煤與瓦斯突出災害模擬和預警模型研究——國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）課題成果

煤與瓦斯突出是在煤炭采掘過程中，在很短的時間內突然從煤（巖）壁內部向采掘空間噴出煤（巖）和瓦斯的現象。煤與瓦斯突出的危害巨大，一旦發生，所產生的高速瓦斯流（含煤粉或巖粉）能夠摧毀巷道設施，破壞設備和通風系統，甚至造成風流逆轉；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；猛烈的動力效應可能導致冒頂和火災事故的發生。我國煤和瓦斯突出十分嚴重，2000～2009年之間共發生重、特大型突出事故10次以上，致亡人數超過400人。隨著我國煤礦開采向深部延深，煤礦煤與瓦斯突出災害逐步升級，原來沒有威脅的煤層現在已經轉變成為突出危險煤層，當前煤與瓦斯突出災害已經成為我國深部煤炭資源開采所面臨的挑戰性難題。

“煤與瓦斯突出災害模擬和預警模型研究”是國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）“礦產資源綜合利用與安全監測科學問題”項目的第六課題，課題承擔單位深部煤炭開采與環境保護國家重點實驗室在總結前期研發成果的基礎上，通過技術攻關，研發出一臺功能先進、可綜合考慮多種因素的煤與瓦斯突出物理模擬實驗系統，利用該裝置揭示了多場耦合條件下開挖誘導煤與瓦斯突出過程的能量轉化機制，建立了煤與瓦斯突出發生條件與判據，豐富、完善了開挖誘導低透氣性煤層煤與瓦斯突出機理理論。

一、課題總體目標和研究內容

1．總體目標

通過低透氣性高瓦斯煤層物理力學特性研究，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驗系統，通過突出物理模擬得出突出發生條件與判據，完善煤與瓦斯突出的力學作用機理理論。建立突出災害的監測預警模型，對主要的突出災害信息進行綜合分析，并對突出防治技術措施和管理措施的有效性進行綜合評價，實現對短期內突出災害發生的可能性進行預測以及對長期內突出災害發生可能性的趨勢進行預警。

2．研究內容

研究淮南礦區典型低透氣性高瓦斯煤層的相關物理力學特性，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制。研究煤與瓦斯突出過程運動和動力相似理論，確定高瓦斯煤體相似材料的物理力學參數指標并研制煤層相似材料。結合淮南礦區典型低透氣性高瓦斯煤系地層情況，提出突出模擬實驗系統設計方案，建立先進的低透氣性煤層煤與瓦斯突出模擬實驗系統，為系統研究煤與瓦斯突出機理提供先進的實驗設備。

研究突出過程瓦斯流場與壓力變化及煤巖體應力與溫度變化情況，揭示多場耦合條件下開挖誘導突出過程的能量轉化機制；建立突出發生條件與判據，完善“煤與瓦斯突出的力學作用機理”理論。基于煤與瓦斯突出的力學作用機理理論，構建能全面表征突出危險性的基本指標體系；基于突出物理模擬實驗系統，研制突出災害信息的監測設備，在突出模擬實驗和井下開采時實施突出災害信息監測，得出突出發生條件的基本量化指標值以及用聲發射、微震和瓦斯涌出動態等信息來反映這些指標的方法。研究突出防治技術措施和管理措施的缺陷模型，構建突出的綜合預警模型；編制軟件模塊，將預警模型整合進已有的突出災害預警系統中，在現場進行突出災害的預警試驗。

二、課題解決的關鍵技術問題及取得的成果

1．含瓦斯煤相似材料的配比和制作工藝關鍵技術

課題組主要從相似材料的物理力學性質和吸附解吸性能兩個方面的相似性，考察和選擇含瓦斯煤相似材料。通過反復對比含瓦斯煤相似材料的性能特點，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劑，得出了高瓦斯煤層相似材料基本材料配比，并經過反復試驗測試其物理力學基本參數，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得出以腐植酸納溶液作為新型型煤膠結劑具有型煤抗壓強度高不影響材料吸附性質等多種優點。新材料的抗壓強度為0.5～3.0MPa，并且強度調節方便，可以覆蓋不同強度的煤體。材料吸附性不受膠結劑的影響，與原煤吸附性基本一致。

2．煤與瓦斯突出物理模擬實驗系統設計和制作關鍵技術

課題組結合淮南礦區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理模擬實驗系統。該系統主要由實驗臺架裝置、液壓加載控制系統、瓦斯充填系統和快速釋放系統等組成，能夠快速、高效地進行不同地應力、不同瓦斯壓力和不同物理力學性質煤體的煤與瓦斯突出模擬實驗研究，并且精度較高，結構緊湊，操作簡單。

