李樹剛，魏宗勇，林海飛，趙鵬翔，肖 鵬，郝昱宇

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.西安科技大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，陜西 西安 710054)

煤炭是我國的主體能源，根據(jù)國家數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)中比重分別占69.6%和62%[1-2]。隨著煤層開采強(qiáng)度的增大、開采深度的增加，瓦斯含量及瓦斯涌出量逐漸增大，瓦斯災(zāi)害也日趨嚴(yán)重[3-4]。由于我國大部分礦區(qū)煤層透氣性較差，預(yù)抽效果不甚理想，采后卸壓抽采為實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采的一種有效手段，其關(guān)鍵科學(xué)問題是采動覆巖裂隙動態(tài)演化規(guī)律及卸壓瓦斯運(yùn)移規(guī)律。為研究該問題，物理模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場工業(yè)性實(shí)驗(yàn)等手段得以應(yīng)用，相較于后兩者，物理模擬實(shí)驗(yàn)具有可靠性高、直觀性強(qiáng)與重復(fù)性好等特點(diǎn)，已成為研究煤與瓦斯共采科學(xué)問題的主要方法[5]。

早期，物理模擬實(shí)驗(yàn)主要以平面應(yīng)力模型或平面應(yīng)變模型為主，無法真正體現(xiàn)三維空間狀態(tài)下的規(guī)律[6-7]。近年來，為了解決二維模型存在的問題，研制了一批仿真程度更高的三維物理模擬實(shí)驗(yàn)平臺。李仲奎等[8-9]發(fā)明了三維多主應(yīng)力面加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，成功完成了復(fù)雜洞室群模型實(shí)驗(yàn)。胡耀青等[10-11]建立的大型三維固流耦合模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了覆巖位移和應(yīng)力變化規(guī)律，為礦井煤層開采覆巖活動及地表沉降的研宄提供了基礎(chǔ)指導(dǎo)。伍永平等[12-14]依托自主研發(fā)的多功能立體支架實(shí)驗(yàn)裝置，探究了急斜煤層開釆煤巖多場耦合失穩(wěn)機(jī)理、圍巖變形破壞及應(yīng)力分布特征。李樹剛等[15-17]主持研制了煤與瓦斯共采小型三維物理模擬實(shí)驗(yàn)臺，探究了煤層開采過程中采動應(yīng)力分布和覆巖破壞規(guī)律。尹光志等[18-20]應(yīng)用三維物理模擬的方法對煤與瓦斯突出進(jìn)行了深入的研究。已有研究取得了豐富成果，初步實(shí)現(xiàn)了實(shí)際工程原型的模型試驗(yàn)，但以往研究主要集中于地應(yīng)力對圍巖巷道影響，或側(cè)重于高應(yīng)力、高瓦斯壓力下煤與瓦斯突出規(guī)律，對于煤與瓦斯共采物理模擬涉及較少;另外，覆巖裂隙演化、礦山壓力以及卸壓瓦斯儲運(yùn)與抽采一體同步研究的大型三維物理模擬實(shí)驗(yàn)平臺功能實(shí)現(xiàn)仍需完善。

為進(jìn)一步解決煤與瓦斯共采模型實(shí)驗(yàn)研究的不足，筆者在充分借鑒前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，自主研制了一套煤與瓦斯共采三維大尺度物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可相對真實(shí)的再現(xiàn)工作面煤層開采、通風(fēng)、瓦斯涌出及抽采環(huán)境，將覆巖裂隙演化、礦山壓力分布以及卸壓瓦斯儲運(yùn)與抽采等進(jìn)行同時同步研究，從而為實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采提供一定的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)方案

煤與瓦斯共采三維大尺度物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠進(jìn)行煤層開采條件下覆巖裂隙演化、礦山壓力分布、卸壓瓦斯儲運(yùn)及抽采的同步化物理模擬實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)平臺采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要由7個單元構(gòu)成，分別是大尺度箱體與基座、自動液壓開采單元、柔性加載單元、自動通風(fēng)單元、瓦斯注入單元、瓦斯抽采單元、綜合數(shù)據(jù)采集與控制單元，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力場、瓦斯場、裂隙場等多場表征參數(shù)的動態(tài)采集及控制(圖1)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總設(shè)計(jì)構(gòu)架Fig.1 General design framework of experimental system

