煤与瓦斯突出一维模拟实验

煤与瓦斯突出一维模拟实验
为了研究煤与瓦斯突出的动力现象和突出发生的影响因素，研制了试验装置并进行了试验，并用渗透失稳的观点对实验现象和结果进行解释。

标签：渗透；气压差；煤与瓦斯突出
0 引言
煤与瓦斯突出机理非常复杂，谢焰等[1]通过对地面煤田钻井抑突效应的分析认为，地面煤田钻井不易发生突出，而井下揭煤钻孔容易发生突出的原因就是地面钻井井液液柱压力的抑制作用，由此肯定了气压差或气压差产生的渗透压力能引起煤层失稳的观点。

为了进一步研究突出的动力现象和控突因素，研制了实验装置，并进行了实验。

1 实验装置
由于现场试验的困难，国内外对煤与瓦斯突出实验主要以室内实验为主[2]。

研制的实验装置包括煤样室、模拟巷道、煤样压实系统、揭煤开关、气压和流量量测系统。

煤样室和模拟巷道由无缝钢管制成，内径为199mm，每节长度为0.5m，由法兰连接，保证煤样有足够的长度。

煤样室和模拟巷道之间的连接管装有球阀，作为揭煤开关，内径为40mm。

煤样室采用多节拼装的形式，以方便气压梯度的观测以及保证每节煤样室的煤样有相同的压实度。

煤样通过千斤顶压实，千斤顶的加载能力为25MPa，可模拟1000m的厚的上覆岩层自重压力，千斤顶的伸长量为500mm，保证煤样室的煤样能够得到较均匀的压实。

采用高压气瓶供气，本次试验采用氮气代替瓦斯。

每节煤样室都设有单独的注气管道，保证每节煤样室注气均匀。

在每节煤样室和模拟巷道外壁安装机安装气压传感器，气体排放量由数字式气体流量计测量。

实验前，对整个装置进行耐压性实验，确保整个装置能满足0.8 MPa气压的实验要求。

考虑到如果在最外节煤样的端部施加轴向压力，会造成煤样室不同部位受力不均的现象，影响实验结果的分析，因此本次实验在揭煤过程中没有对试样室煤样施加轴向压力。

本次实验注气后气压稳定时间为10mins。

2 喷出试验
为了观测突出发生过程和煤粉在地面堆积特征，进行了喷出试验。

拆除图1左边的模拟巷道，让煤粉直接喷出到地面。

试验结果表明，突出是个持续的过程，持续时间约1s。

实验发现地面中间有一个略显灰白色条带的扇形分布区，该区的煤粉厚度小于周边煤粉厚度。

分析其原因是由于在突出后期，煤样室内气体的能量降低，不足于将试样室中的煤粒带出煤样室，这些不含煤粒的气体冲到地面，带动地面的煤粉向前方移动，使得这个区域的煤粉厚度变薄，露出灰白色的地面
颜色。

喷出试验表明：地面煤粉出现一扇形变薄带，煤样室中残留的煤样呈薄层状分布。

3 实验结果
为了比较煤样压实密度对突出的影响，进行了煤样分别在15.0MPa和20.0MPa压力压实下突出对比试验。

煤样选自淮南某突出煤层，煤样破碎后用筛孔孔径4.75mm的筛网过筛，煤样室的内径为199mm，煤样室共4节，总长度为2000mm。

试验参数及结果如表1所示。

注：煤样室结构完整煤样与结构疏松的煤样的界定，是把煤样室竖直放置后，不会垮落的煤样作为结构完整煤样。

试验结果表明：72.20kg煤样经15MPa的压力压实，气压差为0.4MPa时发生突出，突出煤量分别为17.23kg；74.75kg当煤样经20MPa的压力压实，气压差为0.74MPa发生突出，突出煤量为17.24kg。

其中，在15.0MPa压力压实下的煤样进行了二次揭煤试验，试验结果重复性较好。

4 结论
用渗透失稳的观点对上述试验现象进行了分析，认为煤与瓦斯突出与煤层气压梯度有关，失稳分层厚度变化是受背景气压消散速率影响的结果。

参考文献：
[1]谢焰，陈萍.煤与瓦斯突出渗透失稳机理分析[J].煤炭科学技术，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.
作者简介：卢祁（1991-），女，安徽凤阳人，在读研究生，主要研究方向为煤与瓦斯突出。