3．突出物理模擬實驗

煤與瓦斯突出是在煤體物理力學性質、地應力和瓦斯壓力的綜合作用下發生的動力現象，課題組利用煤與瓦斯突出模擬試驗系統，通過改變煤體物理力學性質、地應力和瓦斯壓力條件進行了22組正交實驗，得出了不同瓦斯壓力、煤體強度和地應力條件下的突出現象和特征，詳細對比分析了不同突出條件下的腔體形態、突出腔體內的氣體壓力變化趨勢，得出了煤與瓦斯突出發生的敏感指標；課題組通過研究突出不同階段的特征，分析得出了整個突出的動態演化過程，完善了煤與瓦斯突出的作用機理。

三、主要創新點

1．得出了含瓦斯煤相似材料的配比和制備工藝，完成了物理力學參數的測試檢驗

試驗以腐植酸納溶液作為新型型煤膠結劑，新型材料具備很多優點：各物理力學參數調節方便，如簡單地改變腐植酸納濃度可調節試件的抗壓強度；可依據所需尺寸，設計合理磨具，制作大小不同的型煤；材料制作、養護簡單，干燥快捷，性質穩定，可重復性好，可縮短試驗周期；無毒副作用，對人體無任何傷害；材料各組分價格經濟，適合大尺度物理模型實驗應用，為其他同類試驗提供良好的材料保證。

2．設計和制作了突出物理模擬實驗系統

該系統采用先進的密封技術和瓦斯充填技術，能夠模擬高壓瓦斯和高地應力下不同強度煤體的破壞過程，與傳統突出模擬實驗裝置對比，具有顯著的優點：模擬實驗裝置可一次性完整采集煤與瓦斯突出試驗過程中的壓力、位移等參數的全程或瞬態變化規律，實現定量分析；配置瓦斯流量計，對充填的瓦斯流量定量測量，實現了煤與瓦斯吸附特性測試；自主研發了瓦斯面式充填加載盤，該加載盤不僅能夠對型煤施加壓力，同時實現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構，該機構結構簡單，操作方便，可實現煤與瓦斯突出試驗過程中瞬間揭煤；研制了煤與瓦斯突出氣壓采集裝置，并開發了相應軟件，實現了最高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；高壓密封墻體的內部模型為圓柱體，加載時型煤受力更加均勻；在突出口附近安設動態三維分析顯微系統，對煤與瓦斯突出瞬間進行全過程攝錄，可記錄到煤與瓦斯突出瞬間的現象。

3．完善了“煤與瓦斯突出的力學作用機理”理論

通過22組煤與瓦斯突出物理模擬實驗，研究了突出過程瓦斯流場與壓力變化及煤巖體應力變化情況，分析了不同突出條件的突出現象和突出過程的特點，得出了突出發生的條件和突出形式，完善了突出發生的機理。基于力學過程分析，將煤與瓦斯突出劃分為兩個過程即靜態過程和動態過程，四個階段即準備、發動、發展、結束。認識到地應力、瓦斯壓力和煤強度在突出過程中各個階段所起的作用可以是不同的；提出了將煤體強度和地應力兩個影響因素統一考慮，采用“煤體破壞程度”作為影響突出的新指標；完善了綜合作用理論三個主要因素的作用機理，即在準備階段，不同性質的煤巖在地應力和瓦斯壓力綜合作用下發生破壞，其中地應力起主要作用。當煤體破壞到一定程度后，瓦斯壓力足夠將煤體拋出時，突出發生。瓦斯壓力是煤與瓦斯突出的重要閾值。

目前，國內外研究煤與瓦斯突出主要采用現場監測、理論分析、數值模擬、模型試驗等手段，但由于煤與瓦斯突出條件復雜，突出過程高度非線性，僅采用現場監測、理論分析和數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，采用地質力學模型試驗的方法進行突出機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系統可靈活用于煤與瓦斯突出模擬試驗研究。試驗裝置能夠基于含瓦斯煤相似材料的配比方法，真實模擬不同煤體的物理力學性能，根據煤與瓦斯突出過程物理力學及運動、動力相似理論，通過模擬不同地應力、不同煤巖體參數、不同構造下地應力和不同瓦斯賦存壓力的組合情況，真實模擬石門揭煤或煤巷掘進過程，觀察分析煤與瓦斯突出過程，監測煤巖體破壞過程以及煤體內瓦斯氣體的壓力和流動變化情況，分析研究煤與瓦斯突出時煤體的破壞形態以及瓦斯場的變化，研究煤與瓦斯突出的機理，最終為形成煤與瓦斯突出力學演化機制及預測煤與瓦斯突出的基礎理論提供量化支撐。