煤与瓦斯突出模拟实验系统研究与教学实践

王 亮，王 喆，程远平，刘清泉，裴晓东

（中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116）

中国矿业大学安全工程实验教学中心整合国家重点实验室、工程研究中心等实验资源，拓展专业实验平台，提升专业实验科研层次，积极将科研成果转化为实验项目和实验仪器。实验课程教学中鼓励学生在导师指导下自主设计和开展科研试验，在科研中实现理论知识的深层次理解[1-2]。

煤与瓦斯突出是指极短时间内将大量瓦斯及煤岩抛向巷道的一种矿井主要灾害，其危害性极大，喷出的瓦斯会迅速充满上千米巷道，摧毁井下设施，还可能引发瓦斯（煤尘）爆炸、瓦斯窒息等次生灾害，造成严重的人员财产损失[3]。

物理模拟实验是研究煤与瓦斯突出机理的重要手段之一[4]，国内外已有不少学者开展了相关研究。研究装置已由传统模拟一维受力、单一场、小尺度过渡到了多维、多场、大尺度，根据这些研究内容，提出了如流变假说、固流耦合失稳和球壳失稳假说等[5-7]一些具有代表性的假说。

结合前人研究并基于相似准则和综合作用假说，本文构建了一套“真三轴煤与瓦斯突出模拟实验验系统”，根据该实验系统构建了不同条件下的煤与瓦斯突出实验，通过这些实验可以很好地提升学生的动手操作能力，使学生能够直观地认识煤与瓦斯突出发展全过程。

1 煤与瓦斯突出模拟实验系统研制

1.1 设计原理

实验装置基于综合作用假说，即煤与瓦斯突出受地应力、瓦斯压力和煤体性质的控制[5]，以及满足相似准则，即几何相似、运动相似和动力相似准则[8-9]，采用水平液压千斤顶以及竖直压力机施压模拟实现真三轴地层压力，采用高压瓦斯钢瓶、高压管路、加压泵和真空泵模拟煤体内部瓦斯压力，采用电阻加热带包裹三轴突出实验装置保持煤体性质（温度）恒定。该系统可模拟地层深度1 000 m、瓦斯压力10 MPa 下的煤与瓦斯突出。

1.2 装置组成

煤与瓦斯突出模拟实验系统[10]结构如图1 所示。

以突出口主轴方向为x 方向，侧向为y 方向，竖直方向为z 方向，该系统可以在这3 个方向分别独立加载应力σx、σy、σz，3 个方向的应力均通过刚性承压板将集中应力转变为面均布应力。垂向应力加载系统及三轴突出模拟实验腔实物如图2 所示。系统主要性能参数为σz≤80 MPa，σx、σy≤27 MPa；瓦斯压力≤10 MPa；温度：室温约60 ℃。

图1 煤与瓦斯突出模拟实验系统结构

图2 垂向应力加载系统及三轴突出模拟实验腔实物

突出模拟实验腔由盛煤腔体及上盖板组成。盛煤腔体采用一体切割技术加工成型，除去上部传力挡块，腔体内部空间尺寸约为250 mm×250 mm×250 mm，壁厚约80 mm。突出口位置位于实验腔前侧中部，突出口直径约为50 mm，在其他位置同样设置了各类传感器接线柱及注/排气口。

实验前突出口处于封闭状态，弹簧与堵头通过挡环压在突口上堵住突口。当突出启动时，敲下挡环即可使得堵头在弹簧的作用下从挡环中间抛出。为了使得实验煤样受力更为均匀，各个方向的应力是先通过活塞传递到方形挡块，再传递到实验煤样上。突出模拟实验腔的各侧及上盖板均布置有用于施加垂直应力及水平应力的活塞，活塞及堵头的加装密封圈用于保障腔体的气密性。

应力加载系统分为水平应力及垂直应力加载系统。水平应力系统由左、右及后侧3 个液压千斤顶组成，施加水平压力，它们又相互独立控制，在实验过程中可以独立施加。左右向水平应力加载范围为0～13 MPa，前后向水平应力加载范围为0～20 MPa。垂直应力加载系统加载由YAW-5000 型电液伺服压力完成。YAW-5000 型电液伺服压力由油源、控制系统和主机等部分组成，通过伺服控制可以使得加/卸载过程控制过程更为精准，其主要工作参数见表1。

表1 YAW-5000 型电液伺服压力机主要工作参数

实验采用ZJP-30 罗茨真空泵从实验腔前侧进或排气口进行煤样注气或抽真空。JP-30 罗茨真空泵相关工作参数见表 2。实验进行注气时，需将气瓶与实验煤样用三通阀连接起来，同时利用压力表将气体压力值调至实验预定压力，达到保障一定准确精度的效果。

表2 ZJP-30 罗茨真空泵主要工作参数

采集系统包含应力、瓦斯压力和温度传感器，一共布置2 组（分别编号1#、2#），如图3 所示，1#和2#传感器的高度一致，且离实验腔上盖距离都保持100 mm。为了保证实验装置的气密性，2 组传感器通过实验装置壁上的密封接线柱进行连接。

