煤與瓦斯突出模擬實驗系統研究與教學實踐

王 亮，王 喆，程遠平，劉清泉，裴曉東

（中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116）

中國礦業大學安全工程實驗教學中心整合國家重點實驗室、工程研究中心等實驗資源，拓展專業實驗平臺，提升專業實驗科研層次，積極將科研成果轉化為實驗項目和實驗儀器。實驗課程教學中鼓勵學生在導師指導下自主設計和開展科研試驗，在科研中實現理論知識的深層次理解[1-2]。

煤與瓦斯突出是指極短時間內將大量瓦斯及煤巖拋向巷道的一種礦井主要災害，其危害性極大，噴出的瓦斯會迅速充滿上千米巷道，摧毀井下設施，還可能引發瓦斯（煤塵）爆炸、瓦斯窒息等次生災害，造成嚴重的人員財產損失[3]。

物理模擬實驗是研究煤與瓦斯突出機理的重要手段之一[4]，國內外已有不少學者開展了相關研究。研究裝置已由傳統模擬一維受力、單一場、小尺度過渡到了多維、多場、大尺度，根據這些研究內容，提出了如流變假說、固流耦合失穩和球殼失穩假說等[5-7]一些具有代表性的假說。

結合前人研究并基于相似準則和綜合作用假說，本文構建了一套“真三軸煤與瓦斯突出模擬實驗驗系統”，根據該實驗系統構建了不同條件下的煤與瓦斯突出實驗，通過這些實驗可以很好地提升學生的動手操作能力，使學生能夠直觀地認識煤與瓦斯突出發展全過程。

1 煤與瓦斯突出模擬實驗系統研制

1.1 設計原理

實驗裝置基于綜合作用假說，即煤與瓦斯突出受地應力、瓦斯壓力和煤體性質的控制[5]，以及滿足相似準則，即幾何相似、運動相似和動力相似準則[8-9]，采用水平液壓千斤頂以及豎直壓力機施壓模擬實現真三軸地層壓力，采用高壓瓦斯鋼瓶、高壓管路、加壓泵和真空泵模擬煤體內部瓦斯壓力，采用電阻加熱帶包裹三軸突出實驗裝置保持煤體性質（溫度）恒定。該系統可模擬地層深度1 000 m、瓦斯壓力10 MPa 下的煤與瓦斯突出。

1.2 裝置組成

煤與瓦斯突出模擬實驗系統[10]結構如圖1 所示。

以突出口主軸方向為x 方向，側向為y 方向，豎直方向為z 方向，該系統可以在這3 個方向分別獨立加載應力σx、σy、σz，3 個方向的應力均通過剛性承壓板將集中應力轉變為面均布應力。垂向應力加載系統及三軸突出模擬實驗腔實物如圖2 所示。系統主要性能參數為σz≤80 MPa，σx、σy≤27 MPa；瓦斯壓力≤10 MPa；溫度：室溫約60 ℃。

圖1 煤與瓦斯突出模擬實驗系統結構

圖2 垂向應力加載系統及三軸突出模擬實驗腔實物

突出模擬實驗腔由盛煤腔體及上蓋板組成。盛煤腔體采用一體切割技術加工成型，除去上部傳力擋塊，腔體內部空間尺寸約為250 mm×250 mm×250 mm，壁厚約80 mm。突出口位置位于實驗腔前側中部，突出口直徑約為50 mm，在其他位置同樣設置了各類傳感器接線柱及注/排氣口。

實驗前突出口處于封閉狀態，彈簧與堵頭通過擋環壓在突口上堵住突口。當突出啟動時，敲下擋環即可使得堵頭在彈簧的作用下從擋環中間拋出。為了使得實驗煤樣受力更為均勻，各個方向的應力是先通過活塞傳遞到方形擋塊，再傳遞到實驗煤樣上。突出模擬實驗腔的各側及上蓋板均布置有用于施加垂直應力及水平應力的活塞，活塞及堵頭的加裝密封圈用于保障腔體的氣密性。

應力加載系統分為水平應力及垂直應力加載系統。水平應力系統由左、右及后側3 個液壓千斤頂組成，施加水平壓力，它們又相互獨立控制，在實驗過程中可以獨立施加。左右向水平應力加載范圍為0～13 MPa，前后向水平應力加載范圍為0～20 MPa。垂直應力加載系統加載由YAW-5000 型電液伺服壓力完成。YAW-5000 型電液伺服壓力由油源、控制系統和主機等部分組成，通過伺服控制可以使得加/卸載過程控制過程更為精準，其主要工作參數見表1。

表1 YAW-5000 型電液伺服壓力機主要工作參數

實驗采用ZJP-30 羅茨真空泵從實驗腔前側進或排氣口進行煤樣注氣或抽真空。JP-30 羅茨真空泵相關工作參數見表 2。實驗進行注氣時，需將氣瓶與實驗煤樣用三通閥連接起來，同時利用壓力表將氣體壓力值調至實驗預定壓力，達到保障一定準確精度的效果。

表2 ZJP-30 羅茨真空泵主要工作參數

采集系統包含應力、瓦斯壓力和溫度傳感器，一共布置2 組（分別編號1#、2#），如圖3 所示，1#和2#傳感器的高度一致，且離實驗腔上蓋距離都保持100 mm。為了保證實驗裝置的氣密性，2 組傳感器通過實驗裝置壁上的密封接線柱進行連接。

