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煤炭是一种不可或缺的能源，在我国的能源消费中处于主导地位。然而，随着开采深度的增加，复杂的地质条件及多样的煤层赋存条件增大了煤与瓦斯突出事故发生的频率[1]。突出发生时突出流体具有极大的破坏性，严重制约着矿井的安全生产[2-3]。因此，研究突出流体多物理场参数在密闭管道内的动态响应对矿井的防灾减灾具有一定的指导作用。
近年来，国内外研究人员在突出流体运移规律及其动力致灾方面已取得了一定研究成果。吴爱军等[4-5]通过开展煤与瓦斯突出模拟试验，揭示了冲击波的形成原因，建立了冲击波在煤岩体中的一维传播模型，并根据应力波理论分析了冲击波的传播规律。王凯等[6]利用流体力学、空气动力学理论建立了突出冲击波在变截面巷道中传播的数学模型，得出了冲击波衰减与截面积变化率之间的变化规律，并通过开展变截面巷道冲击波试验探究了冲击波在变截面巷道中的传播规律。张建方等[7]依据冲击波理论认为突出冲击波属于弱冲击波，其传播衰减与初始能量、传播距离、巷道摩擦阻力特性等因素有关。OTUONYE等[8]利用MacCormack显示有限差分法建立了煤与瓦斯瞬时突出巷道内瓦斯流动模型，分别在时间和空间上给出了混合速度、密度和气体浓度的分布。魏建平等[9]利用自主设计的试验系统，得出了突出冲击波在直线和拐弯巷道中的传播规律。王凯等[10-11]利用自主研制的突出煤-瓦斯两相流模拟试验系统进行了不同煤粉粒径配比的突出试验，重点研究了突出气流冲击力、激波波阵面传播、煤粉冲击等参数，得出气体冲击波速度远大于煤粉运动速度。许江等[12]、程亮等[13]通过开展不同瓦斯压力作用条件下的突出物理模拟试验，研究了突出气-固两相流的冲击力及其运动特征，得出冲击力大小与瓦斯压力无明显线性关系，且峰值冲击力在巷道中部出现陡增现象。孙东玲等[14-15]、曹偈等[16]自主研发了煤与瓦斯突出动力效应模拟试验装置，建立了一维情况下突出煤的运移数学模型，研究了突出煤颗粒运移距离与初始气流速度之间的关系。周斌等[17]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，开展了突出过程中煤层及巷道内的动态响应试验研究，得到了突出过程中煤层内的瓦斯压力和温度以及巷道内两相流的运移形态、冲击力和温度的演化规律。胡胜勇等[18]基于气固两相流理论，通过编程计算综掘工作面气载粉尘的运移过程，研究了综掘工作面气固两相流特性。ZHOU等[19-21]基于气体膨胀能在突出发展阶段的作用，提出了一种研究煤-瓦斯两相流传播特性的数值模拟方法，认为两相流中煤粉的体积分数对突出激波的衰减有显著的影响，并建立了直角交叉巷道、45°交叉巷道和135°交叉巷道的数值模拟模型，定性和定量地得出了突出激波和瓦斯流动的传播衰减特征。
以上学者在突出流体运移规律及其致灾领域多偏向于仅对单相气体和冲击波的研究，忽略了煤粉在突出流体运移过程中的作用，并且没有对突出流体的组成及分布进行深入探讨。同时，受装置及监测手段的影响，对突出过程中突出流体多物理场参数在巷道内部的动态响应试验研究较少。因此，笔者利用自主研制的多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟试验系统，开展突出流体在巷道中的运移规律模拟试验，旨在分析突出过程中突出流体的运动特征，煤粉堆积情况，冲击波阵面传播规律，静压和温度响应特征等，为井下防突设施的布置、灾后应急救援措施的设计、技术控制灾害扩大防止次生灾害的发生等防灾减灾措施有一定的指导意义。
