邢躍強(qiáng)，程遠(yuǎn)平，涂慶毅，王小蕾

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

隨著近年來開采過度，淺部煤層幾近枯竭，深部開采逐漸增多，隨之而來的各種礦井災(zāi)害也更加頻繁，煤與瓦斯突出危害尤為突出。在井下煤層開采過程中，煤與瓦斯突出頻發(fā)、危險(xiǎn)性巨大，給礦井安全帶來災(zāi)難性后果，瓦斯災(zāi)害防治刻不容緩[1-2]。煤與瓦斯突出是指在地應(yīng)力和瓦斯壓力共同作用下，采掘空間周圍煤巖體內(nèi)的大量煤巖攜帶大量瓦斯突然拋向采掘空間形成的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象[3]。煤與瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)生的一種復(fù)雜的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，特征是在極短的時(shí)間內(nèi)，由煤體向巷道或采場(chǎng)內(nèi)突然拋出大量的煤，并涌出大量的瓦斯[4]。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于煤與瓦斯突出機(jī)理已經(jīng)出現(xiàn)了一系列研究。目前有認(rèn)同度較普遍的瓦斯主導(dǎo)作用假說、地應(yīng)力主導(dǎo)作用假說、化學(xué)本質(zhì)作用假說和綜合作用假說[5]等。何學(xué)秋通過對(duì)含瓦斯煤樣在三維受力狀態(tài)下流變特性的研究，認(rèn)為只要條件具備的情況下各類煤層都有產(chǎn)生突出的可能，提出煤和瓦斯突出是含瓦斯煤體流變行為的假說[6]。于不凡提出了煤與瓦斯突出是由中心向四周擴(kuò)散的假說，他認(rèn)為煤與瓦斯突出是離工作面某一距離的發(fā)動(dòng)中心開始的，而后向周圍擴(kuò)展，并且由發(fā)動(dòng)中心周圍的煤-巖石-瓦斯體系提供能量及參與活動(dòng)[7]。Paterson認(rèn)為煤與瓦斯突出是由于瓦斯壓力梯度作用下導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，并建立了煤與瓦斯突出的數(shù)學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行討論分析[8]。Khodot等通過模型討論了地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤體強(qiáng)度參數(shù)等對(duì)突出的影響[9]。這些假說可以基本定性地解釋了煤與瓦斯突出現(xiàn)象，為煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)和防突措施的制定與實(shí)施提供了依據(jù)。

由于煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性、復(fù)雜性以及不可控性，現(xiàn)場(chǎng)無法進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，所以，實(shí)驗(yàn)室模擬是一種較好還原方法。尹光志等人以自行研制開發(fā)的大型煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)系統(tǒng)為手段，對(duì)其可靠性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)不同含水率煤體發(fā)生煤與瓦斯突出時(shí)突出強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究[10]。唐巨鵬等自主研制了可改變軸壓、圍壓和孔隙壓，實(shí)現(xiàn)突出口自行打開的煤與瓦斯突出模擬儀。研究得出隨深部開采地應(yīng)力與瓦斯壓力共同作用下煤與瓦斯突出頻度將增加，但強(qiáng)度和破壞程度增加率將趨于平緩[11]。目前為止，前人對(duì)煤與瓦斯突出各方面的影響已經(jīng)做了詳盡的研究，文中利用自主研制的真三軸突出模擬試驗(yàn)系統(tǒng)開展相應(yīng)的突出模擬試驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注突出煤體的空間分布特征及粒徑分布特性，并對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)的探討和分析，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)煤與瓦斯突出。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)采用的是自主研制的真三軸煤與瓦斯突出試驗(yàn)系統(tǒng)。如圖1所示。該系統(tǒng)主要由三軸突出模擬試驗(yàn)裝置、應(yīng)力加載系統(tǒng)、注氣系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)等組成。三軸應(yīng)力加載系統(tǒng)為整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。三軸應(yīng)力加載裝置內(nèi)部腔體為長(zhǎng)、寬、高分別25，25，31 cm，突出口直徑5 cm.突出腔體一體切割成型，頂蓋預(yù)留溝槽鋪設(shè)密封圈，煤樣成型完畢后，頂蓋用螺栓緊固，保證了實(shí)驗(yàn)過程中的氣密性。

