Research on multi-field fiber optic neural sensing and safety guarantee system constructing for mining overburden deformation
-
摘要:
地下煤层开采引起煤层上覆岩体的变形、破坏与垮落，若采动覆岩变形破坏监测预警和应急处置不当，往往会导致工作面发生冒顶、突水、瓦斯突出和冲击地压等开采灾害事故。为保障开采工作面的本质安全，需要对煤层采动覆岩变形进行全实时动态感知与全过程智能预警。大量的现场监测试验研究结果表明，煤层上覆岩土体的变形破坏存在不连续和非线性变化特点，因此，如何突破覆岩变形的时空不连续观测瓶颈，实时准确地获取煤层上覆岩土体的多场数据，已成为采动覆岩变形破坏机理研究的关键一环。基于分布式光纤感测技术，对煤层采动过程上覆岩土体的变形场、温度场、渗流场和地电场进行了系统性研究，详细介绍了各物理场的作用机理、观测技术、研究现状以及发展趋势，并分析了基于DAS技术的矿山工程微震研究方向，以期为实现矿山地下空间的“透明化”探测提供理论支撑；通过构建井上井下一体化协同的光纤感知神经网络，建立一套集感知–传输–处理–预警–决策–应急于一体的煤层采动覆岩安全保障体系，该体系由实时感知、可靠传输、智能处理、即时预警和应急决策五大模块构成，可实现采动覆岩变形破坏全过程的动态感知和多场实时数据的关联分析与评价，进而为保障煤层开采全周期安全提供技术支撑，研究成果同时可为开采矿区范围内的地质环境监测评价与修复治理提供参考依据。
Abstract:Underground coal seam mining causes the deformation, failure, and collapse of the overlying rock mass of the coal seam. Suppose the monitoring and early warning of overburden deformation and failure during mining or the emergency response are inappropriate. Mining disasters such as roof falls, water inrush, gas outbursts, and rock bursts will often occur in the working face. To ensure the intrinsic safety of the mining face, it is of great significance to implement full real-time dynamic sensing and whole process intelligent warning of the overlying strata deformation caused by coal mining. A large number of field monitoring test results show that the deformation and failure of the overlying rock and soil mass of the coal seam are discontinuous and nonlinear. Therefore, how to break through the bottleneck of spatio-temporal discontinuous observation of overlying rock deformation and obtain real-time and accurate multi-field data of overlying rock and soil mass of the coal seam has become a critical link in the mechanism research for mining overlying rock deformation and failure. Based on the distributed fiber optic sensing technology, this paper systematically studies the deformation field, temperature field, seepage field, and geoelectric field of the overlying rock and soil mass during the coal mining process, introduces the mechanism, observation technology, research status, and development trend of each physical field in detail, and analyzes the research direction of mine engineering microseismic based on DAS technology, to provide theoretical support for the realization of “transparent” exploration of mine underground space. A safety guarantee system for coal seam overburden during mining integrating sensing, transmission, processing, early warning, and decision-making emergency is established through constructing a fiber optic sensing neural network combined with surface and downhole. The system consists of five modules: real-time sensing, reliable transmission, intelligent processing, instant early warning, and emergency decision-making, which can realize the intelligent sensing of the whole process of overburden deformation and failure during mining as well as the correlation analysis and evaluation of multi-field real-time data. The research results can also provide a reference for the monitoring and evaluation of the geological environment within the mining area and the restoration and treatment.
-
0. 引 言
2022年煤炭消费量占全国能源消费总量的56.2%[1]，表明煤炭在未来相当长一段时期仍将是我国的主体能源。我国高度重视煤矿安全管理工作，全国煤矿事故由2002年的4344起、死亡6995人下降到2021年的91起、死亡178人，重大事故由2005年的58起、死亡1739人，下降到2021年的2起、死亡41人；近5年共发生各类煤矿事故827起，死亡1430人，其中瓦斯事故共83起，死亡332人[2]，而煤与瓦斯突出是造成瓦斯事故的主要原因[3]。煤与瓦斯突出是在地应力和瓦斯压力共同作用下，大量的煤和瓦斯由煤岩深部突然向采掘空间抛出的异常动力现象[4]，严重威胁煤矿的安全生产。截至2022年底，全国煤矿数量约4366处，其中高突危险性矿井共占33.6%[5]。随着浅部资源的逐渐枯竭，向深部要资源成为必然趋势，深矿井的数目将逐渐增加，使得煤与瓦斯突出的危害性也将进一步增强。因此，开展煤与瓦斯突出防治工作研究刻不容缓。
科研工作者多从煤与瓦斯突出机理入手，研究煤与瓦斯突出发生的原因、条件及其发生、发展过程[6]，并形成被国内外多数学者普遍接受的煤与瓦斯突出综合作用假说。越来越多的研究结果表明煤与瓦斯突出两相流及形成的冲击波是造成煤矿人员伤亡和设备损坏的主要因素之一[7-8]。掌握煤与瓦斯突出两相流作用机理及其破坏过程，揭示突出致灾机理，对于指导现场防灾避灾、保障人员及设备安全具有重要意义。为此大量研究人员积极开展煤与瓦斯突出试验和理论分析，研究突出过程中煤与瓦斯两相流的运移规律及影响因素，分析突出冲击波传播过程及多物理场参数演化规律。笔者在梳理煤与瓦斯突出两相流物理模拟试验装置的基础上，系统总结了突出两相流研究进展，重点分析了煤粉流与冲击波在巷道内的传播规律及其受控因素，并指出了现阶段突出两相流研究特点与未来发展趋势。
1. 突出两相流物理模拟试验装置
为了研究煤与瓦斯突出两相流运移规律，学者们设计研发了一系列连接巷道的突出模拟试验装置。笔者[9]采用模块化设计思路，自主研发了多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统（图1），包括试验腔体、加载模块、渗流模块、诱突模块、巷道模块和采集模块。其中，试件腔体尺寸为ø200 mm×700 mm，密封气压10.0 MPa；巷道尺寸ø200 mm×10000 mm、透光率94%；能够实现型煤一次性成型、渗透性测试和突出两相流可视化等多种功能，同时利用两级爆破片诱突系统可以达到毫秒级精准诱突。刘义等[10]研发了煤与瓦斯突出模拟试验装置，主要包括煤与瓦斯突出发生装置、管道系统、数据采集系统及传感器等。突出发生装置由突出腔体、气瓶及快速揭露装置组成；突出腔体材料为型钢，其最大承压为5 MPa。数据采集系统由多通道高速采集器和高速成像系统组成。该系统结构与材料的设计具有稳定性好、压力分布规律测量精确等特点。王凯等[11]基于相似理论自主研制了突出粉煤−瓦斯两相流模拟试验系统，系统包括突出腔体、突出控制箱、试验巷道、数据采集系统和抽真空−注气设备、高速摄像系统和纹影系统等部分。其中纹影系统用于分析透明介质中的非均匀性流场,纹影系统的纹影图像能够反映折射率的一阶导数场。因此该试验系统在测试突出冲击波波阵面以及突出气流压力等方面具有明显优势。
![]()
为了更加真实模拟煤矿现场巷道布置情况，一些连接复杂网络巷道的突出模拟试验系统相继被研发。许江等[12]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包括动力源系统、巷道网络系统数据采集系统、充气系统和泄压装置等结构，如图2所示。该试验系统设计的关键在于巷道网络系统通过扩口段与动力系统连接，主要包括直通巷道、十字通巷道、摄像头、传感器及传感器支架等结构，巷道内部断面尺寸为ø400 mm×400 mm，系统能布置为多种巷道网络形态。巷道网络系统的各种结构管道和可视化组件能够捕获煤与瓦斯突出两相流冲击破坏动力特性参数。文光才团队[13]设计的煤与瓦斯突出动力效应模拟试验系统主要包括动力系统、充气系统、管道系统、数据采集系统、除尘系统五大系统。该试验系统的管道系统为“H”型结构，动力系统的突出口与20.0 m长的主巷道相连并后接除尘系统，主巷11.0 m位置处连接2.7 m长的联络巷，联络巷连接的20.0 m支巷与主巷平行，如图3所示。利用该结构的设计能够较好地探究煤与瓦斯突出对于除主巷道以外的联络巷和支巷的影响情况。
![]()
可以看出，煤与瓦斯突出两相流物理模拟试验装置主要包括煤与瓦斯突出动力发生装置、巷道系统和数据采集系统3部分组成，不同试验装置的区别和特色主要在于煤样的加压成型、渗透性的测试、诱突装置的改进以及巷道的可视化和网格化设计等。同时，试验装置的研发也逐渐从模拟煤矿井下较为单一的巷道情形向模拟多场耦合条件下的复杂网络巷道布置过渡。
2. 突出两相流运移规律研究进展
2.1 突出煤粉流运移分布规律