试验采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完成[22]，如图1所示。该系统包括动力系统、巷道网络系统、数据采集系统、充气系统和泄压装置等装置组成。动力系统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煤-瓦斯两相流在巷道内的运移过程；泄压装置连接动力系统和巷道网络系统，能实现瞬间泄爆，模拟突出的瞬时性；数据采集系统包括DEWE-43A多功能数据采集器、50通道动态信号采集器和图像采集器。DEWE-43A多功能数据采集器主要用于静压数据的采集，采样率高达20 000 Hz；50CH动态信号采集器用于温度数据的采集，采样率为1 Hz。
采用“弧形直角拐弯型”巷道布置方式，共8节巷道，每节巷道分A—A′，B—B′两个断面直线部分全长12.5 m，拐弯后全长3.5 m。以煤层气压力2.0 MPa为试验初始条件，分析密闭管道内突出煤-瓦斯两相流多物理参数动态响应特征。试验共布置静压传感器(压阻式传感器)7个、温度传感器(PT1000)16个，如图1所示。(图1中1-A1，1-B1，R1-B1等均为温度传感器编号，；P1～P7为静压传感器编号其中，静压传感器布置在巷道中部壁面，温度传感器布置在A—A′,B—B′断面中心轴线处)另外，前5节巷道以及第8节巷道后皆安装了高清摄像头，方便观测煤-瓦斯两相流的运动特征。
图1 多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟试验系统
Fig.1 Multi-field coupled coal mine dynamic disaster large-scale physical simulation test system
具体试验步骤如下：①将原煤破碎，并按预定比例混合压制成型[23]；②密封试件箱体，并通过泄压装置将其与巷道网络系统连接起来；③利用真空泵将试件箱体内部压力抽真空至-0.1 MPa；④充气吸附，直至吸附平衡；⑤调试数据采集系统，完备后触发泄爆装置，完成突出；⑥保存数据，完成煤粉收集。
2.1.1 突出流体运动特征
突出启动后，煤层中的气流受瓦斯压力和突出孔洞结构影响，迅速向巷道空间喷射出，并通过曳力作用携带大量煤粉。
图2a和图2b分别为距煤层10.5 m和16 m处不同时刻拍摄到的图像。对比图2a、图2b可发现，突出40 ms时，突出气流已明显运移至距煤层12.5 m处，该时刻煤-瓦斯两相流并未到达距煤层10.5 m处。需要解释的是，突出过程中，巷道的剧烈震动以及高速气流携带试验前巷道内残余煤粉运移皆可对巷道可视度有一定影响，以残余煤粉运移位置作为气流运移位置的参照来估算气流速度，实际气流速度则高于估算速度。由此可见，突出气流速度快于突出煤-瓦斯两相流运移速度，且气流均速高于312.5 m/s。说明突出发生后，井下巷道内人员及设施设备率先受到气流的冲击动力灾害，而后才受煤-瓦斯两相流的动力致灾影响。另外，在突出320 ms时，煤-瓦斯两相流已完全扩大至整个截面，说明其均速不低于32 m/s。而后在突出640 ms时，整个巷道空间皆处于煤-瓦斯两相流阶段。
图2 突出流体运动特征
Fig.2 Outburst fluid movement characteristics
突出前期，由于气流速度大于煤粉流速度，巷道内呈现单相气流运移状态。随着突出的发展，巷道内从前到后逐渐演变成煤-瓦斯两相流运移状态。
因此，可将突出流体在巷道内运移分为2个阶段：单相气流阶段和煤-瓦斯两相流阶段。
2.1.2 突出强度及煤粉堆积特征
自煤层起，将巷道空间由前到后划分为25个区域，如图3所示。突出结束后收集各区域堆积的煤粉并称重，得出突出煤粉在巷道内的质量分布如图4所示。巷道内突出煤粉质量总计58.234 kg，相对突出强度约为28.7%。由图4可知，巷道内突出煤粉的分布总体上呈现先减小后增大的趋势，大部分煤粉堆积在弧形拐弯后，约占总质量的51.1%。其中，20号和21号区域煤粉堆积相对较多，其质量分别为8 295.1和9 126.3 g，分别约占总质量的14.3%和15.7%；12号、14号和15号区域煤粉相对较少，其质量分别为762.5、696.4和769.4 g。突出煤粉堆积呈现出两头多中间少的分布特征。分析认为，突出前期，高压瓦斯气流通过曳力带动煤体向巷道空间喷射出，呈射流状，其内聚能量大，可带动煤体一直运移到巷道深处沉降堆积；突出后期，随着突出能量的耗散，瓦斯气流曳力逐渐减弱，煤体动能随之减小，终止沉降在近突出口附近。同时，突出流体经弧形拐弯后，流动方向的改变造成更多能量的消耗，降低了气流搬运能力，从而导致煤粉多数堆积在弧形拐弯之后。
