煤與瓦斯共采三維大尺度物理模擬實驗系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

李樹剛，魏宗勇，林海飛，趙鵬翔，肖 鵬，郝昱宇

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.西安科技大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，陜西 西安 710054)

煤炭是我國的主體能源，根據(jù)國家數(shù)據(jù)統(tǒng)計在一次能源生產(chǎn)和消費中比重分別占69.6%和62%[1-2]。隨著煤層開采強度的增大、開采深度的增加，瓦斯含量及瓦斯涌出量逐漸增大，瓦斯災(zāi)害也日趨嚴重[3-4]。由于我國大部分礦區(qū)煤層透氣性較差，預(yù)抽效果不甚理想，采后卸壓抽采為實現(xiàn)煤與瓦斯共采的一種有效手段，其關(guān)鍵科學(xué)問題是采動覆巖裂隙動態(tài)演化規(guī)律及卸壓瓦斯運移規(guī)律。為研究該問題，物理模擬實驗、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場工業(yè)性實驗等手段得以應(yīng)用，相較于后兩者，物理模擬實驗具有可靠性高、直觀性強與重復(fù)性好等特點，已成為研究煤與瓦斯共采科學(xué)問題的主要方法[5]。

早期，物理模擬實驗主要以平面應(yīng)力模型或平面應(yīng)變模型為主，無法真正體現(xiàn)三維空間狀態(tài)下的規(guī)律[6-7]。近年來，為了解決二維模型存在的問題，研制了一批仿真程度更高的三維物理模擬實驗平臺。李仲奎等[8-9]發(fā)明了三維多主應(yīng)力面加載實驗系統(tǒng)，成功完成了復(fù)雜洞室群模型實驗。胡耀青等[10-11]建立的大型三維固流耦合模擬實驗系統(tǒng)，研究了覆巖位移和應(yīng)力變化規(guī)律，為礦井煤層開采覆巖活動及地表沉降的研宄提供了基礎(chǔ)指導(dǎo)。伍永平等[12-14]依托自主研發(fā)的多功能立體支架實驗裝置，探究了急斜煤層開釆煤巖多場耦合失穩(wěn)機理、圍巖變形破壞及應(yīng)力分布特征。李樹剛等[15-17]主持研制了煤與瓦斯共采小型三維物理模擬實驗臺，探究了煤層開采過程中采動應(yīng)力分布和覆巖破壞規(guī)律。尹光志等[18-20]應(yīng)用三維物理模擬的方法對煤與瓦斯突出進行了深入的研究。已有研究取得了豐富成果，初步實現(xiàn)了實際工程原型的模型試驗，但以往研究主要集中于地應(yīng)力對圍巖巷道影響，或側(cè)重于高應(yīng)力、高瓦斯壓力下煤與瓦斯突出規(guī)律，對于煤與瓦斯共采物理模擬涉及較少;另外，覆巖裂隙演化、礦山壓力以及卸壓瓦斯儲運與抽采一體同步研究的大型三維物理模擬實驗平臺功能實現(xiàn)仍需完善。

為進一步解決煤與瓦斯共采模型實驗研究的不足，筆者在充分借鑒前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，自主研制了一套煤與瓦斯共采三維大尺度物理模擬實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)可相對真實的再現(xiàn)工作面煤層開采、通風(fēng)、瓦斯涌出及抽采環(huán)境，將覆巖裂隙演化、礦山壓力分布以及卸壓瓦斯儲運與抽采等進行同時同步研究，從而為實現(xiàn)煤與瓦斯共采提供一定的理論依據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)研制

1.1 實驗系統(tǒng)技術(shù)方案

煤與瓦斯共采三維大尺度物理模擬實驗系統(tǒng)能夠進行煤層開采條件下覆巖裂隙演化、礦山壓力分布、卸壓瓦斯儲運及抽采的同步化物理模擬實驗研究。實驗平臺采用模塊化設(shè)計方法，主要由7個單元構(gòu)成，分別是大尺度箱體與基座、自動液壓開采單元、柔性加載單元、自動通風(fēng)單元、瓦斯注入單元、瓦斯抽采單元、綜合數(shù)據(jù)采集與控制單元，可實現(xiàn)應(yīng)力場、瓦斯場、裂隙場等多場表征參數(shù)的動態(tài)采集及控制(圖1)。

