石门揭穿煤层煤与瓦斯突出模拟实验方法研究

李晓伟，王超杰，陈裕佳

石门揭穿煤层煤与瓦斯突出模拟实验方法研究

李晓伟，王超杰，陈裕佳

（中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116）

在分析石门揭煤突出危险性的基础上，建立了石门揭煤突出模拟实验模型，以此为依据设计了突出模拟实验系统。系统主要包含应力、突出模拟、真空、充气吸附4个子系统。利用有限元法对突出模拟子系统长度、厚度及突出孔洞的大小进行了相关设计。设计调试完毕后，对采集的煤样进行粉碎加水搅拌处理，依次进行压制成型、真空脱气、充瓦斯吸附等相关操作，最后在确保安全的情况下，打开突出孔洞，完成相关突出模拟实验。利用该模拟系统，为本科生完成突出模拟演示20余次，提高学生对突出灾害的认识，达到了预期实验目的。

煤与瓦斯突出；石门揭煤；突出模拟；长圆形突出设备

煤与瓦斯突出（以下简称突出）是煤矿井下的一种典型动力灾害，其从开始到结束仅几秒到几十秒，发生速度快，同时井下又十分狭小，一旦发生，经常造成巷道堵塞，人员逃生困难[1]。在众多的突出事故中，石门揭穿煤层（以下简称石门揭煤）的煤层条件最有利于突出发生，因此其最为典型，众多的大型事故均发生于石门揭煤[2-3]。随着我国煤矿开采深度的增加，近年来突出事故屡次出现，对我国煤矿造成了严重威胁[4-5]。其主要原因是突出的机理极其复杂，目前仍有大量科学问题尚未解决[6-7]。

另外，由于突出破坏性强，发生发展较快，无法进行直接观察，造成技术人员对突出认识不足，重视不够。因此开发一种能够在实验室进行突出模拟的实验设备，对研究突出的一般规律，展示突出危险性，提高毕业生后期工作中对突出的重视程度均十分必要。

1 突出模拟实验模型的建立

开展突出模拟实验必须和煤矿现场发生的突出相吻合，因此在进行突出模拟实验时必须依据突出的影响因素进行相似化处理，当忽略煤体自身重力的影响时，石门揭煤突出影响因素图见1[8-9]。

图1 石门揭煤突出影响因素示意图

该突出过程的影响因素十分复杂，涉及煤层应力、瓦斯压力、煤层特性、生产因素等，各个因素相互影响，无法进行直接研究。因此，对突出次要因素进行简化，保留突出的主要因素，建立相应的模型，才能使其具有较高的可研性。

一般认为突出的影响因素可划分为人为因素和自然因素[9]两大类。人为因素主要是等待时间、阻挡层的厚度l和循环进尺[10-11]。在煤矿现场，阻挡层尽管为岩层，但受采动应力影响，或多或少存在裂隙，造成瓦斯泄漏。等待时间越长，瓦斯泄露越多，原始瓦斯压力向内部移动，在前方形成卸压区，卸压区越长，越不容易发生突出；阻挡层厚度越厚，受采动影响越小，形成沟通裂隙的机率越小，瓦斯越不易泄露，突出越容易发生[12-13]；循环进尺越长，含高压瓦斯软煤暴露的可能性越大，越容易发生突出[14]。

每个煤矿的人为因素千差万别，无法进行准确确定。如果假定阻挡层是致密而坚硬的岩石，不产生裂隙，则通过阻挡层由软煤渗流至巷道的瓦斯量近似为零，则软煤内各处的瓦斯压力均保持原始瓦斯压力的大小，而且设定不论循环进尺多大，揭开煤层后煤体暴露面瓦斯压力均为原始瓦斯压力，此时突出危险性最大。

将上述人为因素做最大化处理，仅进行自然因素研究，则简化了突出过程，使其具有可研性。该模型下突出最易发生，以此为依据进行研究得到的突出参数安全系数更高，因此以此为模型建立突出模拟实验系统。