图3 巷道突出煤粉分布的区域划分
Fig.3 Division of distribution of pulverized coal in roadway outburst
图4 巷道突出煤粉质量分布
Fig.4 Quality distribution of pulverized coal in roadway outburst
2.2.1 巷道内静压演化规律
图5为突出流体运移过程中气体壁面静压的演化。需要说明的是，在剧烈的突出动力现象影响下，靠近煤层的P1传感器受到损坏，但不影响数据的整体规律分析。煤与瓦斯突出致灾过程可以看作是瓦斯带动煤体剧烈运动致灾的过程，煤-瓦斯两相流中气体的运动状态起到重要作用。值得注意的是，在突出流体运移过程中，静压是气体运动状态的一个重要表现形式。因此，从静压的演化规律中可体现出突出流体的运动特征，对于完善突出流体运移特征及其动力致灾特性的研究具有一定的参考价值。根据静压在不同时间段的响应差异，将突出过程中静压的演化分为4个阶段(图5)。阶段1处于突出前期，该时期内突出流体由单相气流阶段过渡到煤-瓦斯两相流阶段；阶段2、3处于突出中期，静压的演化完全受煤-瓦斯两相流运移的影响；阶段4处于突出后期，突出动力快速衰减，静压逐渐趋近于0。由阶段1可知，突出前期各位置静压有两个明显的正压作用区域，且其静压峰值皆高于随后全部阶段。在第一个正压作用区域内，静压的响应时间随距离的增加而推迟，响应时间和距离呈正相关。P2～P7的静压峰值分别为2.98、2.71、2.72、2.48、2.54和2.79 kPa，呈现出先降低后升高的演化趋势；在第二个正压作用区域内，静压的响应时间与之前相反，即随距离的增加而提前，表现为P7测点最先有反应，随后依次是P6、P5、P4、P3和P2。P2～P7的静压峰值分别为1.78、3.07、3.41、3.31、2.90、1.88 kPa，呈现出先增大后减小的演化趋势，详如图6所示。
图5 突出过程中巷道内静压的演化
Fig.5 Evolution of static pressure in tunnel during outburst
图6 静压响应时间和静压峰值随静压传感器至突出口距离的演化
Fig.6 Evolution of static pressure response time and peak static pressure with distance
结合气体动力学理论分析可知，突出启动后，瓦斯携带煤粉迅速向巷道空间喷射出，压缩其内原有空气产生空气压缩气流。压缩气流中有一系列压缩波产生，当压缩波叠加在一起将形成一道强压缩波，即空气冲击波[24]。空气冲击波沿巷道高速运移，使得巷道内空气介质的物理参数发生“突跃”式变化，在冲击波波阵面之后形成一段空气压缩区并沿巷道运移，最终导致巷道静压呈正压分布状态。在空气压缩区流经弧形巷道过程中，受压缩波的反射和折射的影响，于弧形拐弯处形成了复杂的压缩波系，并向煤层方向传播，使得静压从后向前响应，呈正压状态。
由阶段2、3可知，突出前中期在P4～P7间会产生间断且稳定的静压，每个测点的静压起伏趋势近乎一致。但在突出中后期，静压的起伏趋势开始表现出不同，相对较为混乱。值得注意的是，在0.5～1.6 s，仅P4～P7测点静压有反应，且P4、P5、P6的值相对较大；在0.6～3.4 s，P1和P2测点的静压开始有反应，并且P3和P4的值相对较大。该现象说明在突出前中期，煤-瓦斯两相流呈射流状，对近突出口区域影响不大。但，随突出的发展，突出动力逐渐减弱，气流在近突出口区域压缩-膨胀，从而导致该区域静压的上升。
