高 魁，劉澤功，劉 健

(1.安徽理工大學 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001）

1 引言

由于煤與瓦斯突出的嚴重性，Kuroiwa[1]、Patching[2]、Ujihira[3]、Paterson[4]、Alekseev[5]、Bodziony[6]、何學秋[7]和孟祥躍[8]等很早就已經(jīng)開始在實驗室進行煤與瓦斯突出模擬試驗來認識煤與瓦斯突出現(xiàn)象，此時的煤與瓦斯突出試驗裝置相對比較簡單，試驗煤樣的尺寸較小，監(jiān)測設備簡陋，對煤與瓦斯突出的研究難以深入[9]。

21 世紀初，以組建三維模擬試驗臺為特點，提高了模擬試驗條件與現(xiàn)場的相似度，比較有代表性的有蔡成功[10]、許江等[11－13]和王剛等[14]。這些試驗對突出的過程進行了控制且進行了重復性試驗，力學加載系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可調(diào)性有了較大的改進，監(jiān)測系統(tǒng)的精密性也有了很大提高，為深入認識突出過程提供了有利條件，對突出的發(fā)生和發(fā)展過程進行了研究，取得了豐富的成果，積累了寶貴的經(jīng)驗。但裝置尺寸仍然較小，對試驗條件進行了簡化，且使用的也都是型煤試驗，數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器只是在裝置的內(nèi)部器壁上，還沒有深入到所研究的煤巖體內(nèi)部。

目前，安徽理工大學的張春華等[15]在實驗室進行了復雜的地質(zhì)構造對煤與瓦斯突出的影響的試驗研究，但考慮地質(zhì)構造對煤與瓦斯突出的影響的試驗研究還處于初始階段。

本文在基于相似模擬試驗思想和地質(zhì)力學模型試驗新思路的基礎上，在實驗室搭建綜合考慮復雜地質(zhì)構造、地應力、瓦斯壓力以及煤體結構的大型煤與瓦斯突出試驗平臺，以實現(xiàn)在實驗室進行復雜的地質(zhì)構造對煤與瓦斯突出的影響的試驗研究。

2 相似模擬試驗系統(tǒng)構建

突出模擬試驗系統(tǒng)主要由試驗箱體和反力架、液壓加載系統(tǒng)、密封和瓦斯充氣系統(tǒng)、試驗監(jiān)測系統(tǒng)組成。

2.1 試驗裝置箱體和反力架

試驗箱體的外觀凈尺寸為2.5 m（長）×1.0 m（寬）×1.5 m（高）。開挖巷道斷面為梯形，尺寸為8 cm（頂）×12 cm（底）×10 cm（高），試驗裝置箱體如圖1 所示。

圖1 煤與瓦斯突出箱體結構示意圖Fig.1 Case structure of coal and gas outburst

箱體的四周壁面和底部是由厚8 mm 的鋼板焊接而成，并在外壁用寬20 mm 的槽鋼加固。箱體頂部是一個可以活動的箱蓋，在此蓋板上放置液壓千斤頂用于加載。

千斤頂上方安置反力架，反力架能夠承受15 MPa的應力而不發(fā)生明顯的變形，試驗裝置箱體和反力架實物圖如圖2 所示。

圖2 試驗箱體和反力架Fig.2 Test case and counter force frame

2.2 試驗裝置密封系統(tǒng)

試驗箱體的密封采用中性硅酮結構膠，如圖3所示，高性能硅酮結構膠是一種單組分、中性固化并且可以在很寬的氣溫條件下輕易地擠出使用，依靠空氣中的水分固化成優(yōu)異、耐用的高模量、高彈性的硅酮橡膠，在試驗的過程中能夠保證箱體耐高壓并且不漏瓦斯。

2.3 液壓加載系統(tǒng)

液壓加載系統(tǒng)主要由液壓泵、油壓管路、液壓缸和反力架組成，如圖4 所示。液壓泵的量程為0～60 MPa，液壓缸的最大頂出力為1 000 kN。

圖3 中性硅酮結構膠Fig.3 Neutral structure silicone rubber

圖4 液壓加載系統(tǒng)Fig.4 Hydraulic loading system

2.4 瓦斯充氣系統(tǒng)

