煤與瓦斯突出模擬試驗研究進展及展望

韓穎，呂帥，張飛燕，董博文

（1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.中原經(jīng)濟區(qū)煤層（頁巖）氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；3.深井巖層控制與瓦斯抽采國家安監(jiān)局科技支撐平臺，河南 焦作 454000；4.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；5.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454000）

0 引 言

煤（巖）與瓦斯突出（以下簡稱“突出”）是在地應(yīng)力和瓦斯壓力共同作用下，破壞的煤（巖）和瓦斯由煤（巖）深部突然向采掘空間拋出的異常動力現(xiàn)象［1］。煤炭是我國能源結(jié)構(gòu)的主體，屬于不可再生資源，隨著持續(xù)不斷開采，大部分煤礦淺部煤層開采殆盡，逐漸轉(zhuǎn)向深部煤層開采。隨著開采深度增加，地應(yīng)力也隨之增大，導(dǎo)致突出的危險性也越來越大，因此，煤礦安全生產(chǎn)對突出機理研究有著迫切的需求。

突出伴有強烈的聲響和巨大的動力現(xiàn)象，且具有瞬時突發(fā)性和危險性，會對煤礦安全生產(chǎn)造成嚴重威脅，同時對現(xiàn)場監(jiān)控與追蹤也不現(xiàn)實。本文擬對現(xiàn)有突出模擬試驗進行梳理，研究試驗中的特點和不足，并分析其未來的發(fā)展趨勢。

1 煤與瓦斯突出物理模擬試驗研究 進展

20世紀50年代，蘇聯(lián)學(xué)者B.B.Khodot［2］首次在實驗室成功實現(xiàn)了誘導(dǎo)的煤與瓦斯一維突出模擬試驗，煤樣選自具有突出傾向性的煤層，單純依靠瓦斯壓力實現(xiàn)突出，認為只有在很大的瓦斯壓力梯度作用下才會發(fā)生煤與瓦斯突出；L.Paterson［3］利用型煤在不同瓦斯壓力條件下進行了突出模擬試驗，研究突出氣體壓力和突出過程中煤粒粉碎性之間的關(guān)系，認為壓差越大，煤粒越粉碎越易突出；A.Nelicki等［4］利用自主研制的圓形突出裝置進行模擬試驗，認為煤樣破壞是從突出口處開始的，瓦斯與煤粒瞬時移出；J.Sobczyk［5］使用型煤和兩種氣體（N2，CO2）研究吸附過程對突出瓦斯壓力的影響，認為氣體的吸附作用越大，引發(fā)突出所需的瓦斯壓力越大；N.Skoczylas［6］采用型煤進行試驗，研究煤體強度、瓦斯壓力等與突出危險性的關(guān)系，認為在近斷層區(qū)，即使是在低孔隙壓力下，突出威險性也會超過50%；J.Sobczyk［7］對型煤和3種不同氣體（CO2，CH4和N2）進行一系列實驗室試驗，分析了滲流和解吸過程對突出初始條件的影響，認為小型突出爆發(fā)初始條件的差異不能用簡單的煤或氣體特性解釋。

自20世紀80年代以來，我國學(xué)者致力于突出模擬試驗研究，對突出試驗裝備、相似材料和突出機理等有了深刻認識，也為煤礦安全生產(chǎn)作出了重大貢獻。突出物理模擬試驗系統(tǒng)一般由煤樣制備方法與制備裝置、吸附氣體種類、應(yīng)力加載系統(tǒng)、突出誘導(dǎo)裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，以下針對這些子系統(tǒng)分別進行論述。

1.1 煤樣制備方法與制備裝置

1.1.1 煤樣制備方法

突出模擬試驗煤樣多選用具有突出危險性煤層煤體，將其直接制成型煤，作為含瓦斯煤相似材料。為突出模擬試驗提供相似程度較高的相似材料，是試驗揭示突出機理的重要發(fā)展方向之一。

匯總型煤相似材料研究成果［8-15］，見表1。

表1 型煤相似材料研究成果一覽表Tab.1 List of similar materials for Briquette study

綜上所述，型煤相似材料的選用大多沒有考慮相似材料與原煤的物理力學(xué)性質(zhì)相似性，而相似材料的物理力學(xué)性質(zhì)對突出模擬試驗有重要影響，只有遵循相似準則，其結(jié)果才能準確反映原型的規(guī)律。隨著模擬試驗裝置的逐漸增大，選用原煤進行試驗就更加難以實現(xiàn)，另外型煤性質(zhì)與原煤性質(zhì)相差較大，會嚴重影響試驗的準確性。

