盧 祁

（安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001）

煤與瓦斯突出一維模擬實(shí)驗(yàn)

盧 祁

（安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001）

為了研究煤與瓦斯突出的動(dòng)力現(xiàn)象和突出發(fā)生的影響因素，研制了試驗(yàn)裝置并進(jìn)行了試驗(yàn)，并用滲透失穩(wěn)的觀點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行解釋。

滲透；氣壓差；煤與瓦斯突出

0 引言

煤與瓦斯突出機(jī)理非常復(fù)雜，謝焰等［1］通過(guò)對(duì)地面煤田鉆井抑突效應(yīng)的分析認(rèn)為，地面煤田鉆井不易發(fā)生突出，而井下揭煤鉆孔容易發(fā)生突出的原因就是地面鉆井井液液柱壓力的抑制作用，由此肯定了氣壓差或氣壓差產(chǎn)生的滲透壓力能引起煤層失穩(wěn)的觀點(diǎn)。為了進(jìn)一步研究突出的動(dòng)力現(xiàn)象和控突因素，研制了實(shí)驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的困難，國(guó)內(nèi)外對(duì)煤與瓦斯突出實(shí)驗(yàn)主要以室內(nèi)實(shí)驗(yàn)為主［2］。研制的實(shí)驗(yàn)裝置包括煤樣室、模擬巷道、煤樣壓實(shí)系統(tǒng)、揭煤開(kāi)關(guān)、氣壓和流量量測(cè)系統(tǒng)。煤樣室和模擬巷道由無(wú)縫鋼管制成，內(nèi)徑為199mm，每節(jié)長(zhǎng)度為0.5m，由法蘭連接，保證煤樣有足夠的長(zhǎng)度。煤樣室和模擬巷道之間的連接管裝有球閥，作為揭煤開(kāi)關(guān)，內(nèi)徑為40mm。煤樣室采用多節(jié)拼裝的形式，以方便氣壓梯度的觀測(cè)以及保證每節(jié)煤樣室的煤樣有相同的壓實(shí)度。煤樣通過(guò)千斤頂壓實(shí)，千斤頂?shù)募虞d能力為25MPa，可模擬1000m的厚的上覆巖層自重壓力，千斤頂?shù)纳扉L(zhǎng)量為500mm，保證煤樣室的煤樣能夠得到較均勻的壓實(shí)。

采用高壓氣瓶供氣，本次試驗(yàn)采用氮?dú)獯嫱咚?。每?jié)煤樣室都設(shè)有單獨(dú)的注氣管道，保證每節(jié)煤樣室注氣均勻。在每節(jié)煤樣室和模擬巷道外壁安裝機(jī)安裝氣壓傳感器，氣體排放量由數(shù)字式氣體流量計(jì)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)前，對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行耐壓性實(shí)驗(yàn)，確保整個(gè)裝置能滿(mǎn)足0.8 MPa氣壓的實(shí)驗(yàn)要求。

考慮到如果在最外節(jié)煤樣的端部施加軸向壓力，會(huì)造成煤樣室不同部位受力不均的現(xiàn)象，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，因此本次實(shí)驗(yàn)在揭煤過(guò)程中沒(méi)有對(duì)試樣室煤樣施加軸向壓力。本次實(shí)驗(yàn)注氣后氣壓穩(wěn)定時(shí)間為10mins。

2 噴出試驗(yàn)

為了觀測(cè)突出發(fā)生過(guò)程和煤粉在地面堆積特征，進(jìn)行了噴出試驗(yàn)。拆除圖1左邊的模擬巷道，讓煤粉直接噴出到地面。試驗(yàn)結(jié)果表明，突出是個(gè)持續(xù)的過(guò)程，持續(xù)時(shí)間約1s。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)地面中間有一個(gè)略顯灰白色條帶的扇形分布區(qū)，該區(qū)的煤粉厚度小于周邊煤粉厚度。分析其原因是由于在突出后期，煤樣室內(nèi)氣體的能量降低，不足于將試樣室中的煤粒帶出煤樣室，這些不含煤粒的氣體沖到地面，帶動(dòng)地面的煤粉向前方移動(dòng)，使得這個(gè)區(qū)域的煤粉厚度變薄，露出灰白色的地面顏色。

噴出試驗(yàn)表明：地面煤粉出現(xiàn)一扇形變薄帶，煤樣室中殘留的煤樣呈薄層狀分布。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了比較煤樣壓實(shí)密度對(duì)突出的影響，進(jìn)行了煤樣分別在15.0MPa和20.0MPa壓力壓實(shí)下突出對(duì)比試驗(yàn)。煤樣選自淮南某突出煤層，煤樣破碎后用篩孔孔徑4.75mm的篩網(wǎng)過(guò)篩，煤樣室的內(nèi)徑為199mm，煤樣室共4節(jié)，總長(zhǎng)度為2000mm。試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：72.20kg煤樣經(jīng)15MPa的壓力壓實(shí)，氣壓差為0.4MPa時(shí)發(fā)生突出，突出煤量分別為17.23kg；74.75kg當(dāng)煤樣經(jīng)20MPa的壓力壓實(shí)，氣壓差為0.74MPa發(fā)生突出，突出煤量為17.24kg。其中，在15.0MPa壓力壓實(shí)下的煤樣進(jìn)行了二次揭煤試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性較好。

4 結(jié)論

用滲透失穩(wěn)的觀點(diǎn)對(duì)上述試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了分析，認(rèn)為煤與瓦斯突出與煤層氣壓梯度有關(guān)，失穩(wěn)分層厚度變化是受背景氣壓消散速率影響的結(jié)果。

［1］謝焰，陳萍.煤與瓦斯突出滲透失穩(wěn)機(jī)理分析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39（03）∶63-66.

［2］Jacek Sobczyk.A comparison of the influence of adsorbed gas on gas stresses leading to coal and gas outburst［J］. Fuel，2014（115）∶288-294.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.028

盧祁（1991-），女，安徽鳳陽(yáng)人，在讀研究生，主要研究方向?yàn)槊号c瓦斯突出。