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺主要構(gòu)成

1.2.1 大尺度實(shí)驗(yàn)箱體與基座

根據(jù)目前煤礦綜合機(jī)械化采煤工作面的面長與推進(jìn)距離，以及模擬實(shí)驗(yàn)的要求，確定實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?.0 m×2.5 m×1.8 m，如圖2所示。箱體采用高強(qiáng)度加強(qiáng)筋焊接鋼板拼接而成，模型正面與背面分別設(shè)計(jì)螺紋孔，用于測試覆巖裂隙中瓦斯壓力以及瓦斯?jié)舛?模型采空區(qū)側(cè)可接入多路傳感器線，用于測試煤層頂?shù)装鍛?yīng)力、瓦斯?jié)舛?大巷側(cè)設(shè)計(jì)有通風(fēng)孔、瓦斯抽采孔，可模擬多種通風(fēng)方式以及模擬高位巷、高位鉆孔抽采。大尺度實(shí)驗(yàn)箱體的基座采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，承載整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

圖2 大尺度實(shí)驗(yàn)箱體Fig.2 Large-scale experimental box

1.2.2 自動液壓開采單元

自動液壓開采單元用于模擬封閉狀態(tài)下煤層開采全過程。該單元主要由特制條鋼、高承載液壓缸、電磁換向閥、位移傳感器、PLC電氣控制組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)封閉空間中煤層開采及煤層開采速度控制的難題，也可模擬不同煤層厚度。實(shí)現(xiàn)原理是每2個液壓缸支撐1個特制條鋼，構(gòu)成剛性聯(lián)結(jié)，液壓缸缸體以法蘭方式聯(lián)結(jié)于箱體底部;實(shí)驗(yàn)開始前將所有液壓缸升至預(yù)定高度形成未開采煤層，然后鋪設(shè)模型，煤層的開采過程就是逐個降下特制條鋼。以1∶100幾何相似比，可實(shí)現(xiàn)工作面長200 m、采高0～12 m、推進(jìn)距離200 m的煤層開采過程真實(shí)模擬(圖3)。

圖3 自動液壓開采單元Fig.3 Automatic hydraulic mining unit

1.2.3 柔性加載單元

隨模型實(shí)驗(yàn)煤層開采的不斷推進(jìn)，物理模型頂面會產(chǎn)生不均勻的彎曲下沉，為實(shí)現(xiàn)煤層開采后模型頂部的均布加載，研制了液壓柔性加載單元。柔性加載單元由大型液壓站、高強(qiáng)度剛性龍門、特制壓頭、彈簧組以及特制橡膠構(gòu)成，采用伺服液壓控制模式精確控制加載力(圖4)。加載單元整體安裝在直線導(dǎo)軌上，并由減速機(jī)-齒輪-鏈條拖動。當(dāng)鋪設(shè)模型時將加載單元移動到箱體外側(cè)，利于模型裝填;加載時，將加載單元移動到模型上方，采用96組高強(qiáng)螺栓與基座固定。柔性加載單元最大加載力為3×106N，按幾何相似比1∶100以及新型相似材料容重[16]計(jì)，最大模擬采深2 105 m。

圖4 柔性加載單元Fig.4 Flexible loading unit

1.2.4 自動通風(fēng)單元

自動通風(fēng)單元主要模擬礦井通風(fēng)，實(shí)現(xiàn)對采煤工作面的精準(zhǔn)配風(fēng)，可模擬U型、U+L型、Y型等多種通風(fēng)方式。該單元主要由通風(fēng)巷道、常閉電磁閥、HG-370型風(fēng)機(jī)、各種傳感器(流量、濃度、負(fù)壓傳感器)、通風(fēng)管路以及控制系統(tǒng)等組成，風(fēng)量采用調(diào)節(jié)器控制為比例、積分、微分的PID控制方式，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)量的精確控制。