1 三軸突出模擬試驗(yàn)裝置 2 突出口 3 接線柱 4 水平加載千斤頂 5 恒溫控制系統(tǒng) 6 軸向壓力試驗(yàn)機(jī) 7 水平加載泵站 8 三通閥門 9 高壓氣瓶 10 真空泵 11 控制臺(tái) 12 數(shù)據(jù)采集儀 13 試驗(yàn)機(jī)泵站圖1 真三軸煤與瓦斯突出試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of test system

1.2 煤樣制備

本次試驗(yàn)選用臥龍湖煤礦10煤層108機(jī)巷煤樣。臥龍湖10煤層實(shí)測(cè)最大瓦斯壓力4.30 MPa，礦井最大絕對(duì)瓦斯涌出量47.75 m3/min，煤樣堅(jiān)固性系數(shù)f值2.40，為煤與瓦斯突出煤層，屬硬煤。將原煤用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎后，篩選小于0.25 mm的煤粉備用。每次試驗(yàn)使用22 kg煤粉，煤粉可以重復(fù)利用，本次制備約100 kg的煤樣。

為方便煤樣壓制成型，以及提高煤樣的含水率和粘結(jié)能力，選用5%的聚乙烯醇水溶液[13]。第一步，制取粉煤樣本，用煤樣篩篩取小于0.25 mm的煤粉。第二步，型煤壓制，將篩選后的煤粉與一定比例的水混合均勻，而后倒入三軸突出模擬實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)加載成型，中途添加2次煤樣，反復(fù)進(jìn)行3次壓制成型。

1.3 試驗(yàn)方案

為研究煤與瓦斯突出過程中煤粉拋出距離與粒徑的空間分布特征，進(jìn)行不同瓦斯壓力下煤與瓦斯的突出試驗(yàn)，共設(shè)置了0.2，0.25，0.3，0.35，0.4，0.5 MPa等6組成型壓力3 000 kN的試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，垂直應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、側(cè)向應(yīng)力均設(shè)置為5.5 MPa，方案見表1.

表1 煤與瓦斯突出相似模擬方案Tab.1 Coal and gas outburst similar simulation program

注：垂直應(yīng)力為軸壓，構(gòu)造應(yīng)力為平行于突出發(fā)展方向的水平應(yīng)力，側(cè)向應(yīng)力為垂直于突出發(fā)展方向的水平應(yīng)力。

因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)性質(zhì)的特殊性，為了安全起見，實(shí)驗(yàn)過程采用非爆炸性氣體CO2代替瓦斯進(jìn)行突出模擬試驗(yàn)。CO2化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，有研究表明，CO2體積分?jǐn)?shù)為45%的混合氣體突出煤粉質(zhì)量與甲烷突出煤粉質(zhì)量接近，故可用CO2代替甲烷進(jìn)行試驗(yàn)[14]。

突出材料對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的響應(yīng)方式可分為彈性階段、彈塑性階段和峰值應(yīng)力失效階段3個(gè)階段。見表2，峰值強(qiáng)度(σ1)和彈性模量(E)隨著圍壓(σ2)的增強(qiáng)而增強(qiáng)。μ，C，θ分別為泊松比、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦力[15]。

表2 突出材料力學(xué)強(qiáng)度Tab.2 Mechanical parameters and strengthof the outburst materials

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 煤與瓦斯突出強(qiáng)度

拋出煤體平面分布特征通過一系列試驗(yàn)證明，煤與瓦斯突出的發(fā)生存在一個(gè)瓦斯臨界值，大于臨界值，突出發(fā)生[16-17]。本試驗(yàn)中突出臨界值位于0.25～0.3 MPa 之間。隨著瓦斯壓力的增加，煤樣的突出量也逐漸增大，相對(duì)突出強(qiáng)度也增大，說明在現(xiàn)場(chǎng)瓦斯壓力是煤與瓦斯突出強(qiáng)度的重要決定因素[18]。文中定義相對(duì)突出強(qiáng)度為突出煤量與試驗(yàn)總煤量的比值，見表3.