2 煤與瓦斯突出模擬實驗教學方案

2.1 煤樣制備

實驗煤樣的制備直接決定瓦斯突出全過程模擬的有效性。根據突出模擬的經驗，一般當成型壓強＞30 MPa 時能夠制得近似于現場的IV、V 類突出煤[11]。實驗壓制煤樣應取自井下現場，盡可能還原井下煤層的性質，然后粉碎并篩選出粒徑≤0.25 mm 的煤粉作為制備型煤的煤樣，裝入YAW-5000 型電液伺服實驗機內加壓成型。為了提高煤粉的含水率和黏結力，加壓前將5%含聚乙烯醇的水溶液配入干燥煤粉中。

2.2 實驗方案制定

實驗可設計不同瓦斯壓力、不同應力水平下的煤與瓦斯突出模擬實驗，實驗方案設計見表3。

除了煤與瓦斯突出，還有CO2參與的突出[12]。因此，為最大限度保證實驗的安全性，實驗采用非爆炸性吸附氣體CO2代替CH4進行模擬。

3 煤與瓦斯突出模擬實驗結果

3.1 突出過程及突出煤粉分布特征

實驗過程中，突出煤粉在突出口處被快速拋出，如圖4(a)所示。突出煤粉的平面分布如圖4(b)所示，突出煤粉的分布從地面來看呈梭型。可以看出突出梭形中部寬度大，兩邊寬度小，距突出口最遠處即突出梭形后半部分煤樣質量分布較多。主要是高壓瓦斯流對煤粉不僅有搬運作用，加上后續的吹掃作用，才使得大量煤粉向遠離突出口的方向運動。

3.2 突出過程中應力、壓力和溫度變化特征

通過對突出過程中煤體應力、瓦斯壓力和溫度的變化情況進行監測，得到的變化情況如圖5 所示。

由圖5(a)可以看出，突出一旦發生，煤體應力會迅速從平衡時的應力狀態迅速降為0 MPa，后期應力會因薄膜壓力傳感器彎曲產生波動。由圖 5(b)及圖5(c)可以看出，煤體溫度及煤體內部瓦斯壓力變化規律相同。

圖4 突出過程及突出煤粉分布特征

圖5 突出煤體應力、溫度和壓力變化特征

3.3 突出煤體裂隙發育特征

實驗結束后打開腔體觀察煤體試樣，頂部裂隙發育特征如圖6 所示。可以看出，突出孔洞明顯，孔洞周邊分布有大量的弧狀層裂隙。

圖6 突出煤體頂部裂隙發育特征圖

4 實驗教學效果

4.1 現場演示，激發學生對專業的認同感

通過使用煤與瓦斯突出模擬實驗系統進行現場模擬演示實驗，能夠讓學生更加直觀地了解煤與瓦斯突出過程的準備—發動—拋出—停止4 個階段，加深學生對這部分相關知識的理解與掌握。該實驗還可以使學生進一步意識到煤礦安全專業的重要性及意義，激發學生專業認同感，為煤與瓦斯突出災害防治工作貢獻力量。

4.2 “研-本結合”模式，利用科研訓練提升學生實踐及創新能力

該模擬實驗為充分鍛煉學生實踐能力，以學生操作為主，教師充當學生“實驗向導”角色，按照“煤樣制備—數據采集—結果分析”流程對學生進行引導。為使學生能夠變被動學習為主動鉆研思考，通過在教學中引入“實驗開題報告”及“實驗成果評比”2 個環節，以這種全流程科研式的教學方式訓練學生，能夠有效鍛煉學生獨立思考攻克難題的能力，從而提升學生科研創新能力，達到好的教學效果。

在煤樣制備這一實驗的首要環節，制備煤樣的好壞直接影響著整個實驗的成敗。通過這個環節，可以加深學生對于實驗系統設計目的性的認識，了解如何科學地用煤樣來模擬地下煤層中的煤體，鍛煉學生動手能力的同時，開闊學生的思維。

在數據采集和結果分析環節，幫助學生在直觀了解煤與瓦斯突出的基礎上，通過數據處理分析，進一步了解煤與瓦斯突出的發展機理。在這個過程中，學生還可以學會有效利用Origin 軟件進行數據處理，建立學生科研、分析實驗現象的思維能力，為日后獨立開展研究工作奠定基礎。

5 結語

煤與瓦斯突出模擬實驗系統為礦井瓦斯防治課程的實驗教學提供了設備支持，可通過改變加載應力、瓦斯壓力和煤體性質等參數進行多工況實驗。實驗項目實現了科研儀器在實驗教學中的應用，對豐富教學內容和改善教學效果起到了重要的作用。該系統能夠有效地加強學生對煤與瓦斯突出災害的直觀認知，激發學生對煤與瓦斯突出災害發生機理及防治研究的積極性，不僅有助于本科學生提升科研能力，還可鍛煉他們的實操技能，同時也可為各科研小組的研究課題提供設備支持，為煤與瓦斯突出災害的防范處理工作提供技術支撐。