石門揭穿煤層煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)方法研究

李曉偉，王超杰，陳裕佳

石門揭穿煤層煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)方法研究

李曉偉，王超杰，陳裕佳

（中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

在分析石門揭煤突出危險(xiǎn)性的基礎(chǔ)上，建立了石門揭煤突出模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以此為依?jù)設(shè)計(jì)了突出模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包含應(yīng)力、突出模擬、真空、充氣吸附4個(gè)子系統(tǒng)。利用有限元法對(duì)突出模擬子系統(tǒng)長度、厚度及突出孔洞的大小進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)調(diào)試完畢后，對(duì)采集的煤樣進(jìn)行粉碎加水?dāng)嚢杼幚?，依次進(jìn)行壓制成型、真空脫氣、充瓦斯吸附等相關(guān)操作，最后在確保安全的情況下，打開突出孔洞，完成相關(guān)突出模擬實(shí)驗(yàn)。利用該模擬系統(tǒng)，為本科生完成突出模擬演示20余次，提高學(xué)生對(duì)突出災(zāi)害的認(rèn)識(shí)，達(dá)到了預(yù)期實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

煤與瓦斯突出；石門揭煤；突出模擬；長圓形突出設(shè)備

煤與瓦斯突出（以下簡(jiǎn)稱突出）是煤礦井下的一種典型動(dòng)力災(zāi)害，其從開始到結(jié)束僅幾秒到幾十秒，發(fā)生速度快，同時(shí)井下又十分狹小，一旦發(fā)生，經(jīng)常造成巷道堵塞，人員逃生困難[1]。在眾多的突出事故中，石門揭穿煤層（以下簡(jiǎn)稱石門揭煤）的煤層條件最有利于突出發(fā)生，因此其最為典型，眾多的大型事故均發(fā)生于石門揭煤[2-3]。隨著我國煤礦開采深度的增加，近年來突出事故屢次出現(xiàn)，對(duì)我國煤礦造成了嚴(yán)重威脅[4-5]。其主要原因是突出的機(jī)理極其復(fù)雜，目前仍有大量科學(xué)問題尚未解決[6-7]。

另外，由于突出破壞性強(qiáng)，發(fā)生發(fā)展較快，無法進(jìn)行直接觀察，造成技術(shù)人員對(duì)突出認(rèn)識(shí)不足，重視不夠。因此開發(fā)一種能夠在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行突出模擬的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)研究突出的一般規(guī)律，展示突出危險(xiǎn)性，提高畢業(yè)生后期工作中對(duì)突出的重視程度均十分必要。

1 突出模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h2>

開展突出模擬實(shí)驗(yàn)必須和煤礦現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的突出相吻合，因此在進(jìn)行突出模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)必須依據(jù)突出的影響因素進(jìn)行相似化處理，當(dāng)忽略煤體自身重力的影響時(shí)，石門揭煤突出影響因素圖見1[8-9]。

圖1 石門揭煤突出影響因素示意圖

該突出過程的影響因素十分復(fù)雜，涉及煤層應(yīng)力、瓦斯壓力、煤層特性、生產(chǎn)因素等，各個(gè)因素相互影響，無法進(jìn)行直接研究。因此，對(duì)突出次要因素進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留突出的主要因素，建立相應(yīng)的模型，才能使其具有較高的可研性。

一般認(rèn)為突出的影響因素可劃分為人為因素和自然因素[9]兩大類。人為因素主要是等待時(shí)間、阻擋層的厚度l和循環(huán)進(jìn)尺[10-11]。在煤礦現(xiàn)場(chǎng)，阻擋層盡管為巖層，但受采動(dòng)應(yīng)力影響，或多或少存在裂隙，造成瓦斯泄漏。等待時(shí)間越長，瓦斯泄露越多，原始瓦斯壓力向內(nèi)部移動(dòng)，在前方形成卸壓區(qū)，卸壓區(qū)越長，越不容易發(fā)生突出；阻擋層厚度越厚，受采動(dòng)影響越小，形成溝通裂隙的機(jī)率越小，瓦斯越不易泄露，突出越容易發(fā)生[12-13]；循環(huán)進(jìn)尺越長，含高壓瓦斯軟煤暴露的可能性越大，越容易發(fā)生突出[14]。

