基于固—气耦合物理相似模拟的实验装置研究*

肖 鹏，李树刚，林海飞，赵鹏翔

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安710054;2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安710054)

0 引言

相似模拟实验技术适用于难以用理论分析方法获取结果的研究领域，同时也可以对理论研究的结果进行分析和比较［1－2］。通过采用物理相似模拟实验研究煤岩体破坏、移动规律、变性特征及裂隙演化过程，能够反映现场实际问题特征［3－6］。

目前，用于相似模拟研究采场上覆岩体破断、移动规律及裂隙发育规律常采用前后不受力的平面单相应力模型［7－11］，模拟的岩层在实验中存在一定的变形量，但不能对岩体裂隙动态变化做到精确定位。国内学者林柏泉［12］、赵阳升［13］等人对煤岩块的渗透率进行了实验室测定研究，张天军［14］、王芝银等人利用实验分析了煤岩类型及全应力应变过程中煤样的渗透率规律及其影响。但由于煤层采动卸压后，煤岩体发生变形、移动、卸压，产生大量再生裂隙，改变了煤岩体原始的孔隙度和渗透率，造成煤岩体的渗透率发生动态变化。因此，对煤岩块渗透性的测定不能完全反映煤岩整体渗透率的变化规律。

为了研究采动影响下上覆岩体产生裂隙后渗透率的变化规律及分布特征，自主研制了采动裂隙与卸压瓦斯固气耦合物理相似模拟实验台，解决了实验装置中开采系统和测试系统的关键技术，同时实现完全封闭状态下煤层的开采和渗透率的测定，为研究煤岩体渗透率变化规律及分布特征提供实验依据。

1 固气耦合物理相似模拟实验台构成

固气耦合物理相似模拟实验台由4部分构成，煤层开采系统、充气系统、渗透率测试系统及实验模型箱体。实验箱体框架由10 mm厚的钢材焊制而成，尺寸为1 600 mm×1 250 mm×200 mm，前表面为30 mm厚的有机玻璃板，用于观察模型的铺设和实验过程中采动裂隙发育、发展情况，后表面由3块钢板组合而成，顶盖可以拆卸。经密封充气测试，实验箱体密闭较好，可承受2 MPa压力。

实验箱体共布置64个孔，前、后表面各32个，分4行，每行8个，采用对孔布置。前表面的孔口为进气孔，后表面的孔口为测试孔。实验台的设备仪器包括空气压缩机、分路器、储气罐、压力表、皂泡流量计及管路，可以在煤层开采时实现一路或多路管路进气。通过测量不同推进距条件下各测试孔的渗流速度，研究采动影响下覆岩渗透率的变化规律及分布特征。固气耦合相似模拟实验系统如图1所示。

2 固气耦合相似模拟实验台关键技术

2.1 开采系统

密闭箱体内的煤层开采技术是实现固气耦合模拟实验的关键技术之一，既能模拟煤层开采，还要使所充入的气体不发生大量泄露。在设计煤层开采系统时，选取大量的方法进行实验，如利用气囊、石蜡、沙漏等，实验结果都不是很理想。最终确定的实验台煤层模拟开采装置如图2所示。

图1 固气耦合相似模拟实验系统Fig.1 System of gas-solid coupling similar simulation experiment

图2 煤层模拟开采装置Fig.2 Simulation device of coal mining

煤层开采系统由铁盒、枕木、螺杆3部分组成。在实验箱体铺设模型前，先用螺杆将铁盒升至模拟煤层的高度。在实验过程中，通过螺杆旋转引导铁盒下降模拟煤层的开采。枕木在整个开采系统中用来稳定铁盒，防止在铺设模型及开采过程中铁盒晃动。煤层开采系统设计的推进距离每次5 cm，采高可以根据模拟实验的需要进行调节，最大可达5 cm.