煤体的失稳、破碎和抛出是突出过程中的典型动力现象。刘伟[14]认为当煤体中的应力达到屈服极限时，煤体产生裂纹，不仅导致煤体强度下降，同时软弱煤碎裂产生的破碎面会增加煤的比表面积，使得大量吸附瓦斯解吸，为煤体的破碎和抛出提供条件。突出后煤粉流在巷道内的运移速度是衡量突出冲击破坏性的重要参数。张超林等[9]设计的煤与瓦斯突出物理模拟试验，结合可视化巷道并利用图像处理法计算得到突出煤粉在巷道内的运移速度，结果表明突出发生后煤粉流速度高达40.0 m/s，并快速向巷道内运移，随着运移距离的增加会出现4次再加速过程，但总体上仍然呈现逐渐降低的趋势，如图4所示。周斌等[15]基于突出物理模拟试验研究指出，煤与瓦斯突出过程中固相煤粉流的运动情况可以由巷道煤粉流灰度变化情况很好地反映，并发现煤粉在突出过程中存在振发特性及二次加速的特征。
刘义等[10]在研究突出煤粉在巷道内的分布情况时发现，突出口附近的煤粉的质量分布较少，而巷道中部突出煤粉的质量分布较大，两者分别占突出煤粉质量的30%和60%，前者多为小粒径，后者粒径分布范围较广。许江等[16]也得出类似结论：沿着突出巷道，煤粉质量呈先增加后减小再增大的趋势，处于巷道中后部的突出煤粉质量占比最高；煤粉以粒径小于0.150 mm的煤粉为主且破碎程度较高。孙东玲等[17]试验发现，煤粉堆积高度在突出巷道中呈现先增大后减小的分布规律(图5)。曹偈等[18]进行了低气压条件下煤与瓦斯突出试验，发现突出煤粉流的运移大体上经过加速、减速和沉降3个阶段。金侃[19]通对突出两相流结构、运动特征等进行研究，将煤粉流运动过程划分为初期的加速阶段、中期的稳定输运阶段和末期的速度衰减3个不同阶段；同时采用DEM-CFD方法对突出煤体的碰撞、破碎和粉化特点进行了研究，认为突出过程中巷道内主要存在高频低速的颗粒间碰撞和低频高速的颗粒−壁面间碰撞2种碰撞粉化形式。王锐等[20]利用PFC3D流固耦合理论，模拟再现了煤与瓦斯突出过程中煤粉的堆积过程，实现了对单个煤粉颗粒运移轨迹的追踪。ZHANG[21]基于新表面理论，研究了突出煤体的破碎分布规律，并建立了煤体破碎程度与突出强度的定量关系。
![]()
2.2 突出冲击波演化规律
在井下煤与瓦斯突出过程中，瞬间涌出的大量煤和瓦斯必然会压缩巷道气体，导致冲击波的产生。王凯等[22-23]认为井下突出发生的瞬间，高应力区域的煤体发生卸载、破碎，吸附状态的瓦斯大量解吸，高压瓦斯作用于破碎的煤体，并携带其涌入巷道空间中，冲击压缩原巷道内空气导致突出冲击气流的形成。苗法田等[24]指出，当处于临界状态之下或处于低度未完全膨胀状态的煤−瓦斯两相流从孔洞中喷出时,巷道空间中的流体完全膨胀后速度相对较低，其产生的冲击波超压值相对较小；当处于高度或超高度未完全膨胀状态的流体在巷道空间中发生膨胀时，基于足够大的巷道空间，流体将急剧加速并可能产生强冲击波。程五一等[25]根据煤与瓦斯突出后产生动力效应的现象，讨论了突出冲击波如何形成及其结构如何，认为煤与瓦斯突出冲击波与炸药、挥发性气体爆炸产生的冲击波波形差异较大，属于不同类型的冲击波。
张超林等[9]试验发现突出过程中，巷道内空气受压缩会产生多道以正相压和负相压交替向前传播的冲击波，在巷道中部冲击波超压达到峰值15.41 kPa（图6），并计算得出冲击波阵面速度峰值为361.76 m/s，远大于煤粉流运移速度，且超前于粉煤−瓦斯两相流以超声速传播。刘义等[10，26]研究得出，对于瓦斯流产生的冲击气流，随着距突出口距离的增大，气流超压峰值衰减速度会增加，气流超压峰值减小（图7）；同时发现突出后冲击气流会出现压力迅速上升，达到峰值后下降的现象，且压力上升速率大于衰减速率。曹偈等[18]认为，试验中由于突出会产生瓦斯流，并会伴随有冲击气流，出现巷道内距离突出口越远，超压峰值出现时间越延后，超压值越小的现象，说明冲击波超压峰值基本沿巷道呈衰减趋势。杨雪林[13]通过理论分析和物理模拟，建立了突出冲击波超压预测模型，发现冲击波超压峰值随传播距离呈幂函数衰减。OTUONYE[27]利用MacCormack显式有限差分法模拟了突出后瓦斯气流和冲击波在巷道内的传播过程，发现冲击波传播速度超前于瓦斯气流。XUE[28]通过模拟巷道内气体流动过程，得出突出冲击波在长距离传播后继续衰减，此外它也会以直角衍射并被削弱，同时伴随着其压力的衰减，反射冲击波和入射冲击波的叠加将导致区域单位面积冲击波峰值超压增大。WANG[29]数值模拟发现，通过交叉口的冲击波和气流大部分会流入交叉口对面路段的巷道，小部分会流入路口下方的道路并出现湍流，冲击波在对交叉路口下方道路会对更大的分支处的反射和衍射产生影响。杨书召等[7]研究得出冲击波的衰减速度相对冲击气流衰减速度更快，由于突出能量没有补给，且存在巷道阻力等因素的作用，冲击混合气流速度会迅速衰减，因此存在极限伤害距离。
2.3 突出两相流影响因素
煤与瓦斯突出两相流在巷道的运移规律受众多因素影响，主要有巷道结构、瓦斯压力、煤粉粒径、地应力和气体组分等。
巷道结构方面，孙东玲等[17]开展了“H”型巷道布置条件下的突出两相流模拟试验，得出突出后煤粉主要在主巷堆积，且煤样堆积高度与距突出口距离呈负相关关系，同时分流作用会导致联络巷与支巷气体压力峰值有所降低，出现支巷气体压力经多次波动降为0的现象。许江等[30-31]开展了“T”型巷道布置条件下突出模拟试验，得出由于突出气流在分岔结构处会受到阻泄作用并以斜激波继续传播，单相气流阶段，分岔后支巷的冲击力就上升至最高值，且存在分岔后冲击力峰值高于分岔前的现象（图8）。并进一步对比了“直角L”型、“T”型及“圆弧L”型3种巷道结构对突出流体冲击的影响规律，通过动力致灾毁伤等级分布云图（图9）得到了尾部结构对直线段冲击力的影响表现为“直角L”型>“T”型>“圆弧L”型，且“圆弧L”型和“T”型的动力致灾力度和致灾面积都小于“直角L”型，因此得出弧形结构可使巷道内冲击致灾的力度降低、有效缩短冲击力的正压作用时间。刘星魁等[32]利用计算机模拟了直角拐弯和障碍物对冲击波影响，得出在拐角处冲击波压力会造成弹射，波阵面处会形成高、低压区，且产生漩涡区与加速区；而在障碍物附近，冲击波近湍流强度增大，且在第二障碍物附近二次加速，且冲击波强度会随着障碍物距离及数量的增大而减小。
![]()
![]()
![]()
