基于相似模擬和地質(zhì)力學(xué)模型試驗的突出裝置研制及應(yīng)用

高 魁，劉澤功，劉 健

(1.安徽理工大學(xué) 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(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001）

1 引言

由于煤與瓦斯突出的嚴(yán)重性，Kuroiwa[1]、Patching[2]、Ujihira[3]、Paterson[4]、Alekseev[5]、Bodziony[6]、何學(xué)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(rèn)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(shè)備簡陋，對煤與瓦斯突出的研究難以深入[9]。

21 世紀(jì)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(fù)性試驗，力學(xué)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(rèn)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(xué)的張春華等[15]在實驗室進行了復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造對煤與瓦斯突出的影響的試驗研究，但考慮地質(zhì)構(gòu)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(xué)模型試驗新思路的基礎(chǔ)上，在實驗室搭建綜合考慮復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、瓦斯壓力以及煤體結(jié)構(gòu)的大型煤與瓦斯突出試驗平臺，以實現(xiàn)在實驗室進行復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)膠，如圖3所示，高性能硅酮結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xì)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(gòu)造附近煤層內(nèi)設(shè)置一個方形的面充氣點，用來模擬地質(zhì)構(gòu)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(xué)特性和突出特性，在模型開挖巷道周圍區(qū)域間隔埋設(shè)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(shè)的元器件包括：應(yīng)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(gòu)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(yīng)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(xué)參數(shù)，確定試驗?zāi)Ｐ偷膸缀蜗嗨票葹镃l=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(yīng)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(dāng)于現(xiàn)場進尺4 m。

3.2 試驗?zāi)Ｐ秃捅O(jiān)測點布置

在參考國內(nèi)外關(guān)于地質(zhì)構(gòu)造和煤與瓦斯突出研究成果的基礎(chǔ)上，建立了構(gòu)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?zāi)Ｐ秃蛿?shù)據(jù)監(jiān)測點布置如圖11 所示。

圖11 試驗?zāi)Ｐ秃捅O(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(shè)相似材料、布置充氣管路、埋設(shè)監(jiān)測設(shè)備、模型預(yù)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(gòu)造軟煤帶物理模型的鋪設(shè)過程如圖12 所示，首先鋪設(shè)煤層的底板巖層和斷層面，然后在底板巖層上方鋪設(shè)斷層下盤，斷層下盤鋪設(shè)過程中在箱體正中間留有溝槽以備后面鋪設(shè)斷層上盤向下彎曲的褶曲用，最后鋪設(shè)斷層上盤和褶曲部分。

圖12 構(gòu)造軟煤帶物理模型鋪設(shè)過程Fig.12 Laying process of physical model about tectonic soft coal

利用兩個鋼瓶分別向構(gòu)造軟煤和斷層兩側(cè)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(gòu)造軟煤帶物理模型和充氣管路鋪設(shè)完成之后，在預(yù)定位置安放應(yīng)變磚和位移傳感器，如圖13、14 所示。

圖13 埋設(shè)應(yīng)變磚Fig.13 Embedding strain bricks

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

在材料和探頭鋪設(shè)和安裝完畢后，加上試驗箱體上蓋板，然后按設(shè)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罚w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?zāi)Ｐ桶惭b完成后保持一定壓力進行預(yù)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(jié)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(yù)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(yīng)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(jié)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(gòu)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(yuǎn)離突出口的煤粉較細(xì)且煤量減少，噴射距離最遠(yuǎn)為3 m 左右。

圖17 石門揭構(gòu)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(jié)果分析

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

3#、4#測點處于構(gòu)造軟煤帶褶曲部位，并且位于突出點附近，應(yīng)力集中度最高，應(yīng)力值大于所施加的垂直應(yīng)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(zhǔn)備和孕育提供了基礎(chǔ)。發(fā)生突出后，3#、4#測點的應(yīng)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(yīng)力測點卸壓成。

圖20 開挖過程中各測點的應(yīng)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)致構(gòu)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(jié)束后關(guān)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(yīng)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(yīng)力集中帶向前推移，到650 s 處，開挖到構(gòu)造軟煤附近，地應(yīng)力對構(gòu)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(gòu)造軟煤的瞬間，在極大的應(yīng)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(yīng)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(jié)論

（1）基于相似模擬試驗思想和地質(zhì)力學(xué)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(shè)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?zāi)Ｐ驮趯嶒炇彝瓿闪嗽囼炏到y(tǒng)的安裝，同時進行了石門揭構(gòu)造軟煤的相似模擬試驗，得出以下結(jié)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(yīng)力集中，集中應(yīng)力可達到原巖應(yīng)力的1～2 倍，越靠近構(gòu)造軟煤應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯。

③突出發(fā)生前，巷道開挖導(dǎo)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(gòu)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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