基于相似模拟和地质力学模型试验的突出装置研制及应用

高 魁，刘泽功，刘 健

(1.安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001）

1 引言

由于煤与瓦斯突出的严重性，Kuroiwa[1]、Patching[2]、Ujihira[3]、Paterson[4]、Alekseev[5]、Bodziony[6]、何学秋[7]和孟祥跃[8]等很早就已经开始在实验室进行煤与瓦斯突出模拟试验来认识煤与瓦斯突出现象，此时的煤与瓦斯突出试验装置相对比较简单，试验煤样的尺寸较小，监测设备简陋，对煤与瓦斯突出的研究难以深入[9]。

21 世纪初，以组建三维模拟试验台为特点，提高了模拟试验条件与现场的相似度，比较有代表性的有蔡成功[10]、许江等[11－13]和王刚等[14]。这些试验对突出的过程进行了控制且进行了重复性试验，力学加载系统的稳定性和可调性有了较大的改进，监测系统的精密性也有了很大提高，为深入认识突出过程提供了有利条件，对突出的发生和发展过程进行了研究，取得了丰富的成果，积累了宝贵的经验。但装置尺寸仍然较小，对试验条件进行了简化，且使用的也都是型煤试验，数据监测系统的传感器只是在装置的内部器壁上，还没有深入到所研究的煤岩体内部。

目前，安徽理工大学的张春华等[15]在实验室进行了复杂的地质构造对煤与瓦斯突出的影响的试验研究，但考虑地质构造对煤与瓦斯突出的影响的试验研究还处于初始阶段。

本文在基于相似模拟试验思想和地质力学模型试验新思路的基础上，在实验室搭建综合考虑复杂地质构造、地应力、瓦斯压力以及煤体结构的大型煤与瓦斯突出试验平台，以实现在实验室进行复杂的地质构造对煤与瓦斯突出的影响的试验研究。

2 相似模拟试验系统构建

突出模拟试验系统主要由试验箱体和反力架、液压加载系统、密封和瓦斯充气系统、试验监测系统组成。

2.1 试验装置箱体和反力架

试验箱体的外观净尺寸为2.5 m（长）×1.0 m（宽）×1.5 m（高）。开挖巷道断面为梯形，尺寸为8 cm（顶）×12 cm（底）×10 cm（高），试验装置箱体如图1 所示。

图1 煤与瓦斯突出箱体结构示意图Fig.1 Case structure of coal and gas outburst

箱体的四周壁面和底部是由厚8 mm 的钢板焊接而成，并在外壁用宽20 mm 的槽钢加固。箱体顶部是一个可以活动的箱盖，在此盖板上放置液压千斤顶用于加载。

千斤顶上方安置反力架，反力架能够承受15 MPa的应力而不发生明显的变形，试验装置箱体和反力架实物图如图2 所示。

图2 试验箱体和反力架Fig.2 Test case and counter force frame

2.2 试验装置密封系统

试验箱体的密封采用中性硅酮结构胶，如图3所示，高性能硅酮结构胶是一种单组分、中性固化并且可以在很宽的气温条件下轻易地挤出使用，依靠空气中的水分固化成优异、耐用的高模量、高弹性的硅酮橡胶，在试验的过程中能够保证箱体耐高压并且不漏瓦斯。

2.3 液压加载系统

液压加载系统主要由液压泵、油压管路、液压缸和反力架组成，如图4 所示。液压泵的量程为0～60 MPa，液压缸的最大顶出力为1 000 kN。

图3 中性硅酮结构胶Fig.3 Neutral structure silicone rubber

图4 液压加载系统Fig.4 Hydraulic loading system

2.4 瓦斯充气系统

充气管路采用内径为6 mm 的耐高压铜质细管焊接而成，采用两路充气系统。埋入煤层的铜管处钻有花眼，可以对煤层进行线充气；在地质构造附近煤层内设置一个方形的面充气点，用来模拟地质构造附近与正常煤层的瓦斯含量的差异，如图5 所示。

