煤與瓦斯突出災(zāi)害模擬和預(yù)警模型研究——國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）課題成果

煤與瓦斯突出是在煤炭采掘過程中，在很短的時(shí)間內(nèi)突然從煤（巖）壁內(nèi)部向采掘空間噴出煤（巖）和瓦斯的現(xiàn)象。煤與瓦斯突出的危害巨大，一旦發(fā)生，所產(chǎn)生的高速瓦斯流（含煤粉或巖粉）能夠摧毀巷道設(shè)施，破壞設(shè)備和通風(fēng)系統(tǒng)，甚至造成風(fēng)流逆轉(zhuǎn)；噴出的瓦斯可能有幾百到幾萬立方米，能使井巷充滿瓦斯，造成人員窒息，引起瓦斯燃燒或爆炸；噴出的煤、巖可能有幾千噸到萬噸以上，能夠造成煤流埋人甚至傷亡；猛烈的動(dòng)力效應(yīng)可能導(dǎo)致冒頂和火災(zāi)事故的發(fā)生。我國煤和瓦斯突出十分嚴(yán)重，2000～2009年之間共發(fā)生重、特大型突出事故10次以上，致亡人數(shù)超過400人。隨著我國煤礦開采向深部延深，煤礦煤與瓦斯突出災(zāi)害逐步升級，原來沒有威脅的煤層現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)變成為突出危險(xiǎn)煤層，當(dāng)前煤與瓦斯突出災(zāi)害已經(jīng)成為我國深部煤炭資源開采所面臨的挑戰(zhàn)性難題。

“煤與瓦斯突出災(zāi)害模擬和預(yù)警模型研究”是國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）“礦產(chǎn)資源綜合利用與安全監(jiān)測科學(xué)問題”項(xiàng)目的第六課題，課題承擔(dān)單位深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在總結(jié)前期研發(fā)成果的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)出一臺功能先進(jìn)、可綜合考慮多種因素的煤與瓦斯突出物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用該裝置揭示了多場耦合條件下開挖誘導(dǎo)煤與瓦斯突出過程的能量轉(zhuǎn)化機(jī)制，建立了煤與瓦斯突出發(fā)生條件與判據(jù)，豐富、完善了開挖誘導(dǎo)低透氣性煤層煤與瓦斯突出機(jī)理理論。

一、課題總體目標(biāo)和研究內(nèi)容

1．總體目標(biāo)

通過低透氣性高瓦斯煤層物理力學(xué)特性研究，得出高瓦斯煤層相似材料制作方法，研制出突出物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過突出物理模擬得出突出發(fā)生條件與判據(jù)，完善煤與瓦斯突出的力學(xué)作用機(jī)理理論。建立突出災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警模型，對主要的突出災(zāi)害信息進(jìn)行綜合分析，并對突出防治技術(shù)措施和管理措施的有效性進(jìn)行綜合評價(jià)，實(shí)現(xiàn)對短期內(nèi)突出災(zāi)害發(fā)生的可能性進(jìn)行預(yù)測以及對長期內(nèi)突出災(zāi)害發(fā)生可能性的趨勢進(jìn)行預(yù)警。

2．研究內(nèi)容

研究淮南礦區(qū)典型低透氣性高瓦斯煤層的相關(guān)物理力學(xué)特性，揭示不同氣體壓力、濃度和不同煤體滲透率、溫度等影響因素下，瓦斯吸附和解析的規(guī)律，建立深部煤巖體界面與高壓和高濃度瓦斯氣體組分的吸附解吸作用機(jī)制。研究煤與瓦斯突出過程運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力相似理論，確定高瓦斯煤體相似材料的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)并研制煤層相似材料。結(jié)合淮南礦區(qū)典型低透氣性高瓦斯煤系地層情況，提出突出模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，建立先進(jìn)的低透氣性煤層煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為系統(tǒng)研究煤與瓦斯突出機(jī)理提供先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