张超林等[33-34]开展了不同瓦斯压力条件下（0.35、0.85、2.0 MPa）突出两相流试验，得出煤层瓦斯压力越大，突出煤粉运移速度越大、距离越远，突出煤粉粉碎率（突出煤粉中小于原始粒径煤粉质量占比）越高（图10）；并且将煤粉流运移分为加速和减加速循环2个阶段，冲击波的传播分为加速、慢减速和快减速3个阶段，且瓦斯压力越大，最大冲击波阵面速度越大。程亮等[35]研究了不同瓦斯压力条件（1.0、1.5、2.0 MPa）下的两相流冲击力及运动特征，发现随着瓦斯压力的增高，冲击力平均衰减系数逐渐降低，煤粉流速度峰值增大，同时煤粉流运移速度到达二次加速阶段的距离越短（图11）。王亮[36]试验发现随着初始瓦斯压力的增大，波阵面压力和突出冲击波的传播速度增大，冲击压力和煤粉的运移速度也增大，并且增加比例与瓦斯压力增加的比例相仿。耿加波[37]认为气体压力较高时，由于两相流的喷射速度极高，突出两相流的移动接近于层流运动，因此煤粉的沉降更具规律性；并且随着瓦斯压力增大，会导致煤与瓦斯突出强度增强，突出后巷道内温度下降量变大，气体浓度增加量升高。蒋安飞等[38]试验发现冲击波超压特征值随着初始瓦斯压力的增大呈现对数递增的趋势，且冲击波超压在巷道前端衰减较慢，后端衰减加快。孙冬玲等[39]利用Mixture模型对临界流动理论进行了描述，发现不同入口压力条件下，突出两相流的运动状态也不同，且由于气、固相之间的松弛现象会导致两相流中声速远小于常温常压中空气声速。唐巨鹏等[40]建立了突出射流数值模型，得出瓦斯压力与突出能量间呈线性增加关系,与突出强度和瓦斯涌出量均呈幂指数增加关系。
![]()
![]()
蒋安飞等[41]开展了不同煤粉粒径条件（0.5～1.0，1.0～3.0，3.0～10.0 mm）下的突出模拟试验，得出冲击波超压会随煤粉粒径的增大而上升，但冲击波传播速度与煤粉粒径呈负相关关系。王凯等[11]采用4种不同粒径的煤粉（0～0.075，0.075～0.18，0.18～0.5，0.5～2 mm）开展突出试验，得到了突出煤粉运移速度会随煤粉粒径的减小而增加（图12）。王亮[36]通过控制试验中煤粉粒径的大小，得出突出冲击波波阵面和煤粉的各项动力参数、突出煤粉质量会随煤粉粒径的减小而增大。因此煤粉粒径对突出两相流的影响规律和机制仍需进一步深入探究。
![]()
唐巨鹏等[42-44]利用自主研制的真三轴煤与瓦斯突出巷道模拟试验系统，开展了不同埋深（1000，1200，1400，1600，1800，2000 m）下的突出模拟试验，得出埋深加大、地应力作用增强使煤粉突出的质量占比增大，导致煤粉在巷道内突出距离逐渐减小（图13）；并且发现，随着埋深增加，地应力、瓦斯压力与突出强度和突出距离间均呈幂指数增加关系，而埋深的增加，同时也会使突出距离和突出强度增大，煤与瓦斯突出频度增加，但突出强度和破坏程度总体上仍呈趋于平缓的趋势。张超林[45]进行了深部采动应力影响下煤与瓦斯突出物理模拟试验，发现采动应力集中系数越大，相对突出强度越大，突出煤粉的分选作用越显著。
![]()
金侃[19]通过采用不同气体介质（N2，CO2）开展突出粉煤−瓦斯两相流试验，研究了吸附瓦斯快速解吸及不同种类气体对突出两相流的影响。研究表明突出发动瞬间，煤粉−瓦斯流加速阶段受到煤中解吸的瓦斯与游离瓦斯共同作用，会使煤粉流速度增大；当煤粉−瓦斯流处于稳定运输阶段时，煤中解吸的瓦斯为煤粉流运动提供动力，会进一步维持其高速运动状态，甚至出现自加速现象，因此吸附性越强的气体（CO2）对应的煤粉流运移速度也就越大（图14）。
![]()
高布桐等[46]利用Fluent软件建立了瓦斯逆流运移扩散模型，开展了煤与瓦斯突出气体逆流影响模式研究，发现在逆流过程中会出现浓度上升速度快、下降慢的现象，瓦斯逆流速度会随着风速增大而增大，同一位置或时刻的瓦斯浓度峰值会随风速的增大而减小，瓦斯涌出量增大会导致运移至同一位置的时间缩短、瓦斯浓度峰值增大（图15），同时对群力煤矿“11·8”特别重大煤与瓦斯突出事故进行了案例分析。
![]()
3. 煤与瓦斯突出两相流研究特点及展望
3.1 现阶段突出两相流研究特点
1）突出过程可视化。为了保证试验的安全性，早期的突出模拟巷道主要采用钢管焊接而成，无法直接观测巷道内两相流运移过程；为了克服以上缺点，现有的模拟巷道多由高强度、高透光亚克力材制成，实现了突出过程中两相流的可视化，为直观观测突出两相流运移过程及采集巷道两相流参数提供了条件。
2）巷道结构复杂化。试验研究煤与瓦斯突出两相流离不开模拟巷道，巷道结构逐渐从单一的“直线”型结构逐渐过渡至复杂网络结构，如“H”型、“T”型、“直角L”型、“圆弧L”型等，为进一步模拟井下巷道真实布置情况、研究两相流传播衰减规律奠定基础。
3）数据采集多元化。最初的突出试验装置没有模拟巷道，突出过程多为“开放式”，主要采集突出结束后煤粉的质量分布数据；随着试验装置的不断升级改造，实现了对突出过程中突出两相流的视频图像、压力、浓度、冲击力等数据进行实时动态采集，数据采集手段更加丰富、数据种类更加多元。
4）影响因素全面化。影响煤与瓦斯突出两相流的因素较多，现有物理模拟试验研究除了考虑巷道结构外，还包括煤体性质（煤粉粒径）、瓦斯（瓦斯压力、气体组分）和地应力（地应力大小及分布）等方面，全面涵盖了“突出三要素”，基本实现了突出两相流影响因素的系统研究。
5）研究手段多样化。随着工业技术的进步，煤与瓦斯突出两相流的研究逐渐从单纯的理论研究转向物理模拟试验研究，近年来进一步开发了不同的数值模拟软件和平台，实现了研究手段的多样化。由于煤与瓦斯突出的特殊性，目前仍以物理模拟试验手段为主，物理模拟研究结果不仅能证实理论推导，也能为数值模拟提供基础参数，三者相互补充、互为支撑。
3.2 煤与瓦斯突出两相流研究展望
煤与瓦斯突出目前仍是煤矿生产中的主要灾害之一，煤矿安全形势依然严峻。经过众多学者多年来的研究，已基本掌握了煤与瓦斯突出两相流的传播致灾规律，有效指导了现场突出防控工作。结合突出两相流研究现状及现场实际需求，提出以下建议与展望。