每個(gè)煤礦的人為因素千差萬別，無法進(jìn)行準(zhǔn)確確定。如果假定阻擋層是致密而堅(jiān)硬的巖石，不產(chǎn)生裂隙，則通過阻擋層由軟煤滲流至巷道的瓦斯量近似為零，則軟煤內(nèi)各處的瓦斯壓力均保持原始瓦斯壓力的大小，而且設(shè)定不論循環(huán)進(jìn)尺多大，揭開煤層后煤體暴露面瓦斯壓力均為原始瓦斯壓力，此時(shí)突出危險(xiǎn)性最大。

將上述人為因素做最大化處理，僅進(jìn)行自然因素研究，則簡(jiǎn)化了突出過程，使其具有可研性。該模型下突出最易發(fā)生，以此為依據(jù)進(jìn)行研究得到的突出參數(shù)安全系數(shù)更高，因此以此為模型建立突出模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2 突出模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能

依據(jù)以上模型建立實(shí)驗(yàn)室的突出模擬系統(tǒng)見圖2，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中將前方阻擋層變?yōu)槎骂^，其瓦斯泄露量為零，煤層的瓦斯壓力按照實(shí)際充入，模擬過程中將整個(gè)煤體模擬成突出危險(xiǎn)性強(qiáng)的軟煤。

1-真空泵；2-控制閥；3-氣體控制閥；4-壓力表；5-壓力機(jī)；6-上壓板；7-突出模擬裝置；8-堵頭；9-檔桿；10-反力架；11-下壓板。

突出模擬實(shí)驗(yàn)裝置的子系統(tǒng)有突出模擬裝置、真空脫氣系統(tǒng)、充氣吸附系統(tǒng)及應(yīng)力施加系統(tǒng)。

（1）突出模擬裝置。該子系統(tǒng)由缸體、壓柱、堵頭、擋板等組成。實(shí)驗(yàn)過程中將煤樣置于缸體中，利用壓柱在應(yīng)力施加系統(tǒng)的加壓下完成煤樣成型、密封抽真空、重新吸附平衡、打開檔桿、觸發(fā)突出等過程。該系統(tǒng)是突出模擬實(shí)驗(yàn)的主體，其主要作用是煤樣成型、吸附平衡后觸發(fā)突出。

（2）真空脫氣系統(tǒng)。該子系統(tǒng)由真空泵、控制閥、壓力表、連接管路等組成。實(shí)驗(yàn)過程中完成成型煤樣的脫氣處理。由于煤樣送至實(shí)驗(yàn)室時(shí)接觸空氣，煤體又是良好的吸附劑，煤樣會(huì)吸附大量空氣，因此實(shí)驗(yàn)前必須對(duì)煤樣進(jìn)行真空處理，使煤樣解吸掉吸附空氣為瓦斯吸附創(chuàng)造條件。

（3）充氣吸附系統(tǒng)。該子系統(tǒng)由高壓瓦斯氣瓶、控制閥、壓力表、連接管路等組成。實(shí)驗(yàn)過程中完成煤樣的重新吸附。煤樣脫氣完成后，利用控制閥充瓦斯，煤層吸附瓦斯達(dá)到平衡時(shí)，基本模擬井下突出煤的含瓦斯?fàn)顟B(tài)，在檔桿打開后完成突出模擬實(shí)驗(yàn)。

（4）應(yīng)力施加系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要是1000 t壓力機(jī)，主要是煤層成型和突出過程中施加相應(yīng)的應(yīng)力。