表3 煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of simulation test oncoal and gas outburst

圖2 試驗(yàn)5#拋出煤體平面分布特征Fig.2 Thrown out coal planar distribution of No.5 experiment

2.2 突出煤體空間分布

突出發(fā)生時(shí)，煤體在高壓瓦斯流的作用下，瞬間被拋出腔體外。突出的煤粉在高速瓦斯流的作用下在地面呈梭形分布，兩頭較窄，中部較寬。中間各個(gè)條帶之間有明顯的間隔，有明顯的吹掃痕跡，拋出煤體平面分布特征如圖2所示。

從表4可以看出，將每次拋出煤體按距離平均等分為5個(gè)區(qū)域，由近及遠(yuǎn)分別為近區(qū)、較近區(qū)、中區(qū)、較遠(yuǎn)區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)。收集稱重各分布區(qū)域的煤粉質(zhì)量。在4組突出案例中，較遠(yuǎn)區(qū)域煤樣占據(jù)較大比例，主要原因是突出瞬間發(fā)生，巨大能量將大部分煤樣搬運(yùn)至較遠(yuǎn)區(qū)域，隨著能量降低，突出逐漸衰退，搬運(yùn)能力降低，直至突出終止。

表4 不同區(qū)域煤粉質(zhì)量分布Tab.4 Pulverized coal mass distributionin different regions %

2.3 突出煤體粒徑分布特征

筆者對(duì)突出的煤粉按直徑>3 mm，1～3 mm，0.5～1 mm，0.25～5 mm，<0.25 mm做進(jìn)一步篩分，拋出粒徑分布見表5.可以發(fā)現(xiàn)，突出煤粉中小粒徑的煤占主要部分。直徑小于0.25 mm的煤粉占比均大于20%，而小于0.5 mm的均超過45%，個(gè)別甚至高達(dá)66.7%.小粒徑煤體占如此大比例的原因可能是突出發(fā)展階段高壓瓦斯作用下煤體層列破碎，在突出瓦斯涌出瞬間高壓瓦斯流將煤體破壞成顆粒，在突出發(fā)展過程中高速瓦斯流對(duì)突出煤體再次進(jìn)行破碎，再加上瓦斯解吸及煤粒間的摩擦碰撞，故粉碎程度較高[19]。

表5 拋出煤體粒徑分布表Tab.5 Particle size distribution of thrown out coal

2.4 突出煤體寬度隨距離分布特征

突出煤體寬度隨距離分布變化如圖3所示。總體呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，這與突出形狀一致。造成這種現(xiàn)象的原因是突出煤體是呈射流狀從突出口噴涌而出[20]，導(dǎo)致落在地面呈梭形分布。突出煤體中，較遠(yuǎn)區(qū)域大顆粒煤占主要部分，突出之后二次搬運(yùn)效果不明顯，而中間區(qū)域小顆粒煤占主要部分，突出來的煤樣在瓦斯流的二次搬運(yùn)下，向兩邊移動(dòng)。

圖3 突出煤體寬度隨距離變化示意圖Fig.3 Variation of outburst coal width with distance

3 討 論

由于條件所限，實(shí)驗(yàn)室物理模擬規(guī)模較小，試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際突出情況有一定區(qū)別。實(shí)驗(yàn)條件下所用的型煤是由直徑小于0.25 mm的煤粉壓制成型，力學(xué)強(qiáng)度和煤顆粒連接方式與原生煤有較大差異，導(dǎo)致在試驗(yàn)條件下，0.30 MPa即可發(fā)生突出，要低于防突規(guī)定中的預(yù)測(cè)指標(biāo)0.74 MPa，同時(shí)型煤破壞更容易，而破壞后拋出煤為大量散體，粒徑相對(duì)較小。通過一系列的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大粒徑的煤粒在較近區(qū)域和較遠(yuǎn)區(qū)域均有分布，中間區(qū)域較少。如圖4所示。造成這種情況是突出初期，能量較大，足以把大粒徑煤顆粒搬運(yùn)至遠(yuǎn)處，而突出發(fā)展到后期，能量逐漸耗散，不足以搬運(yùn)新剝離的大粒徑。