圖1 實驗系統(tǒng)總設(shè)計構(gòu)架Fig.1 General design framework of experimental system

1.2 實驗平臺主要構(gòu)成

1.2.1 大尺度實驗箱體與基座

根據(jù)目前煤礦綜合機械化采煤工作面的面長與推進距離，以及模擬實驗的要求，確定實驗?zāi)Ｐ统叽鐬?.0 m×2.5 m×1.8 m，如圖2所示。箱體采用高強度加強筋焊接鋼板拼接而成，模型正面與背面分別設(shè)計螺紋孔，用于測試覆巖裂隙中瓦斯壓力以及瓦斯?jié)舛?模型采空區(qū)側(cè)可接入多路傳感器線，用于測試煤層頂?shù)装鍛?yīng)力、瓦斯?jié)舛?大巷側(cè)設(shè)計有通風(fēng)孔、瓦斯抽采孔，可模擬多種通風(fēng)方式以及模擬高位巷、高位鉆孔抽采。大尺度實驗箱體的基座采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，承載整個實驗系統(tǒng)。

圖2 大尺度實驗箱體Fig.2 Large-scale experimental box

1.2.2 自動液壓開采單元

自動液壓開采單元用于模擬封閉狀態(tài)下煤層開采全過程。該單元主要由特制條鋼、高承載液壓缸、電磁換向閥、位移傳感器、PLC電氣控制組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)封閉空間中煤層開采及煤層開采速度控制的難題，也可模擬不同煤層厚度。實現(xiàn)原理是每2個液壓缸支撐1個特制條鋼，構(gòu)成剛性聯(lián)結(jié)，液壓缸缸體以法蘭方式聯(lián)結(jié)于箱體底部;實驗開始前將所有液壓缸升至預(yù)定高度形成未開采煤層，然后鋪設(shè)模型，煤層的開采過程就是逐個降下特制條鋼。以1∶100幾何相似比，可實現(xiàn)工作面長200 m、采高0～12 m、推進距離200 m的煤層開采過程真實模擬(圖3)。

圖3 自動液壓開采單元Fig.3 Automatic hydraulic mining unit

1.2.3 柔性加載單元

隨模型實驗煤層開采的不斷推進，物理模型頂面會產(chǎn)生不均勻的彎曲下沉，為實現(xiàn)煤層開采后模型頂部的均布加載，研制了液壓柔性加載單元。柔性加載單元由大型液壓站、高強度剛性龍門、特制壓頭、彈簧組以及特制橡膠構(gòu)成，采用伺服液壓控制模式精確控制加載力(圖4)。加載單元整體安裝在直線導(dǎo)軌上，并由減速機-齒輪-鏈條拖動。當(dāng)鋪設(shè)模型時將加載單元移動到箱體外側(cè)，利于模型裝填;加載時，將加載單元移動到模型上方，采用96組高強螺栓與基座固定。柔性加載單元最大加載力為3×106N，按幾何相似比1∶100以及新型相似材料容重[16]計，最大模擬采深2 105 m。

圖4 柔性加載單元Fig.4 Flexible loading unit

1.2.4 自動通風(fēng)單元

自動通風(fēng)單元主要模擬礦井通風(fēng)，實現(xiàn)對采煤工作面的精準配風(fēng)，可模擬U型、U+L型、Y型等多種通風(fēng)方式。該單元主要由通風(fēng)巷道、常閉電磁閥、HG-370型風(fēng)機、各種傳感器(流量、濃度、負壓傳感器)、通風(fēng)管路以及控制系統(tǒng)等組成，風(fēng)量采用調(diào)節(jié)器控制為比例、積分、微分的PID控制方式，實現(xiàn)通風(fēng)量的精確控制。

