量峰值分別為0.56、0.23、0.11 ℃，溫度平均下降速率為0.042、0.015、0.008 ℃/s。

2）突出發(fā)生后，巷道溫度出現(xiàn)短暫上升，隨后開始下降，最后緩慢回升至環(huán)境溫度；瓦斯壓力越高，巷道內(nèi)的溫度下降量越大，3 次試驗(yàn)中（2.00、0.85、0.35 MPa）溫度變化量峰值分別為3.19、2.41、1.09℃，對(duì)應(yīng)的溫度平均下降速率為0.249、0.188、0.094℃/s。突出過(guò)程中巷道溫度下降量峰值則隨著距突出口距離的增加而降低。

3）煤層和巷道溫度在時(shí)間演化上具有整體相似性，但是在變化幅度上則具有顯著差異性，煤層溫度最大下降0.56 ℃，平均下降速率0.042 ℃/s，而巷道溫度最大下降3.19 ℃，平均下降速率0.249 ℃/s，分別是前者的5.7 倍和5.9 倍；煤層溫度變化主要受控于吸附瓦斯的解吸和游離瓦斯的膨脹，巷道溫度變化則主要受控于突出煤體在巷道內(nèi)的進(jìn)一步破碎并大量解吸瓦斯。因此可推測(cè)現(xiàn)場(chǎng)突出后，巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛瓤赡懿唤捣丛觯咚刮：︼L(fēng)險(xiǎn)依然很高。