1）相似体系的建立和完善。相似准则是现场原型与试验模型转换的理论基础，相似材料是开展物理模拟试验的物质基础[47-49]。相似准则方面，由于煤与瓦斯突出过程的复杂性，目前突出物理模拟仍无法严格遵循相似原理，往往忽略次要因素从而对突出过程进行简化，主要考虑了几何相似性，在运动相似和动力相似方面的相似程度不高，不能满足突出两相流运移规律的量化关系研究；相似材料方面，大尺度原煤获取难度大，仍以型煤试件为主，然而型煤试件制作过程中煤样孔隙结构、吸附特性及颗粒完整性均遭到不同程度的破坏，对于研究突出发生发展过程尤其是瓦斯的流动以及煤粉的运移、破碎和分布规律会产生较大影响。因此，煤与瓦斯突出两相流的研究仍需进一步建立更加完善的相似体系。
2）突出两相流与通风系统共存互扰机制。煤与瓦斯突出发生后，突出两相流涌入巷道，对矿井通风系统造成严重影响，如：冲击波破坏通风设施、突出瓦斯诱导风流灾变、突出煤体堵塞巷道掩埋通风设施等[50]；与此同时，通风系统的变化和响应会反作用于突出两相流，如隔离风门在延缓两相流运移的同时也会阻碍突出后瓦斯流的排出，极易构成巷道滞留瓦斯源并导致瓦斯爆炸等二次灾害[51]。因此，应在研究突出两相流对矿井通风系统影响的基础上，进一步开展矿井风流紊乱、通风系统响应以及应急救援动作等对突出两相流的干扰和影响规律，揭示突出两相流与通风系统共存互扰机制，指导提高矿井通风系统应急抗灾能力，有效切断二次灾害传播链，减少突出发生造成的人员伤亡及财产损失。
3）突出两相流多因素耦合致灾机理研究。近年来，众多学者开展了大量的煤与瓦斯突出两相流物理模拟试验研究，获得了不同因素（巷道结构、瓦斯压力、煤粉粒径、地应力和气体组分等）对突出两相流的影响规律。然而，煤与瓦斯突出的发生和发展是一个多因素共同作用、相互耦合的结果，目前多侧重单一因素条件下的突出两相流运移规律研究，且仍未完全揭示清楚突出两相流致灾机理。后续可进一步开展多因素耦合条件下的突出两相流传播衰减特征、突出两相流灾害链传递模式、突出两相流对人体的损伤规律及安全阈值等方面的研究。同时考虑到物理模拟试验周期较长，可在掌握单一因素影响下突出两相流运移规律的基础上，建立突出两相流运移模型，借助数值模拟等手段开展多因素耦合致灾规律相关研究。
4）突出两相流“致灾−防控一体化”研究。开展煤与瓦斯突出两相流研究的最终目的是防控煤与瓦斯突出、降低突出致灾后果，现阶段的研究多集中于突出两相流的运移致灾规律及其影响因素方面。因此，后续可基于突出两相流“致灾−防控一体化”研究思路，在揭示突出两相流致灾机理的基础上，进一步研究突出两相流对井下“人员−设备−环境”的损毁情况[52]，同时结合安全管理、安全人机、职业健康等相关理论[53]，分析不同情形条件下采取不同技术手段和管理措施的防控效果，从而针对性的提出防灾避灾措施和应急救援预案，保障煤矿工人生命安全和煤炭高效生产。
4. 结 语
1）物理模拟试验是当前研究煤与瓦斯突出两相流规律的主要手段，系统总结了不同煤与瓦斯突出两相流物理模拟试验装置特点，发现试验装置的研发逐渐从模拟煤矿井下较为单一的巷道情形向模拟多场耦合条件下的复杂网络巷道布置过渡。
2）从理论分析、物理模拟、数值仿真等方面系统阐述了煤与瓦斯突出两相流研究进展，总结了突出煤粉流的运移速度、运移形态和堆积分布特征，以及突出冲击波的形成原因、传播速度和衰减规律，分析了巷道结构、瓦斯压力、煤粉粒径、地应力和气体组分等因素对突出两相流的影响和控制作用。
3）现阶段煤与瓦斯突出两相流研究具有突出过程可视化、巷道结构复杂化、数据采集多元化、影响因素全面化、研究手段多样化等特点，未来可在加强物理模拟相似体系完善的基础上，进一步开展两相流与通风系统共存互扰机制、突出两相流多因素耦合致灾机理和突出两相流“致灾−防控一体化”等方面的研究。
-
![]()
图 1 基于光纤频移的覆岩变形表征体系
Figure 1. Overburden deformation characterization system based on fiber optic frequency shift
![]()
图 2 基于BOFDA的分布式光纤监测模型试验系统
Figure 2. Distributed fiber optic monitoring model test system based on BOFDA
![]()
图 6 渗流场准分布式原位测量技术原理
Figure 6. Principle of quasi-distributed in-situ measurement of seepage field
![]()
图 8 垂向电法测线在不同推进距离的反演结果
Figure 8. Inversion results of vertical electrical line at different advance distances
![]()
图 10 煤层采动多源多场一体化感知网络
Figure 10. Multi-source and multi-field integrated sensing network for coal mining
![]()
![]()
图 15 具有双倍冗余和重传功能的远程监控的传输架构
Figure 15. A transport architecture for remote monitoring with double redundancy and retransmission capabilities
![]()
图 17 海量数据智能处理与算法优化
Figure 17. Mass data intelligent processing and algorithm optimization
![]()
图 18 覆岩变形演化过程与预警等级
Figure 18. Evolution process and early warning grade of overburden deformation
![]()
图 19 覆岩变形破坏神经感知系统
Figure 19. Neural sensing system for overburden deformation and failure
![]()
图 20 地面井下一体化光纤监测系统集成
Figure 20. Integration of surface and downhole integrated fiber optic monitoring system
监测技术 监测装备 优势 局限性 点式监测 应变片 