U型通風(fēng)設(shè)計采用自成巷道原理，實驗?zāi)Ｐ脱b填前，將通風(fēng)特制條鋼液壓缸升至進風(fēng)、回風(fēng)巷道的比例高度;模型裝填完成、晾干以后，降下進風(fēng)巷道、回風(fēng)巷道條鋼，形成U型通風(fēng)系統(tǒng)，原理如圖5所示。

圖5 U型通風(fēng)設(shè)計原理Fig.5 Design principle of U-type ventilation

U+L型通風(fēng)設(shè)計原理:以U型通風(fēng)巷道為基礎(chǔ)，采用有機玻璃制成L型巷道模型，巷道斷面尺寸為50 mm×40 mm(寬×高)。U型與L型之間聯(lián)絡(luò)巷用電磁閥控制開啟、封閉，聯(lián)絡(luò)巷之間距離設(shè)計為35 cm，共設(shè)計6條聯(lián)絡(luò)巷(圖6)。Y型通風(fēng)主要采用兩進一回通風(fēng)方式，沿空埋設(shè)管路。

圖6 U+L型通風(fēng)設(shè)計原理Fig.6 Design principle of U+L-type ventilation

1.2.5 瓦斯注入單元

瓦斯注入單元用于模擬采區(qū)瓦斯涌出規(guī)律，可實現(xiàn)采空區(qū)、工作面等不同位置的瓦斯涌出，也可實現(xiàn)不同瓦斯涌出量的模擬。該單元為實驗?zāi)Ｐ吞峁┩咚狗衷从砍?，主要由瓦斯鋼瓶、瓦斯注入控制柜、管路等組成，其中瓦斯注入控制柜內(nèi)含減壓閥、儲氣罐、氣體壓力表與出口壓力控制閥、40路氣體質(zhì)量流量控制器、控制板卡、顯示器等，高度集成。瓦斯氣體經(jīng)質(zhì)量流量控制器控制流量，由實驗箱體底部注入特制開采條鋼，開采條鋼上密集布置篩孔，以利于均勻散溢瓦斯(圖7)。

圖7 瓦斯注入單元Fig.7 Gas injection unit

1.2.6 瓦斯抽采單元

瓦斯抽采單元主要模擬高位巷、高位鉆孔、地面鉆孔以及上隅角瓦斯插管或埋管抽采，研究最佳抽采位置及不同抽采方式的瓦斯抽采效率。該系統(tǒng)主要由抽采管路、調(diào)節(jié)閥、調(diào)速抽采泵以及瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌⒘髁總鞲衅?、負壓傳感器以及采集與控制部分構(gòu)成。瓦斯抽采流量、負壓、濃度數(shù)據(jù)可實時采集及控制(圖8)。

圖8 瓦斯抽采單元Fig.8 Gas extraction unit

1.2.7 綜合數(shù)據(jù)采集與控制單元

采動覆巖破斷及裂隙演化的表征參數(shù)采集主要采用高頻微震監(jiān)測系統(tǒng)采集震動信號與高清窺視系統(tǒng)觀測裂隙發(fā)育。

高頻微震監(jiān)測系統(tǒng)主要由高頻微震傳感器、前置放大器、信號采集系統(tǒng)和主機分析系統(tǒng)組成(圖9)。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)信號特征參數(shù)和波形的實時同步采集和分析，并可對信號進行三維空間定位。

高清窺視系統(tǒng)主要由鉆孔裝置、清孔裝置和高清工業(yè)內(nèi)窺鏡組成。高清窺視系統(tǒng)可對相似材料模型進行任意高度、角度和方位的鉆孔，并可對模型內(nèi)部裂隙的發(fā)育情況進行清晰成像和記錄，得到可靠的裂隙參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖9 高頻微震監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成Fig.9 Composition of high frequency microseismic monitoring system