充氣管路采用內(nèi)徑為6 mm 的耐高壓銅質(zhì)細管焊接而成，采用兩路充氣系統(tǒng)。埋入煤層的銅管處鉆有花眼，可以對煤層進行線充氣；在地質(zhì)構造附近煤層內(nèi)設置一個方形的面充氣點，用來模擬地質(zhì)構造附近與正常煤層的瓦斯含量的差異，如圖5 所示。

圖5 高壓瓦斯氣瓶及充氣管路Fig.5 High pressure gas cylinders and pipeline

2.5 試驗裝置監(jiān)測系統(tǒng)

為有效監(jiān)測巷道開挖過程中圍巖的力學特性和突出特性，在模型開挖巷道周圍區(qū)域間隔埋設了多種測量元器件，模型監(jiān)測測點布置示意圖如圖6 所示。

圖6 模型監(jiān)測點布置圖Fig.6 Layout of monitoring points in model

埋設的元器件包括：應變磚和位移傳感器，同時，采用聲發(fā)射系統(tǒng)對煤層內(nèi)部裂隙發(fā)展發(fā)育情況進行監(jiān)測，利用高速攝像機對瓦斯突出過程進行全程錄像，如圖7～10 所示。

3 石門揭構造軟煤突出模擬試驗

3.1 試驗相似條件

圖7 模型監(jiān)測點電阻應變磚Fig.7 Resistance strain brick on monitoring point

圖8 CW-YB-50 型位移傳感器Fig.8 Displacement sensor of type CW-YB-50

圖9 聲發(fā)射檢測儀Fig.9 Acoustic emission detector

圖10 高速攝像儀Fig.10 High speed camera

試驗以淮南礦區(qū)11-2 煤層為背景，根據(jù)實際煤巖層的巖石力學參數(shù)，確定試驗模型的幾何相似比為Cl=lp/lm=40:1（lp為原型尺寸，lm為模型尺寸）。實際巖體的平均密度為2.5 g/cm3，模擬巖體的平均密度為1.5 g/cm3，密度相似比為Cρ=ρp/ρm=5:3（ρp為原型密度，ρm為模型密度）。應力相似常數(shù)Cσ=Cl×Cρ=66.7，同時巖體抗拉強度σt、抗壓強度σc、抗彎強度σf、抗剪強度σs以及彈性模量E 的相似常數(shù)均為66.7。煤層按800 m 埋深計算，原型所受的載荷為19.6 MPa，試驗相似模型上方需要補償?shù)妮d荷為0.294 MPa。

建立的試驗物理模型包含2個煤層，6 h 開挖一次，一次10 cm，相當于現(xiàn)場進尺4 m。

3.2 試驗模型和監(jiān)測點布置

在參考國內(nèi)外關于地質(zhì)構造和煤與瓦斯突出研究成果的基礎上，建立了構造軟煤帶石門揭煤突出的物理模型。模型中有一落差大于煤層厚度的逆斷層，斷層附近發(fā)育有褶曲，使煤層厚度發(fā)生了變化。試驗模型和數(shù)據(jù)監(jiān)測點布置如圖11 所示。

圖11 試驗模型和監(jiān)測點的布置Fig.11 Layout of measuring points in test model

3.3 模擬試驗過程

本次試驗的主要步驟包括密封試驗箱體、鋪設相似材料、布置充氣管路、埋設監(jiān)測設備、模型預加載、箱體上方涂密封膠、正式加載和試驗數(shù)據(jù)的采集與處理等。

構造軟煤帶物理模型的鋪設過程如圖12 所示，首先鋪設煤層的底板巖層和斷層面，然后在底板巖層上方鋪設斷層下盤，斷層下盤鋪設過程中在箱體正中間留有溝槽以備后面鋪設斷層上盤向下彎曲的褶曲用，最后鋪設斷層上盤和褶曲部分。