尺寸小，价格便宜，工艺成熟，便于多点测量 易腐蚀，易受环境影响，无法重复利用 微机电监测 MEMS 
成本低、功耗低、可靠性高，适于批量化生产，易于集成和实现智能化 寿命短，难以适应恶劣的工作环境 霍尔元件 
精度高、响应快、测量范围广，可实现非接触式测量 功耗高，一致性差，灵敏度低，温度特性差 准分布式 FBG 
测量精度高 准分布式，易漏测量点 UWFBG 
可实现密集式和动态测量 制作工艺复杂，解调性能要求高 全分布式 BOTDR 
单端测量、距离长、范围广，环境适应性优 空间分辨率有限，难以实现精细化测量 BOTDA 
测量精度和空间分辨率均明显高于BOTDR 需构成测试回路，环境适应性较差 BOFDA 
测量精度和空间分辨率均略高于BOTDA 需构成测试回路，测试重复性和稳定性略低于BOTDA 
下载: 导出CSV
表 2 温度场光纤感测主流解调仪性能参数
Table 2 Performance parameters of mainstream demodulation instrument for fiber optic sensing of temperature field
解调仪型号 参数类型 参数值 
测温范围/℃ −20～80 温度分辨率/℃ 0.1 温度重复性/℃ ±0.2 温度测量精度/℃ ±0.2 单通道测试距离/km 1 
测温范围/℃ −40～120 温度分辨率/℃ 0.1 温度测量精度/℃ ±0.3 测量距离/km 1～16 空间分辨率/m 0.5～3
下载: 导出CSV
-
[1] 吴嘉林,辛德林,张建平. 井工开采技术的创新与发展[J]. 煤炭工程,2014,46(1):4−8. WU Jialin,XIN Delin,ZHANG Jianping. Innovation and Development of Underground Coal Mining Technology[J]. Coal Engineering,2014,46(1):4−8.
[2] CHAI Jing,LEI Wulin,DU Wenggang,et al. Experimental study on distributed optical fiber sensing monitoring for ground surface deformation in extra-thick coal seam mining under ultra-thick conglomerate[J]. Optical Fiber Technology,2019,53:102006. doi: 10.1016/j.yofte.2019.102006
[3] CHAI Jing,MA Zhe,ZHANG Dingding,et al. Experimental study on PPP–BOTDA distributed measurement and analysis of mining overburden key movement characteristics[J]. Optical Fiber Technology,2020,56:102175. doi: 10.1016/j.yofte.2020.102175
[4] 柴 敬,欧阳一博,张丁丁,等. 采场覆岩变形分布式光纤监测岩体–光纤耦合性分析[J]. 采矿与岩层控制工程学报,2020,2(3):033038. CHAI Jing,OUYANG Yibo,ZHANG Dingding,et al. Theoretical analysis of the mechanical coupling between rock and optical fiber for distributed sensing of overlying strata deformation[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering,2020,2(3):033038.
[5] ZHANG Dan,WANG Jiacheng,ZHANG Pingsong,et al. Internal strain monitoring for coal mining similarity model based on distributed fiber optical sensing[J]. Measurement,2017,97:234−241. doi: 10.1016/j.measurement.2016.11.017
[6] 张平松,张 丹,孙斌杨,等. 巷道断面空间岩层变形与破坏演化特征光纤监测研究[J]. 工程地质学报,2019,27(2):260−266. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2018-070 ZHANG Pingsong,ZHANG Dan,SUN Binyang,et al. Optical fiber monitoring technology for evolution characteristic of rock stratum deformation and failure in space of mining field[J]. Journal of Engineering Geology,2019,27(2):260−266. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2018-070
[7] 程 刚,施 斌,张平松,等. 采动覆岩变形分布式光纤物理模型试验研究[J]. 工程地质学报,2017,25(4):926−934. CHENG Gang,SHI Bin,ZHANG Pingsong,et al. Physical model test study on deformation of overlying strata during coal mining with distributed fiber optic deformation monitoring[J]. Journal of Engineering Geology,2017,25(4):926−934.