礦山壓力分布、卸壓瓦斯運移、瓦斯抽采以及通風(fēng)表征數(shù)據(jù)采集，主要使用壓力傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、瓦斯壓力傳感器、流量傳感器等多種傳感器;采用以SQL數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊為橋梁，C++build為方法的設(shè)計模式(圖10)，編制了綜合實驗數(shù)據(jù)采集軟件。其中SQL數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲單元，具有專業(yè)的數(shù)據(jù)操作命令集，是一種功能齊全的數(shù)據(jù)庫語言。通過該數(shù)據(jù)庫可快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、存儲、顯示功能。TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊構(gòu)架可以實現(xiàn)大型數(shù)據(jù)的快速傳輸，并為系統(tǒng)上網(wǎng)提供了渠道。通過該設(shè)計模式完成了煤與瓦斯共采三維實驗監(jiān)測軟件的實時顯示、數(shù)據(jù)處理、在線存儲、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的實驗需求。

圖10 煤與瓦斯共采數(shù)據(jù)采集構(gòu)架Fig.10 Data acquisition framework for coal and gas co-extraction

1.3 實驗平臺的主要功能

煤與瓦斯共采三維大尺度物理模擬實驗系統(tǒng)由各功能單元有機結(jié)合(圖11)，高度集成、協(xié)調(diào)運行，能夠達到工作面的煤層開采、通風(fēng)、瓦斯涌出及瓦斯抽采功能，依托該實驗系統(tǒng)根據(jù)工作面實際條件設(shè)計實驗，實現(xiàn)將覆巖移動破斷、上覆巖層裂隙演化、礦山壓力分布、卸壓瓦斯運移、瓦斯抽采等規(guī)律一體化同步研究。

在模擬實驗過程中，利用高頻微震監(jiān)測系統(tǒng)采集震動信號、高清窺視系統(tǒng)探測裂隙發(fā)育相結(jié)合，得到煤層開采覆巖裂隙演化特征、空隙率分布特征，分析瓦斯最優(yōu)運移通道。利用在模型關(guān)鍵位置立體化埋深的壓力傳感器，研究煤層開采過程中礦山壓力分布規(guī)律及動態(tài)變化特征。對模型注入瓦斯并分別進行U，U+L，Y型等方式通風(fēng)，結(jié)合煤層開采時空效應(yīng)研究覆巖裂隙中瓦斯的濃度、壓力、流量分布，揭示卸壓瓦斯運移機理;并對模型進行多種方式瓦斯抽采，確定最佳的抽采位置以及不同瓦斯抽采方式的瓦斯抽采效率，為煤與瓦斯安全共采提借鑒。

圖11 煤與瓦斯共采三維大尺度物理模擬實驗系統(tǒng)Fig.11 3D large-scale physical simulation experimental system for coal and gas co-extraction

2 模擬實驗系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 模型的設(shè)計

實驗選取山西某礦302工作面為原型，工作面走向布置，面長198 m，走向長度2 025 m，地表為丘陵山地。地面標高+1 483～+1 663 m，井下標高+1 152～+1 224 m。302工作面開采煤層為太原組15號，煤厚4.35～5.24 m，煤層傾角3°～14°，平均8.5°。采用綜合機械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板。

根據(jù)幾何相似、運動相似、時間相似，結(jié)合現(xiàn)場實際情況及實驗條件，確定幾何相似比1∶100，風(fēng)速相似比1∶1，其他相似比見表1。

表1相似比例
Table1Similarityratio

模擬參量原型模型相似比進風(fēng)巷道斷面/m4.5×3.50.045×0.035100回風(fēng)巷道斷面/m4.0×3.20.04×0.032100風(fēng)速/(m·s-1)3.173.171時間/s242.410風(fēng)量/(m3·min-1)3 0000.310 000瓦斯注入量/(m3·min-1)180.001 810 000

2.2 模型鋪設(shè)