2.2.2 冲击波阵面在静压中的响应
突出过程中静压首次时间响应间隔如图7所示。突出发生过程中，巷道内原有空气受煤-瓦斯两相流压缩形成空气压缩气流。压缩气流中有一系列压缩波产生，当压缩波叠加在一起将形成一道强压缩波，及空气冲击波。定义压缩气流与巷道未扰动区之间的分界面为冲击波阵面。一般情况下，冲击波阵面将位于压缩气流之前[25]，因此，以静压的响应时间以及测点间的间距来表征冲击波阵面的传播速度。需要说明的是，静压的动态响应频率为20 000 Hz，响应迅速，测试准确。由图5可知，P2～P7的静压响应时间差分别为5.9、4.9、5.6、6.0 ms和4.25 ms，其之间距离分别为2、2、2、2和1.6 m。由此，可计算出冲击波阵面的传播速度分别为338.98、408.16、357.14、333.33和376.47 m/s，详细见表1。波阵面传播速度在P3和P4测点之间最大，整体呈先增大后减小再增大的演化趋势。
图7 突出过程中静压首次时间响应间隔
Fig.7 First time response interval of static pressure in process of protrusion
表1 冲击波阵面的传播速度
Table 1 Propagation speed of shock wave front
至突出孔洞的距离/m速度/(m·s-1)至突出口距离/m4.5338.983.5～5.5(直巷)6.5408.165.5～7.5(直巷)8.5357.147.5～9.5(直巷)10.5333.339.5～11.5(直巷) 12.3376.4711.5～13.1(拐弯处)
2.3.1 巷道内温度随时间的演化
突出过程中巷道内不同位置温度随时间的演化如图8所示。整体上看，巷道内温度随突出的发展呈先迅速下降后缓慢回升的演化规律。值得注意的是，1-A1测点温度在前4 s内由16.60 ℃上升至17.65 ℃，而后于24 s时下降至14.25 ℃，呈现出先上升后下降再缓慢回升的演化规律。该现象说明煤-瓦斯两相流进入巷道后压缩原有空气使得巷道内温度升高，并且在前4 s内1-A1测点处气体压缩做功的影响高于煤层气解吸后对流传热，从而导致温度在突出启动后短暂的升高。同时，进一步证实了空气压缩气流的存在。突出过程中，瓦斯解吸和气体膨胀均会导致巷道内温度的降低，相反，气体压缩则会导致巷道内温度的升高。由此可见，整个突出过程中，瓦斯解吸和气体膨胀占主导地位。
由图8可知，各个测点由前到后最低温度分别为14.25、13.68、13.81、14.15、13.69、14.27、14.14、14.17、14.58、14.71、14.97、14.98、14.78、15.17、15.07和15.36 ℃，温度下降量从整体而言，呈现出随距离的增加而逐渐减小的趋势。同时，前6节巷道温度到达最低点的时间随距离的增加而推迟。值得注意的是，除了第1节巷道外，其余巷道的A—A′断面温度下降量高于B—B′断面，第1节巷道则反之。分析认为，煤-瓦斯两相流由煤层喷出后呈射流状，在1-A1测点处气体未完全膨胀，而在其之后膨胀做功，使得温度进一步降低。
图8 巷道内不同位置温度随时间的演化
Fig.8 Evolution of temperature at different locations in entry with time
2.3.2 巷道内温度随空间的演化
为了更直观地反映突出过程中巷道内温度的演化规律，绘制不同时刻温度沿巷道的分布规律如图9所示。以突出启动点为0时刻，选取0、10、20、30、40、50 s等时刻所对应的6条曲线。由图可以看出，当突出10 s时，距突出口2 m处温度下降最快，下降量为2.53 ℃；距突出口5～9 m的温度下降速率快于3、4 m处；温度下降速率并非严格递减，温度呈波动式分布。当突出20 s时，整体温度下降速率明显减缓，距突出口2 m处温度达最低点，为13.68 ℃。当突出30 s时，距突出口1、2 m处温度开始缓慢回升，6、9、15 m处温度下降速率骤减。当突出40～50 s时，整体变化很小，巷道最低温度改为5 m处，温度依旧处于波动式上升分布状态。