图5 高压瓦斯气瓶及充气管路Fig.5 High pressure gas cylinders and pipeline

2.5 试验装置监测系统

为有效监测巷道开挖过程中围岩的力学特性和突出特性，在模型开挖巷道周围区域间隔埋设了多种测量元器件，模型监测测点布置示意图如图6 所示。

图6 模型监测点布置图Fig.6 Layout of monitoring points in model

埋设的元器件包括：应变砖和位移传感器，同时，采用声发射系统对煤层内部裂隙发展发育情况进行监测，利用高速摄像机对瓦斯突出过程进行全程录像，如图7～10 所示。

3 石门揭构造软煤突出模拟试验

3.1 试验相似条件

图7 模型监测点电阻应变砖Fig.7 Resistance strain brick on monitoring point

图8 CW-YB-50 型位移传感器Fig.8 Displacement sensor of type CW-YB-50

图9 声发射检测仪Fig.9 Acoustic emission detector

图10 高速摄像仪Fig.10 High speed camera

试验以淮南矿区11-2 煤层为背景，根据实际煤岩层的岩石力学参数，确定试验模型的几何相似比为Cl=lp/lm=40:1（lp为原型尺寸，lm为模型尺寸）。实际岩体的平均密度为2.5 g/cm3，模拟岩体的平均密度为1.5 g/cm3，密度相似比为Cρ=ρp/ρm=5:3（ρp为原型密度，ρm为模型密度）。应力相似常数Cσ=Cl×Cρ=66.7，同时岩体抗拉强度σt、抗压强度σc、抗弯强度σf、抗剪强度σs以及弹性模量E 的相似常数均为66.7。煤层按800 m 埋深计算，原型所受的载荷为19.6 MPa，试验相似模型上方需要补偿的载荷为0.294 MPa。

建立的试验物理模型包含2个煤层，6 h 开挖一次，一次10 cm，相当于现场进尺4 m。

3.2 试验模型和监测点布置

在参考国内外关于地质构造和煤与瓦斯突出研究成果的基础上，建立了构造软煤带石门揭煤突出的物理模型。模型中有一落差大于煤层厚度的逆断层，断层附近发育有褶曲，使煤层厚度发生了变化。试验模型和数据监测点布置如图11 所示。

图11 试验模型和监测点的布置Fig.11 Layout of measuring points in test model

3.3 模拟试验过程

本次试验的主要步骤包括密封试验箱体、铺设相似材料、布置充气管路、埋设监测设备、模型预加载、箱体上方涂密封胶、正式加载和试验数据的采集与处理等。

构造软煤带物理模型的铺设过程如图12 所示，首先铺设煤层的底板岩层和断层面，然后在底板岩层上方铺设断层下盘，断层下盘铺设过程中在箱体正中间留有沟槽以备后面铺设断层上盘向下弯曲的褶曲用，最后铺设断层上盘和褶曲部分。

图12 构造软煤带物理模型铺设过程Fig.12 Laying process of physical model about tectonic soft coal

利用两个钢瓶分别向构造软煤和断层两侧的煤层充气。为安全起见，高压瓦斯采用吸附能力强但无爆炸危险性的CO2气体代替，钢瓶内气体压力为5.0MPa，充气压力为1 MPa。

在构造软煤带物理模型和充气管路铺设完成之后，在预定位置安放应变砖和位移传感器，如图13、14 所示。

图13 埋设应变砖Fig.13 Embedding strain bricks

图14 位移计铺设Fig.14 Arrangement of displacement meters

在材料和探头铺设和安装完毕后，加上试验箱体上盖板，然后按设计位置放置液压千斤顶并安装反力架。最后，连接液压千斤顶的输油管路和充气管路，整体装置如图15 所示。

图15 试验箱体和加载装置安装Fig.15 Test case and installation of loading device

试验模型安装完成后保持一定压力进行预加载，之后在箱体上盖板上方涂上一层30 mm 厚的硅胶与四周紧密结合，形成整体，见图16。

图16 箱体上方涂密封胶Fig.16 Sealant spread on material

最后，连接声发射探头，保持预定的载荷进行正式加载并充气48 h 至瓦斯吸附饱和。待瓦斯吸附饱和后，打开巷道密封钢板和胶垫进行巷道开挖。开挖过程中记录围岩应力、位移、瓦斯压力和声发射变化规律。

3.4 试验突出现象

考虑到巷道开挖过程中从开挖口漏气，在每次开挖结束后，用密封垫和密封钢板封闭巷道开挖口，然后补充气体。待开挖到构造软煤带附近时，在揭开煤层的瞬间发生了煤与瓦斯突出现象，高速摄像系统捕捉到的突出情况如图17 所示。

突出后，巷道开挖口前方的煤粉分布如图18所示。从图可以看出，突出的煤粉具有明显的分选性，远离突出口的煤粉较细且煤量减少，喷射距离最远为3 m 左右。

图17 石门揭构造软煤突出过程Fig.17 Process of tectonic soft coal uncovering by cross-cut

图18 突出后巷道开挖口前方的煤粉分布Fig.18 Distribution of pulverized coal after outburst

突出后的孔洞如图19 所示，从图可以看出，突出后的孔洞呈口小腔大的不规则形状，与现场发生的煤和瓦斯突出形状相近。

图19 突出后孔洞形状Fig.19 Shape of hole after outburst

3.5 试验结果分析

开挖过程中，各测点的应力分布如图20 所示。从图中可以看出，其中1#测点应力最大值位置距离开挖口8 cm 左右，应力最大值为0.47 MPa；2#测点应力最大值位置距离开挖口16 cm 左右，应力最大值为0.48 MPa。