相似材料模型的制作過程為:將沙子篩分成滿足實驗要求的粒徑，其次秤取預(yù)定量的沙子、水泥、石膏和淀粉，按照配比加入適量的水進行充分混合。然后通過相似材料輸送裝置將材料送入實驗箱體中，將材料鋪平后，采用自動夯實電錘將材料夯實至預(yù)定容重和厚度即可完成一層的鋪裝。巖層之間均勻鋪撒云母片作為分層，如此循環(huán)往復(fù)可完成模型的制作。在制作模型的過程中，將高頻微震傳感器、應(yīng)力傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、瓦斯壓力測試管路、瓦斯抽采管路等按預(yù)設(shè)位置布置在模型中。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 采動覆巖破斷及裂隙演化規(guī)律

在工作面推進過程中，高頻微震監(jiān)測系統(tǒng)對模型破裂產(chǎn)生的微震信號進行實時采集分析，并對較大的微震信號進行時空定位。

工作面推進至45 m時，采空區(qū)覆巖裂隙大量增多，破壞分布范圍進一步增大，在覆巖13 m處產(chǎn)生較大破壞，覆巖發(fā)生大面積破斷現(xiàn)象，形成較多縱向穿層裂隙，破壞一直延伸至28 m高度處，產(chǎn)生若干離層裂隙，覆巖空間破壞分布形態(tài)呈現(xiàn)出近似橢圓拋物狀。由此時采空區(qū)覆巖活動現(xiàn)象可判定為工作面初次來壓。

如圖12所示工作面推進至64 m時，采空區(qū)覆巖在23 m高度處增加較多破壞，覆巖發(fā)生較大破斷現(xiàn)象，縱向裂隙發(fā)育，最大破壞高度增加至33 m，覆巖離層裂隙向上延伸。此階段破壞范圍及強度較大，裂隙在空間上呈橢圓拋物的分布更加明顯。此時采空區(qū)覆巖活動范圍較大，且活動較強烈，為工作面第1次周期來壓。

圖12 工作面推進64 m微震事件分布Fig.12 Distribution of microseismic events of working face advancing 64 m

之后工作面每開采20 m左右，采空區(qū)覆巖發(fā)生周期性破斷現(xiàn)象，沿走向破壞范圍不斷增大，最后垮落高度穩(wěn)定在60 m，在空間上集中破壞分布基本呈橢球體形態(tài)。

3.2 采動覆巖垂直應(yīng)力分布

采煤工作面在推進過程中，采空區(qū)覆巖自下而上依次發(fā)生垮落、離層、彎曲下沉等過程，使采場一定范圍內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，破壞了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，相應(yīng)的在煤壁前方一定范圍內(nèi)的頂板出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中區(qū)和卸壓區(qū)，在卸壓區(qū)內(nèi)的頂板巖層之間及層內(nèi)產(chǎn)生具有一定規(guī)律的裂隙。以應(yīng)力集中系數(shù)(K，煤層現(xiàn)在應(yīng)力與原始應(yīng)力之間的比值)來定量描述采動過程中覆巖應(yīng)力的動態(tài)變化。根據(jù)應(yīng)力傳感器采集數(shù)據(jù)，繪制了工作面推進124～200 m范圍煤層底板沿走向應(yīng)力分布規(guī)律，如圖13～16所示。

圖13 工作面推進124～150 m時垂直應(yīng)力Fig.13 Vertical stress of working face advancing 124-150 m

圖14 推進154～180 m時垂直應(yīng)力Fig.14 Vertical stress of working face advancing 154-180 m

圖15 推進184～200 m時垂直應(yīng)力Fig.15 Vertical stress of working face advancing 180-200 m

圖16 工作面推進至200 m應(yīng)力分布Fig.16 Vertical stress of working face advancing to 200 m

由圖13～16可知，隨著工作面推進，垂直應(yīng)力是動態(tài)變化的，受采動影響煤壁前方形成了隨工作面推進而不斷前移的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在工作面推進過程中應(yīng)力峰值超前工作面距離6～11 m，應(yīng)力峰值集中系數(shù)為2.11～2.63;超前支撐壓力影響范圍為47～68 m;未受采動影響區(qū)位于工作面前70 m以遠，此區(qū)受采動影響較小。