1.1.2 煤樣制備裝置

王佑安等［8］在國內(nèi)首次利用煤激波管成功實現(xiàn)了煤與瓦斯突出一維模擬試驗；蔣承林等［9］采用突出模擬試驗，驗證了球殼失穩(wěn)假說；孟祥躍等［16］研制了二維模擬試驗裝置，認為煤樣存在“開裂”和“突出”兩類典型的破壞形式；蔡成功［17］設(shè)計了三維突出模擬試驗裝置，分析得出了突出三要素決定突出強度的主次因素；許江等［18］研制開發(fā)了大型三維突出模擬試驗臺，認為瓦斯壓力越大突出強度越大，出現(xiàn)典型的梨形突出孔洞且突出的粉煤有明顯分選性；劉東等［19］研制了多場耦合煤礦動力災(zāi)害大型三維模擬試驗系統(tǒng)，認為突出過程煤層中溫度和瓦斯壓力存在明顯的場分布狀態(tài)；李術(shù)才等［20］研發(fā)了大型真三維突出定量物理模擬試驗系統(tǒng)，為揭示突出機理提供了定量化模擬平臺；許江等［21］開展了突出過程中煤-瓦斯兩相流運移規(guī)律物理模擬試驗研究，為突出過程煤-瓦斯兩相流運移特性理論研究提供了可靠依據(jù)；袁亮等［15］研發(fā)了巷道掘進揭煤誘導(dǎo)煤與瓦斯突出模擬試驗系統(tǒng)，得到與現(xiàn)場相似的突出孔洞位置與形狀、突出粉煤質(zhì)量與距離，以及氣壓、溫度、應(yīng)力等多物理量信息。

匯總試件尺寸、受力研究成果，見表2。

表2 試件尺寸、受力研究一覽表Tab.2 List of specimen size and force study

綜上所述，突出模擬試驗裝置尺寸總體趨勢逐漸增大，形狀以長方體為主，受力從一維、二維發(fā)展到三維，充氣壓力越來越高，很大程度上提高了模擬試驗的準確性。隨著裝置尺寸增大，模型內(nèi)部將需要更長的時間才能達到吸附平衡狀態(tài)，導(dǎo)致試驗周期延長，密封難度增大，而且突出模擬裝置僅可模擬水平、近水平煤層，實際發(fā)生突出的煤層多為緩傾斜或傾斜煤層，突出地點80%以上發(fā)生在斷層、褶曲、煤層厚度變化等地質(zhì)構(gòu)造附近，因此，這些試驗研究仍較難反映真實現(xiàn)場情況。

1.2 吸附氣體種類

早期突出模擬充氣介質(zhì)以CH4為主，由于CH4具有爆炸性，隨著模擬裝置增大，為降低試驗危險性，多以N2，CO2代替CH4作為充氣介質(zhì)［9-10，15，17-18，22-25］。

匯總上述研究成果，見表3。

表3 充氣介質(zhì)研究一覽表Tab.3 List of inflated media study

蔣承林等［26］研究認為，初始釋放瓦斯膨脹能越大，發(fā)生突出的可能性越大；徐樂華等［27］對CO2/CH4/N2條件下煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能進行研究，發(fā)現(xiàn)在吸附平衡壓力相等的情況下，充CO2的煤樣具有較大的初始釋放瓦斯膨脹能，充CH4的次之，充N2的最小。因此，采用N2和CO2代替CH4會有一定誤差。早期試驗中，氣體采用點式充填方式，但煤體中瓦斯流動不是從一點流入，隨著試驗裝置改進，現(xiàn)多采用面式充填，這更加符合煤體瓦斯從截面滲入的特性。

1.3 應(yīng)力加載系統(tǒng)

地應(yīng)力是突出的根本作用力，也是影響突出模擬試驗穩(wěn)定性的最重要因素。物理模擬試驗的應(yīng)力加載系統(tǒng)［16-18，22，28-29，25］，研究情況見表4。

表4 應(yīng)力加載系統(tǒng)研究一覽表Tab.4 List of stress loading systems study

許江等［18］試驗時所用加載液壓缸布置方式如圖1所示。

圖1 液壓缸布置方式Fig.1 Arrangement of hydraulic cylinder

突出模擬試驗早期大多在均布載荷條件下進行，隨著許江等［18］和聶百勝等［28］研發(fā)的突出模擬試驗系統(tǒng)的推出，通過多個液壓缸實現(xiàn)了非均布載荷條件下的突出模擬試驗，使模擬試驗的真實度得到了極大提高，但地應(yīng)力受巖體自重、地形地貌以及構(gòu)造運動等影響，分布十分復(fù)雜，簡單施加非均布載荷，很難真正模擬出實際狀況下的地應(yīng)力，且現(xiàn)有裝置應(yīng)力加載系統(tǒng)中液壓缸數(shù)量較少，可能會使模型表面有些部位受力不均，導(dǎo)致加載精度不高。