圖12 構造軟煤帶物理模型鋪設過程Fig.12 Laying process of physical model about tectonic soft coal

利用兩個鋼瓶分別向構造軟煤和斷層兩側的煤層充氣。為安全起見，高壓瓦斯采用吸附能力強但無爆炸危險性的CO2氣體代替，鋼瓶內(nèi)氣體壓力為5.0MPa，充氣壓力為1 MPa。

在構造軟煤帶物理模型和充氣管路鋪設完成之后，在預定位置安放應變磚和位移傳感器，如圖13、14 所示。

圖13 埋設應變磚Fig.13 Embedding strain bricks

圖14 位移計鋪設Fig.14 Arrangement of displacement meters

在材料和探頭鋪設和安裝完畢后，加上試驗箱體上蓋板，然后按設計位置放置液壓千斤頂并安裝反力架。最后，連接液壓千斤頂?shù)妮斢凸苈泛统錃夤苈?，整體裝置如圖15 所示。

圖15 試驗箱體和加載裝置安裝Fig.15 Test case and installation of loading device

試驗模型安裝完成后保持一定壓力進行預加載，之后在箱體上蓋板上方涂上一層30 mm 厚的硅膠與四周緊密結合，形成整體，見圖16。

圖16 箱體上方涂密封膠Fig.16 Sealant spread on material

最后，連接聲發(fā)射探頭，保持預定的載荷進行正式加載并充氣48 h 至瓦斯吸附飽和。待瓦斯吸附飽和后，打開巷道密封鋼板和膠墊進行巷道開挖。開挖過程中記錄圍巖應力、位移、瓦斯壓力和聲發(fā)射變化規(guī)律。

3.4 試驗突出現(xiàn)象

考慮到巷道開挖過程中從開挖口漏氣，在每次開挖結束后，用密封墊和密封鋼板封閉巷道開挖口，然后補充氣體。待開挖到構造軟煤帶附近時，在揭開煤層的瞬間發(fā)生了煤與瓦斯突出現(xiàn)象，高速攝像系統(tǒng)捕捉到的突出情況如圖17 所示。

突出后，巷道開挖口前方的煤粉分布如圖18所示。從圖可以看出，突出的煤粉具有明顯的分選性，遠離突出口的煤粉較細且煤量減少，噴射距離最遠為3 m 左右。

圖17 石門揭構造軟煤突出過程Fig.17 Process of tectonic soft coal uncovering by cross-cut

圖18 突出后巷道開挖口前方的煤粉分布Fig.18 Distribution of pulverized coal after outburst

突出后的孔洞如圖19 所示，從圖可以看出，突出后的孔洞呈口小腔大的不規(guī)則形狀，與現(xiàn)場發(fā)生的煤和瓦斯突出形狀相近。

圖19 突出后孔洞形狀Fig.19 Shape of hole after outburst

3.5 試驗結果分析

開挖過程中，各測點的應力分布如圖20 所示。從圖中可以看出，其中1#測點應力最大值位置距離開挖口8 cm 左右，應力最大值為0.47 MPa；2#測點應力最大值位置距離開挖口16 cm 左右，應力最大值為0.48 MPa。

3#、4#測點處于構造軟煤帶褶曲部位，并且位于突出點附近，應力集中度最高，應力值大于所施加的垂直應力，使煤體中積聚彈性潛能，增加了煤體的瓦斯壓力梯度，為突出的準備和孕育提供了基礎。發(fā)生突出后，3#、4#測點的應力值急劇下降接近于0，主要是由于突出形成的空腔造成該應力測點卸壓成。

圖20 開挖過程中各測點的應力Fig.20 Stress of each measuring point during excavation

開挖過程中，各個測點的位移變化規(guī)律如圖21所示。從圖可以看出，剛開始開挖時，由于采用薄鋼焊接而成的梯形巷道支護而沒有出現(xiàn)明顯的位移。隨著開挖地進行，1#測點的位移開始增加，當開挖到位移計下方時，由于上方巖體垮落，位移最大值為10 mm 左右。開挖到30 cm 時，2#測點發(fā)生了下沉，隨后位移趨于平穩(wěn)；當開挖到45 cm 左右時，發(fā)生了煤與瓦斯突出。由于突出形成的孔洞導致構造軟煤中的位移計發(fā)生了明顯的位移突變，3#測點的位移最大值達到了47 mm。