2 煤与瓦斯突出模拟实验教学方案

2.1 煤样制备

实验煤样的制备直接决定瓦斯突出全过程模拟的有效性。根据突出模拟的经验，一般当成型压强＞30 MPa 时能够制得近似于现场的IV、V 类突出煤[11]。实验压制煤样应取自井下现场，尽可能还原井下煤层的性质，然后粉碎并筛选出粒径≤0.25 mm 的煤粉作为制备型煤的煤样，装入YAW-5000 型电液伺服实验机内加压成型。为了提高煤粉的含水率和黏结力，加压前将5%含聚乙烯醇的水溶液配入干燥煤粉中。

2.2 实验方案制定

实验可设计不同瓦斯压力、不同应力水平下的煤与瓦斯突出模拟实验，实验方案设计见表3。

除了煤与瓦斯突出，还有CO2参与的突出[12]。因此，为最大限度保证实验的安全性，实验采用非爆炸性吸附气体CO2代替CH4进行模拟。

3 煤与瓦斯突出模拟实验结果

3.1 突出过程及突出煤粉分布特征

实验过程中，突出煤粉在突出口处被快速抛出，如图4(a)所示。突出煤粉的平面分布如图4(b)所示，突出煤粉的分布从地面来看呈梭型。可以看出突出梭形中部宽度大，两边宽度小，距突出口最远处即突出梭形后半部分煤样质量分布较多。主要是高压瓦斯流对煤粉不仅有搬运作用，加上后续的吹扫作用，才使得大量煤粉向远离突出口的方向运动。

3.2 突出过程中应力、压力和温度变化特征

通过对突出过程中煤体应力、瓦斯压力和温度的变化情况进行监测，得到的变化情况如图5 所示。

由图5(a)可以看出，突出一旦发生，煤体应力会迅速从平衡时的应力状态迅速降为0 MPa，后期应力会因薄膜压力传感器弯曲产生波动。由图 5(b)及图5(c)可以看出，煤体温度及煤体内部瓦斯压力变化规律相同。

图4 突出过程及突出煤粉分布特征

图5 突出煤体应力、温度和压力变化特征

3.3 突出煤体裂隙发育特征

实验结束后打开腔体观察煤体试样，顶部裂隙发育特征如图6 所示。可以看出，突出孔洞明显，孔洞周边分布有大量的弧状层裂隙。

图6 突出煤体顶部裂隙发育特征图

4 实验教学效果

4.1 现场演示，激发学生对专业的认同感

通过使用煤与瓦斯突出模拟实验系统进行现场模拟演示实验，能够让学生更加直观地了解煤与瓦斯突出过程的准备—发动—抛出—停止4 个阶段，加深学生对这部分相关知识的理解与掌握。该实验还可以使学生进一步意识到煤矿安全专业的重要性及意义，激发学生专业认同感，为煤与瓦斯突出灾害防治工作贡献力量。

4.2 “研-本结合”模式，利用科研训练提升学生实践及创新能力

该模拟实验为充分锻炼学生实践能力，以学生操作为主，教师充当学生“实验向导”角色，按照“煤样制备—数据采集—结果分析”流程对学生进行引导。为使学生能够变被动学习为主动钻研思考，通过在教学中引入“实验开题报告”及“实验成果评比”2 个环节，以这种全流程科研式的教学方式训练学生，能够有效锻炼学生独立思考攻克难题的能力，从而提升学生科研创新能力，达到好的教学效果。

在煤样制备这一实验的首要环节，制备煤样的好坏直接影响着整个实验的成败。通过这个环节，可以加深学生对于实验系统设计目的性的认识，了解如何科学地用煤样来模拟地下煤层中的煤体，锻炼学生动手能力的同时，开阔学生的思维。

在数据采集和结果分析环节，帮助学生在直观了解煤与瓦斯突出的基础上，通过数据处理分析，进一步了解煤与瓦斯突出的发展机理。在这个过程中，学生还可以学会有效利用Origin 软件进行数据处理，建立学生科研、分析实验现象的思维能力，为日后独立开展研究工作奠定基础。

5 结语

煤与瓦斯突出模拟实验系统为矿井瓦斯防治课程的实验教学提供了设备支持，可通过改变加载应力、瓦斯压力和煤体性质等参数进行多工况实验。实验项目实现了科研仪器在实验教学中的应用，对丰富教学内容和改善教学效果起到了重要的作用。该系统能够有效地加强学生对煤与瓦斯突出灾害的直观认知，激发学生对煤与瓦斯突出灾害发生机理及防治研究的积极性，不仅有助于本科学生提升科研能力，还可锻炼他们的实操技能，同时也可为各科研小组的研究课题提供设备支持，为煤与瓦斯突出灾害的防范处理工作提供技术支撑。