2 突出模拟实验系统的功能

依据以上模型建立实验室的突出模拟系统见图2，系统在设计过程中将前方阻挡层变为堵头，其瓦斯泄露量为零，煤层的瓦斯压力按照实际充入，模拟过程中将整个煤体模拟成突出危险性强的软煤。

1-真空泵；2-控制阀；3-气体控制阀；4-压力表；5-压力机；6-上压板；7-突出模拟装置；8-堵头；9-档杆；10-反力架；11-下压板。

突出模拟实验装置的子系统有突出模拟装置、真空脱气系统、充气吸附系统及应力施加系统。

（1）突出模拟装置。该子系统由缸体、压柱、堵头、挡板等组成。实验过程中将煤样置于缸体中，利用压柱在应力施加系统的加压下完成煤样成型、密封抽真空、重新吸附平衡、打开档杆、触发突出等过程。该系统是突出模拟实验的主体，其主要作用是煤样成型、吸附平衡后触发突出。

（2）真空脱气系统。该子系统由真空泵、控制阀、压力表、连接管路等组成。实验过程中完成成型煤样的脱气处理。由于煤样送至实验室时接触空气，煤体又是良好的吸附剂，煤样会吸附大量空气，因此实验前必须对煤样进行真空处理，使煤样解吸掉吸附空气为瓦斯吸附创造条件。

（3）充气吸附系统。该子系统由高压瓦斯气瓶、控制阀、压力表、连接管路等组成。实验过程中完成煤样的重新吸附。煤样脱气完成后，利用控制阀充瓦斯，煤层吸附瓦斯达到平衡时，基本模拟井下突出煤的含瓦斯状态，在档杆打开后完成突出模拟实验。

（4）应力施加系统。该子系统主要是1000 t压力机，主要是煤层成型和突出过程中施加相应的应力。

主要过程可以概括为：应力施加系统对突出模拟系统中煤样施加应力成型，真空脱气装置进行脱气，除掉吸附空气；然后通过充气吸附系统充入瓦斯，吸附平衡后，打开突出堵头，激发突出。

3 突出模拟装置的研制

在以上系统中以突出模拟装置最为重要，研制时需要重点考虑两方面的问题：一是突出缸体在高应力下不变形，以保证应力准确及密封；二是突出的孔洞与煤体的比例关系，避免突出时突出的发展受缸体边界约束影响，造成测试误差。基于此对突出的设备进行研制，设备剖面见图3。

图3 长圆形突出模拟装置

由于实验压力机为1000 t，同时考虑到缸体的成型压力为30 MPa以上，因此设计采用长圆形，以保障足够应力。压力机不宜长时间满负荷工作，工作应力应为额定压力的80%，且考虑成型压力冗余系数110%，则按照成型压力30 MPa，其设计面积应为0.2375 m2；考虑到设计加工方便，长圆形缸体两端半圆半径为110 mm、中间长度为900 mm时，经计算其面积为0.2360 m2，满足成型要求。采用Ansys软件对长圆形缸体进行有限元分析，当缸体厚度取75 mm时，缸体的最大形变处于中间位置，最大形变值为1.562 mm，能满足密封需要，考虑到安全系数，因此缸体厚度按照80 mm设计。

突出过程是高压气体吸附煤体的抛射过程，因此保证设备密封良好是实验成败的关键。调试过程主要是检查设备的气密性。检查时先在突出模拟装置中充入1 MPa以上的N2气，然后在密封位置注入清水，观察是否有气泡产生，如没有，将设备静止2 d以上，每小时记录一次压力数据，其压力值波动在±0.02 MPa内说明密封合格。

4 实验过程

（1）煤样制备：将现场采集的煤样送至实验室，进行粉碎筛分处理，筛分至2 mm以下；按照含水率为5%的要求加入水分，进行充分搅拌，搅拌完成后，进行分装密封。

（3）真空脱气。型煤压制完成后，将真空脱气系统、充气吸附系统连接至缸体后部、侧部的连接孔，关闭五通阀中的充气吸附系统。打开真空泵，缓慢打开五通阀中的真空脱气阀门，开始脱气。脱气需要持续12 h以上，待所有电子压力表均显示为–0.09 MPa时，脱气完成。