图9 巷道内不同位置温度随空间的演化
Fig.9 Evolution of temperature with space at different locations in entry
突出过程中，一方面，瓦斯解吸吸收大量热量，使得煤体及参与气体温度均下降；另一方面，瓦斯膨胀做功使煤体破碎并搬运其至巷道中运移传播，气流因气体膨胀做功而温度再次降低。突出启动后短时间内，瓦斯在巷道中以驱替运移为主[26]。近突出口区域，瓦斯驱替运移持续时间最长，巷道内原空气被置换的最彻底。因此，表现为温度下降量从整体而言呈现出随距离的增加而逐渐减小的趋势。另外，煤-瓦斯两相流运移过程中存在复杂的压缩-膨胀波系，不仅有气体膨胀的现象，同时还有气体压缩的现象。当气体压缩时，气流温度应相对升高，但此时低温气流的对流传热占主导地位，温度会将持续降低。因此在该处会产生一个阻碍气流温度降低的机制，使温度下降速率低于其他位置。综上，突出过程中，巷道内温度呈波动式上升分布状态，而并非单一上升分布。
煤与瓦斯突出的发生可分为孕育、启动、发展、终止等4个阶段[27]。同时，突出的发生也是能量的积蓄、储备、突然释放的过程。在采掘工作面正常运行中，巷道空气流动处于一种未扰动状态。但受开采扰动下煤层应力发生重新分布，持续积聚能量，形成高能量积蓄区。在突出启动、发展过程中，含瓦斯煤层内所积聚的高额能量突然向工作面一侧弱面释放，瞬间形成了一个连接煤层高能量积蓄区和工作面的释放通道[28]。煤层温度受瓦斯解吸影响持续降低，受瓦斯压力梯度作用，煤层内形成高压低温气流，并携带大量破碎煤体经过该通道喷射进入巷道空间，在煤层内形成口小腔大的突出孔洞[29]。在瓦斯携带煤体突然从煤层抛出过程中，如同一个巨大的活塞效应，以极高的流速冲击压缩巷道内原有的空气，使之形成空气压缩气流沿巷道运移。空气压缩气流内的受压气体在运移过程中不断压缩下一相邻空气，形成一系列压缩波，当压缩波叠加在一起将形成一道强压缩波及空气冲击波[25]。在高压瓦斯气流带动煤体运移过程中，煤体的运动主要受气体曳力的影响，气流速度将远高于煤粉流速度。因此，将出现高压瓦斯气流紧随空气压缩气流之后，再后是煤-瓦斯两相流的现象[30]。突出发展过程中，突出孔洞内瓦斯压力骤降，将向煤层内部产生巨大的抽吸作用，促使周围煤层气迅速解吸并向突出孔洞运移，煤层及巷道空间温度持续下降。同时，在高瓦斯压力梯度和高地应力作用下，突出孔洞不断扩大，从而导致不断有煤-瓦斯两相流形成并向巷道深部传播[31]。
以突出冲击波模型为基础[7,25]，突出冲击波模型如图10所示。考虑突出孔洞形貌特征、瓦斯流与煤粉流速度差异以及巷道形状，再结合试验将突出流体运移传播过程划分为单相气流阶段和煤-瓦斯两相流阶段，综合建立突出流体运移模型如图11所示。将巷道空间划分为巷道未扰动区、冲击波阵面、空气压缩区、瓦斯气流区和煤-瓦斯两相流区等5个部分。单相气流阶段指空气压缩区和瓦斯气流区内的气流以及冲击波阵面沿巷道运移传播的过程；煤-瓦斯两相流阶段指瓦斯通过曳力带动煤体运移传播的过程。
图10 突出冲击波模型示意
Fig.10 Schematic of outburst shock wave model
图11 突出流体运移模型示意
Fig.11 Schematic of outburst fluid transport model