主要過程可以概括為：應(yīng)力施加系統(tǒng)對(duì)突出模擬系統(tǒng)中煤樣施加應(yīng)力成型，真空脫氣裝置進(jìn)行脫氣，除掉吸附空氣；然后通過充氣吸附系統(tǒng)充入瓦斯，吸附平衡后，打開突出堵頭，激發(fā)突出。

3 突出模擬裝置的研制

在以上系統(tǒng)中以突出模擬裝置最為重要，研制時(shí)需要重點(diǎn)考慮兩方面的問題：一是突出缸體在高應(yīng)力下不變形，以保證應(yīng)力準(zhǔn)確及密封；二是突出的孔洞與煤體的比例關(guān)系，避免突出時(shí)突出的發(fā)展受缸體邊界約束影響，造成測(cè)試誤差?；诖藢?duì)突出的設(shè)備進(jìn)行研制，設(shè)備剖面見圖3。

圖3 長圓形突出模擬裝置

由于實(shí)驗(yàn)壓力機(jī)為1000 t，同時(shí)考慮到缸體的成型壓力為30 MPa以上，因此設(shè)計(jì)采用長圓形，以保障足夠應(yīng)力。壓力機(jī)不宜長時(shí)間滿負(fù)荷工作，工作應(yīng)力應(yīng)為額定壓力的80%，且考慮成型壓力冗余系數(shù)110%，則按照成型壓力30 MPa，其設(shè)計(jì)面積應(yīng)為0.2375 m2；考慮到設(shè)計(jì)加工方便，長圓形缸體兩端半圓半徑為110 mm、中間長度為900 mm時(shí)，經(jīng)計(jì)算其面積為0.2360 m2，滿足成型要求。采用Ansys軟件對(duì)長圓形缸體進(jìn)行有限元分析，當(dāng)缸體厚度取75 mm時(shí)，缸體的最大形變處于中間位置，最大形變值為1.562 mm，能滿足密封需要，考慮到安全系數(shù)，因此缸體厚度按照80 mm設(shè)計(jì)。

突出過程是高壓氣體吸附煤體的拋射過程，因此保證設(shè)備密封良好是實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。調(diào)試過程主要是檢查設(shè)備的氣密性。檢查時(shí)先在突出模擬裝置中充入1 MPa以上的N2氣，然后在密封位置注入清水，觀察是否有氣泡產(chǎn)生，如沒有，將設(shè)備靜止2 d以上，每小時(shí)記錄一次壓力數(shù)據(jù)，其壓力值波動(dòng)在±0.02 MPa內(nèi)說明密封合格。

4 實(shí)驗(yàn)過程

（1）煤樣制備：將現(xiàn)場(chǎng)采集的煤樣送至實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行粉碎篩分處理，篩分至2 mm以下；按照含水率為5%的要求加入水分，進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁瑪嚢柰瓿珊?，進(jìn)行分裝密封。

（3）真空脫氣。型煤壓制完成后，將真空脫氣系統(tǒng)、充氣吸附系統(tǒng)連接至缸體后部、側(cè)部的連接孔，關(guān)閉五通閥中的充氣吸附系統(tǒng)。打開真空泵，緩慢打開五通閥中的真空脫氣閥門，開始脫氣。脫氣需要持續(xù)12 h以上，待所有電子壓力表均顯示為–0.09 MPa時(shí)，脫氣完成。

（4）充氣吸附。脫氣完成后，煤層吸附的空氣被清除完成，關(guān)閉五通閥脫氣閥門，關(guān)閉真空泵，打開氣瓶開關(guān)，將減壓穩(wěn)壓閥調(diào)整至預(yù)定瓦斯壓力，然后緩緩打開五通閥充氣閥門，開始充氣。充氣時(shí)間一般不小于24 h，待所有電子壓力表均顯示充氣壓力時(shí)，充氣完成。