U型通風(fēng)設(shè)計(jì)采用自成巷道原理，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b填前，將通風(fēng)特制條鋼液壓缸升至進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)巷道的比例高度;模型裝填完成、晾干以后，降下進(jìn)風(fēng)巷道、回風(fēng)巷道條鋼，形成U型通風(fēng)系統(tǒng)，原理如圖5所示。

圖5 U型通風(fēng)設(shè)計(jì)原理Fig.5 Design principle of U-type ventilation

U+L型通風(fēng)設(shè)計(jì)原理:以U型通風(fēng)巷道為基礎(chǔ)，采用有機(jī)玻璃制成L型巷道模型，巷道斷面尺寸為50 mm×40 mm(寬×高)。U型與L型之間聯(lián)絡(luò)巷用電磁閥控制開啟、封閉，聯(lián)絡(luò)巷之間距離設(shè)計(jì)為35 cm，共設(shè)計(jì)6條聯(lián)絡(luò)巷(圖6)。Y型通風(fēng)主要采用兩進(jìn)一回通風(fēng)方式，沿空埋設(shè)管路。

圖6 U+L型通風(fēng)設(shè)計(jì)原理Fig.6 Design principle of U+L-type ventilation

1.2.5 瓦斯注入單元

瓦斯注入單元用于模擬采區(qū)瓦斯涌出規(guī)律，可實(shí)現(xiàn)采空區(qū)、工作面等不同位置的瓦斯涌出，也可實(shí)現(xiàn)不同瓦斯涌出量的模擬。該單元為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁┩咚狗衷从砍?，主要由瓦斯鋼瓶、瓦斯注入控制柜、管路等組成，其中瓦斯注入控制柜內(nèi)含減壓閥、儲氣罐、氣體壓力表與出口壓力控制閥、40路氣體質(zhì)量流量控制器、控制板卡、顯示器等，高度集成。瓦斯氣體經(jīng)質(zhì)量流量控制器控制流量，由實(shí)驗(yàn)箱體底部注入特制開采條鋼，開采條鋼上密集布置篩孔，以利于均勻散溢瓦斯(圖7)。

圖7 瓦斯注入單元Fig.7 Gas injection unit

1.2.6 瓦斯抽采單元

瓦斯抽采單元主要模擬高位巷、高位鉆孔、地面鉆孔以及上隅角瓦斯插管或埋管抽采，研究最佳抽采位置及不同抽采方式的瓦斯抽采效率。該系統(tǒng)主要由抽采管路、調(diào)節(jié)閥、調(diào)速抽采泵以及瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、流量傳感器、?fù)壓傳感器以及采集與控制部分構(gòu)成。瓦斯抽采流量、負(fù)壓、濃度數(shù)據(jù)可實(shí)時采集及控制(圖8)。

圖8 瓦斯抽采單元Fig.8 Gas extraction unit

1.2.7 綜合數(shù)據(jù)采集與控制單元

采動覆巖破斷及裂隙演化的表征參數(shù)采集主要采用高頻微震監(jiān)測系統(tǒng)采集震動信號與高清窺視系統(tǒng)觀測裂隙發(fā)育。

高頻微震監(jiān)測系統(tǒng)主要由高頻微震傳感器、前置放大器、信號采集系統(tǒng)和主機(jī)分析系統(tǒng)組成(圖9)。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)信號特征參數(shù)和波形的實(shí)時同步采集和分析，并可對信號進(jìn)行三維空間定位。

高清窺視系統(tǒng)主要由鉆孔裝置、清孔裝置和高清工業(yè)內(nèi)窺鏡組成。高清窺視系統(tǒng)可對相似材料模型進(jìn)行任意高度、角度和方位的鉆孔，并可對模型內(nèi)部裂隙的發(fā)育情況進(jìn)行清晰成像和記錄，得到可靠的裂隙參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖9 高頻微震監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成Fig.9 Composition of high frequency microseismic monitoring system