[8] 施 斌. 论工程地质中的场及其多场耦合[J]. 工程地质学报,2013,21(5):673−680. doi: 10.3969/j.issn.1004-9665.2013.05.001 SHI Bin. On fields and their coupling in engineering geology[J]. Journal of Engineering Geology,2013,21(5):673−680. doi: 10.3969/j.issn.1004-9665.2013.05.001
[9] CHENG Gang,SHI Bin,ZHU Honghu,et al. A field study on distributed fiber optic deformation monitoring of overlying strata during coal mining[J]. Journal of Civil Structural Health Monitoring,2015,5(5):553−562. doi: 10.1007/s13349-015-0135-6
[10] 裴华富, 景俊豪, 朱鸿鹄, 等. 一种基于霍尔元件的新型磁感测斜仪[P]. 中国: ZL210564511U, 2019–08–24. [11] 程 刚,王振雪,施 斌,等. DFOS在矿山工程安全开采监测中的研究进展[J]. 煤炭学报,2022,47(8):2923−2949. CHENG Gang,WANG Zhenxue,SHI Bin,et al. Research progress o f DFOS in safety mining monitoring of mines[J]. Journal of China Coal Society,2022,47(8):2923−2949.
[12] 袁 强. 采动覆岩变形的分布式光纤检测与表征模拟试验研究[D]. 西安: 西安科技大学, 2017. YUAN Qiang. Experimental study on detection and representation of mining-induced overburden deformation with distributed optical fiber sensing[D]. Xi’an: Xi’an University of Science and Technology, 2017.
[13] 侯公羽,胡 涛,李子祥,等. 基于BOFDA的覆岩采动“两带”变形表征研究[J]. 采矿与安全工程学报,2020,37(2):224−237. HOU Gongyu,HU Tao,LI Zixiang,et al. Fiber optic strain characterization of "two zones" deformation of overburden mining based on BOFDA[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2020,37(2):224−237.
[14] 孙义杰. 库岸边坡多场光纤监测技术与稳定性评价研究[D]. 南京: 南京大学, 2015. SUN Yijie. Bank slope multi-fields monitoring based on fiber optic sensing technologies and stability evaluation study[D]. Nanjing: Nanjing University, 2015.
[15] ZHANG Tong,GAN Quan,ZHAO Yixin,et al. Investigations into mining-induced stress–fracture–seepage field coupling effect considering the response of key stratum and composite aquifer[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering,2019,52(10):4017−4031. doi: 10.1007/s00603-019-01811-x
[16] CHENG Hongmei,ZHANG Ning,YANG Yuhui,et al. 3–D dynamic evolution analysis of coal-rock damaged field and gas seepage field during the gas extraction process[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering,2018,56:444−454. doi: 10.1016/j.jngse.2018.06.015
[17] ZHENG Jiangtao,ZHENG Liange,LIU Huhai,et al. Relationships between permeability, porosity and effective stress for low-permeability sedimentary rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2015,78:304−318. doi: 10.1016/j.ijrmms.2015.04.025
[18] 王效宁. 滑坡温度特性研究及其在三峡库岸稳定分析中的应用[J]. 岩石力学与工程学报,1993(2):126−137. WANG Xiaoning. Study on the landslide temperature field and its application to the Three Gorges project[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,1993(2):126−137.
[19] 姚文花,姚 勇,罗东海. 基于ADINA的冻融期黄土滑坡温度场模拟分析[J]. 中国水土保持,2010(6):41−43. doi: 10.3969/j.issn.1000-0941.2010.06.017 [20] 柴 敬,刘 奇,张丁丁,等. 基于光纤系统的物理相似模型温度分布与演化特征[J]. 煤炭学报,2017,42(5):1146−1155. CHAI Jing,LIU Qi,ZHANG Dingding,et al. Temperature distribution and its evolution characteristics of physical similarity model by optical fi-ber sensing system[J]. Journal of China Coal Society,2017,42(5):1146−1155.
[21] 张婉玲. 基于FBG的土体渗流场监测技术研发与试验研究[D]. 南京: 南京大学, 2020. ZHANG Wanling. Research & development and experimental study on monitoring technology of soil seepage field based on FBG[D]. Nanjing: Nanjing University, 2020.
[22] 朱鸿鹄. 工程地质界面: 从多元表征到演化机理[J]. 地质科技通报,2023,42(1):1−19. ZHU Honghu. Engineering geological interace: From multivariate characterization to evolution mechanism[J]. Bulletin of Geological Science and Technology,2023,42(1):1−19.
[23] 柴 敬,刘永亮,袁 强,等. 矿山围岩变形与破坏光纤感测理论技术及应用[J]. 煤炭科学技术,2021,49(1):208−217. CHAI Jing,LIU Yongliang,YUAN Qiang,et al. Theory-technology and its application of optical fiber sensing on deformation and failure of mine surrounding rock[J]. Coal Science and Technology,2021,49(1):208−217.
[24] 刘世奇,高 德,桑树勋,等. 不同粒度构造煤的视电阻率特征[J]. 煤炭科学技术,2022,50(12):162−169. LIU Shiqi,GAO Deyi,SANG Shuxun,et al. Characteristics of apparent resistivity of coals with different particlesizes[J]. Coal Science and Technology,2022,50(12):162−169.
