用于揭示煤与瓦斯突出机理与规律的模拟试验仪器及应用

第1章绪论1.1研究意义1.1.1煤炭是我国主体能源能源是国家发展的命脉，煤炭是我国的主体能源。“十二五”期间，我国煤炭在能源消费结构中的比例略有下降，但是，2015年煤炭占能源消费结构的比例仍高达64%。《能源发展“十三五”规划》提出：“十三五”期间，2015年煤炭消费总量39.6亿吨，年均增速0.7%，到2020年达到41万吨；煤炭在能源消费结构中的比重控制在58%以内。可见，虽然煤炭在一次性能源消费结构中的比重逐步降低，但在相当长时期内，煤炭的主体能源地位不会变化。我国煤矿开采中，松软低透气性高瓦斯煤层约占60%，属极难抽放瓦斯煤层，瓦斯灾害危及我国大部分矿区。“煤矿重特大灾害智能报警”入选中国科学技术协会组织征集遴选的60个重大科学问题和工程技术难题在公共安全领域的3个难题之一。《能源发展“十三五”规划》也将“深井灾害防治”作为能源科技创新重点任务进行集中攻关。1.1.2煤与瓦斯突出灾害及其机理亟待突破1. 煤与瓦斯突出机理是亟待突破的科学问题煤与瓦斯突出是一种极其复杂的矿井动力现象，它是在煤炭采掘过程中，在很短的时间内突然从煤(岩)壁内部向采掘空间喷出煤(岩)和瓦斯的现象。煤与瓦斯突出喷出的瓦斯由几百立方米到几万立方米，喷出的煤(岩)由几千吨到万吨以上，事故常常会造成大量的人员伤亡、恶劣的社会影响和重大的经济损失，已成为制约我国煤炭工业健康发展的关键因素[1]。从1834年法国发生世界上**次煤与瓦斯突出至今，已有180多年，目前发生煤与瓦斯突出的国家已增加到近20个。我国是世界上发生煤与瓦斯突出*严重的国家之一，累计突出次数占世界40%以上[2]。随着我国煤矿开采深度不断加大，开采强度不断增大，突出灾害发生频繁，事故死亡比例呈升高之势，部分原无突出危险的煤矿也开始出现动力现象。此外，我国煤与瓦斯突出危险矿井数目和突出强度、频度将随着开采深度的延深、开采强度的增大而逐渐增多[3]。目前，世界许多产煤国家的部分矿井已经进入深部开采，同样，我国已有一批煤矿进入深部开采。深部煤炭资源具有高地应力、高孔隙压力、高温和煤岩抗扰动力学性能降低等特点，煤与瓦斯突出以及冲击地压等灾害已经成为深部煤炭资源开采所面临的挑战性难题。近年来，我国煤矿瓦斯防治取得明显成效，全国煤矿瓦斯事故发生起数和死亡人数均有所下降，但是，煤与瓦斯突出事故仍没有得到有效遏制，事故发生起数和死亡人数没有明显下降，占瓦斯事故比例迅速增加[3]。2016～2019年典型煤与瓦斯突出事故统计见表1.1。表1.12016～2019年典型煤与瓦斯突出事故统计煤与瓦斯突出是一个高度非线性的固气耦合动力破坏问题，其发生机理十分复杂。研究得出煤岩瓦斯动力灾害的量化分析模型，真正揭示煤与瓦斯突出的孕育、发展、演化及致灾机理是对突出进行准确预测、预警的基础，掌握瓦斯灾害预测与控制的原理才能有效预防突出事故发生[2]。因此，煤与瓦斯突出机理的深入研究是防治瓦斯灾害的基础，必须加大力度。煤与瓦斯突出机理已成为我国高瓦斯矿井安全生产亟待突破的科学问题，是国家能源安全的重要战略需求和突破方向。高瓦斯突出矿井面临的防灾减灾和安全生产问题受到国家的高度重视，成为我国煤炭工业可持续发展和我国能源安全的重大理论障碍和技术瓶颈，是煤炭开采、矿业工程领域的重大技术挑战和前沿热点问题之一。2. 试验系统研究是突出机理研究突破的迫切需求煤与瓦斯突出机理研究面临地应力、瓦斯压力、煤岩体性质、地质构造、施工扰动等诸多因素，涉及固气耦合、煤体破坏、过程瞬态、动力效应等高度非线性复杂问题，已成为国内外专家学者争相研究的热点和难点，目前还没有统一的见解。国内外已有研究方法包括现场测试、理论分析、数值模拟、模拟试验等手段。现场测试只能针对特定条件的岩石力学问题进行研究，研究方法单一、耗费大量人力物力，且风险巨大，可重复性差，难以开展系统研究。