3.3 覆巖裂隙中卸壓瓦斯運移規(guī)律

當(dāng)工作面推進至200 m，按照相似比例，對模型進行通風(fēng)、瓦斯注入，通風(fēng)方式為U型、風(fēng)量為0.3 m3/min、瓦斯涌出量0.001 8 m3/min。圖17是距離煤層底板5 m處，沿工作面方向距離進風(fēng)巷道0，40，120，160 m處，沿采空區(qū)深部方向2，28，76，124,172，198 m瓦斯體積分數(shù)分布情況。

圖17 采空區(qū)深度方向瓦斯體積分數(shù)分布Fig.17 Gas concentration distribution in depth direction of goaf

由圖17可知，距工作面2，28，76 m處瓦斯體積分數(shù)依次遞增，且受到風(fēng)流影響增加趨勢較為平緩;從76～120 m瓦斯體積分數(shù)急劇增加，曲線斜率明顯高于前部;在深部采空區(qū)，體積分數(shù)在32%～35%，瓦斯體積分數(shù)較為穩(wěn)定，這是因為在深部采空區(qū)裂隙密度較淺部最大，不會受到風(fēng)流的影響，且瓦斯解吸速率達到平衡。

圖18是U型通風(fēng)方式下，通風(fēng)量0.3 m3/min、瓦斯涌出量0.001 8 m3/min時，覆巖裂隙高度方向上瓦斯體積分數(shù)的分布情況。瓦斯體積分數(shù)傳感器按層位布置，分別距離煤層底板5，24，60 m。

圖18 覆巖裂隙不同高度瓦斯體積分數(shù)分布Fig.18 Distribution of gas concentration at different heights in overburden cracks

由圖18可知，覆巖裂隙中距煤層底板5，24,60 m瓦斯體積分數(shù)依次增高，在裂隙帶頂端的瓦斯體積分數(shù)達到最大值。在60 m高度上進風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)、沿著采空區(qū)深度方向瓦斯體積分數(shù)基本一致，瓦斯體積分數(shù)達到65%～68%。這是由于瓦斯在采動裂隙中升浮-擴散、滲流，最終富集在裂隙帶頂端。為驗證物理模擬的準確性，采用FLUENT數(shù)值模擬軟件建立模型，得到采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律，模結(jié)果如圖19所示。從結(jié)果來看，物理模擬與數(shù)值模擬的采空區(qū)中瓦斯體積分數(shù)分布基本一致。

圖19 U型通風(fēng)采空區(qū)瓦斯分布Fig.19 Gas distribution in U-type ventilated goaf

4 結(jié) 論

(1)煤與瓦斯共采三維物理模擬實驗系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，主要由大尺度箱體與基座、自動液壓開采單元、柔性加載單元、自動通風(fēng)單元、瓦斯注入單元、瓦斯抽采單元以及綜合數(shù)據(jù)采集與控制單元等7部分組成。

(2)實驗系統(tǒng)可實現(xiàn)覆巖裂隙演化規(guī)律、礦山壓力分布規(guī)律、卸壓瓦斯儲運規(guī)律、瓦斯抽采規(guī)律等一體同步模擬研究。

(3)運用該系統(tǒng)進行驗證性實驗，得到山西某礦302工作面基本頂初次來壓步距45 m，周期來壓步距20 m，覆巖破壞在空間上呈橢圓拋物形態(tài);工作面推進過程中應(yīng)力峰值超前工作面距離6～11 m，集中應(yīng)力系數(shù)2.11～2.63;采空區(qū)后部76～120 m瓦斯體積分數(shù)增加較快，120 m之后趨于穩(wěn)定，采空區(qū)上部5～60 m裂隙帶中瓦斯體積分數(shù)逐漸增加，裂隙帶最上層瓦斯體積分數(shù)達到65%～68%，所得結(jié)果采用數(shù)值模擬軟件進行驗證，其結(jié)果基本一致。