[25] SUN Binyang,ZHANG Pingsong,WU Rongxin,et al. Research on the overburden deformation and migration law in deep and extra-thick coal seam mining[J]. Journal of Applied Geophysics,2021,190:104337. doi: 10.1016/j.jappgeo.2021.104337
[26] SUN Binyang,ZHANG Pingsong,WU Rongxin,et al. Improvement of upper limit of mining under an aquifer of a super thick unconsolidated layer in Huainan based on multiphysics field monitoring[J]. Exploration Geophysics,2021,52:150−169. doi: 10.1080/08123985.2020.1780116
[27] CHENG Gang,XU Wentao,SHI Bin,et al. Experimental study on deformation and failure mechanism of overburden rock in coal mining using comprehensive intelligent sensing methods[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering,2022,14(5):1626−1641. doi: 10.1016/j.jrmge.2022.07.016
[28] HENDRIK J,GOLDSWAIN G,OLIVIER G. Can DAS be used to monitor mining induced seismicity?[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2022,155:105127. doi: 10.1016/j.ijrmms.2022.105127
[29] 施 斌. 论大地感知系统与大地感知工程[J]. 工程地质学报,2017,25(3):582−591. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017.03.002 SHI Bin. On the ground sensing system and ground sensing engineering[J]. Journal of Engineering Geology,2017,25(3):582−591. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017.03.002
[30] 朴春德,施 斌,魏广庆,等. 采动覆岩变形BOTDA分布式测量及离层分析[J]. 采矿与安全工程学报,2015,32(3):376−381. doi: 10.13545/j.cnki.jmse.2015.03.005 PIAO Chunde,SHI Bin,WEI Guangqing,et al. BOTDA distributed measurement and analysis of mining overburden separation[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2015,32(3):376−381. doi: 10.13545/j.cnki.jmse.2015.03.005
[31] 张 丹,张平松,施 斌,等. 采场覆岩变形与破坏的分布式光纤监测与分析[J]. 岩土工程学报,2015,37(5):952−957. doi: 10.11779/CJGE201505023 ZHANG Dan,ZHANG Pingsong,SHI Bin,et al. Monitoring and analysis of overburden deformation and failure using distributed fiber optic sensing[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2015,37(5):952−957. doi: 10.11779/CJGE201505023
[32] 朱晓娟,陆 阳,邱述威,等. 无线传感器网络数据传输可靠性研究综述[J]. 计算机科学,2013,40(9):1−7, 15. doi: 10.3969/j.issn.1002-137X.2013.09.001 ZHU Xiaojuan,LU Yang,QIU Shuwei,et al. Survey of data transmission reliability in wireless sensor networks[J]. Computer Science,2013,40(9):1−7, 15. doi: 10.3969/j.issn.1002-137X.2013.09.001
[33] 程 刚. 煤层采动覆岩变形分布式光纤监测关键技术及其应用研究[D]. 南京: 南京大学, 2016. CHENG Gang. Research on key technologies and application of distributed fiber optic sensing for overlying rock deformation during coal mining[D]. Najing: Nanjing University, 2016.
[34] 郗刘涛. 基于LSTM的采动覆岩变形监测数据预测方法研究[D]. 西安: 西安科技大学, 2020. XI Liutao. Research on monitoring data forecasting method of mining-induced overburden deformation based on LSTM[D]. Xi’an: Xi’an University of Science and Technology, 2020.
[35] 许 强. 对滑坡监测预警相关问题的认识与思考[J]. 工程地质学报,2020,28(2):360−374. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2020-025 XU Qiang. Understanding the landslide monitoring and early warning: consideration to practical issues[J]. Journal of Engineering Geology,2020,28(2):360−374. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2020-025
-
期刊类型引用(9)
1. 唐巨鹏，张昕，潘一山. 煤与瓦斯突出物理模拟试验研究现状及展望. 岩石力学与工程学报. 2024(03): 521-541 . 
百度学术
2. 窦林名，王永忠，卢方舟，贺虎，何江，张强. 急倾斜特厚煤层冲击地压防治探索与总结. 煤炭科学技术. 2024(01): 84-94 . 本站查看
3. 王俊虎. 基于腔喉网络模型的煤体水驱气演变规律数值模拟. 能源与环保. 2024(06): 52-56 . 百度学术
4. 孟腊梅. 塔山煤矿高位钻孔布置参数优化研究. 华北自然资源. 2024(04): 58-61 . 百度学术
5. 王想刚，张世范，许继宗，张吉福，陈国红，陈玉东，马占海. 高应力特厚突出煤层水力割缝卸压防突技术研究. 中国煤炭. 2024(10): 48-56 . 百度学术
6. 汪有清，吴明，万业婷. 新集二矿1煤组坚硬覆岩裂隙瓦斯异常涌出成因机制研究. 当代化工研究. 2024(22): 153-155 . 百度学术
7. 杨雪林，文光才，孙海涛，闫发志，杨慧明，曹偈，程晓阳，鲁俊，李虎虎. 基于激波管理论的突出冲击波超压预测模型及试验验证. 煤炭学报. 2024(12): 4822-4841 . 百度学术
8. 张超林，刘明亮，王恩元，王培仲，姜巧真，曾伟. 煤层渗透性对煤与瓦斯突出的影响规律及控制机理. 煤炭学报. 2024(12): 4842-4854 . 百度学术
9. 袁安营，杨晓璐，侯俊领，付光胜. 深部近距离煤层群瓦斯涌出异常煤层孔隙结构综合表征. 煤炭科学技术. 2024(12): 116-126 . 本站查看
其他类型引用(4)
计量
- 文章访问数: 117
- HTML全文浏览量: 31
- PDF下载量: 58
- 被引次数: 13