礦山壓力分布、卸壓瓦斯運(yùn)移、瓦斯抽采以及通風(fēng)表征數(shù)據(jù)采集，主要使用壓力傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、瓦斯壓力傳感器、流量傳感器等多種傳感器;采用以SQL數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊為橋梁，C++build為方法的設(shè)計(jì)模式(圖10)，編制了綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集軟件。其中SQL數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲單元，具有專業(yè)的數(shù)據(jù)操作命令集，是一種功能齊全的數(shù)據(jù)庫語言。通過該數(shù)據(jù)庫可快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、存儲、顯示功能。TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊構(gòu)架可以實(shí)現(xiàn)大型數(shù)據(jù)的快速傳輸，并為系統(tǒng)上網(wǎng)提供了渠道。通過該設(shè)計(jì)模式完成了煤與瓦斯共采三維實(shí)驗(yàn)監(jiān)測軟件的實(shí)時顯示、數(shù)據(jù)處理、在線存儲、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的實(shí)驗(yàn)需求。

圖10 煤與瓦斯共采數(shù)據(jù)采集構(gòu)架Fig.10 Data acquisition framework for coal and gas co-extraction

1.3 實(shí)驗(yàn)平臺的主要功能

煤與瓦斯共采三維大尺度物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由各功能單元有機(jī)結(jié)合(圖11)，高度集成、協(xié)調(diào)運(yùn)行，能夠達(dá)到工作面的煤層開采、通風(fēng)、瓦斯涌出及瓦斯抽采功能，依托該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)工作面實(shí)際條件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)將覆巖移動破斷、上覆巖層裂隙演化、礦山壓力分布、卸壓瓦斯運(yùn)移、瓦斯抽采等規(guī)律一體化同步研究。

在模擬實(shí)驗(yàn)過程中，利用高頻微震監(jiān)測系統(tǒng)采集震動信號、高清窺視系統(tǒng)探測裂隙發(fā)育相結(jié)合，得到煤層開采覆巖裂隙演化特征、空隙率分布特征，分析瓦斯最優(yōu)運(yùn)移通道。利用在模型關(guān)鍵位置立體化埋深的壓力傳感器，研究煤層開采過程中礦山壓力分布規(guī)律及動態(tài)變化特征。對模型注入瓦斯并分別進(jìn)行U，U+L，Y型等方式通風(fēng)，結(jié)合煤層開采時空效應(yīng)研究覆巖裂隙中瓦斯的濃度、壓力、流量分布，揭示卸壓瓦斯運(yùn)移機(jī)理;并對模型進(jìn)行多種方式瓦斯抽采，確定最佳的抽采位置以及不同瓦斯抽采方式的瓦斯抽采效率，為煤與瓦斯安全共采提借鑒。

圖11 煤與瓦斯共采三維大尺度物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.11 3D large-scale physical simulation experimental system for coal and gas co-extraction

2 模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 模型的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)選取山西某礦302工作面為原型，工作面走向布置，面長198 m，走向長度2 025 m，地表為丘陵山地。地面標(biāo)高+1 483～+1 663 m，井下標(biāo)高+1 152～+1 224 m。302工作面開采煤層為太原組15號，煤厚4.35～5.24 m，煤層傾角3°～14°，平均8.5°。采用綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板。

根據(jù)幾何相似、運(yùn)動相似、時間相似，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況及實(shí)驗(yàn)條件，確定幾何相似比1∶100，風(fēng)速相似比1∶1，其他相似比見表1。

表1相似比例
Table1Similarityratio

模擬參量原型模型相似比進(jìn)風(fēng)巷道斷面/m4.5×3.50.045×0.035100回風(fēng)巷道斷面/m4.0×3.20.04×0.032100風(fēng)速/(m·s-1)3.173.171時間/s242.410風(fēng)量/(m3·min-1)3 0000.310 000瓦斯注入量/(m3·min-1)180.001 810 000

2.2 模型鋪設(shè)