1.4 突出誘導(dǎo)裝置

突出誘導(dǎo)裝置［15-18，20，22，28，30］研究成果如表5所示。

表5 突出誘導(dǎo)裝置研究一覽表Tab.5 List of outburst induction device study

早期試驗中突出口不能實現(xiàn)主動開啟，多為手動機械方式開啟，現(xiàn)在多依靠預(yù)留突出弱面和模擬開挖擾動，實現(xiàn)突出口的主動破壞，很大程度上提高了與實際工況的相似性，使試驗數(shù)據(jù)更加精確。

1.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究成果［16，19，25，28，30-31］如 表6所示。

由表6可知，模擬試驗的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)正在逐步完善，不僅能夠監(jiān)測主要的試驗數(shù)據(jù)，而且能對突出瞬態(tài)過程巷道內(nèi)氣體壓力、溫度等發(fā)展規(guī)律進行分析研究。數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器從裝置的內(nèi)部器壁深入到煤巖體內(nèi)部，實現(xiàn)了對煤層不同位置處的參數(shù)變化監(jiān)測，很大程度上提高了數(shù)據(jù)監(jiān)測的準確性，但實際操作時會出現(xiàn)應(yīng)變片易壞、靈敏度不一以及數(shù)據(jù)丟失等問題。

表6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究一覽表Tab.6 List of data acquisition systems study

2 煤與瓦斯突出數(shù)值模擬試驗研究 進展

突出數(shù)值模擬試驗，不依賴于試驗裝置，不需要考慮試驗裝置以及數(shù)據(jù)采集，本節(jié)從受力維數(shù)角度對突出數(shù)值模擬試驗研究情況進行分析。

2.1 一維受力模擬

鄭哲敏［32］在煤與瓦斯突出試驗研究的基礎(chǔ)上，使用數(shù)量級比較與量綱分析的方法，對突出過程進行了定性研究；齊黎明等［33］采用RFPA-Flow模擬，得出的孔洞形狀與實際進行對比，調(diào)整參數(shù)，直到基本相似為止，通過模擬結(jié)果確定了馬家溝礦上山掘進突出機理；李利萍等［34］應(yīng)用伯努利方程，建立了瓦斯射流的數(shù)學(xué)模型，采用有限元方法對突出瓦斯射流進行數(shù)值模擬，研究了突出壓力、突出口直徑對瓦斯射流的影響。

2.2 二維受力模擬

唐春安等［35］運用自行研制的巖石破裂過程分析RFPA2D系統(tǒng)，對急傾斜含瓦斯煤層中的石門揭煤突出過程進行數(shù)值模擬，闡明了地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體力學(xué)性質(zhì)對突出的影響；高瑞元等［36］運用PFC對煤層進行顆粒流數(shù)值模擬，對結(jié)果量化分析，得出石門揭煤區(qū)域內(nèi)各單元最可能發(fā)生突出的地點是掘進巷道周圍，且越靠近巷道危險性越大；張淑同等［37］應(yīng)用RFPA2D數(shù)值模擬軟件，研究了煤與瓦斯突出和煤-瓦斯兩相流運動過程，認為突出形成口小腔大的突出孔洞，突出孔洞沿深度方向擴展相對較小，在高度方向擴展速度較快，到突出后期突出孔洞發(fā)展速度較慢。

2.3 三維受力模擬

王蔚等［38］利用ANASYS軟件模擬了褶皺構(gòu)造應(yīng)力分布和煤與瓦斯突出的關(guān)系，得出斷層附近應(yīng)力集中和斷層露頭加大了瓦斯突出的可能性；朱立凱等［39］采用RFPA-Flow氣固耦合數(shù)學(xué)模型，模擬了不同瓦斯壓力條件下突出破壞過程與高瓦斯壓力作用下的不同地應(yīng)力條件下突出發(fā)展過程，得出了煤體裂紋孕育、擴展演化規(guī)律和突出孔洞特征；姬鵬［40］以RFPA2D建立了用于模擬水平煤層中低滲透斷層掘進誘導(dǎo)的瓦斯突出數(shù)值模型（圖2），認為采掘工程擾動致使煤層頂?shù)装灏l(fā)生應(yīng)力、應(yīng)變，形成裂隙和瓦斯解吸運移，在低滲透斷層兩盤間形成瓦斯壓力差，當瓦斯壓力差值突破斷層面力學(xué)強度時突出發(fā)生；劉洪濤等［41］采用FLAC3D建立了幾何尺寸50 m×80 m×50 m的數(shù)值模型，分析了塑性區(qū)演化誘發(fā)突出的物理力學(xué)過程和基本條件，認為要觸發(fā)突出，必須滿足5個條件：觸發(fā)條件、破壞帶擴展條件、應(yīng)力強度條件、角度條件和能量條件。