圖21 開挖過程中各測點的位移變化Fig.21 Displacements of measuring points during excavation

充氣結束后關閉鋼瓶的充氣閥，將充氣管路連接瓦斯壓力傳感器，用來監(jiān)測突出過程中煤層的瓦斯壓力變化規(guī)律。突出過程中，斷層帶和構造軟煤中的瓦斯壓力變化曲線如圖22 所示。

從圖中可以看出，突出前瓦斯壓力穩(wěn)定，突出瞬間，構造軟煤附近瓦斯壓力首先急劇下降，并逐漸趨于0。由于突出造成構造軟煤被拋出形成孔洞，使煤層的裂隙增加，斷層附近瓦斯解吸并向裂隙區(qū)滲流擴散，瓦斯壓力也開始急劇下降，后來也逐漸趨于0。

圖22 突出過程中瓦斯壓力變化曲線Fig.22 Variation curves of gas pressure in process of outburst

突出孕育發(fā)展過程中，聲發(fā)射信號如圖23 所示。從圖可以看到，剛開始進行開挖時，聲發(fā)射信號較弱。從100 s 開始，由于開挖的擾動影響，聲發(fā)射信號逐漸增強且波動較大。

在400 s 處，開挖作業(yè)對巖體產(chǎn)生作用，應力集中使巖體發(fā)生破裂，能量釋放，系統(tǒng)重新達到一種新的平衡，信號強度降低。

隨著巷道開挖向前推進，應力集中帶向前推移，到650 s 處，開挖到構造軟煤附近，地應力對構造軟煤做功，煤體的破裂發(fā)展，煤體向外膨脹，煤體中積聚彈性潛能和瓦斯膨脹能增大，能量信號強度明顯增強。

到750 s 時，揭開構造軟煤的瞬間，在極大的應力和壓差下，煤體被拋出，完成了煤與瓦斯突出。煤與瓦斯突出發(fā)生后，地應力不再對煤體作用，瓦斯壓力也迅速降低到大氣壓以下，聲發(fā)射信號強度急劇下降。

圖23 突出過程中聲發(fā)射規(guī)律Fig.23 Characteristics of acoustic emission in process of outburst

4 結論

（1）基于相似模擬試驗思想和地質(zhì)力學模型試驗新思路，研制出了大尺寸的煤與瓦斯突出模擬試驗系統(tǒng)，試驗箱體的外觀尺寸為2.5 m×1.0 m×1.5 m（長×寬×高）。

（2）設計了能夠埋入到煤層內(nèi)部的線充氣和面充氣系統(tǒng)，能夠很好地模擬實際煤層的瓦斯賦存的不均勻情況。

（3）根據(jù)相似條件，按照所建立的試驗模型在實驗室完成了試驗系統(tǒng)的安裝，同時進行了石門揭構造軟煤的相似模擬試驗，得出以下結論：

①突出開始時瓦斯攜帶碎煤巖噴出，突出點附近的瓦斯壓力迅速下降，巷道內(nèi)突出材料具有分選現(xiàn)象，突出后的孔洞呈口小腔大的不規(guī)則形狀。

②在巷道開挖過程中，巷道前方圍巖存在明顯的應力集中，集中應力可達到原巖應力的1～2 倍，越靠近構造軟煤應力集中現(xiàn)象越明顯。

③突出發(fā)生前，巷道開挖導致巷道上方煤巖位移逐漸增加，但由于巷道支護較好，位移量變化不大；突出的瞬間，在構造軟煤上方附近圍巖的位移量瞬間產(chǎn)生了突變，位移量的最大值超過了47 mm。

④突出發(fā)生前，聲發(fā)射信號有一次降低，煤體裂隙增大，為瓦斯的快速放散提供了條件。

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