（5）突出模擬實(shí)驗(yàn)。吸附平衡后，記錄大氣環(huán)境參數(shù)，安裝突出誘發(fā)千斤頂，架設(shè)高速攝像機(jī)，進(jìn)行安全警戒。一切準(zhǔn)備完成后，快速關(guān)閉五通閥的充氣開關(guān)和氣瓶總開關(guān)，遠(yuǎn)程給千斤頂施加壓力，頂開檔桿，誘發(fā)突出，完成實(shí)驗(yàn)。

該系統(tǒng)曾對(duì)河南、安徽、山西、貴州等地的煤層進(jìn)行了80余次突出模擬實(shí)驗(yàn)，其中科研實(shí)驗(yàn)50余次，學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)20余次。薛湖煤礦二2煤層煤樣的實(shí)驗(yàn)過程參數(shù)見表1所示。

表1 薛湖煤礦二2煤層突出模擬實(shí)驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)3的突出模擬過程最為強(qiáng)大，也最為典型，打開堵頭的瞬間，發(fā)出一聲巨響，金屬堵頭如炮彈一樣快速拋射出去，隨即噴射出大量煤粉，高速攝像機(jī)拍攝的突出實(shí)驗(yàn)過程見圖4。

圖4 強(qiáng)突出模擬過程

從表1可以看出，實(shí)驗(yàn)3的突出模擬共壓制煤量83 kg，瓦斯壓力為0.679 MPa，圍巖壓力為23.1 MPa。開蓋后突出煤量為23.5 kg，占總煤量的28.31%。盡管突出煤量?jī)H為23.5 kg，但從圖4可以看出噴出的煤粉接近7 m，高度接近1 m，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量煤粉拋射最寬寬度為2.5 m，將10 kg的堵頭拋射至8 m外，突出強(qiáng)度很高。以此可以想象井下突出煤量以噸計(jì)時(shí)，突出過程有多恐怖與震撼。

5 結(jié)語

煤與瓦斯突出是井下十分危險(xiǎn)的一種瓦斯動(dòng)力災(zāi)害，由于其危險(xiǎn)性和瞬時(shí)性，無法在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)和觀察。為使其具有可研性、可演示性，為科研和本科教學(xué)服務(wù)，提高安全工程專業(yè)畢業(yè)生對(duì)突出的認(rèn)識(shí)，為后期工作服務(wù)，本文研發(fā)了突出模擬系統(tǒng)。利用該設(shè)備進(jìn)行科研的同時(shí)，為本科生研究生演示實(shí)驗(yàn)20余次，提高了學(xué)生對(duì)突出的認(rèn)識(shí)。

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Study on simulated experimental method of coal and gas outburst in rock crosscut coal uncovering

LI Xiaowei, WANG Chaojie, CHEN Yujia

(School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Based on the analysis of the danger of the outburst in rock crosscut coal uncovering, a simulation experiment model of such outburst is established, and an outburst simulation experiment system is designed. This system consists of four subsystems such as the stress, outburst simulation, vacuum and gas adsorption. The length and thickness of the outburst simulation subsystem and the size of the outburst hole are designed by the finite element method. After design and debugging, the collected coal samples are crushed and stirred with water, followed by pressing, vacuum degassing, gas-filled adsorption and other related operations. Finally, in order to ensure safety, the outburst holes are opened to complete relevant outburst simulation experiments. With this simulation system, more than 20 demonstrations of outburst simulation have been completed for undergraduates, and the students’ awareness of outburst disasters has been improved. The expected experimental purpose has been achieved.

coal and gas outburst; rock crosscut coal uncovering; outburst simulation; oblong outburst device

TD712

A

1002-4956(2019)10-0059-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.014

2019-03-06

江蘇省高等教育教改研究課題一般項(xiàng)目（2017JSJG128）；江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項(xiàng)目“安全工程”（PPZY2015A055）；中國礦業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目（2017YB43）

李曉偉（1980—），男，河南魯山，博士，講師，研究方向?yàn)槊号c瓦斯突出防治與預(yù)測(cè)。E-mail: ttgnhm@126.com