由上述可知，突出过程中流体的运移可分为单相气流阶段和煤-瓦斯两相流阶段，其中单相气流阶段包括冲击波阵面、空气压缩气流和瓦斯气流的运移传播。图12为拐弯前后巷道静压P6、P7的演化，结合图11分析可知，当冲击波阵面和空气压缩气流从A—A′断面运移至B—B′断面时，由于速度极快，会使得两断面静压存在一个同步上升-下降的趋势，形成首个正压作用区域。此时，拐弯后P7静压峰值为2.79 kPa，大于拐弯前P6的静压峰值。分析认为，在冲击波阵面和空气压缩气流流经直角拐弯巷道过程中出现了压缩波的再次叠加，从而导致静压的升高。当瓦斯气流从A—A′断面运移至B—B′断面时，P6、P7出现第2个波峰，其值分别为2.90和1.88 kPa，表现为衰减的趋势。分析认为，当气流运移过程中遇到拐弯巷道时，流动方向的改变造成了能量的损失，从而加快静压的衰减。当煤-瓦斯两相流从A—A′断面运移至B—B′断面时，静压值陡降，且拐弯前P6的静压大于拐弯后P7的静压，呈衰减趋势。分析认为，突出煤-瓦斯两相流的固气比大，极大地影响了气体的流动状态，从而导致静压的骤减。同时，当煤-瓦斯两相流运移过程中遇到拐弯巷道时，也存在能量的衰减，使得静压不断减小。综上所述，突出流体在流经弧形直角拐弯巷道时会造成能量的损失，从而导致静压的降低。但冲击波阵面和空气压缩气流在流经弧形直角拐弯巷道时也会产生压缩波叠加现象，该现象会致使静压的升高。当压缩波叠加现象占主导时，静压升高；当能量耗散占主导时，静压降低。
图12 拐弯前后巷道内静压的演化
Fig.12 Evolution of static pressure in roadway before and after turning
弧形拐弯前后巷道内温度演化如图13所示。将温度下降过程划分为快速下降、缓慢下降和逐步回升3个阶段。由图13可知，在阶段1中，第6节巷道的温度下降速率明显快于拐弯后巷道；在阶段2中，第6节巷道温度和R1-B1温度的下降速率已明显减缓，但，R1-A1测点温度下降速率依旧迅速，并于30 s时下降至15.0 ℃；在阶段3中，R1-A1测点温度下降速率开始减缓，同时，所有温度皆有缓慢回升的趋势。值得注意的是，拐弯后R1-A1测点温度下降量高于第6节巷道。由文中3.1.2知，拐弯后突出煤粉堆积最多，因此，R1-A1测点受堆积煤粉气体解吸影响较大。同时，由于巷道形状的改变，在该区域形成了低温气体聚集区。两者共同作用，最终导致拐弯后温度下降量高于拐弯前。
图13 拐弯前后巷道内温度的演化
Fig.13 Evolution of temperature in roadway before and after turning
1)突出过程中，冲击波阵面的传播速度呈先增大后减小再增大的演化趋势，气流速度快于煤-瓦斯两相流运移速度，将突出流体运移传播过程划分为单相气流和煤-瓦斯两相流2个阶段。建立突出流体运移模型，将巷道空间划分为巷道未扰动区、冲击波阵面、空气压缩区、瓦斯气流区和煤-瓦斯两相流区等五部分。突出煤粉在巷道内堆积呈现出两头多中间少的分布特征，当遇见弧形拐弯巷道时，受能量损失的影响，煤粉将集中分布于拐弯后巷道。
2)巷道静压在单相气流阶段动态响应大；在煤-瓦斯两相流阶段静压值骤降。当静压受空气压缩气流影响时，静压峰值呈现出先降低后升高的演化趋势，静压响应时间随距离的增加而推迟，在遇见弧形拐弯巷道后，静压峰值升高，波阵面传播速度加快，说明空气压缩气流在流经弧形直角拐弯巷道时产生压缩波叠加现象；当静压受瓦斯气流影响时，静压峰值呈现出先增大后减小的演化趋势，静压响应时间随距离的增加而提前，在遇见弧形拐弯巷道后，静压峰值受能量损失的影响而降低；当静压受煤-瓦斯两相流影响时，其值整体较低，反应较为复杂。
3)巷道温度受瓦斯解吸、对流传热、压缩-膨胀做功等因素影响，具体呈先出迅速下降后缓慢回升的趋势。近突出口区域温度受压缩做功影响，呈现先增大后下降的趋势，且其最大下降量小于下一紧邻区域。突出过程中，巷道内温度呈波动式上升分布状态，部分区域存在一个阻碍巷道温度降低的机制。弧形拐弯后受堆积煤粉的气体解吸影响，形成一个低温气体聚集区，从而导致该位置温度下降量较大。
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