研究突出過程瓦斯流場與壓力變化及煤巖體應(yīng)力與溫度變化情況，揭示多場耦合條件下開挖誘導(dǎo)突出過程的能量轉(zhuǎn)化機(jī)制；建立突出發(fā)生條件與判據(jù)，完善“煤與瓦斯突出的力學(xué)作用機(jī)理”理論。基于煤與瓦斯突出的力學(xué)作用機(jī)理理論，構(gòu)建能全面表征突出危險(xiǎn)性的基本指標(biāo)體系；基于突出物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研制突出災(zāi)害信息的監(jiān)測設(shè)備，在突出模擬實(shí)驗(yàn)和井下開采時(shí)實(shí)施突出災(zāi)害信息監(jiān)測，得出突出發(fā)生條件的基本量化指標(biāo)值以及用聲發(fā)射、微震和瓦斯涌出動(dòng)態(tài)等信息來反映這些指標(biāo)的方法。研究突出防治技術(shù)措施和管理措施的缺陷模型，構(gòu)建突出的綜合預(yù)警模型；編制軟件模塊，將預(yù)警模型整合進(jìn)已有的突出災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)中，在現(xiàn)場進(jìn)行突出災(zāi)害的預(yù)警試驗(yàn)。

二、課題解決的關(guān)鍵技術(shù)問題及取得的成果

1．含瓦斯煤相似材料的配比和制作工藝關(guān)鍵技術(shù)

課題組主要從相似材料的物理力學(xué)性質(zhì)和吸附解吸性能兩個(gè)方面的相似性，考察和選擇含瓦斯煤相似材料。通過反復(fù)對比含瓦斯煤相似材料的性能特點(diǎn)，課題組將一定粒度的煤粉作為骨料，選取水溶腐植酸鈉作為膠結(jié)劑，得出了高瓦斯煤層相似材料基本材料配比，并經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)測試其物理力學(xué)基本參數(shù)，考察了其與突出煤層的相似性，最終得出了含瓦斯煤相似材料的配方和制備工藝。

課題組通過配比試驗(yàn)得出以腐植酸納溶液作為新型型煤膠結(jié)劑具有型煤抗壓強(qiáng)度高不影響材料吸附性質(zhì)等多種優(yōu)點(diǎn)。新材料的抗壓強(qiáng)度為0.5～3.0MPa，并且強(qiáng)度調(diào)節(jié)方便，可以覆蓋不同強(qiáng)度的煤體。材料吸附性不受膠結(jié)劑的影響，與原煤吸附性基本一致。

2．煤與瓦斯突出物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制作關(guān)鍵技術(shù)

課題組結(jié)合淮南礦區(qū)典型低透氣性高瓦斯煤系地層情況，考慮突出的主要影響因素，研制了低透氣性煤層突出機(jī)理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由實(shí)驗(yàn)臺架裝置、液壓加載控制系統(tǒng)、瓦斯充填系統(tǒng)和快速釋放系統(tǒng)等組成，能夠快速、高效地進(jìn)行不同地應(yīng)力、不同瓦斯壓力和不同物理力學(xué)性質(zhì)煤體的煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)研究，并且精度較高，結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單。

3．突出物理模擬實(shí)驗(yàn)

煤與瓦斯突出是在煤體物理力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力和瓦斯壓力的綜合作用下發(fā)生的動(dòng)力現(xiàn)象，課題組利用煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，通過改變煤體物理力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力和瓦斯壓力條件進(jìn)行了22組正交實(shí)驗(yàn)，得出了不同瓦斯壓力、煤體強(qiáng)度和地應(yīng)力條件下的突出現(xiàn)象和特征，詳細(xì)對比分析了不同突出條件下的腔體形態(tài)、突出腔體內(nèi)的氣體壓力變化趨勢，得出了煤與瓦斯突出發(fā)生的敏感指標(biāo)；課題組通過研究突出不同階段的特征，分析得出了整個(gè)突出的動(dòng)態(tài)演化過程，完善了煤與瓦斯突出的作用機(jī)理。

三、主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

1．得出了含瓦斯煤相似材料的配比和制備工藝，完成了物理力學(xué)參數(shù)的測試檢驗(yàn)

試驗(yàn)以腐植酸納溶液作為新型型煤膠結(jié)劑，新型材料具備很多優(yōu)點(diǎn)：各物理力學(xué)參數(shù)調(diào)節(jié)方便，如簡單地改變腐植酸納濃度可調(diào)節(jié)試件的抗壓強(qiáng)度；可依據(jù)所需尺寸，設(shè)計(jì)合理磨具，制作大小不同的型煤；材料制作、養(yǎng)護(hù)簡單，干燥快捷，性質(zhì)穩(wěn)定，可重復(fù)性好，可縮短試驗(yàn)周期；無毒副作用，對人體無任何傷害；材料各組分價(jià)格經(jīng)濟(jì)，適合大尺度物理模型實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，為其他同類試驗(yàn)提供良好的材料保證。