2.2 充气系统

充气系统采用空气压缩机作为动力气源，将具有恒定压力的压缩空气充入储气罐内，通过调节空气压缩机的平衡阀使储气罐内的压力恒定后再输入相似模型，从而模拟高压瓦斯气体渗流的过程。充气管路采用高压橡胶管与储气罐连接，用截止阀控制进气孔口的数量，可以实现1～4条管路同时充气。高压橡胶管与进气孔采用直通管连接，如图3所示，有机玻璃板上的进气孔为内螺纹孔，可以通过缠绕生胶带保证充入气体不会从进气孔接口处泄露。

为了在实验过程中能够观察各测试孔渗流速度的变化情况，需对原始状态下的模型进行气体流速标定，将结果作为实验初始数据。模型标定完成后，再开始进行固气耦合模拟实验，随着工作面不断推进，对模型各进气孔充气，记录各测试孔渗流速度。

图3 充气管道与箱体进气孔连接方式Fig.3 Attended mode of pneumatic tube and box

2.3 渗透率测定系统

固气耦合物理相似模拟实验的渗透率测定系统结构如图4所示。固气耦合物理相似模拟实验的渗透率测试系统主要测定各进气孔充入气体的压力和各测试孔气体的流速。后表面测试孔直接与皂泡流量计相连，其余测试孔采用橡胶塞封闭。为了减少误差，每个测试孔测量的时间记录5组数据，取其平均值。每次对模型充气前，都要预先打开储气罐，连接相应截止阀，待储气罐内的气体压力恒定后，开始对模型充气。

2.4 实验方法

每开采一定的距离后，开始对进气孔充气，测量各测试孔的渗流速度。当开采影响范围内有2个的进气孔时，在同一推进距离下，分别对2个进气孔充气，测量各测试孔的渗流速度。通过测定气体通过模拟岩层后流过规定量程的时间，计算渗流速度。实验结束后将通过实验得到的压力、流速等各项参数代入公式计算该孔所在岩层的渗透率。

图4 相似模拟实验渗透率测定系统Fig.4 System of permeability measured in similar simulation experiment

在煤层开采过程中，煤岩体的渗透率是一个动态变化过程。煤层每开采一段距离后，对采动影响范围内的测试孔进行测量，观察不同开采距离时渗流速度的变化情况，从而得到采动影响下上覆煤岩体渗透率的变化规律。当模拟实验结束后，待上覆煤岩体移动变形稳定，对模型所有测试孔进行测试，可得到采动卸压后的渗透率分布特征。

3 固气耦合物理相似实验模型

实验以山西某矿综放面为原型。工作面煤厚4.05 ～4.86 m，平均为 4.5 m，倾角 3°～15°，平均为7°，设计走向长度1 435 m，倾斜长180 m.基本顶为中砂岩，厚度4.9 ～15.82 m，平均 9.20 m.直接顶为泥岩，厚度2.38 ～3.2 m，平均2.79 m，煤岩层物理力学性质见表1.

表1 原型煤岩层的物理力学性质Tab.1 Physical and mechanical properties of coal and rock

实验沿煤层走向铺设模型。根据实验台尺寸与实际煤岩厚度相比较，按实验要求选择确定模型几何相似常数、时间相似常数和容重相似常数，应力相似常数、强度相似常数及渗透系数相似常数则根据相似定理进行计算确定，最终得到模型的相似常数及岩层物理力学性质见表2.

表2 综放面模型相似常数Tab.2 Similar constants of fully-mechanized top-coal caving face model

4 固气耦合物理相似模拟实验台可行性验证

4.1 模拟实验现象

工作面推进20 m时，顶板岩层出现离层，且纵向出现细微的破断裂缝，离层裂隙宽度0.2 m，离层最大高度距煤层顶板1 m，如图5所示。工作面推进25 m时，直接顶开始分层垮落，垮落高度0.7 m，顶板岩层破断位于岩层中部，此时顶板离层发展，最大离层裂隙高度距煤层顶板3 m.随着直接顶的初次垮落，大量的破断裂隙在工作面两端出现，与离层裂隙相互沟通。工作面推进30 m时，顶板离层裂隙继续发展，最大离层裂隙高度距煤层顶板4.5 m，未垮落岩层中部产生破断裂隙。工作面推进到33 m时，直接顶第二岩层垮落，第四岩层离层裂隙高度增加，且破断裂隙明显。工作面推进到37 m时，顶板第四岩层垮落，离层裂隙向上发育。当工作面推进42 m时，基本顶垮落，出现初次来压，垮落高度距煤层顶板10.5 m，岩梁长为25 m，空洞高度距煤层顶板13 m，最高离层距煤层顶板17 m处，离层宽度1.2 m.工作面向前推进到46 m时，上覆岩层弯曲下沉，空洞间距变小，离层裂隙高度增加，有向上发展趋势，工作面继续向前推进，顶板裂隙继续发展。当工作面推进到50 m时，发生第1次周期来压，来压步距8 m，此时覆岩垮落高度距煤层顶板14 m，裂隙最高发展到距煤层顶板24.5 m，如图6所示。