相似材料模型的制作過程為:將沙子篩分成滿足實(shí)驗(yàn)要求的粒徑，其次秤取預(yù)定量的沙子、水泥、石膏和淀粉，按照配比加入適量的水進(jìn)行充分混合。然后通過相似材料輸送裝置將材料送入實(shí)驗(yàn)箱體中，將材料鋪平后，采用自動夯實(shí)電錘將材料夯實(shí)至預(yù)定容重和厚度即可完成一層的鋪裝。巖層之間均勻鋪撒云母片作為分層，如此循環(huán)往復(fù)可完成模型的制作。在制作模型的過程中，將高頻微震傳感器、應(yīng)力傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌⑼咚箟毫y試管路、瓦斯抽采管路等按預(yù)設(shè)位置布置在模型中。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 采動覆巖破斷及裂隙演化規(guī)律

在工作面推進(jìn)過程中，高頻微震監(jiān)測系統(tǒng)對模型破裂產(chǎn)生的微震信號進(jìn)行實(shí)時采集分析，并對較大的微震信號進(jìn)行時空定位。

工作面推進(jìn)至45 m時，采空區(qū)覆巖裂隙大量增多，破壞分布范圍進(jìn)一步增大，在覆巖13 m處產(chǎn)生較大破壞，覆巖發(fā)生大面積破斷現(xiàn)象，形成較多縱向穿層裂隙，破壞一直延伸至28 m高度處，產(chǎn)生若干離層裂隙，覆巖空間破壞分布形態(tài)呈現(xiàn)出近似橢圓拋物狀。由此時采空區(qū)覆巖活動現(xiàn)象可判定為工作面初次來壓。

如圖12所示工作面推進(jìn)至64 m時，采空區(qū)覆巖在23 m高度處增加較多破壞，覆巖發(fā)生較大破斷現(xiàn)象，縱向裂隙發(fā)育，最大破壞高度增加至33 m，覆巖離層裂隙向上延伸。此階段破壞范圍及強(qiáng)度較大，裂隙在空間上呈橢圓拋物的分布更加明顯。此時采空區(qū)覆巖活動范圍較大，且活動較強(qiáng)烈，為工作面第1次周期來壓。

圖12 工作面推進(jìn)64 m微震事件分布Fig.12 Distribution of microseismic events of working face advancing 64 m

之后工作面每開采20 m左右，采空區(qū)覆巖發(fā)生周期性破斷現(xiàn)象，沿走向破壞范圍不斷增大，最后垮落高度穩(wěn)定在60 m，在空間上集中破壞分布基本呈橢球體形態(tài)。

3.2 采動覆巖垂直應(yīng)力分布

采煤工作面在推進(jìn)過程中，采空區(qū)覆巖自下而上依次發(fā)生垮落、離層、彎曲下沉等過程，使采場一定范圍內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，破壞了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，相應(yīng)的在煤壁前方一定范圍內(nèi)的頂板出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中區(qū)和卸壓區(qū)，在卸壓區(qū)內(nèi)的頂板巖層之間及層內(nèi)產(chǎn)生具有一定規(guī)律的裂隙。以應(yīng)力集中系數(shù)(K，煤層現(xiàn)在應(yīng)力與原始應(yīng)力之間的比值)來定量描述采動過程中覆巖應(yīng)力的動態(tài)變化。根據(jù)應(yīng)力傳感器采集數(shù)據(jù)，繪制了工作面推進(jìn)124～200 m范圍煤層底板沿走向應(yīng)力分布規(guī)律，如圖13～16所示。

圖13 工作面推進(jìn)124～150 m時垂直應(yīng)力Fig.13 Vertical stress of working face advancing 124-150 m

圖14 推進(jìn)154～180 m時垂直應(yīng)力Fig.14 Vertical stress of working face advancing 154-180 m

圖15 推進(jìn)184～200 m時垂直應(yīng)力Fig.15 Vertical stress of working face advancing 180-200 m

圖16 工作面推進(jìn)至200 m應(yīng)力分布Fig.16 Vertical stress of working face advancing to 200 m

由圖13～16可知，隨著工作面推進(jìn)，垂直應(yīng)力是動態(tài)變化的，受采動影響煤壁前方形成了隨工作面推進(jìn)而不斷前移的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在工作面推進(jìn)過程中應(yīng)力峰值超前工作面距離6～11 m，應(yīng)力峰值集中系數(shù)為2.11～2.63;超前支撐壓力影響范圍為47～68 m;未受采動影響區(qū)位于工作面前70 m以遠(yuǎn)，此區(qū)受采動影響較小。