由于煤与瓦斯突出的复杂因素和高度非线性，目前在理论分析上还存在很大的困难；由机理不清导致本构关系和计算模型建立困难，因此数值模拟不能进行正确模拟；只有采用相似物理模拟试验的方法才能真实模拟煤与瓦斯突出过程，因此开展不同条件下的煤与瓦斯突出机理研究，是目前**可行且*重要的研究手段，如图1.1所示。图1.1煤与瓦斯突出主要研究方法鉴于煤与瓦斯突出的高度非线性和复杂性，采用模拟试验进行研究是目前非常重要的研究方法。因此，迫切需要研制严格基于相似原理，功能先进且可综合考虑不同地应力、不同地质构造、不同煤岩体强度、不同瓦斯含量等多种因素条件的煤与瓦斯突出物理模拟试验系统。该系统需重复使用并完成不同参数条件下的煤与瓦斯突出试验，做到试验过程可控、参数可调。通过该系统可模拟多场耦合条件下开挖诱导煤与瓦斯突出的动力学现象，揭示煤与瓦斯突出发生、发展、演化和突出机理，以及突出过程瓦斯解吸流场的动态变化以及能量转化机制；建立煤与瓦斯突出发生条件与判据，丰富、完善开挖诱导低透气性煤层煤与瓦斯突出机理的理论，为破解瓦斯突出防治技术提供支撑。1.2煤与瓦斯突出灾害及假说限于当时的研究手段，早期针对煤与瓦斯突出机理主要通过对突出事故的事后考查和统计资料来进行研究，学者先后提出了多种观点来揭示煤与瓦斯突出的影响因素，但由于突出的复杂性和危险性，早期的观点难以得到验证，因而称为假说。目前，获得支持较多的煤与瓦斯突出假说主要有瓦斯主导假说、地应力主导假说、综合作用假说[4]，各类假说的发展历程见表1.2。表1.2煤与瓦斯突出机理的三种假说1. 瓦斯主导假说从19世纪50年代初到20世纪30年代初，人们从瓦斯和煤粉抛出的表观现象出发，认为瓦斯气体在突出中起主要作用，并提出了一系列的瓦斯主导假说。在众多瓦斯主导假说中“瓦斯包”说**代表性。1852年，英国Taylor*早提出了“瓦斯包”的概念[5]。瓦斯包内煤质松软，孔隙与裂隙发育，且被透气性差的煤或围岩所包围。“瓦斯包”说认为在工作面前方存在的瓦斯包被采掘活动靠近或揭露时，就可能造成瓦斯包的突然破裂，瓦斯携带煤粉共同涌出造成灾害事故。“瓦斯包”说重点强调了瓦斯在突出中的作用，但瓦斯包这一特殊的地质条件是假设存在的。实际上在现在看来，瓦斯包可能是煤层中的天然断层破裂带或构造带等区域。因此，该假说只适用于特殊的地质体而不具备普遍意义。2. 地应力主导假说从20世纪20年代初到20世纪60年代，人们发现在若干的突出事故中并不存在瓦斯包，指出除瓦斯以外的因素也会导致突出。1923年，Loiret和Laligant[6]首先指出地应力是煤与瓦斯突出的重要影响因素，且地应力大小往往受埋藏深度和地质构造的影响。Pechuk[7]认为在地质构造中聚积较大的岩石弹性性能，煤与瓦斯突出正是由岩石能量突然释放造成的，而在该能量释放过程中瓦斯只起到次要的作用。地应力主导假说的进步在于人们对煤与瓦斯突出的理解逐步从瓦斯气体这种单一作用因素发展到更多的影响因素上，逐步认识到煤与瓦斯突出的复杂性。3. 综合作用假说20世纪50年代，苏联学者提出了综合作用假说。该假说认为煤与瓦斯突出受地应力、瓦斯压力和煤体物理力学性质共同影响。综合作用假说较全面地考虑了突出动力(地应力、瓦斯)和阻力(煤体强度)两方面的主要因素，得到国内外学者的普遍认可。这种理论至今仍具有较大影响。Nekrasovski首先提出了煤与瓦斯突出是多种因素综合作用的结果，Skochinski则对综合作用假说进行了发展和补充[8]。这些观点首次将煤体的物理力学性质作为突出的影响因素，同时对煤体、地应力和瓦斯等因素的作用做出了进一步的定性分析。20世纪后半叶至21世纪初，煤与瓦斯突出机理的研究主要围绕综合作用假说进行补充和完善。俞启香[9]和于不凡[10]认为突出是从距离工作面一定距离的某个中心开始的，随后由中心向四周扩展，由发动中心的“煤-岩石-瓦斯”体系参与活动。