圖2 低滲透斷層附近煤巷掘進工作面模型Fig.2 Model of heading face near fault exists in low permeability coal seam

已有的突出數(shù)值模擬均采用單一的模擬軟件，大部分利用RFPA進行模擬。與物理模擬相比，數(shù)值模擬具有以下優(yōu)勢：模型尺寸大，周期短，應(yīng)力加載、充氣壓力和邊界壓力等參數(shù)調(diào)節(jié)更容易滿足相似準則。由于不同的數(shù)值模擬軟件在構(gòu)建模型、應(yīng)力加載等方面的優(yōu)劣各有不同，利用多種軟件相耦合，結(jié)合不同軟件優(yōu)勢，可以更加準確地實現(xiàn)突出數(shù)值模擬。吉辰等［42］對ABAQUS進行二次開發(fā)后，模擬了煤體裂縫的產(chǎn)生與擴展，以及煤體的突出過程，證明了有限元二次開發(fā)技術(shù)可以很好地計算煤與瓦斯突出過程中煤體破壞問題。因此，對模擬軟件的開發(fā)也應(yīng)加以重視。

3 展 望

（1）相似材料是模擬試驗的必要條件，試驗中往往對含瓦斯煤相似材料的物理力學(xué)性質(zhì)研究不足，后續(xù)研究可以從相似材料壓制壓力、碎煤粒徑、粒級配比和膠結(jié)劑等多種因素對其物理力學(xué)性質(zhì)的影響進行試驗，在大量試驗的基礎(chǔ)上，找出不同因素對其物理力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律，為研究突出機理提供相似程度較高的相似材料。

（2）80%以上的突出發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造附近，但現(xiàn)有裝置對斷層、褶曲以及煤層厚度急劇變化地帶發(fā)生的突出進行模擬試驗時，仍存在一定局限性，需要研制更為先進、能綜合考查多種影響因素的突出模擬試驗裝置。針對試驗裝置太大導(dǎo)致試驗周期長、密封難度大，裝置太小又會導(dǎo)致應(yīng)變片等鋪設(shè)數(shù)量受到限制，使數(shù)據(jù)采集不充分等問題，應(yīng)根據(jù)實際所需，科學(xué)合理設(shè)計模型尺寸。對于裝置氣密性，不能僅僅考慮試驗裝置的整體密封，應(yīng)對數(shù)據(jù)采集的線路通道、充氣入口和突出口分別加以密封。

（3）由于煤對CH4，N2和CO2的吸附能力和初始釋放瓦斯膨脹能相差較大，而它們對突出發(fā)生的可能性影響較大，因此瓦斯相似材料的研制應(yīng)對材料吸附性和初始釋放瓦斯膨脹能加以重視。

（4）煤體內(nèi)部并非均勻應(yīng)力場，發(fā)生突出時工作面前方往往會產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此模擬試驗荷載的施加不應(yīng)該一成不變，而應(yīng)隨突出發(fā)展過程相應(yīng)變化。雖然很多現(xiàn)有裝置都實現(xiàn)了應(yīng)力的非均布加載，但與實際地應(yīng)力的分布相比，差異較大，可以通過增加液壓缸數(shù)量實現(xiàn)更加復(fù)雜的應(yīng)力加載，使模型受力更加均勻，加載精度更高。

（5）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)變片易壞、靈敏度不一和數(shù)據(jù)缺失等，反映出系統(tǒng)抗干擾能力、安全性和自適應(yīng)能力等方面的不足，需采用更加優(yōu)質(zhì)、性價比高的材料加工制造；在不影響數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，需對應(yīng)變片等加以保護；結(jié)合電子工程技術(shù)與自動化技術(shù)，實時記錄和保存數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)安全性和系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。

（6）數(shù)值模擬可以構(gòu)建復(fù)雜的煤層、地質(zhì)構(gòu)造以及受力條件，對物理模擬試驗研究具有補充作用。由于不同的數(shù)值模擬軟件在構(gòu)建模型、應(yīng)力加載等方面各有優(yōu)劣，應(yīng)大力開發(fā)數(shù)值模擬軟件，利用多種軟件相耦合模擬突出，比如，使用一種軟件建模，通過另一種軟件加載應(yīng)力。結(jié)合不同軟件優(yōu)勢，可以更好地實現(xiàn)突出數(shù)值模擬試驗的準確性。