圖4 大粒徑煤體不同區(qū)域分布圖Fig.4 Large-size coal distribution in different regions

而在現(xiàn)場(chǎng)情況中，煤與瓦斯突出后煤體分布與試驗(yàn)結(jié)果并不完全一致，大塊煤體聚集在較近區(qū)域，距離突出地點(diǎn)越遠(yuǎn)小顆粒煤粉越多。對(duì)此有幾種解釋。首先，現(xiàn)場(chǎng)突出是在巷道受限空間條件下，而實(shí)驗(yàn)室則是自由空間條件下。在巷道條件下，突出煤體沖開巖柱瞬間，由于大煤塊自身受重力影響及石門對(duì)大塊煤體會(huì)有一定阻擋作用，所以導(dǎo)致大塊煤體移動(dòng)不了多遠(yuǎn)距離，而在自由空間內(nèi)，突出口對(duì)大粒徑煤的阻擋作用是有限的，較大瓦斯壓力可以將大粒徑煤體搬運(yùn)至遠(yuǎn)處；其次，現(xiàn)場(chǎng)條件下，突出發(fā)展的空間和瓦斯供給相對(duì)充足，突出大體上可以經(jīng)歷“加速-相對(duì)穩(wěn)定-衰減”的過程。在突出的加速階段，突出能量供給是充足的，隨著突出的發(fā)展，突出煤體獲得的初始動(dòng)能逐漸增大，并逐漸被搬運(yùn)到遠(yuǎn)處。突出的相對(duì)穩(wěn)定階段，突出的能量供給和消耗是相對(duì)持平的，突出煤體具有較高的初始動(dòng)能，從而被搬運(yùn)到遠(yuǎn)方。而在突出后期，突出煤體獲得的初始動(dòng)能逐漸降低，被搬運(yùn)的距離也逐漸減小，這部分煤體又重新分布在靠近突出口的區(qū)域。而在實(shí)驗(yàn)室條件下，實(shí)驗(yàn)腔體內(nèi)所能容納的瓦斯是有限的，當(dāng)突出發(fā)展到一定程度后剩余的突出能量將無法再支撐突出的發(fā)展，突出瞬間停止，跟現(xiàn)場(chǎng)相比沒有明顯的衰減過程。此時(shí)，突出煤體的搬運(yùn)類似于有限的突出能量作用下，瞬間被拋出，大部分突出煤體獲得的初始動(dòng)能是相近的，并被搬運(yùn)到遠(yuǎn)離突出口的位置，而由于衰減期不明顯，靠近突出口的區(qū)域并沒有后續(xù)突出煤體的分布，最終呈現(xiàn)出靠近突出口區(qū)域的突出煤體分布量是不高的；實(shí)際突出情況中，拋出的煤堆積坡度小于自然安息角，而實(shí)驗(yàn)室實(shí)際突出的煤體并沒有發(fā)生堆積，更不存在自然安息角，故試驗(yàn)方案還有待進(jìn)一步完善。

4 結(jié) 論

1)試驗(yàn)證明煤與瓦斯突出經(jīng)歷了孕育、發(fā)生、發(fā)展到終止的過程，整個(gè)過程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。而煤與瓦斯突出物理模擬是一種小尺度試驗(yàn)，整個(gè)規(guī)模及能量是有限的，突出會(huì)因?yàn)槟芰康暮纳⒍K止。整個(gè)突出過程非常短暫，看不到明顯的衰退期；

2)突出的煤體呈梭形分布，兩頭區(qū)域?qū)挾容^小，中間區(qū)域?qū)挾容^大，其中有條帶式間隔。這是由于遠(yuǎn)處區(qū)域大量大粒徑煤體分布，瓦斯吹掃作用不明顯，中間區(qū)域以細(xì)小煤顆粒為主，受高速瓦斯流的吹動(dòng)影響橫向擴(kuò)散，而距離突出口較近區(qū)域煤量稀少；

3)突出煤粉的粒徑以小顆粒煤為主，多次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果表明，小于0.5 mm的煤顆粒占總突出煤體量的比例均超過45%，有些甚至高達(dá)66%以上，破碎程度較高，這與突出現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況高度一致；

4)在大粒徑煤體分布方面，試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況有一定差距，但是綜合試驗(yàn)空間、突出發(fā)展時(shí)間、煤的自然安息角等多方面因素考慮，可以得到合理的解釋。同時(shí)這也對(duì)后續(xù)進(jìn)行煤與瓦斯突出方面的研究提出了新的要求，需要進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)設(shè)備及環(huán)境，盡可能的符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

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