3.3 覆巖裂隙中卸壓瓦斯運(yùn)移規(guī)律

當(dāng)工作面推進(jìn)至200 m，按照相似比例，對模型進(jìn)行通風(fēng)、瓦斯注入，通風(fēng)方式為U型、風(fēng)量為0.3 m3/min、瓦斯涌出量0.001 8 m3/min。圖17是距離煤層底板5 m處，沿工作面方向距離進(jìn)風(fēng)巷道0，40，120，160 m處，沿采空區(qū)深部方向2，28，76，124,172，198 m瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布情況。

圖17 采空區(qū)深度方向瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布Fig.17 Gas concentration distribution in depth direction of goaf

由圖17可知，距工作面2，28，76 m處瓦斯體積分?jǐn)?shù)依次遞增，且受到風(fēng)流影響增加趨勢較為平緩;從76～120 m瓦斯體積分?jǐn)?shù)急劇增加，曲線斜率明顯高于前部;在深部采空區(qū)，體積分?jǐn)?shù)在32%～35%，瓦斯體積分?jǐn)?shù)較為穩(wěn)定，這是因?yàn)樵谏畈坎煽諈^(qū)裂隙密度較淺部最大，不會受到風(fēng)流的影響，且瓦斯解吸速率達(dá)到平衡。

圖18是U型通風(fēng)方式下，通風(fēng)量0.3 m3/min、瓦斯涌出量0.001 8 m3/min時，覆巖裂隙高度方向上瓦斯體積分?jǐn)?shù)的分布情況。瓦斯體積分?jǐn)?shù)傳感器按層位布置，分別距離煤層底板5，24，60 m。

圖18 覆巖裂隙不同高度瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布Fig.18 Distribution of gas concentration at different heights in overburden cracks

由圖18可知，覆巖裂隙中距煤層底板5，24,60 m瓦斯體積分?jǐn)?shù)依次增高，在裂隙帶頂端的瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值。在60 m高度上進(jìn)風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)、沿著采空區(qū)深度方向瓦斯體積分?jǐn)?shù)基本一致，瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到65%～68%。這是由于瓦斯在采動裂隙中升浮-擴(kuò)散、滲流，最終富集在裂隙帶頂端。為驗(yàn)證物理模擬的準(zhǔn)確性，采用FLUENT數(shù)值模擬軟件建立模型，得到采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律，模結(jié)果如圖19所示。從結(jié)果來看，物理模擬與數(shù)值模擬的采空區(qū)中瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布基本一致。

圖19 U型通風(fēng)采空區(qū)瓦斯分布Fig.19 Gas distribution in U-type ventilated goaf

4 結(jié) 論

(1)煤與瓦斯共采三維物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由大尺度箱體與基座、自動液壓開采單元、柔性加載單元、自動通風(fēng)單元、瓦斯注入單元、瓦斯抽采單元以及綜合數(shù)據(jù)采集與控制單元等7部分組成。

(2)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)覆巖裂隙演化規(guī)律、礦山壓力分布規(guī)律、卸壓瓦斯儲運(yùn)規(guī)律、瓦斯抽采規(guī)律等一體同步模擬研究。

(3)運(yùn)用該系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，得到山西某礦302工作面基本頂初次來壓步距45 m，周期來壓步距20 m，覆巖破壞在空間上呈橢圓拋物形態(tài);工作面推進(jìn)過程中應(yīng)力峰值超前工作面距離6～11 m，集中應(yīng)力系數(shù)2.11～2.63;采空區(qū)后部76～120 m瓦斯體積分?jǐn)?shù)增加較快，120 m之后趨于穩(wěn)定，采空區(qū)上部5～60 m裂隙帶中瓦斯體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，裂隙帶最上層瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到65%～68%，所得結(jié)果采用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行驗(yàn)證，其結(jié)果基本一致。