图5 直接顶离层裂隙Fig.5 Bed-separated fissures of immediate roof

随着工作面的推进，离层裂隙不断向上部发展，顶板出现周期性垮落，周期破断步距平均约为11 m，工作面后方的裂隙不断的经历着不发育、发育丰富、裂隙压实3个阶段。

图6 第一次周期来压Fig.6 The first periodic pressure

表3 相似模拟实验过程数据Tab.3 Data of similar simulation experiment

从实验过程可以看出，利用固—气耦合物理相似模拟实验台进行模拟实验，可以观察到煤岩体变形、移动及离层裂隙和破断裂隙的发育过程，得到上覆岩层采动裂隙发育规律，同时在开采过程中测量箱体内气压较原始压力下降0.3% ～0.7%，变化及其微小，可以说明该实验台能够实现密封条件下的煤层开采。

4.2 渗透率测试实验理论验证

为了验证实验箱体内的气体在通过岩层时的流动规律是否符合达西定律，只要通过测量出口气体流量和气体压力，作出回归拟合曲线，反映出流量与压力平方差线性相关，则可认为气体在岩层中的流动规律符合达西定律。通过对实验测试数据结果进行一元线性回归分析，以测点的出口流量为纵坐标，气体入口压力平方和出口压力平方差，即p－p为横坐标，绘制各测点出口气体流量与压力平方差的回归拟合曲线。

首先测量模型在原始状态下的各项参数。为了保证测试结果的可靠性，实验选择6个测点进行测试，如图7所示。

图7 原始状态下气体流量与压力平方差回归拟合曲线Fig.7 Regression curve of gas flow and pressure squares in virgin state

从图7可以看出:①实测通过岩层的气体流量与进出口压力平方差线性相关，其各回归拟合曲线的相关系数分别为0.965 2，0.993 2，0.947 2，0.995 9，0.999，0.980 6，均接近 1，相关性较好;②测得通过模型的气体在6个测点的出口流量与压力平方差存在线性关系，说明在煤层开采前，该实验箱体内充入的气体通过岩层的流动规律符合达西定律。

当模型中的煤层开采结束后，待岩层稳定，再一次对6个测点的相关参数进行测量，绘制的一元回归拟合曲线如图8所示。各拟合曲线的相关系数分别为 0.957 7，0.953 4，0.982 2，0.953 3，0.991 4，0.998 6，也均接近 1，相关性较好。

从图8中可以看出，在煤层开采结束，待上覆岩层移动稳定后，通过模型的气体在该6个测点的出口流量与压力平方差存在线性关系，证明了在实验箱体中，通过覆岩的气体流动规律符合达西定律，可用达西定律作为计算依据。

图8 煤层开采后气体流量与压力平方差回归拟合曲线Fig.8 Regression curve of gas flow and pressure squares after mining

实验表明，实验箱体内充入的气体无论是煤层未开采前的原始状态下，还是在煤层完全开采结束后覆岩体卸压状态下，通过模型的气体流量和气体压力平方差线性相关，均服从达西定律。因此，实验可以利用达西定律来测定岩层的渗透率，从而研究覆岩体渗透率的变化规律和分布特征。

5 结论

1 )通过研制固气耦合物理相似模拟实验装置，解决了耦合实验中密闭条件下煤层开采系统和测试系统关键技术;

2 )通过进行物理相似模拟实验，验证了实验装置的可行性，为研究采动影响下煤岩体渗透率变化规律及分布特征提供实验基础，进而对研究采动裂隙场时空演化与卸压瓦斯渗流耦合规律，确定科学、合理的抽采方法、有效防治瓦斯灾害具有重要的指导意义。

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