（4）充气吸附。脱气完成后，煤层吸附的空气被清除完成，关闭五通阀脱气阀门，关闭真空泵，打开气瓶开关，将减压稳压阀调整至预定瓦斯压力，然后缓缓打开五通阀充气阀门，开始充气。充气时间一般不小于24 h，待所有电子压力表均显示充气压力时，充气完成。

（5）突出模拟实验。吸附平衡后，记录大气环境参数，安装突出诱发千斤顶，架设高速摄像机，进行安全警戒。一切准备完成后，快速关闭五通阀的充气开关和气瓶总开关，远程给千斤顶施加压力，顶开档杆，诱发突出，完成实验。

该系统曾对河南、安徽、山西、贵州等地的煤层进行了80余次突出模拟实验，其中科研实验50余次，学生演示实验20余次。薛湖煤矿二2煤层煤样的实验过程参数见表1所示。

表1 薛湖煤矿二2煤层突出模拟实验的相关参数

实验3的突出模拟过程最为强大，也最为典型，打开堵头的瞬间，发出一声巨响，金属堵头如炮弹一样快速抛射出去，随即喷射出大量煤粉，高速摄像机拍摄的突出实验过程见图4。

图4 强突出模拟过程

从表1可以看出，实验3的突出模拟共压制煤量83 kg，瓦斯压力为0.679 MPa，围岩压力为23.1 MPa。开盖后突出煤量为23.5 kg，占总煤量的28.31%。尽管突出煤量仅为23.5 kg，但从图4可以看出喷出的煤粉接近7 m，高度接近1 m，现场测量煤粉抛射最宽宽度为2.5 m，将10 kg的堵头抛射至8 m外，突出强度很高。以此可以想象井下突出煤量以吨计时，突出过程有多恐怖与震撼。

5 结语

煤与瓦斯突出是井下十分危险的一种瓦斯动力灾害，由于其危险性和瞬时性，无法在现场进行实测和观察。为使其具有可研性、可演示性，为科研和本科教学服务，提高安全工程专业毕业生对突出的认识，为后期工作服务，本文研发了突出模拟系统。利用该设备进行科研的同时，为本科生研究生演示实验20余次，提高了学生对突出的认识。

[1] 蒋承林，杨胜强.矿井瓦斯灾害防治与利用[M].徐州：中国矿业大学出版社，2013.

[2] 谢雄刚.石门揭煤过程煤与瓦斯突出的注液冻结防治理论及技术研究[D].长沙：中南大学，2010.

[3] 宋世钊.用石门揭开具有煤与瓦斯突出危险煤层的几个问题[J].煤炭学报，1979(1): 61–66.

[4] 胡千庭，赵旭生.中国煤与瓦斯突出事故现状及其预防的对策建议[J].矿业安全与环保，2012, 39(5): 1–6.

[5] 何满潮，谢和平，彭苏萍.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报，2005, 24(16): 2803–2813.

[6] WANG L, CHENG Y, GE C, et al. Safety technologies for the excavation of coal and gas outburst-prone coal seams in deep shafts[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2013, 57: 24–33.

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[9] 蒋承林，俞启香.煤与瓦斯突出的球壳失稳机理及防治技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，1998.

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[12] 李晓伟.复杂地质条件下石门及井筒揭煤突出危险性快速预测研究[D].徐州：中国矿业大学，2009.

[13] 徐乐华.钻孔初始瓦斯流量法预测石门揭煤突出危险性的实验研究[D].徐州：中国矿业大学，2015.

[14] 高魁.石门揭构造软煤诱发煤与瓦斯突出模拟试验研究[D].淮南：安徽理工大学，2013.

[15] 邹喜正. 矿山压力与岩层控制[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2005.

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

江苏省高等教育教改研究课题一般项目（2017JSJG128）；江苏高校品牌专业建设工程项目“安全工程”（PPZY2015A055）；中国矿业大学教育教学改革项目（2017YB43）

李晓伟（1980—），男，河南鲁山，博士，讲师，研究方向为煤与瓦斯突出防治与预测。E-mail: ttgnhm@126.com