2．設(shè)計(jì)和制作了突出物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用先進(jìn)的密封技術(shù)和瓦斯充填技術(shù)，能夠模擬高壓瓦斯和高地應(yīng)力下不同強(qiáng)度煤體的破壞過程，與傳統(tǒng)突出模擬實(shí)驗(yàn)裝置對比，具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：模擬實(shí)驗(yàn)裝置可一次性完整采集煤與瓦斯突出試驗(yàn)過程中的壓力、位移等參數(shù)的全程或瞬態(tài)變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)定量分析；配置瓦斯流量計(jì)，對充填的瓦斯流量定量測量，實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯吸附特性測試；自主研發(fā)了瓦斯面式充填加載盤，該加載盤不僅能夠?qū)π兔菏┘訅毫Γ�同時(shí)實(shí)現(xiàn)對相似材料的面式瓦斯充填，提升了充填的精確性；研制了煤與瓦斯突出快速釋放機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出試驗(yàn)過程中瞬間揭煤；研制了煤與瓦斯突出氣壓采集裝置，并開發(fā)了相應(yīng)軟件，實(shí)現(xiàn)了最高200次／秒的測試速度，清晰記錄突出瞬間瓦斯壓力的劇烈變化；高壓密封墻體的內(nèi)部模型為圓柱體，加載時(shí)型煤受力更加均勻；在突出口附近安設(shè)動(dòng)態(tài)三維分析顯微系統(tǒng)，對煤與瓦斯突出瞬間進(jìn)行全過程攝錄，可記錄到煤與瓦斯突出瞬間的現(xiàn)象。

3．完善了“煤與瓦斯突出的力學(xué)作用機(jī)理”理論

通過22組煤與瓦斯突出物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究了突出過程瓦斯流場與壓力變化及煤巖體應(yīng)力變化情況，分析了不同突出條件的突出現(xiàn)象和突出過程的特點(diǎn)，得出了突出發(fā)生的條件和突出形式，完善了突出發(fā)生的機(jī)理。基于力學(xué)過程分析，將煤與瓦斯突出劃分為兩個(gè)過程即靜態(tài)過程和動(dòng)態(tài)過程，四個(gè)階段即準(zhǔn)備、發(fā)動(dòng)、發(fā)展、結(jié)束。認(rèn)識到地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤強(qiáng)度在突出過程中各個(gè)階段所起的作用可以是不同的；提出了將煤體強(qiáng)度和地應(yīng)力兩個(gè)影響因素統(tǒng)一考慮，采用“煤體破壞程度”作為影響突出的新指標(biāo)；完善了綜合作用理論三個(gè)主要因素的作用機(jī)理，即在準(zhǔn)備階段，不同性質(zhì)的煤巖在地應(yīng)力和瓦斯壓力綜合作用下發(fā)生破壞，其中地應(yīng)力起主要作用。當(dāng)煤體破壞到一定程度后，瓦斯壓力足夠?qū)⒚后w拋出時(shí)，突出發(fā)生。瓦斯壓力是煤與瓦斯突出的重要閾值。

目前，國內(nèi)外研究煤與瓦斯突出主要采用現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等手段，但由于煤與瓦斯突出條件復(fù)雜，突出過程高度非線性，僅采用現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析和數(shù)值模擬三種手段研究煤與瓦斯突出問題存在諸多困難，因此，采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行突出機(jī)理研究是迫切和有效的。課題完成的煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)系統(tǒng)可靈活用于煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)研究。試驗(yàn)裝置能夠基于含瓦斯煤相似材料的配比方法，真實(shí)模擬不同煤體的物理力學(xué)性能，根據(jù)煤與瓦斯突出過程物理力學(xué)及運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力相似理論，通過模擬不同地應(yīng)力、不同煤巖體參數(shù)、不同構(gòu)造下地應(yīng)力和不同瓦斯賦存壓力的組合情況，真實(shí)模擬石門揭煤或煤巷掘進(jìn)過程，觀察分析煤與瓦斯突出過程，監(jiān)測煤巖體破壞過程以及煤體內(nèi)瓦斯氣體的壓力和流動(dòng)變化情況，分析研究煤與瓦斯突出時(shí)煤體的破壞形態(tài)以及瓦斯場的變化，研究煤與瓦斯突出的機(jī)理，最終為形成煤與瓦斯突出力學(xué)演化機(jī)制及預(yù)測煤與瓦斯突出的基礎(chǔ)理論提供量化支撐。