煤與瓦斯突出一維模擬實驗

盧 祁

（安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南 232001）

煤與瓦斯突出一維模擬實驗

盧 祁

（安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南 232001）

為了研究煤與瓦斯突出的動力現象和突出發生的影響因素，研制了試驗裝置并進行了試驗，并用滲透失穩的觀點對實驗現象和結果進行解釋。

滲透；氣壓差；煤與瓦斯突出

0 引言

煤與瓦斯突出機理非常復雜，謝焰等［1］通過對地面煤田鉆井抑突效應的分析認為，地面煤田鉆井不易發生突出，而井下揭煤鉆孔容易發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生的滲透壓力能引起煤層失穩的觀點。為了進一步研究突出的動力現象和控突因素，研制了實驗裝置，并進行了實驗。

1 實驗裝置

由于現場試驗的困難，國內外對煤與瓦斯突出實驗主要以室內實驗為主［2］。研制的實驗裝置包括煤樣室、模擬巷道、煤樣壓實系統、揭煤開關、氣壓和流量量測系統。煤樣室和模擬巷道由無縫鋼管制成，內徑為199mm，每節長度為0.5m，由法蘭連接，保證煤樣有足夠的長度。煤樣室和模擬巷道之間的連接管裝有球閥，作為揭煤開關，內徑為40mm。煤樣室采用多節拼裝的形式，以方便氣壓梯度的觀測以及保證每節煤樣室的煤樣有相同的壓實度。煤樣通過千斤頂壓實，千斤頂的加載能力為25MPa，可模擬1000m的厚的上覆巖層自重壓力，千斤頂的伸長量為500mm，保證煤樣室的煤樣能夠得到較均勻的壓實。

采用高壓氣瓶供氣，本次試驗采用氮氣代替瓦斯。每節煤樣室都設有單獨的注氣管道，保證每節煤樣室注氣均勻。在每節煤樣室和模擬巷道外壁安裝機安裝氣壓傳感器，氣體排放量由數字式氣體流量計測量。實驗前，對整個裝置進行耐壓性實驗，確保整個裝置能滿足0.8 MPa氣壓的實驗要求。

考慮到如果在最外節煤樣的端部施加軸向壓力，會造成煤樣室不同部位受力不均的現象，影響實驗結果的分析，因此本次實驗在揭煤過程中沒有對試樣室煤樣施加軸向壓力。本次實驗注氣后氣壓穩定時間為10mins。

2 噴出試驗

為了觀測突出發生過程和煤粉在地面堆積特征，進行了噴出試驗。拆除圖1左邊的模擬巷道，讓煤粉直接噴出到地面。試驗結果表明，突出是個持續的過程，持續時間約1s。實驗發現地面中間有一個略顯灰白色條帶的扇形分布區，該區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，帶動地面的煤粉向前方移動，使得這個區域的煤粉厚度變薄，露出灰白色的地面顏色。

噴出試驗表明：地面煤粉出現一扇形變薄帶，煤樣室中殘留的煤樣呈薄層狀分布。

3 實驗結果

為了比較煤樣壓實密度對突出的影響，進行了煤樣分別在15.0MPa和20.0MPa壓力壓實下突出對比試驗。煤樣選自淮南某突出煤層，煤樣破碎后用篩孔孔徑4.75mm的篩網過篩，煤樣室的內徑為199mm，煤樣室共4節，總長度為2000mm。試驗參數及結果如表1所示。

表1 試驗參數和結果

試驗結果表明：72.20kg煤樣經15MPa的壓力壓實，氣壓差為0.4MPa時發生突出，突出煤量分別為17.23kg；74.75kg當煤樣經20MPa的壓力壓實，氣壓差為0.74MPa發生突出，突出煤量為17.24kg。其中，在15.0MPa壓力壓實下的煤樣進行了二次揭煤試驗，試驗結果重復性較好。

4 結論

用滲透失穩的觀點對上述試驗現象進行了分析，認為煤與瓦斯突出與煤層氣壓梯度有關，失穩分層厚度變化是受背景氣壓消散速率影響的結果。

［1］謝焰，陳萍.煤與瓦斯突出滲透失穩機理分析［J］.煤炭科學技術，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，安徽鳳陽人，在讀研究生，主要研究方向為煤與瓦斯突出。