3#、4#测点处于构造软煤带褶曲部位，并且位于突出点附近，应力集中度最高，应力值大于所施加的垂直应力，使煤体中积聚弹性潜能，增加了煤体的瓦斯压力梯度，为突出的准备和孕育提供了基础。发生突出后，3#、4#测点的应力值急剧下降接近于0，主要是由于突出形成的空腔造成该应力测点卸压成。

图20 开挖过程中各测点的应力Fig.20 Stress of each measuring point during excavation

开挖过程中，各个测点的位移变化规律如图21所示。从图可以看出，刚开始开挖时，由于采用薄钢焊接而成的梯形巷道支护而没有出现明显的位移。随着开挖地进行，1#测点的位移开始增加，当开挖到位移计下方时，由于上方岩体垮落，位移最大值为10 mm 左右。开挖到30 cm 时，2#测点发生了下沉，随后位移趋于平稳；当开挖到45 cm 左右时，发生了煤与瓦斯突出。由于突出形成的孔洞导致构造软煤中的位移计发生了明显的位移突变，3#测点的位移最大值达到了47 mm。

图21 开挖过程中各测点的位移变化Fig.21 Displacements of measuring points during excavation

充气结束后关闭钢瓶的充气阀，将充气管路连接瓦斯压力传感器，用来监测突出过程中煤层的瓦斯压力变化规律。突出过程中，断层带和构造软煤中的瓦斯压力变化曲线如图22 所示。

从图中可以看出，突出前瓦斯压力稳定，突出瞬间，构造软煤附近瓦斯压力首先急剧下降，并逐渐趋于0。由于突出造成构造软煤被抛出形成孔洞，使煤层的裂隙增加，断层附近瓦斯解吸并向裂隙区渗流扩散，瓦斯压力也开始急剧下降，后来也逐渐趋于0。

图22 突出过程中瓦斯压力变化曲线Fig.22 Variation curves of gas pressure in process of outburst

突出孕育发展过程中，声发射信号如图23 所示。从图可以看到，刚开始进行开挖时，声发射信号较弱。从100 s 开始，由于开挖的扰动影响，声发射信号逐渐增强且波动较大。

在400 s 处，开挖作业对岩体产生作用，应力集中使岩体发生破裂，能量释放，系统重新达到一种新的平衡，信号强度降低。

随着巷道开挖向前推进，应力集中带向前推移，到650 s 处，开挖到构造软煤附近，地应力对构造软煤做功，煤体的破裂发展，煤体向外膨胀，煤体中积聚弹性潜能和瓦斯膨胀能增大，能量信号强度明显增强。

到750 s 时，揭开构造软煤的瞬间，在极大的应力和压差下，煤体被抛出，完成了煤与瓦斯突出。煤与瓦斯突出发生后，地应力不再对煤体作用，瓦斯压力也迅速降低到大气压以下，声发射信号强度急剧下降。

图23 突出过程中声发射规律Fig.23 Characteristics of acoustic emission in process of outburst

4 结论

（1）基于相似模拟试验思想和地质力学模型试验新思路，研制出了大尺寸的煤与瓦斯突出模拟试验系统，试验箱体的外观尺寸为2.5 m×1.0 m×1.5 m（长×宽×高）。

（2）设计了能够埋入到煤层内部的线充气和面充气系统，能够很好地模拟实际煤层的瓦斯赋存的不均匀情况。

（3）根据相似条件，按照所建立的试验模型在实验室完成了试验系统的安装，同时进行了石门揭构造软煤的相似模拟试验，得出以下结论：

①突出开始时瓦斯携带碎煤岩喷出，突出点附近的瓦斯压力迅速下降，巷道内突出材料具有分选现象，突出后的孔洞呈口小腔大的不规则形状。

②在巷道开挖过程中，巷道前方围岩存在明显的应力集中，集中应力可达到原岩应力的1～2 倍，越靠近构造软煤应力集中现象越明显。

③突出发生前，巷道开挖导致巷道上方煤岩位移逐渐增加，但由于巷道支护较好，位移量变化不大；突出的瞬间，在构造软煤上方附近围岩的位移量瞬间产生了突变，位移量的最大值超过了47 mm。

④突出发生前，声发射信号有一次降低，煤体裂隙增大，为瓦斯的快速放散提供了条件。

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