于不凡将煤与瓦斯突出看作含瓦斯煤体突然破坏的动力学现象，地应力的突然增高是发生煤与瓦斯突出的必要条件之一，突出的另一个条件是煤体应力状态的突然变化。李中成[11]将煤与瓦斯突出视为煤体盘形拉伸破坏的连锁反应，认为煤与瓦斯突出是不连续的，可能持续几分钟或十几分钟。丁晓良等[12]进行了含瓦斯煤一维渗透破坏试验，发现破坏后的煤体呈现“球冠形”，因此认为突出过程中煤体的破坏为拉伸破坏，认为卸压速率越高，围压越小，型煤几何半径越大，煤体越容易破坏。周世宁、何学秋[13，14]提出了流变假说，认为煤与瓦斯突出的影响因素瓦斯、地应力、煤的物理力学性质等都与时间密切相关，时间是煤与瓦斯突出的重要影响因素。当采掘活动引起的荷载达到或超过含瓦斯煤的屈服强度时，煤体出现流变现象。流变过程与突出的孕育发生具有良好的一致性。俞善炳等[15-17]基于突出现象和因素模化，建立了一维瓦斯流动理想模型，该模型认为煤的破碎和瓦斯渗流的耦合是煤与瓦斯突出的内在原因，认为可根据渗流过程给出恒速掘进下的突出启动判据。谈庆明等[18]同样建立了描述突出的一维模型，将煤体的破坏分为层裂和层裂的粉碎，认为层裂的粉碎率可以用来描述煤体的非均匀破坏，认为加大对煤的破裂准则和破裂阵面运动规律的研究可加深对煤与瓦斯突出的理解。梁冰等[19，20]考虑到煤中瓦斯的渗流作用，将煤体的变形与瓦斯渗流统一考虑，提出了煤与瓦斯突出的“固流耦合”失稳理论，该理论进一步证实了突出是应力、瓦斯及煤的物理力学性质三者综合作用的结果。此外，该理论还考虑了时间效应对突出的影响。Beamish和Crosdale[21]研究了煤体类型对瓦斯解吸和煤与瓦斯突出的影响，认为煤体性质决定了瓦斯解吸能力，而解吸越强，突出越容易发生。吕绍林和何继善[22]提出了“关键层-应力墙”模型来解释煤与瓦斯突出现象，该模型认为关键层是煤与瓦斯突出的主体，是突出的介质条件，应力墙是工作面前方的一定宽度的应力集中带，当应力墙在采动应力下处于失稳状态时，关键层内瓦斯就会迅速涌出，产生突出现象。郭德勇和韩德馨[23]进行了考虑摩擦滑动过程的煤与瓦斯突出模拟试验，发现突出过程中存在“黏滑失稳”现象，并提出突出的“黏滑失稳”机理，该理论能够合理地解释突出过程中的振动波和延期突出现象。Choi和Wold [24]建立了“煤体-流体”三维模型，来分析煤与瓦斯突出的发生和演化，同样认为突出是固流耦合问题。丁继辉等[25]基于多相介质力学理论，以煤体有限变形为前提，提出了煤体变形与瓦斯耦合的失稳理论，建立固流两相介质耦合失稳的非线性有限元方程，并进行了数值模拟。王继仁等[26]构建了CH4吸附在煤表面的模型，采用量子化学密度泛函理论对构建的模型进行优化，得到了煤体吸附CH4的吸附能，并给出了煤与瓦斯突出的微观机理。该理论认为工作面围岩变化引起煤体破裂，导致瓦斯由吸附态变为游离态，形成大量游离瓦斯，为煤与瓦斯突出准备了条件。Zhang等[27]将突变级数法用于煤与瓦斯突出预测中，并认为煤与瓦斯突出是瓦斯和高地应力综合作用的结果。李树刚等[28]利用Mohr-Coulomb理论解释了顺煤层剪切带的形成机理，认为在煤层倾角接近剪切滑动的临界角时易产生薄煤区，进而在煤层厚度变化部位形成了高瓦斯含量、高瓦斯压力区域。顺煤层剪切带内发育的构造煤、高地应力、高瓦斯压力等因素是煤与瓦斯突出发生的主要原因。郭平等[29]认为煤与瓦斯突出是煤的构造、地应力和瓦斯等多个因素作用的结果，并采用数值模拟的方法分析了各个因素对突出的影响。李晓泉等[30，31]进行了扰动情况下煤与瓦斯突出的模拟试验，得出延期突出的机理，该理论认为在采掘活动结束的一段时间内，煤岩体应力重分布，大量瓦斯解吸为游离状态，由于卸压区硬岩的阻挡作用，游离态瓦斯不能及时释放。当有外力扰动时，卸压区煤岩可能发